Méthode pour mesurer tonicité des muscles axiaux et proximaux

Résumé

Nous avons développé un dispositif (Twister) pour étudier la régulation de l'activité musculaire tonique posturale lors de la maintenance active. Twister mesures de résistance à la torsion et réponses musculaires chez des sujets debout pendant de torsion de l'axe du corps. L'appareil peut être configuré de manière flexible pour étudier divers aspects du contrôle tonique dans le cou, le tronc, et / ou les hanches.

Résumé

Le contrôle de l'activité musculaire tonique reste mal comprise. Si la tonalité anormale est communément évaluée cliniquement par la mesure de la résistance passive des membres détendus ^1, pas de systèmes sont disponibles pour étudier le contrôle des muscles toniques dans un état ​​naturel, active de soutien antigravité. Nous avons développé un dispositif (Twister) pour étudier la régulation tonique des muscles axiaux et proximaux lors de l'entretien posturale actifs (c'est à dire la posture la tonalité). Twister tourne régions du corps axiale par rapport à l'autre sur l'axe vertical au cours attitude, afin de tordre les régions cou, du tronc ou de la hanche. Cette torsion impose des changements de longueur axiale sur les muscles sans changer la relation du corps à la gravité. Parce que Twister ne fournit pas de soutien postural, le ton doit être réglementé pour contrecarrer les couples gravitationnels. Nous quantifions ce règlement tonique par le couple rétive à la torsion, ce qui reflète l'état de tous les muscles subissent des changements de longueur, ainsi que par électromyographie demuscles concernés. Parce que le ton est caractérisée par de longue durée l'activité musculaire de faible niveau, le contrôle tonique est étudié avec des mouvements lents qui produisent «tonique» des changements dans la longueur du muscle, sans évoquer rapide "phasique" réponses. Twister peut être reconfiguré pour étudier divers aspects de la tonicité musculaire, comme co-contraction, la modulation tonique pour les changements de posture, des interactions entre les segments du corps tonique, ainsi que les seuils de perception de ralentir la rotation axiale. Twister peut également être utilisé pour fournir une mesure quantitative des effets de la maladie sur le tonus postural axiale et proximale et d'évaluer l'efficacité de l'intervention.

Protocole

1. Présentation

Twister est un dispositif à servocommande pour quantifier le tonus postural dans les régions du corps axiale et proximale pendant la phase active, la position debout. Le dispositif original a été construit à l'Oregon Health & Science University et d'un dispositif similaire est en cours de construction pour l'Université de Southampton, Royaume-Uni. Dans ce rapport, nous décrivons la fonction et la raison d'être de Twister et ses diverses utilisations. Nous avons ensuite fournir une description détaillée afin de faciliter sa reproduction et de montrer comment elle peut être utilisée pour étudier le contrôle du tonus postural.

2. Aperçu

Twister est constitué d'un châssis en acier rigide, plate-forme pivotante, capteur de couple, système de suspension à contrepoids, fixations supérieures et inférieures, et les pièces jointes du corps (fig. 1), ainsi que d'un système de servocommande pour réguler la rotation plate-forme. Twister quantifie tonus postural chez des sujets debout en tournant les segments du bas du corps autour de l'axe vertical par rapport aux segments supérieurs. Cette rebondissements de la région entre les deux, en changeant la longueur des muscles à l'intérieur. Fixations supérieures et inférieures peuvent être attachés à transmettre de torsion pour les régions du cou, du tronc ou de la hanche (Fig 2). Parce que Twister ne fournit pas de soutien postural, l'activité tonique du muscle squelettique est nécessaire pour contrecarrer les couples gravitationnels. Ce règlement tonique est étudié par la résistance à la torsion à la torsion ainsi que l'électromyographie des muscles concernés. Résistance à la torsion est évaluée par un capteur de couple au sein de la fixation supérieure et reflète l'état de tous les muscles subissent des changements de longueur. Twister utilise plusieurs r plate-forme différenteotation pour étudier les profils de contrôle tonique, y compris un profil triangulaire, profil en escalier, et le profil triangulaire d'amplitude croissante (Fig. 3). Ces tourner la plate-forme à une vitesse constante lente, ce qui minimise les effets d'inertie sur le sujet et de mesure.

Nous utilisons une perturbation torsion autour de l'axe vertical, car il: 1) les changements de la longueur des muscles axiaux et proximaux, car ces structures sont orientées obliquement et ont de larges origines anatomiques et insertions; 2) ne modifie pas la relation de l'ensemble du corps et ses parties à la gravité; 3) tourne le corps autour d'un axe du moment d'inertie minimale ²; 4) correspond à une zone neutre ^3,4, De sorte que la résistance des petits déplacements de la position face vers l'avant plutôt que reflète musculaires ostéo-ligamentaire forces et 5) se trouve naturellement dans les activités quotidiennes ^3,5.

