Méthodes expérimentales pour étudier le contrôle postural humain

Résumé

Cet article présente un cadre expérimental/analytique pour étudier le contrôle postural humain. Le protocole fournit des procédures étape par étape pour effectuer des expériences debout, mesurer la cinématique du corps et les signaux cinétiques, et analyser les résultats pour fournir un aperçu des mécanismes sous-jacents au contrôle postural humain.

Résumé

De nombreuses composantes des systèmes nerveux et musculo-squelettique agissent de concert pour atteindre la posture stable et droite de l'homme. Des expériences contrôlées accompagnées de méthodes mathématiques appropriées sont nécessaires pour comprendre le rôle des différents sous-systèmes impliqués dans le contrôle postural humain. Cet article décrit un protocole pour effectuer des expériences debout perturbées, acquérir des données expérimentales, et effectuer l'analyse mathématique suivante, dans le but de comprendre le rôle du système musculo-squelettique et le contrôle central dans l'homme posture verticale. Les résultats générés par ces méthodes sont importants, car ils fournissent un aperçu du contrôle de l'équilibre sain, forment la base pour comprendre l'étiologie de l'équilibre altéré chez les patients et les personnes âgées, et l'aide dans la conception d'interventions pour améliorer contrôle postural et stabilité. Ces méthodes peuvent être employées pour étudier le rôle du système somatosensory, de la rigidité intrinsèque de l'articulation de cheville, et du système visuel dans le contrôle postural, et peuvent également être étendues pour étudier le rôle du système vestibulaire. Les méthodes doivent être utilisées dans le cas d'une stratégie de cheville, où le corps se déplace principalement sur l'articulation de la cheville et est considéré comme un pendule inversé à un seul lien.

Introduction

Le contrôle postural humain est réalisé par des interactions complexes entre les systèmes nerveux central et musculo-squelettique¹. Le corps humain debout est intrinsèquement instable, soumis à une variété de perturbations internes (p. ex. respiration, battements cardiaques) et externes (p. ex. gravité). La stabilité est obtenue par un contrôleur distribué avec des composants centraux, réflexes et intrinsèques (figure 1).

Le contrôle postural est réalisé par : un contrôleur actif, médié par le système nerveux central (SNC) et la moelle épinière, qui modifie l'activation musculaire ; et un contrôleur de rigidité intrinsèque qui résiste aux mouvements articulaires sans changement dans l'activation musculaire (Figure 1). Le contrôleur central utilise des informations sensorielles pour générer des commandes descendantes qui produisent des forces musculaires correctives pour stabiliser le corps. L'information sensorielle est transdulée par les systèmes visuels, vestibulaires et somatosensoriels. Plus précisément, le système somatosensoriel génère des informations sur la surface de support et les angles articulaires; la vision fournit de l'information sur l'environnement; et le système vestibulaire génère des informations concernant la vitesse angulaire de la tête, l'accélération linéaire et l'orientation par rapport à la gravité. Le contrôleur central en boucle fermée fonctionne avec de longs retards qui peuvent être déstabilisants². Le deuxième élément du contrôleur actif est la rigidité réflexe, qui génère une activité musculaire avec une latence courte et produit des couples résistant au mouvement articulaire.

Il y a une latence associée aux deux composants du contrôleur actif ; par conséquent, la rigidité intrinsèque commune, qui agit sans délai, joue un rôle important dans le contrôle postural³. La rigidité intrinsèque est générée par les propriétés visco-élastiques passives des muscles contractants, des tissus mous et des propriétés inertielles des membres, qui génère des couples résistifs instantanément en réponse à n'importe quel mouvement articulaire⁴. Le rôle de la raideur articulaire (rigidité intrinsèque et réflexe) dans le contrôle postural n'est pas clairement compris, car il change avec les conditions de fonctionnement, définies par l'activation musculaire^4,5,6 et la position articulaire ^{4 ( en} plus) ^{, 7 Annonces , 8}, qui changent tous les deux avec l'emprise du corps, inhérentà à la position debout.

Il est important d'identifier les rôles du contrôleur central et la rigidité articulaire dans le contrôle postural, car il fournit la base pour : diagnostiquer l'étiologie des affaiblissements d'équilibre ; la conception d'interventions ciblées pour les patients; l'évaluation du risque de chute; l'élaboration de stratégies de prévention des chutes chez les personnes âgées; et la conception de dispositifs d'assistance tels que les orthèses et les prothèses. Cependant, il est difficile, parce que les différents sous-systèmes agissent ensemble et seulement la cinématique globale résultante du corps, les couples articulaires, et l'électromyographie musculaire peuvent être mesurées.

