Métodos experimentales para estudiar el control postural humano

Resumen

Este artículo presenta un marco experimental/analítico para estudiar el control postural humano. El protocolo proporciona procedimientos paso a paso para realizar experimentos de pie, medir la cinemática corporal y las señales cinéticas, y analizar los resultados para proporcionar información sobre los mecanismos subyacentes al control postural humano.

Resumen

Muchos componentes de los sistemas nervioso y musculoesquelético actúan en conjunto para lograr la postura humana estable y erguida. Se necesitan experimentos controlados acompañados de métodos matemáticos adecuados para entender el papel de los diferentes subsistemas involucrados en el control postural humano. Este artículo describe un protocolo para realizar experimentos de pie perturbados, adquirir datos experimentales y llevar a cabo el análisis matemático posterior, con el objetivo de comprender el papel del sistema musculoesquelético y el control central en el postura erguida. Los resultados generados por estos métodos son importantes, ya que proporcionan información sobre el control del equilibrio saludable, constituyen la base para la comprensión de la etiología del equilibrio deteriorado en pacientes y ancianos, y ayudan en el diseño de intervenciones para mejorar control postural y estabilidad. Estos métodos se pueden utilizar para estudiar el papel del sistema somatosensorial, la rigidez intrínseca de la articulación del tobillo y el sistema visual en el control postural, y también pueden extenderse para investigar el papel del sistema vestibular. Los métodos se deben utilizar en el caso de una estrategia de tobillo, donde el cuerpo se mueve principalmente sobre la articulación del tobillo y se considera un péndulo invertido de un solo enlace.

Introducción

El control postural humano se realiza a través de complejas interacciones entre los sistemas nervioso central y musculoesquelético¹. El cuerpo humano en pie es inherentemente inestable, sujeto a una variedad de perturbaciones internas (por ejemplo, respiración, latidos del corazón) y externas (por ejemplo, gravedad). La estabilidad se logra mediante un controlador distribuido con componentes centrales, reflejos e intrínsecos(Figura 1).

El control postural se logra mediante: un controlador activo, mediado por el sistema nervioso central (SNC) y la médula espinal, que cambia la activación muscular; y un controlador de rigidez intrínseca que resiste el movimiento articular sin cambios en la activación muscular(Figura 1). El controlador central utiliza información sensorial para generar comandos descendentes que producen fuerzas musculares correctivas para estabilizar el cuerpo. La información sensorial es transducida por los sistemas visual, vestibular y somatosensorial. Específicamente, el sistema somatosensorial genera información sobre la superficie de soporte y los ángulos de las articulaciones; visión proporciona información sobre el medio ambiente; y el sistema vestibular genera información sobre la velocidad angular de la cabeza, la aceleración lineal y la orientación con respecto a la gravedad. El controlador central de bucle cerrado funciona con largos retrasos que pueden estar desestabilizando². El segundo elemento del controlador activo es la rigidez del reflejo, que genera actividad muscular con latencia corta y produce pares que resisten el movimiento de las articulaciones.

Hay una latencia asociada con ambos componentes del controlador activo; consecuentemente, la rigidez intrínseca conjunta, que actúa sin demora, desempeña un papel importante en el control postural³. La rigidez intrínseca se genera por las propiedades pasivas viscoelásticas de los músculos contraunidos, los tejidos blandos y las propiedades inerciales de las extremidades, lo que genera pares resistivos instantáneamente en respuesta a cualquier movimiento articular⁴. No se entiende claramente el papel de la rigidez articular (rigidez intrínseca y refleja) en el control postural, ya que cambia con las condiciones de funcionamiento, definidas por la activación muscular^4,5,6 y la posición articular ^{4 , 7 , 8}, los cuales cambian con el cuerpo se balancean, inherentes a estar de pie.

La identificación de las funciones del controlador central y la rigidez articular en el control postural es importante, ya que proporciona la base para: el diagnóstico de la etiología de las deficiencias del equilibrio; el diseño de intervenciones específicas para los pacientes; evaluación del riesgo de caídas; el desarrollo de estrategias para la prevención de caídas en las personas mayores; y el diseño de dispositivos de asistencia como la ortesis y las prótesis. Sin embargo, es difícil, porque los diferentes subsistemas actúan juntos y sólo se puede medir la cinemática corporal resultante general, los pares de torsión articular y la electromiografía muscular.