Twister est un dispositif souple qui peut être utilisé pour traiter divers aspects du contrôle tonique. Il s'agit notamment: 1) la raideur liées à l'activité tonique ^6-8, 2) les réponses toniques à des changements de longueur musculaire ^6,8. 3) l'effet de torsion sur les régions du corps à distance, les effets toniques 4) à partir des informations kinesthésiques ⁹; 5) les effets de la maladie sur le tonus postural ^7,10, Et 6) les seuils de perception à la rotation lente ¹¹.

3. Description détaillée du dispositif de

Nous détaillons les composantes de Twister ci-dessous.

Plate-forme pivotante Sujets debout sur une plate-forme qui tourne ± 20 ° sur un roulement sur l'axe vertical (fig. 1, 4A). Un puissances moteur électrique présente un ratio de rotation au disque qui atteint des vitesses de plateforme entre 0,5 ° / s et 5 ° / s et un couple élevé. Twister tourne le bas du corps dans l'espace, plutôt que le haut du corps pour éliminer les signaux vestibulaires qui pourraient perturber la position tranquille.
1. Un système de courroie et la poulie est utilisée pour la réduction de disque, ce qui amortit les vibrations et élimine des cils qui peuvent interférer avec la mesure de couple. La vibration est minimisé car il peut cue le sujet sur le mouvement de plateforme.
2. Pour la sécurité, les arrêts brusques sont utilisés pour limiter le déplacement maximal plateforme.
3. Un codeur optique (Hewlett-Packard HEDS-5540) fixé à l'arbre plateforme rapports déplacement en rotation pour les deux servo-contrôle et analyse de données.
   
Cadre
Une rigide, cadre en acier (1.5mx 1.5mx 3m) avec contreventements en diagonale crée une haute rigidité de torsion entre l'Assemblée et de plate-forme de capteur de couple, nécessaire pour la mesure de couple précise.
Haute et du système de suspension La fixation supérieure et léger, système de suspension contrebalancée relier le bord supérieur de la région tordu pour le châssis (figure 4B). Un capteur de couple (Futek TFF220, Irvine, CA) positionné dans la fixation supérieure de mesurer la résistance d'un sujet à la rotation.
4. Le système de suspension se compose de quatre plaques d'aluminium rectangulaires qui sont alternativement charnières le long des axes antéro-postérieur et médio-latérale. Cela crée une grande rigidité en rotation autour de l'axe vertical (590 Nm / °), afin de mesurer avec précision le couple, sans entraver les mouvements dans d'autres dimensions. En particulier, la faible rigidité de la traduction en x, y, et z (0,25 N / cm) assure sujets de maintenir la stabilité posturale eux-mêmes et empêche la fixation supérieure de fournir une référence spatiale. Cela permet aussi à chacun de maintenir leurs propres, la posture verticale unique sans affecter le mouvement postural dans le plan horizontal.
5. Ressorts agir pour contrecarrer le poids du système de suspension.
6. Un palier vertical (Fig 1, 4B) est utilisé pour ajuster la fixation supérieure à la hauteur de l'objet.
   
Fixation inférieure Une fixation inférieure relie le bord inférieur de la région tordue vers la plate-forme tournante. Segments du corps en dessous de la fixation inférieure tourner avec la plate-forme.
7. La fixation inférieure se compose d'une barre télescopique léger qui est connecté à la plate-forme tournante. Une charnière relie la barre télescopique à la plateforme pour permettre antéro-postérieur balancement postural.
   
Trois pièces jointes sont utilisées avec Twister: un casque léger, d'un harnais d'épaule et d'une orthèse du bassin, qui peuvent chacun être solidement fixées au corps (Fig. 2).
8. Pour tordre le cou, attachez le casque dessus et ci-dessous des épaules.
9. Pour tordre le tronc attacher les épaules au-dessus et le bassin-dessous
10. Pour tourner les hanches attachent le bassin ci-dessus. Dans ce cas, la torsion est localisée à la rotation interne et externe de la hanche comme les pieds, le jarret et la cuisse en rotation de la plate-forme.
    