Par conséquent, il est essentiel de développer des méthodes expérimentales et analytiques qui utilisent les variables posturales mesurables pour évaluer la contribution de chaque sous-système. Une difficulté technique est que la mesure des variables posturales se fait en boucle fermée. Par conséquent, les entrées et les extrants (cause et effet) sont interdépendants. Par conséquent, il est nécessaire d'appliquer des perturbations externes (comme intrants) pour évoquer des réactions posturales dans les réponses (comme les extrants), et b) d'utiliser des méthodes mathématiques spécialisées pour identifier les modèles du système et démêler la cause et l'effet⁹.

Le présent article se concentre sur le contrôle postural quand une stratégie de cheville est employée, c'est-à-dire, quand les mouvements se produisent principalement au sujet de l'articulation de cheville. Dans cet état, le haut du corps et les membres inférieurs se déplacent ensemble, par conséquent, le corps peut être modélisé comme un pendule inversé à un seul maillon dans le plan sagittal¹⁰. La stratégie de cheville est utilisée lorsque la surface de soutien est ferme et les perturbations sont petites^1,11.

Un appareil permanent capable d'appliquer des perturbations sensorielles mécaniques (proprioceptives) et visuelles appropriées et d'enregistrer la cinématique corporelle, la cinétique et les activités musculaires a été développé dans notre laboratoire¹². Le dispositif fournit l'environnement expérimental nécessaire pour étudier le rôle de la raideur de la cheville, les mécanismes de contrôle central, et leurs interactions en générant des réponses posturales en utilisant des stimuli visuels ou / et somatosensorielles. Il est également possible d'étendre le dispositif pour étudier le rôle du système vestibulaire par l'application de la stimulation électrique directe aux processus mastoïdes, qui peuvent générer une sensation de vitesse de la tête et évoquer des réponses posturales¹²,¹³ .

D'autres ont également développé des dispositifs similaires pour étudier le contrôle postural humain, où les actionneurs électriques linéaires piezo¹¹, les moteurs électriques rotatifs^14,15, et les moteurs électriques linéaires^{16,17 , 18} ont été utilisés pour appliquer des perturbations mécaniques à la cheville en position debout. Des dispositifs plus complexes ont également été développés pour étudier le contrôle postural multisegment, où il est possible d'appliquer de multiples perturbations aux articulations de la cheville et de la hanche simultanément^19,20.

Appareil permanent

Deux actionneurs rotatifs électrohydrauliques contrôlés par servo déplacent deux pédales pour appliquer des perturbations contrôlées de la position de la cheville. Les actionneurs peuvent générer de grands couples (500 Nm) nécessaires pour le contrôle postural; ceci est particulièrement important dans les cas tels que le maigre vers l'avant, où le centre du corps de masse est loin (antérieur) de l'axe de cheville de rotation, ayant pour résultat de grandes valeurs du couple de cheville pour le contrôle postural.

Chaque actionneur rotatif est contrôlé par une soupape de servo proportionnelle séparée, à l'aide de la rétroaction de position de la pédale, mesurée par un potentiomètre de haute performance sur l'arbre de l'actionneur (Tableau des matériaux). Le contrôleur est mis en œuvre à l'aide d'un système de traitement numérique du signal en temps réel xPC basé sur MATLAB. L'actionneur/servo-valve ensemble ont une bande passante de plus de 40 Hz, beaucoup plus grande que la bande passante du système global de commande posturale, la rigidité d'articulation de cheville, et le contrôleur central^21.

Dispositif de réalité virtuelle et environnement

Un casque de réalité virtuelle (VR)(Tableau des Matériaux)est utilisé pour perturber la vision. Le casque contient un écran LCD (double écran AMOLED 3.6' avec une résolution de 1080 x 1200 pixels par œil) qui fournit à l'utilisateur une vue stéréoscopique des médias envoyés à l'appareil, offrant une perception de profondeur tridimensionnelle. Le taux de rafraîchissement est de 90 Hz, suffisant pour fournir un sens virtuel solide aux utilisateurs²². Le champ de vision de l'écran est de 110 degrés, assez pour générer des perturbations visuelles similaires aux situations du monde réel.