Por lo tanto, es esencial desarrollar métodos experimentales y analíticos que utilicen las variables posturales medibles para evaluar la contribución de cada subsistema. Una dificultad técnica es que la medición de las variables posturales se realiza en bucle cerrado. Como resultado, las entradas y salidas (causa y efecto) están interrelacionadas. En consecuencia, es necesario: a) aplicar perturbaciones externas (como insumos) para evocar reacciones posturales en las respuestas (como salidas), y b) emplear métodos matemáticos especializados para identificar modelos de sistema y desenredar causa y efecto⁹.

El presente artículo se centra en el control postural cuando se utiliza una estrategia de tobillo, es decir, cuando los movimientos ocurren principalmente sobre la articulación del tobillo. En esta condición, la parte superior del cuerpo y las extremidades inferiores se mueven juntas, por lo tanto, el cuerpo se puede modelar como un péndulo invertido de un solo enlace en el plano sagital¹⁰. La estrategia del tobillo se utiliza cuando la superficie de soporte es firme y las perturbaciones son pequeñas^1,11.

En nuestro laboratorio¹²se ha desarrollado un aparato de pie capaz de aplicar perturbaciones sensoriales mecánicas (proprioceptivas) y visuales adecuadas y registrar la cinemática corporal, la cinética y las actividades musculares. El dispositivo proporciona el entorno experimental necesario para estudiar el papel de la rigidez del tobillo, los mecanismos de control central y sus interacciones mediante la generación de respuestas posturales utilizando estímulos visuales o/y somatosensoriales. También es posible extender el dispositivo para estudiar el papel del sistema vestibular mediante la aplicación de estimulación eléctrica directa a los procesos mastoideos, que puede generar una sensación de velocidad de la cabeza y evocar respuestas posturales^12,13 .

Otros también han desarrollado dispositivos similares para estudiar el control postural humano, donde los actuadores eléctricos piezoeléctricos lineales^11,los motores eléctricos rotativos^14,15y los motores eléctricos lineales^{16,17 , 18} se utilizaron para aplicar perturbaciones mecánicas en el tobillo de pie. También se han desarrollado dispositivos más complejos para estudiar el control postural multisegmento, donde es posible aplicar múltiples perturbaciones a las articulaciones del tobillo y la cadera simultáneamente^19,20.

Aparato de pie

Dos actuadores rotativos electrohidráulicos servocontrolados mueven dos pedales para aplicar perturbaciones controladas de la posición del tobillo. Los actuadores pueden generar grandes pares (>500 Nm) necesarios para el control postural; esto es especialmente importante en casos como la inclinación hacia adelante, donde el centro de masa del cuerpo está lejos (anterior) del eje del tobillo de rotación, lo que resulta en grandes valores de torsión del tobillo para el control postural.

Cada actuador rotativo es controlado por una servoválvula proporcional separada, utilizando la retroalimentación de la posición del pedal, medida por un potenciómetro de alto rendimiento en el eje del actuador(Tabla de materiales). El controlador se implementa utilizando un sistema de procesamiento de señal digital en tiempo real xPC basado en MATLAB. El actuador/servoválvula juntos tienen un ancho de banda de más de 40 Hz, mucho mayor que el ancho de banda del sistema de control postural general, rigidez de la articulación del tobillo y el controlador central^21.

Dispositivo de realidad virtual y entorno

Un casco de realidad virtual (VR)(Tabla de materiales)se utiliza para perturbar la visión. El auricular contiene una pantalla LCD (doble pantalla AMOLED de 3,6'' con una resolución de 1080 x 1200 píxeles por ojo) que proporciona al usuario una vista estereoscópica de los medios enviados al dispositivo, ofreciendo una percepción de profundidad tridimensional. La frecuencia de actualización es de 90 Hz, suficiente para proporcionar un sentido virtual sólido a los usuarios²². El campo de visión de la pantalla es de 110o, suficiente para generar perturbaciones visuales similares a las situaciones del mundo real.

El auricular realiza un seguimiento de la rotación de la cabeza del usuario y altera la vista virtual en consecuencia para que el usuario esté completamente inmerso en el entorno virtual; por lo tanto, puede proporcionar la retroalimentación visual normal; y también puede perturbar la visión girando el campo visual en plano sagital.

