Metodi sperimentali per studiare il controllo posturale umano

Riepilogo

Questo articolo presenta un quadro sperimentale/analitico per studiare il controllo posturale umano. Il protocollo fornisce procedure dettagliate per l'esecuzione di esperimenti permanenti, la misurazione dei segnali cinemici e cinetica del corpo e l'analisi dei risultati per fornire informazioni sui meccanismi alla base del controllo posturale umano.

Abstract

Molti componenti dei sistemi nervosi e muscolo-scheletrici agiscono in concerto per ottenere la postura umana stabile e verticale. Sono necessari esperimenti controllati accompagnati da metodi matematici adeguati per comprendere il ruolo dei diversi sottosistemi coinvolti nel controllo posturale umano. Questo articolo descrive un protocollo per l'esecuzione di esperimenti in piedi perturbati, l'acquisizione di dati sperimentali e l'esecuzione della successiva analisi matematica, con l'obiettivo di comprendere il ruolo del sistema muscolo-scheletrico e il controllo centrale nell'uomo postura eretta. I risultati generati da questi metodi sono importanti, perché forniscono informazioni sul controllo sano dell'equilibrio, costituiscono la base per comprendere l'eziologia di un equilibrio alterato nei pazienti e negli anziani e aiutano nella progettazione di interventi per migliorare controllo posturale e stabilità. Questi metodi possono essere utilizzati per studiare il ruolo del sistema somatosensoriale, la rigidità intrinseca dell'articolazione della caviglia e il sistema visivo nel controllo posturale, e possono anche essere estesi per studiare il ruolo del sistema vestibolare. I metodi devono essere utilizzati nel caso di una strategia della caviglia, in cui il corpo si muove principalmente sull'articolazione della caviglia ed è considerato un pendolo invertito a collegamento singolo.

Introduzione

Il controllo posturale umano si realizza attraverso complesse interazioni tra il sistema nervoso centrale e i sistemi muscolo-scheletrici¹. Il corpo umano in piedi è intrinsecamente instabile, soggetto a una varietà di perturbazioni interne (ad esempio, respirazione, battito cardiaco) ed esterne (ad esempio, gravità). La stabilità viene ottenuta da un controller distribuito con componenti centrali, riflessi e intrinseci (Figura 1).

Il controllo posturale è ottenuto da: un controllore attivo, mediato dal sistema nervoso centrale (SNC) e dal midollo spinale, che cambia l'attivazione muscolare; e un controller di rigidità intrinseco che resiste al movimento articolare senza alcun cambiamento nell'attivazionemuscolare( Figura 1 ). Il controller centrale utilizza informazioni sensoriali per generare comandi discendenti che producono forze muscolari correttive per stabilizzare il corpo. Le informazioni sensoriali sono tradotte dai sistemi visivi, vestibolici e somatosensoriali. In particolare, il sistema somatosensoriale genera informazioni riguardanti la superficie di supporto e gli angoli articolari; la visione fornisce informazioni sull'ambiente; e il sistema vestibolare genera informazioni riguardanti la velocità angolare della testa, l'accelerazione lineare e l'orientamento rispetto alla gravità. Il controller centrale a circuito chiuso funziona con lunghi ritardi che possono destabilizzare². Il secondo elemento del controller attivo è la rigidità del riflesso, che genera attività muscolare con bassa latenza e produce coppia resistendo al movimento articolare.

Esiste una latenza associata a entrambi i componenti del controller attivo; di conseguenza, la rigidità intrinseca articolare, che agisce senza ritardi, svolge un ruolo importante nel controllo posturale³. La rigidità intrinseca è generata da proprietà visco-elastiche passive di muscoli contraente, tessuti molli e proprietà inerziali degli arti, che genera coppia resistiva istantaneamente in risposta a qualsiasi movimento articolare⁴. Il ruolo della rigidità articolare (rigidità intrinseca e riflessa) nel controllo posturale non è chiaramente compreso, poiché cambia con le condizioni operative, definito dall'attivazione muscolare^4,5,6 e posizione articolare ^{4 DEL psu' , 7 (in} questo stato ^{, 8}, entrambi cambiano con il corpo ondeggiante, inerente alla posizione.

È importante identificare i ruoli del controller centrale e della rigidità articolare nel controllo posturale, in quanto fornisce la base per: diagnosticare l'eziologia delle compromissione dell'equilibrio; la progettazione di interventi mirati per i pazienti; valutazione del rischio di cadute; lo sviluppo di strategie per la prevenzione delle cadute negli anziani; e la progettazione di dispositivi assistivi come ortopedici e protesi. Tuttavia, è difficile, perché i diversi sottosistemi agiscono insieme e solo la cinematica generale del corpo risultante, le coppia articolari e l'elettromiografia muscolare possono essere misurate.

Pertanto, è essenziale sviluppare metodi sperimentali e analitici che utilizzino le variabili posturali misurabili per valutare il contributo di ciascun sottosistema. Una difficoltà tecnica è che la misurazione delle variabili posturali viene eseguita in loop chiuso. Di conseguenza, gli ingressi e gli output (causa ed effetto) sono interconnessi. Di conseguenza, è necessario: a) applicare perturbazioni esterne (come input) per evocare reazioni posturali nelle risposte (come uscite), e b) impiegare metodi matematici specializzati per identificare i modelli di sistema e districare causa ed effetto⁹.