Le casque suit la rotation de la tête de l'utilisateur et modifie la vue virtuelle en conséquence afin que l'utilisateur soit complètement immergé dans l'environnement virtuel ; par conséquent, il peut fournir la rétroaction visuelle normale ; et il peut également perturber la vision en tournant le champ visuel dans le plan sagittal.

Mesures cinétiques

La force de réaction verticale est mesurée par quatre cellules de charge, prises en sandwich entre deux plaques sous le pied(Tableau des Matériaux). Le couple de cheville est mesuré directement par des transducteurs de couple d'une capacité de 565 Nm et d'une rigidité de torsion de 104 kNm/rad; il peut également être mesuré indirectement à partir des forces verticales transduisées par les cellules de charge, en utilisant leurs distances à l'axe de cheville de la rotation²³, en supposant que les forces horizontales appliquées aux pieds debout sont petites^2,24. Le centre de pression (COP) est mesuré en plan sagittal en divisant le couple de la cheville par la force verticale totale, mesurée par les cellules de charge²³.

Mesures cinématiques

L'angle du pied est le même que l'angle de pédale, parce que quand une stratégie de cheville est employée, le pied du sujet se déplace avec la pédale. L'angle de tige par rapport à la verticale est obtenu indirectement du déplacement linéaire de la tige, mesurée par un télémètre laser (Table of Materials) avec une résolution de 50 m et une bande passante de 750 Hz²⁵. L'angle de la cheville est la somme des angles du pied et de la tige. L'angle du corps par rapport à la verticale est obtenu indirectement à partir du déplacement linéaire du point médian entre les épines iliaques postérieures postérieures gauche selles droites (PSIS), mesuréeà à l'aide d'un télémètre laser (Tableau des matériaux) avec une résolution de 100 m et bande passante de 750 Hz²³. La position de la tête et la rotation sont mesurées en fonction du système de coordonnées globaux de l'environnement VR par les stations de base du système VR qui émettent des impulsions infrarouges chronométrées (IR) à 60 impulsions par seconde qui sont captées par les capteurs IR du casque avec sous-millimètre précision.

Acquisition de données

Tous les signaux sont filtrés avec un filtre anti-aliasing avec une fréquence d'angle de 486.3, puis échantillonnés à 1000 Hz avec des cartes d'acquisition de signaux dynamiques 24 bits/8, à échantillonnage simultané, dynamiques(tableau des matériaux)avec une dynamique portée de 20 V.

Mécanismes de sécurité

Six mécanismes de sécurité ont été incorporés dans l'appareil permanent pour prévenir les blessures aux sujets; les pédales sont contrôlées séparément et ne s'interfèrent jamais les unes avec les autres. (1) L'arbre de l'actionneur est muni d'une came qui active mécaniquement une soupape qui débranche la pression hydraulique si la rotation de l'arbre dépasse 20 degrés par rapport à sa position horizontale. (2) Deux arrêts mécaniques réglables limitent l'autonomie du mouvement de l'actionneur; ceux-ci sont réglés à la gamme de mouvement de chaque sujet avant chaque expérience. (3) Le sujet et l'expérimentateur tiennent un bouton de panique; en appuyant sur le bouton déconnecte la puissance hydraulique des actionneurs et les fait se détacher, de sorte qu'ils peuvent être déplacés manuellement. (4) Des mains courantes situées de part et d'autre du sujet sont disponibles pour fournir un soutien en cas d'instabilité. (5) Le sujet porte un harnais complet du corps(Table des Matériaux),attaché à des barres transversales rigides dans le plafond pour les soutenir en cas de chute. Le harnais est mou et n'interfère pas avec la position normale, à moins que le sujet ne devienne instable, où le harnais empêche le sujet de tomber. En cas de chute, les mouvements de la pédale seront arrêtés manuellement soit par le sujet, à l'aide du bouton de panique, soit par l'expérimentateur. (6) Les servo-valves arrêtent la rotation des actionneurs à l'aide de mécanismes de sécurité en cas d'interruption de l'alimentation électrique.

Protocole

Toutes les méthodes expérimentales ont été approuvées par le Comité d'éthique de la recherche de l'Université McGill et les sujets signent des consentements éclairés avant de participer.