Mediciones cinéticas

La fuerza de reacción vertical se mide mediante cuatro células de carga, intercaladas entre dos placas debajo del pie(Tabla de materiales). El par del tobillo se mide directamente por transductores de par con una capacidad de 565 Nm y una rigidez torsional de 104 kNm/rad; también se puede medir indirectamente desde las fuerzas verticales transducidas por las células de carga, utilizando sus distancias al eje del tobillo de rotación^23,suponiendo que las fuerzas horizontales aplicadas a los pies en pie son pequeñas^2,24. El centro de presión (COP) se mide en plano sagital dividiendo el par del tobillo por la fuerza vertical total, medida por las células de carga²³.

Mediciones cinemáticas

El ángulo del pie es el mismo que el ángulo del pedal, porque cuando se utiliza una estrategia de tobillo, el pie del sujeto se mueve con el pedal. El ángulo del vástago con respecto a la vertical se obtiene indirectamente del desplazamiento lineal del vástago, medido por un buscador de rango láser(Tabla de Materiales)con una resolución de 50 m y anchura de banda de 750 Hz²⁵. El ángulo del tobillo es la suma de los ángulos del pie y del vástago. El ángulo del cuerpo con respecto a la vertical se obtiene indirectamente del desplazamiento lineal del punto medio entre las espinas ilíacas superiores superiores posteriores izquierda y derecha (PSIS), medido utilizando un buscador de rango láser(Tabla de Materiales)con una resolución de 100 m y anchura de banda de 750 Hz²³. La posición y la rotación de la cabeza se miden con respecto al sistema de coordenadas globales del entorno VR por las estaciones base del sistema VR que emiten pulsos infrarrojos (IR) cronometrados a 60 pulsos por segundo que son recogidos por los sensores IR de auriculares con sub-milímetros Precisión.

Adquisición de datos

Todas las señales se filtran con un filtro anti-aliasing con una frecuencia de esquina de 486.3 y luego muestreadas a 1000 Hz con alto rendimiento de 24 bits/8 canales, muestreo simultáneo, tarjetas de adquisición de señal dinámica(Tabla de materiales)con una dinámica dinámica alcance de 20 V.

Mecanismos de seguridad

Se han incorporado seis mecanismos de seguridad en el aparato de pie para prevenir lesiones a los sujetos; los pedales se controlan por separado y nunca interfieren entre sí. (1) El eje del actuador tiene una leva, que activa mecánicamente una válvula que desconecta la presión hidráulica si la rotación del eje supera los 20o de su posición horizontal. (2) Dos topes mecánicos ajustables limitan el rango de movimiento del actuador; estos se establecen en el rango de movimiento de cada sujeto antes de cada experimento. (3) Tanto el sujeto como el experimentador tienen un botón de pánico; pulsando el botón se desconecta la energía hidráulica de los actuadores y hace que se aflojen, por lo que se pueden mover manualmente. (4) Los pasamanos situados a ambos lados del sujeto están disponibles para proporcionar apoyo en caso de inestabilidad. (5) El sujeto lleva un arnés de cuerpo completo(Tabla de materiales),unido a barras transversales rígidas en el techo para apoyarlos en caso de caída. El arnés es flojo y no interfiere con el pie normal, a menos que el sujeto se vuelva inestable, donde el arnés evita que el sujeto caiga. En caso de caída, los movimientos del pedal se detendrán manualmente ya sea por el sujeto, utilizando el botón de pánico o por el experimentador. (6) Las servoválvulas detienen la rotación de los actuadores utilizando mecanismos a prueba de fallos en caso de interrupción del suministro eléctrico.

Protocolo

Todos los métodos experimentales han sido aprobados por la Junta de Etica de Investigación de la Universidad McGill y los sujetos firman consentimientos informados antes de participar.

1. Experimentos

NOTA: Cada experimento implica los siguientes pasos.