La fixation externe Une troisième, la fixation externe peut être utilisé pour tordre une région du corps tout en mesurant le couple produit par un autre. Parce que le dernier segment est stationnaire, le couple mesuré n'est pas résistive, mais provient de forces musculaires au sein du segment, potentiellement induits de se tordre à distance.
11. La fixation externe est constitué d'une barre télescopique léger qui empêche le segment connecté en rotation autour de l'axe vertical. Une charnière entre la barre et le châssis permet antéro-postérieur balancement postural.
12. Fig 4C montre la configuration de mesure de couple de torsion du tronc cou pendant. Alternativement, le couple du cou, en réponse à la torsion de la hanche peut être évaluée en se connectant au bassin de la fixation externe.
13. Un forceplate standard peut être placé entre les pieds des sujets et plate-forme tournante, pour mesurer simultanément couple résistant dans le segment des tordus. Cette forceplate peut également être utilisé pour quantifier le balancement postural lors de la torsion.
    
L'asservissement de la rotation plateforme Une coutume construite en temps réel du système de servo-commandes de rotation plate-forme. Ce régulateur PID matériel émet un signal d'entraînement du moteur basé sur une plate-forme de signal de position du codeur optique et la rotation désirée (voir figure 7). Un programme PC interfaces personnalisées avec le contrôleur matériel de préciser le profil souhaité temporelle de rotation plate-forme et engager un procès.
14. Le contrôleur génère trois profils de rotation plate-forme. Sélectionnez le profil triangle pour alterner entre vitesse constante dans le sens horaire et anti-horaire de rotation (fig. 3, oligo-1). Utilisez le profil étape pour atteindre la rotation discontinu (fig. 3, oligo-2). La rotation peut aussi être conduit avec un profil triangulaire que l'augmentation de l'amplitude dans les cycles (fig. 3, oligo-3).
15. Pour tous les profils, la rotation est lissée pour limiter l'accélération à 12 ° / s ² Lors de l'initiation mouvement et des changements directionnels.

4. Protocole expérimental

Une expérience typique est exécuté comme suit:

1. Placer le corps des pièces jointes (casque-dire, des bretelles de sécurité ou une orthèse du bassin) sur les segments souhaité, en s'assurant qu'ils soient bien serrés et il n'y a pas de jeu de torsion.
2. Régler la hauteur du palier linéaire de sorte que la fixation supérieure est à la même hauteur que l'attachement au corps correspondant.
3. Régler la fixation inférieure à l'aide de la barre télescopique pour correspondre à la hauteur de l'attache inférieure du corps.
4. Demandez au sujet de se tenir sur la plate-forme tournante, vers l'avant.
5. Attacher les fixations supérieures et inférieures aux pièces jointes corps correspondant, réglages de positionnement afin couple nul est appliqué à l'objet en position de pré-procès.
6. Blindfold le sujet.
7. Demandez au sujet de se tenir détendu et de ne pas intervenir.
8. Sélectionner un gain de l'amplificateur pour le capteur de couple en fonction de quelle région du corps est tordu, afin de maximiser la plage dynamique de ce signal.
9. Réinitialiser la polarisation sur le capteur de couple.
10. Commencez oscillations de surface en lacet et d'enregistrement des données. Signaux de rotation du couple et de la plate-forme sont généralement enregistrées à 50 Hz en utilisant un logiciel d'acquisition de Spike 2 (Cambridge Electronic Devices, Cambridge, Royaume-Uni).
11. Initier tordre avec le profil de rotation plate-forme souhaitée. Dans le mouvement général devrait être lente et assez lisse afin que les sujets ne percevoir avec exactitude la torsion.

5. Les résultats représentatifs

résistif augmente généralement avec l'excursion plateforme, toutefois l'augmentation ralentit avec de grandes excursions. Résistance globale est généralement quantifiée par crête à crête de couple, en moyenne entre les cycles. 5A montre la figure réponses procès unique à travers des sujets de la résistance à la torsion de la rampe de vitesse constante pour le tronc. Nous avons observé des données reproductibles au fil des mois au sein d'un objet (figure 5B; coefficient de corrélation interclasse = 0,89). Résistance à la torsion moyenne diffère selon les segments du corps, et a été de 0,54 ± 0,24 Nm pour le cou, 5,11 ± 1,94 Nm pour le tronc et 3,23 ± 1,67 Nm pour les hanches ⁶ (Fig. 6). Il est important que la rotation plateforme est lisse et il n'ya pas de cils. Absence de cils est indiqué par des changements progressifs en couple lors des changements de direction et un changement rapide de couple dès le début, vraisemblablement due à courte portée rigidité des muscles (voir Fig 3A en Gurfinkel Et al. 6).