1. Expériences

REMARQUE : Chaque expérience comporte les étapes suivantes.

1. Pré-test
   1. Préparer un aperçu précis de tous les essais à effectuer et faire une liste de contrôle pour la collecte de données.
   2. Fournir au sujet un formulaire de consentement avec toutes les informations nécessaires, lui demander de le lire attentivement, répondre à toutes les questions, puis lui demander de signer le formulaire.
   3. Enregistrez le poids, la taille et l'âge du sujet.
2. Préparation du sujet
   1. Mesure de l'électromyographie
      1. Utiliser des électrodes différentielles uniques(Tableau des matériaux)avec une distance interélectrodes de 1 cm pour la mesure de l'électromyographie (EMG) des muscles de la cheville.
      2. Utilisez un amplificateur (Table of Materials) avec un gain global de 1000 et une bande passante de 20 à 2000 Hz.
      3. Pour assurer un rapport signal/bruit élevé (SNR) et un minimum de conversation croisée, localiser et marquer les zones de fixation des électrodes selon les lignes directrices fournies par le projet Seniam²⁶, comme ci-dessous: (1) pour le gastrocnemius médial (MG), le renflement le plus important de la muscle; (2) pour le gastrocnemius latéral (LG), 1/3 de la ligne entre la tête du péroné et le talon; (3) pour soleus (SOL), 2/3 de la ligne entre les condyles médials du fémur et le malleolus médial; (4) pour le tibialis antérieur (TA), 1/3 de la ligne entre la pointe du péroné et la pointe du malleolus médial.
      4. Raser les zones marquées avec un rasoir et nettoyer la peau avec de l'alcool. Laisser la peau sécher complètement.
      5. Raser une zone osseuse sur la rotule pour l'électrode de référence, et nettoyer avec de l'alcool.
      6. Demandez au sujet de se trouver dans une position de supine détendue.
      7. Placez l'électrode de référence sur la zone rasée de la rotule.
      8. Attachez les électrodes une par une aux zones rasées des muscles, à l'aide de ruban adhésif double face, en prenant soin de s'assurer que les électrodes sont fixées à la peau en toute sécurité.
      9. Après avoir placé chaque électrode, demandez au sujet d'effectuer une contraction plantarflexing/dorsiflexing contre la résistance et examinez les formes d'onde sur un oscilloscope pour s'assurer que le signal EMG a un SNR élevé. Si le signal SNR est faible, déplacez les électrodes jusqu'à ce qu'un emplacement avec un SNR élevé soit trouvé.
      10. Assurez-vous que les mouvements du sujet ne sont pas entravés par les câbles EMG.
   2. Mesures cinématiques
      1. Fixez un marqueur réfléchissant à la tige avec une sangle, à utiliser pour la mesure de l'angle de la tige.
         REMARQUE : Placez le marqueur de tige aussi haut que possible sur la tige pour générer le plus grand déplacement linéaire possible pour une rotation donnée, donc, améliorant la résolution angulaire.
      2. Demandez au sujet de mettre sur le harnais du corps.
      3. Attachez un marqueur réfléchissant à la taille du sujet avec une sangle, à utiliser pour la mesure de l'angle du haut du corps. Assurez-vous que le marqueur réfléchissant de la taille est placé au milieu entre les PSIS gauche et droit et que les vêtements du sujet ne couvrent pas la surface réfléchissante de la taille.
      4. Demandez au sujet d'entrer dans l'appareil permanent.
      5. Ajuster la position du pied du sujet pour aligner les malleoli sténaux et médials de chaque jambe sur l'axe de rotation de la pédale.
      6. Décrivez les positions des pieds du sujet à l''intenter et demandez-lui de garder les pieds aux mêmes endroits pendant les expériences. Cela garantit que les axes de rotation des chevilles et des actionneurs restent alignés tout au long des expériences.