1. Prueba previa
   1. Preparar un esquema definido de todas las pruebas a realizar y hacer una lista de comprobación para la recopilación de datos.
   2. Proporcione al sujeto un formulario de consentimiento con toda la información necesaria, pídales que lo lean a fondo, respondan a cualquier pregunta y luego pídales que firmen el formulario.
   3. Registre el peso, la altura y la edad del sujeto.
2. Preparación del sujeto
   1. Medición de electromiografía
      1. Utilizar electrodos diferencialesindividuales (Tabla de Materiales)con una distancia entre electrodos de 1 cm para la medición de electromiografía (EMG) de los músculos del tobillo.
      2. Utilice un amplificador(Tabla de Materiales)con una ganancia total de 1000 y un ancho de banda de 20 a 2000 Hz.
      3. Para garantizar una alta relación señal-ruido (SNR) y una conversación cruzada mínima, localice y marque las áreas de fijación de electrodos de acuerdo con las directrices proporcionadas por el proyecto^{Seniam 26,}como se indica a continuación: (1) para el gastrocnemius medial (MG), la protuberancia más prominente de la músculo; (2) para el gastrocnemio lateral (LG), 1/3 de la línea entre la cabeza del peroné y el talón; 3) para soleus (SOL), 2/3 de la línea entre los cóndilos medios del fémur y el maleolus medial; (4) para tibialis anterior (TA), 1/3 de la línea entre la punta del peroné y la punta del maleolus medial.
      4. Afeitar las áreas marcadas con una maquinilla de afeitar y limpiar la piel con alcohol. Deje que la piel se seque bien.
      5. Afeitar una zona ósea en la rótula para el electrodo de referencia, y limpiar con alcohol.
      6. Pida al sujeto que se encuentre en una posición supina relajada.
      7. Coloque el electrodo de referencia en el área afinada de la rótula.
      8. Fije los electrodos uno por uno a las áreas arasadas de los músculos, usando cinta adhesiva de doble cara, teniendo cuidado de asegurarse de que los electrodos se fijan a la piel de forma segura.
      9. Después de colocar cada electrodo, pídale al sujeto que realice una contracción plantarflexing/dorsiflexing contra la resistencia y examine las formas de onda en un osciloscopio para asegurarse de que la señal EMG tiene un SNR alto. Si la señal SNR es pobre, mueva los electrodos hasta que se encuentre una ubicación con un SNR alto.
      10. Asegúrese de que los cables EMG no obstaculicen los movimientos del sujeto.
   2. Mediciones cinemáticas
      1. Coloque un marcador reflectante en el vástago con una correa, que se utilizará para la medición del ángulo del vástago.
         NOTA: Coloque el marcador de vástago tan alto como sea posible en el vástago para generar el desplazamiento lineal más grande posible para una rotación determinada, mejorando así la resolución angular.
      2. Que el sujeto se ponga el arnés del cuerpo.
      3. Coloque un marcador de reflejo en la cintura del sujeto con una correa, que se utilizará para la medición del ángulo del cuerpo superior. Asegúrese de que el marcador reflectante de la cintura se coloca en el punto medio entre el PSIS izquierdo y derecho y que la ropa del sujeto no cubre la superficie reflectante de la cintura.
      4. Que el sujeto se suba al aparato de pie.
      5. Ajuste la posición del pie del sujeto para alinear el maléola lateral y medial de cada pierna con el eje de rotación del pedal.
      6. Delinea las posiciones de los pies del sujeto con un marcador e indícales que mantengan los pies en los mismos lugares durante los experimentos. Esto garantiza que los ejes de rotación de tobillos y actuadores permanezcan alineados a lo largo de los experimentos.
      7. Ajuste la posición vertical de los buscadores de rango láser para que apunten al centro de los marcadores reflectantes. Ajuste la distancia horizontal entre el buscador de rango láser y los marcadores reflectantes, de modo que los buscadores de rango trabajen en su rango medio y no se satumen durante la posición silenciosa.
      8. Pida al sujeto que se incline hacia adelante y hacia atrás alrededor del tobillo y asegúrese de que los láseres permanezcan dentro de su rango de trabajo.
      9. Mida la altura de los buscadores de rango láser con respecto al eje del tobillo de rotación.
         NOTA: Estas alturas se utilizan para convertir desplazamientos lineales en ángulos.
   3. Protocolos experimentales
      1. Informar al sujeto de qué esperar para cada condición de ensayo.
      2. Instruya al sujeto a permanecer en silencio con las manos a un lado mientras mira hacia adelante, y a mantener su equilibrio como lo hacen, cuando se enfrentan a las perturbaciones del mundo real.
      3. Para las pruebas perturbada, iniciar la perturbación y permitir que el sujeto se adapte a ella.
      4. Inicie la adquisición de datos una vez que el sujeto haya establecido un comportamiento estable.
      5. Proporcione al sujeto un período de descanso suficiente después de cada ensayo para evitar la fatiga. Comuníquese con ellos para ver si necesitan más tiempo.
      6. Realice las siguientes pruebas.
         1. Para la prueba del aparato, realice una prueba de 2 minutos para examinar los datos del sensor 2 h antes de la llegada del sujeto. Busque ruidos o desplazamientos irregularmente grandes en los datos del sensor grabados. Si hay problemas, resuelvalos antes de que llegue el sujeto.
         2. Para una posición tranquila, realice una prueba de pie silenciosa de 2 minutos sin perturbaciones.
            NOTA: Este ensayo proporciona una referencia, necesaria para determinar si/cómo cambian las variables posturales en respuesta a las perturbaciones.
         3. Para experimentos perturbados, ejecute la perturbación y adquiera datos durante 2 x 3 minutos. Aplicar perturbaciones de pedal si el objetivo es investigar el papel del sistema somatosensorial/ rigidez del tobillo en la posición. Aplicar perturbaciones visuales si el objetivo es examinar el papel de la visión en el control postural. Aplicar perturbaciones visuales y pedales simultáneamente si el objetivo es examinar la interacción de los dos sistemas en el control postural.
            NOTA: Las perturbaciones del pedal se aplican como la rotación de los pedales del dispositivo de pie. Del mismo modo, las perturbaciones visuales se aplican girando el campo visual virtual, utilizando el casco de RV. El ángulo del campo de pedal/visual sigue una señal, seleccionada en función de los objetivos del estudio. La sección de discusión proporciona detalles sobre los tipos de perturbación, utilizados para el estudio del control postural y los méritos de cada perturbación.
      7. Realizar un mínimo de 3 ensayos para cada perturbación específica.
         NOTA: Se realizan varios ensayos para garantizar la fiabilidad de los modelos al realizar el análisis de los datos recopilados; por ejemplo, es posible validar los modelos.
      8. Realizar los ensayos en un orden aleatorio para asegurarse de que los sujetos no aprenden a reaccionar a una perturbación específica; esto también permite comprobar si hay un comportamiento que varía el tiempo.
      9. Compruebe los datos visualmente después de cada ensayo para asegurarse de que las señales adquiridas son de alta calidad.