Le couple mesuré reflète à la fois les changements dynamiques dans le ton avec une torsion ainsi que la répartition de l'activité tonique de base (qui comprend la co-contraction). En raison de la lenteur de la torsion, l'augmentation du couple par degré est équivalent à rigidité intrinsèque ¹² Uniquement lorsque l'activité musculaire est constante. Notez que parce que les structures actives contribuent à la résistance mesurée Twister évalue techniquement pseudostiffness.

En général, deux types de réponses sont observées qui correspondent à l'activité tonique constante ou modulée dans la région tordu. Le premier est caractérisé par un faible cycle à cycle de variation du couple, grande amplitude de couple crête à crête, et relativement constant EMG. En revanche, la modulation dynamique est caractérisée par de hauts de cycle à cycle variabilité, une faible résistance à la torsion et l'EMG de modulation cohérente avec torsion. Sur les parcelles d'angle vs couple sujets non modulée présentent une boucle d'hystérésis régulière alors que les sujets ont modulé un motif irrégulier qui peut inverser la direction (voir Fig 3A en Gurfinkel Et al. 6 Dynamique de modulation consiste généralement en augmentant l'activité musculaire tonique durant le raccourcissement et la diminution de l'activité au cours allongement (à savoir les réactions de Sherrington allongement et le raccourcissement ¹³), Qui sont de signe opposé à le réflexe d'étirement. Une mesure d'intégration de l'ampleur de la modulation peut être obtenue par le déplacement d'un sujet neutre (zéro-couple) position dans un cycle, dénommé avance de phase de couple ^6,8.

Figure 1. de Twister de côté. Les composants sont étiquetés comme suit: 1) la plate-forme tournante, barre télescopique 2) pour fixation inférieure; 3) charnière d'articulation entre la barre inférieure télescopique et plate-forme tournante, 4) un casque attaché à la fixation supérieure; 5) capteur de couple et de système de suspension contrebalancée; 6) verrouillage vertical roulement linéaire; 7) de fixation externe pour la mesure de couple induit; 8) charnière d'articulation analogue à 3; cadre 9) rigide; 10) pour la croix diagonale de contreventement cadre rigide.

Figure 2. Torsion appliquée à des niveaux axiale et proximale. Sujets debout sur une plateforme rotative (jaune) avec des pièces jointes corps supérieur et inférieur apposé à transmettre de torsion pour la région du corps désiré. L'attache supérieure est connectée via un système de suspension (des lignes en zigzag) pour le capteur de couple (T), qui est fixe par rapport à la rotation autour de l'axe vertical. La fixation inférieur se connecte à la plate-forme tournante via un joint d'articulation (cercle noir) qui permet la rotation dans le plan sagittal du sujet. A: torsion du cou est réalisée en attachant un casque pour le capteur de couple et de l'épaule à la plate-forme. B: torsion du tronc est réalisée en attachant les épaules pour le capteur de couple et le bassin de la plateforme. C: torsion de la hanche est réalisé en fixant le bassin pour le capteur de couple.

Figure 3. Différents profils tordant. Divers profils peuvent être utilisés pour étudier des aspects spécifiques du contrôle tonique. La sortie du codeur optique spécifiant la rotation plate-forme est montré en Volts. Déflexion vers le haut correspond à une rotation anti-horaire plateforme vu de dessus. 1) le profil du triangle: Dans ce cas, la vitesse de rotation, l'excursion maximale et le nombre de cycles sont spécifiés. Deux cycles de 12 ° sont représentés. 2) en discontinu, le profil étape: Amplitude, vitesse et temps de la tenue d'une étape sont spécifiés. Deux cycles de 12 rotations °, composé de quatre personnes, 3 ° degrés étapes sont représentées. 3) Accroître les ondes triangle d'amplitude: deux cycles de chacune des 3 °, 6 ° et 9 ° sont représentés les rotations. Dans cet exemple le taux de rotation plateforme est constante pour toutes les conditions.