      7. Ajuster la position verticale des télémètres laser pour pointer vers le centre des marqueurs réfléchissants. Ajustez la distance horizontale entre le télémètre laser et les marqueurs réfléchissants, de sorte que les télémètres fonctionnent dans leur milieu de gamme et ne saturent pas pendant la position tranquille.
      8. Demandez au sujet de se pencher vers l'avant et vers l'arrière au sujet de la cheville et assurez-vous que les lasers restent à leur portée de travail.
      9. Mesurez la hauteur des télémètres laser en ce qui concerne l'axe de rotation de la cheville.
         REMARQUE : Ces hauteurs sont utilisées pour convertir les déplacements linéaires en angles.
   3. Protocoles expérimentaux
      1. Informez le sujet de ce à quoi s'attendre pour chaque condition d'essai.
      2. Instruisez le sujet à se tenir tranquillement avec les mains sur le côté tout en regardant vers l'avant, et de maintenir leur équilibre comme ils le font, face aux perturbations du monde réel.
      3. Pour les essais perturbés, commencez la perturbation et permettez au sujet de s'y adapter.
      4. Démarrer l'acquisition de données une fois que le sujet a établi un comportement stable.
      5. Fournir au sujet une période de repos suffisante après chaque essai pour éviter la fatigue. Communiquez avec eux pour voir s'ils ont besoin de plus de temps.
      6. Effectuer les essais suivants.
         1. Pour l'essai d'appareil, effectuez un essai de 2 minutes pour examiner les données du capteur 2 h avant l'arrivée du sujet. Recherchez des bruits ou des décalages irrégulièrement importants dans les données du capteur enregistrées. S'il y a des problèmes, résolvez-les avant l'arrivée du sujet.
         2. Pour une position calme, effectuez un procès debout silencieux de 2 min sans perturbations.
            REMARQUE : Cet essai fournit une référence, nécessaire pour déterminer si/comment les variables posturales changent en réponse aux perturbations.
         3. Pour les expériences perturbées, exécutez la perturbation et acquérez des données pendant 2 à 3 min. Appliquer des perturbations de pédale si l'objectif est d'étudier le rôle du système somatosensoriel/rigidité de la cheville dans la position debout. Appliquer des perturbations visuelles si l'objectif est d'examiner le rôle de la vision dans le contrôle postural. Appliquer simultanément les perturbations visuelles et les perturbations de la pédale si l'objectif est d'examiner l'interaction des deux systèmes en contrôle postural.
            REMARQUE : Les perturbations de la pédale sont appliquées comme rotation des pédales de l'appareil debout. De même, les perturbations visuelles sont appliquées en faisant pivoter le champ visuel virtuel, à l'aide du casque VR. L'angle de la pédale/champ visuel suit un signal, sélectionné en fonction des objectifs de l'étude. La section de discussion fournit des détails sur les types de perturbation, utilisés pour l'étude du contrôle postural et les mérites de chaque perturbation.
      7. Effectuez un minimum de 3 essais pour chaque perturbation spécifique.
         REMARQUE : Plusieurs essais sont effectués pour assurer la fiabilité des modèles lors de l'analyse des données recueillies; par exemple, il est possible de croiser la validation des modèles.
      8. Effectuer les essais dans un ordre aléatoire pour s'assurer que les sujets n'apprennent pas à réagir à une perturbation spécifique; cela permet également de vérifier le comportement variable dans le temps.
      9. Vérifiez visuellement les données après chaque essai pour vous assurer que les signaux acquis sont de haute qualité.