2. Identificación del control postural humano

1. Identificación no paramétrica de la relación dinámica del ángulo corporal con las perturbaciones visuales
   1. Experimento
      1. Adquirir ensayos visualmente perturbados durante 2 min de acuerdo con los pasos de las secciones 1.1 y 1.2.
      2. Utilice una señal trapezoidal (TrapZ) con una amplitud de pico a pico de 0.087 rad y una velocidad de 0.105 rad/s.
      3. Mantenga la posición del pedal constante en el ángulo cero.
   2. Análisis
      NOTA: El análisis de datos en las secciones 2.1.2 y 2.2.2 se realiza utilizando MATLAB.
      1. Diezmar el ángulo del cuerpo crudo y las señales de perturbación visual (de modo que la frecuencia observable más alta sea 10 Hz), utilizando los siguientes comandos:
         
         
         Dónde
         
         
         
         NOTA: Para una frecuencia de muestreo de 1 kHz, la relación de diezma debe ser de 50 para tener una frecuencia más alta de 10 Hz.
      2. Elija la frecuencia de interés más baja, que determinará la longitud de la ventana para la estimación de potencia.
         NOTA: Aquí, se elige una frecuencia mínima de 0,1 Hz, por lo que la longitud de la ventana para la estimación de potencia es de 1/0,1 Hz a 10 s. La resolución de frecuencia es la misma que la frecuencia mínima y, por lo tanto, los cálculos se realizan para 0,1, 0,2, 0,3, ..., 10 Hz.
      3. Elija el tipo de ventana y el grado de superposición para encontrar los espectros de potencia.
         NOTA: Para una longitud de prueba de 120 s, las ventanas de Hanning de 10 s con superposición del 50% dan como resultado un promedio de 23 segmentos para la estimación del espectro de potencia. Puesto que diezmamos los datos a 20 Hz, una ventana de 10 s tiene una longitud de 200 muestras.
      4. Utilice la función para encontrar la respuesta de frecuencia (FR) del sistema:
         
         Dónde
         
         
         