Figure 4. Photographie de Twister de côté. Fixation 4) inférieurs et orthèses bassin;; 1) plate-forme tournante, 2) l'assemblage du moteur et d'asservissement; 3) charnière d'articulation entre la barre inférieure télescopique et la plate-forme tournante 5) supérieure: A: Configuration pour le tronc se tordant de composants étiquetés comme suit bar 6) reliant la suspension de la fixation supérieure;; fixation et harnais d'épaule 7) capteur de couple et de système de suspension contrebalancée; 8) de fixation externe pour la mesure de couple induit; 9) à cadre rigide. B: Gros plan d'un capteur de couple et de système de suspension étiqueté comme suit: capteur de couple 1); 2-5) plaques d'aluminium léger et articulé. La charnière entre les plaques 2 et 3 tourne autour de l'axe antéro-postérieur, tandis que la charnière entre les plaques 4 et 5 est orientée autour de l'axe médio-latérale. 8) verrouillage vertical roulement linéaire; 9) casque léger et supérieure d'attachement. C: Configuration pour tordre le tronc, mais de mesurer l'effet de torsion sur le cou. Dans cette configuration, le bassin est fixé àla plate-forme tournante (1) et les épaules sont connectés à la fixation externe (2), ce qui empêche les épaules, le cou et la tête de tourner, en restreignant tordre le tronc. La tête est également attaché à la fixation supérieure (3) de sorte que tout couple cou induite est appliquée sur le capteur de couple.

Figure 5. Résistance à la torsion du tronc. A) les traces du couple à partir des essais individuels de différents sujets. Trois cycles de 10 °, 1 ° / s ondes de triangle ont été utilisés. Les sujets ont un comportement de couple uniforme d'un cycle, avec de grandes variations dans la résistance entre les sujets. Traces avec la plus haute résistance sont typiques d'un comportement non modulée, tandis que les traces avec moins de résistance sont typiques de la modulation haute. B) inter-individuelle dans la répétabilité résistance à la torsion dans le temps. Deux mesures à partir de 7 sujets séparés par un mois. Couple tronc Pic-à-crête montre cohérente intra-sujet comportements à travers des sessions de test mais larges variations inter-sujets.

Figure 6. Couple agitée de différents niveaux axiale. Le couple résistant à 10 °, 1 ° / s pour les ondes triangle de la nuque, du tronc et les niveaux de la hanche. Simple procès d'un sujet représentatifs sont représentés. Notez l'ampleur différente et timecorse travers les niveaux.

Figure 7. d'asservissement. La boucle de contrôle est constitué d'un PID (proportionnelle, intégrale, dérivée) du contrôleur, qui reçoit d'entrée d'un codeur optique attaché à l'arbre plate-forme. Le contrôleur détermine le courant d'entraînement du moteur. Logiciels personnalisés fonctionnant sur un PC est utilisé pour sélectionner la trajectoire désirée plateforme, qui télécharge ensuite ces informations pour le contrôleur.

Discussion

Il est de notre avis que Twister peut être utilisé examinera les questions nombreuses dans le contrôle tonique. À ce jour, Twister a conduit à 7 publications telles ^6-11,14. Probablement la plus importante caractéristique de Twister est qu'il fournit un système intégré, mesure de cinétique de ton. Cette mesure de couple de ton n'est pas fournie par cinématique, dynamique inverse ou les approches électromyographiques, et est nécessaire pour répondre aux nombreuses questions concernant ton. En outre, Twister est unique en pas sensiblement interférer avec l'antigravité naturel ou comportement postural, et fournit un tonique, plutôt que d'une perturbation phasique.

Une utilisation potentielle de twister est la quantification des effets toniques de la maladie sur le tonus postural. Alors que la rigidité intrinsèque et le réflexe a été bien étudié pour de nombreuses maladies neurologiques et musculo-squelettiques en utilisant les perturbations rapide, l'effet quantitatif de nombreuses maladies sur le tonus postural n'est pas bien caractérisée. En particulier, Twister peut être used pour quantifier les effets des troubles tels que la rigidité ^7,10,14, hypotonie, dystonie, et douleurs au dos et au cou de l'ampleur, la distribution et la symétrie du tonus postural long de l'axe du corps. Il peut également être utilisé pour mesurer kinesthésie axial, p.ex., la perception de rotation du corps repose sur les propriocepteurs des muscles et la symétrie perceptuomotor ^11, par exemple, la représentation de tout droit pendant torsion axiale ^14. Enfin, Twister peut être utilisé pour étudier l'effet des interventions sur ces mesures du tonus postural axial ^8.

Nous estimons le coût de l'embauche une firme d'ingénierie pour fabriquer Twister est d'environ $ 30.000 américains. Cet appareil peut vraisemblablement être fabriqués en interne pour une fraction de ce coût, comme le prix des matières premières est faible, mais significative de fabrication est nécessaire. Tout au long de son utilisation, Twister a beaucoup évolué et continue de le faire. Il ya beaucoup de questions fondamentales qui peuvent être abordés avec Twister. Nous espérons que cetterapport aidera d'autres enquêteurs construire des dispositifs Torsion ou stimuler la recherche dans ce domaine fondamental mais mal compris.

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