2. Identification du contrôle postural humain

1. Identification non paramétrique de la relation dynamique de l'angle du corps aux perturbations visuelles
   1. expérience
      1. Acquérir des essais visuellement perturbés pendant 2 min selon les étapes des sections 1.1 et 1.2.
      2. Utilisez un signal trapézoïdal (TrapZ) avec une amplitude de pointe à pointe de 0,087 rad et une vitesse de 0,105 rad/s.
      3. Maintenez la position de la pédale constante à l'angle zéro.
   2. analyse
      REMARQUE : L'analyse des données dans les sections 2.1.2 et 2.2.2 est effectuée à l'aide de MATLAB.
      1. Décimer l'angle brut du corps et les signaux de perturbation visuelle (de sorte que la fréquence observable la plus élevée est de 10 Hz), en utilisant les commandes suivantes :
         
         
         où
         
         
         
         REMARQUE : Pour un taux d'échantillonnage de 1 kHz, le rapport de décimation doit être de 50 pour avoir une fréquence la plus élevée de 10 Hz.
      2. Choisissez la fréquence d'intérêt la plus basse, qui déterminera la longueur de la fenêtre pour l'estimation de la puissance.
         REMARQUE: Ici, une fréquence minimale de 0,1 Hz est choisi, de sorte que la longueur de la fenêtre pour l'estimation de la puissance est de 1/0,1 Hz 10 s. La résolution de fréquence est la même que la fréquence minimale, et donc, les calculs sont effectués pour 0,1, 0,2, 0,3, ..., 10 Hz.
      3. Choisissez le type de fenêtre et le degré de chevauchement pour trouver les spectres de puissance.
         REMARQUE : Pour une longueur d'essai de 120 s, 10 fenêtres Hanning avec 50 % de chevauchement se traduit par une moyenne de 23 segments pour l'estimation du spectre de puissance. Depuis que nous avons décimé les données à 20 Hz, une fenêtre de 10 s a une longueur de 200 échantillons.
      4. Utilisez la fonction pour trouver la réponse de fréquence (FR) du système :
         
         où
         
         
         
         
         REMARQUE : La fonction présentée calcule le spectre croisé entre la perturbation de VR décimée et l'angle de corps dans les fréquences spécifiées par, utilisant une fenêtre de Hanning avec la longueur spécifiée par et le nombre de chevauchements égal à (c.-à-d. 50 % de chevauchement). De même, il calcule l'auto-spectre de l'entrée VR. Ensuite, à l'aide du spectre transversal estimé et de l'auto-spectre, il calcule le FR du système.
      5. Trouvez le gain et la phase de l'estimation FR à l'étape 2.1.2.4, en utilisant les commandes suivantes:
         
         
         où
         
         
      6. Calculez la fonction de cohérence à l'aide de la commande suivante :
         
         où
         
         REMARQUE: la fonction suit une procédure similaire pour trouver la cohérence entre et .
      7. Tracez le gain, la phase et la cohérence en fonction de la fréquence.
         
         
         
         REMARQUE : La méthode présentée peut être étendue au cas où des perturbations visuelles et mécaniques sont appliquées, où une méthode d'identification FR à entrées multiples (MIMO) doit être utilisée⁹. L'identification peut également être effectuée à l'aide de la méthode du sous-espace (qui traite intrinsèquement des systèmes MIMO)²⁷ ou en utilisant des méthodes de transfert paramétrique s'ils sont telles que MIMO Box-Jenkins²⁸. Le sous-espace et Box-Jenkins (et d'autres méthodes) sont implémentés dans la boîte à outils d'identification du système MATLAB.
2. Identification paramétrique de la rigidité intrinsèque de la cheville dans la position debout
   1. expérience
      1. Effectuer des essais perturbés mécaniquement pendant 2 min. Utilisez une perturbation pseudo-aléatoire des séquences binaires (PRBS) avec une amplitude de pointe à pic de 0,02 rad et un intervalle de commutation de 200 ms. Assurez-vous que l'angle moyen de la pédale est nul.
   2. analyse
      1. Différencier le signal du pied unefois pour obtenir la vitesse du pied ( , deux fois pour obtenir l'accélération du pied ( et trois fois pour obtenir sa secousse ( De même différencier le couple pour obtenir sa vitesse et l'accélération, en utilisant ce qui suit ordre:
         
         où
         
         
         
      2. Calculez l'emplacement des maxima locaux et des minima locaux de la vitesse du pied pour localiser les impulsions, en utilisant la commande suivante :
         
         
         où
         
         
         
         
         REMARQUE: la fonction trouve toutes les maximes locales (vitesse positive du pied) et leurs emplacements. Pour trouver les minima locaux, la même fonction est utilisée, mais le signe de la vitesse de l'angle du pied doit être inversé.
      3. Concevoir un filtre butterworth de passage bas de 8^e avec une fréquence de coin de 50 Hz, en utilisant la commande suivante :
         
         
         
         
         
      4. Filtrer tous les signaux à l'aide du filtre Butterworth :
         
         
         
         REMARQUE : La fonction «filtfilt» ne provoque aucun changement dans le signal filtré. N'utilisez pas la fonction "filtre", car elle génère undécalage.
      5. Tracer la vitesse du pied, et de trouver visuellement une estimation de la période de temps entre l'extrémité de la vitesse du pied et le début de l'impulsion (qui est le premier point avec la vitesse zéro pied avant la vitesse de pointe). Pour la perturbation dans cette étude, ce point s'est produit 25 ms avant l'extrémité de vitesse trouvée dans l'étape 2.2.2.2.
      6. Pour chaque impulsion, calculer le couple de fond de la cheville comme la moyenne du couple de la cheville de 25 ms avant le début de l'impulsion, c'est-à-dire la moyenne du couple dans le segment commençant 50 ms jusqu'à 25 ms avant l'extrémité de vitesse. Faites ceci pour l'impulsion k^th avec une vitesse positive utilisant la commande suivante :
         