         
         NOTA: La función presentada calcula el espectro cruzado entre la perturbación de RV diezmada y el ángulo del cuerpo en las frecuencias especificadas por , utilizando una ventana de Hanning con la longitud especificada y el número de solapamientos igual a (es decir, superposición del 50%). Del mismo modo, calcula el espectro automático de la entrada VR. A continuación, utilizando el espectro cruzado y el espectro automático estimados, calcula el FR del sistema.
      5. Encuentre la ganancia y la fase del FR estimado en el paso 2.1.2.4, utilizando los siguientes comandos:
         
         
         Dónde
         
         
      6. Calcule la función de coherencia utilizando el siguiente comando:
         
         Dónde
         
         NOTA: la función sigue un procedimiento similar en cuanto a encontrar la coherencia entre y .
      7. Trazar la ganancia, la fase y la coherencia en función de la frecuencia.
         
         
         
         NOTA: El método presentado se puede extender al caso en el que se aplican perturbaciones visuales y mecánicas, donde se debe utilizar un método de identificación FR de entrada múltiple y de salida múltiple (MIMO)⁹. La identificación también se puede realizar utilizando el método subespacial (que se ocupa intrínsecamente de los sistemas MIMO)²⁷ o utilizando métodos de función de transferencia paramétrica como MIMO Box-Jenkins²⁸. Tanto el subespacio como Box-Jenkins (y otros métodos) se implementan en la caja de herramientas de identificación del sistema MATLAB.
2. Identificación paramétrica de la rigidez intrínseca del tobillo en pie
   1. Experimento
      1. Realizar ensayos mecánicos perturbados durante 2 minutos Utilice una perturbación de secuencias binarias pseudoaleatorias (PRBS) con una amplitud de pico a pico de 0,02 rad y un intervalo de conmutación de 200 ms. Asegúrese de que el ángulo medio del pedal es cero.
   2. Análisis
      1. Diferenciar la señal del pieuna vez para obtener la velocidad del pie ( , dos veces para obtener la aceleración del pie ( y tres veces para obtener su tirón ( De manera similar diferenciar el par para obtener su velocidad y aceleración, utilizando lo siguiente Comando:
         
         Dónde
         
         
         
      2. Calcular la ubicación de la máxima local y mínimo local de la velocidad del pie para localizar pulsos, utilizando el siguiente comando:
         
         
         Dónde
         
         
         
         
         NOTA: la función encuentra todos los máximos locales (velocidad positiva del pie) y sus ubicaciones. Para encontrar el mínimo local, se utiliza la misma función, pero el signo de la velocidad del ángulo del pie debe invertirse.
      3. Diseñe un filtro de paso bajo Butterworth de^8o orden con una frecuencia de esquina de 50 Hz, utilizando el siguiente comando:
         
         
         
         
         
      4. Filtra todas las señales con desplazamiento de fase cero usando el filtro Butterworth:
         
         
         
         NOTA: La función "filtfilt" no provoca ningún cambio en la señal filtrada. No utilice la función "filtro", porque genera un desplazamiento.
      5. Trazar la velocidad del pie, y encontrar visualmente una estimación del período de tiempo entre el extremo de la velocidad del pie y el inicio del pulso (que es el primer punto con velocidad de pie cero antes de la velocidad máxima). Para la perturbación en este estudio, este punto ocurrió 25 ms antes de la velocidad extrema encontrada en el paso 2.2.2.2.
      6. Para cada pulso, calcular el par de fondo del tobillo como la media del par del tobillo de 25 ms antes del inicio del pulso, es decir, la media del par en el segmento que comienza 50 ms hasta 25 ms antes de la velocidad extrema. Haga esto para el pulso k^th con una velocidad positiva utilizando el siguiente comando:
         
         
         
         NOTA: Esto se hace tanto para las velocidades máximas como mínimas (velocidad negativa del pie) que se encuentran en el paso 2.2.2.2.
      7. Encuentre el mínimo y el máximo de todos los pares de fondo para todos los pulsos, utilizando el siguiente comando:
         
         
      8. Para cada pulso, extraiga los datos de par de 65 ms después del inicio del pulso (como el segmento de par intrínseco), utilizando el siguiente comando:
         
         
         NOTA: Esto también se hace para la primera y segunda derivada del par del tobillo (para proporcionar la primera y segunda derivación del par intrínseco), así como, ángulo del pie, velocidad del pie, aceleración del pie, y tirón del pie.
      9. Calcular el cambio en el segmento de par intrínseco k^th a partir de su valor inicial, utilizando el siguiente comando:
         
         NOTA: Esto se hace deforma similar para que el ángulo del pie obtenga .
      10. Divida el rango de par (obtenido en el paso 2.2.2.7) en contenedores anchos de 3 Nm y encuentre los pulsos con par de fondo en cada contenedor.
          NOTA: Esto se hace usando la función"buscar" y la indexación. Se supone que la rigidez intrínseca es constante en cada contenedor, ya que el par de fondo del tobillo no cambia significativamente.
      11. Estimar los parámetros de rigidez intrínseca del modelo intrínseco extendido (EIM)²⁹, para el bin j^th utilizando los pulsos del grupo j ().
          1. Concatenar todas las respuestas de par intrínseco en el bin j^th para formar el vector:
             
             donde está larespuesta de par intrínseco i^th ( ) en el grupo j.
             NOTA: Del mismo modo, concatenar el ángulo del pie, la velocidad y la aceleración, y la primera y segunda derivada del par intrínseco del grupo j^th que se utilizará en el paso 2.2.2.11.2.
          2. Coloque el ángulo del pie, la velocidad, la aceleración y el tirón, así como la primera y segunda derivada del par del grupo j para formar la matriz regresora:
             
          3. Busque los parámetros de rigidez intrínseca para el grupo j^th utilizando el operador de barra invertida:
             
          4. Extraiga el cuarto elemento de larigidez intrínseca de baja frecuencia.
      12. Realice los pasos de la sección 2.2.2.11 para todos los grupos (bins) y calcule la rigidez intrínseca de baja frecuencia correspondiente.
      13. Divida todos los valores estimados de rigidez de baja frecuencia por la rigidez crítica del sujeto:
          
          donde m es la masa del sujeto, g es la aceleración gravitacional, y es la altura del centro de masa del cuerpo por encima del eje del tobillo de rotación, derivado de datos antropométricos³⁰. Esto da la rigideznormalizada ( ).
      14. Convierta el par de fondo deltobillo en la posición COP de fondo del tobillo ( ) dividiendo los pares de fondo del tobillo con las fuerzas verticales medidas correspondientes.
      15. Trazar en función del centro de presión.
          
          Dónde
          
          

Resultados

Pseudo secuencia ternaria aleatoria (PRTS) y señales TrapZ

La Figura 2A muestra una señal PRTS, que se genera integrando un perfil de velocidad pseudoaleatorio. Para cada tiempo de muestra, la velocidad de la señal puede ser igual a c...

Discusión

Varios pasos son críticos en la realización de estos experimentos para estudiar el control postural humano. Estos pasos están asociados con la medición correcta de las señales e incluyen: 1) Alineación correcta del eje del tobillo del vástago de rotación al de los pedales, para la correcta medición de los pares de tobillo. 2) Configuración correcta de los buscadores de rango para asegurarse de que funcionan en su rango y no están saturados durante los experimentos. 3) Medición de EMG con buena calidad y míni...

Materiales

Name	Company	Catalog Number	Comments
5K potentiometer	Maurey	112P19502	Measures actuator shaft angle
8 channel Bagnoli surface EMG amplifiers and electrodes	Delsys		Measures the EMG of ankle muscles
AlienWare Laptop	Dell Inc.	P69F001-Rev. A02	VR-ready PC laptop
Data acquisition card	National instruments	4472	Samples the analogue signals from the sensors
Directional valve	REXROTH	4WMR10C3X	Bypasses the flow if the angle of actuator shaft goes beyond ±20°
Full body harness	Jelco	740	Protect the subjects from falling
Laser range finder	Micro-epsilon 1302-100	1507307	Measures shank linear displacement
Laser range finder	Micro-epsilon 1302-200	1509074	Measures body linear displacement
Load cell	Omega	LC302-100	Measures vertical reaction forces
Proportional servo-valve	MOOG	D681-4718	Controls the hydraulic flow to the rotary actuators
Rotary actuator	Rotac	26R21VDEISFTFLGMTG	Applies mechanical perturbations
Torque transducer	Lebow	2110-5k	Measures ankle torque
Virtual Environment Motion Trackers	HTC inc.	1551984681	Tracks the head motion
Virtual Reality Headset	HTC inc.	1551984681	Provides visual perturbations