         
         
         REMARQUE : Ceci est fait pour les vitesses maximales et minimales (vitesse négative du pied) trouvées à l'étape 2.2.2.2.
      7. Trouvez le minimum et le maximum de tous les couples d'arrière-plan pour toutes les impulsions, en utilisant la commande suivante :
         
         
      8. Pour chaque impulsion, extraire les données de couple de 65 ms après le début de l'impulsion (comme segment de couple intrinsèque), en utilisant la commande suivante :
         
         
         REMARQUE: Ceci est également fait pour le premier et le deuxième dérivé du couple de la cheville (pour fournir le premier et le deuxième dérivé du couple intrinsèque), ainsi que, l'angle du pied, la vitesse du pied, l'accélération du pied, et la secousse du pied.
      9. Calculez le changement dans le segment de couple intrinsèque k^th à partir de sa valeur initiale, en utilisant la commande suivante :
         
         REMARQUE: Cela est fait dela même façon pour l'angle du pied pour obtenir .
      10. Divisez la plage de couple (obtenue à l'étape 2.2.2.7) en bacs de 3 Nm de large et trouvez les impulsions avec le couple de fond dans chaque bac.
          REMARQUE : Cela se fait à l'aide de la fonction «trouver » et de l'indexation. On suppose que la rigidité intrinsèque est constante dans chaque bac, puisque le couple de fond de cheville ne change pas de manière significative.
      11. Estimer les paramètres intrinsèques de rigidité du modèle intrinsèque étendu (EIM)²⁹,pour le bac j^th en utilisant les impulsions dans le groupe j ( ).
          1. Concatenate toutes les réponses intrinsèques de couple dans le bac j pour former le vecteur :
             
             où est laréponse de couple intrinsèque i^th ( ) dans le groupe j.
             REMARQUE : De même, l'angle de pied concatenate, la vitesse, et l'accélération, et le premier et le deuxième dérivés du couple intrinsèque du groupe de j^th à utiliser dans l'étape 2.2.2.11.2.
          2. Placez l'angle du pied, la vitesse, l'accélération et la secousse, ainsi que le premier et le deuxième dérivé du couple du groupe j ensemble pour former la matrice régresseur :
             
          3. Trouvez les paramètres intrinsèques de rigidité pour le groupe j^th à l'aide de l'opérateur de barre oblique inverse :
             
          4. Extraire le quatrième élément de larigidité intrinsèque à basse fréquence .
      12. Effectuer des étapes dans la section 2.2.2.11 pour tous les groupes (bins) et estimer la rigidité intrinsèque de basse fréquence correspondante.
      13. Divisez toutes les valeurs estimées de rigidité à basse fréquence par la rigidité critique du sujet :
          
          où m est la masse du sujet, g est l'accélération gravitationnelle, et est la hauteur du centre du corps de la masse au-dessus de l'axe de la cheville de la rotation, dérivée de données anthropométriques³⁰. Cela donne la rigiditénormalisée ( ).
      14. Convertir le couple de fond de lacheville en position de COP de fond de cheville ( ) en divisant les couples de fond de cheville avec les forces verticales mesurées correspondantes.
      15. Terrain en fonction du centre de pression.
          
          où
          
          

Résultats

Pseudo séquence ternaire aléatoire (PRTS) et signaux TrapZ

La figure 2A montre un signal PRTS, qui est généré par l'intégration d'un profil de vitesse pseudo aléatoire. Pour chaque temps d'échantillonnage, la vitesse du signal peut être égale à

Discussion

Plusieurs étapes sont essentielles dans l'exécution de ces expériences pour étudier le contrôle postural humain. Ces étapes sont associées à la mesure correcte des signaux et comprennent: 1) Alignement correct de l'axe de la cheville de la tige de rotation à celle des pédales, pour la mesure correcte des couplements de cheville. 2) Configuration correcte des télémètres pour s'assurer qu'ils travaillent dans leur gamme et ne sont pas saturés pendant les expériences. 3) Mesure de l'EMG avec la bonne qualité...

matériels

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