Il presente articolo si concentra sul controllo posturale quando viene utilizzata una strategia della caviglia, cioè quando i movimenti si verificano principalmente sull'articolazione della caviglia. In questa condizione, la parte superiore del corpo e gli arti inferiori si muovono insieme, di conseguenza, il corpo può essere modellato come un pendolo invertito a collegamento singolo nel piano sagittale¹⁰. La strategia della caviglia viene utilizzata quando la superficie di supporto è ferma e le perturbazioni sono piccole^1,11.

Nel nostro^laboratorioè stato sviluppato un apparato permanente in grado di applicare adeguate perturbazioni meccaniche (propriocettive) e sensoriali visive e registrare la cinetica, la cinetica e le attività muscolari del corpo. Il dispositivo fornisce l'ambiente sperimentale necessario per studiare il ruolo della rigidità della caviglia, i meccanismi di controllo centrale e le loro interazioni generando risposte posturali utilizzando stimoli visivi o/e somatosensoriali. È anche possibile estendere il dispositivo per studiare il ruolo del sistema vestibolare mediante l'applicazione della stimolazione elettrica diretta ai processi mastoidi, che può generare una sensazione di velocità della testa ed evocare risposte posturali¹²,¹³ .

Altri hanno anche sviluppato dispositivi simili per studiare il controllo posturale umano, dove attuatori elettrici piezo lineari¹¹, motori elettrici rotanti^14,15, e motori elettrici lineari^{16,17 , 18} sono stati utilizzati per applicare perturbazioni meccaniche alla caviglia in piedi. Sono stati inoltre sviluppati dispositivi più complessi per studiare il controllo posturale multisegmento, dove è possibile applicare contemporaneamente più perturbazioni alle articolazioni della caviglia e dell'anca^19,20.

Apparecchi in piedi

Due attuatori rotanti elettrodrululici controllati dal servo muovono due pedali per applicare perturbazioni controllate della posizione della caviglia. Gli attuatori possono generare grandi torque (>500 Nm) necessari per il controllo posturale; questo è particolarmente importante in casi come la magra in avanti, dove il centro di massa del corpo è lontano (anteriore) dall'asse di rotazione della caviglia, con conseguente grandi valori di coppia alla caviglia per il controllo posturale.

Ogni attuatore rotante è controllato da una valvola servo proporzionale separata, utilizzando il feedback della posizione del pedale, misurato da un potenziatore ad alte prestazioni sull'albero dell'attuatore (Tabella dei materiali). Il controller viene implementato utilizzando un sistema di elaborazione del segnale digitale xPC basato su MATLAB. L'attuatore/servo-valve insieme hanno una larghezza di banda superiore a 40 Hz, molto più grande della larghezza di banda del sistema di controllo posturale complessivo, rigidità dell'articolazione della caviglia e controller centrale²¹.

Dispositivo e ambiente di realtà virtuale

Un auricolare di realtà virtuale (VR) (Table of Materials) viene utilizzato per perturbare la visione. L'auricolare contiene uno schermo LCD (doppio schermo AMOLED 3.6' con una risoluzione di 1080 x 1200 pixel per occhio) che fornisce all'utente una vista stereoscopica dei supporti inviati al dispositivo, offrendo una percezione della profondità tridimensionale. La frequenza di aggiornamento è di 90 Hz, sufficiente a fornire un solido senso virtuale agli utenti²². Il campo visivo dello schermo è di 110 gradi, sufficiente a generare perturbazioni visive simili a situazioni del mondo reale.

L'auricolare tiene traccia della rotazione della testa dell'utente e modifica di conseguenza la vista virtuale in modo che l'utente sia completamente immerso nell'ambiente virtuale; pertanto, può fornire il normale feedback visivo; e può anche perturbare la vista ruotando il campo visivo in piano sagittale.

Misure cinetiche

La forza di reazione verticale è misurata da quattro celle di carico, inserite tra due piastre sotto il piede (Tabella dei materiali). La coppia della caviglia è misurata direttamente da trasduttori di coppia con una capacità di 565 Nm e una rigidità torsionale di 104 kNm/rad; può anche essere misurato indirettamente dalle forze verticali trasdotte dalle celle di carico, utilizzando le loro distanze dall'asse della caviglia di rotazione²³, supponendo che le forze orizzontali applicate ai piedi in piedi siano piccole^2,24. Il centro di pressione (COP) è misurato in piano sagittale dividendo la coppia della caviglia per la forza verticale totale, misurata dalle celle di carico²³.

Misure cinematiche

L'angolo del piede è lo stesso dell'angolo del pedale, perché quando viene utilizzata una strategia di caviglia, il piede del soggetto si muove con il pedale. L'angolo di gambo rispetto alla verticale si ottiene indirettamente dallo spostamento lineare del gambo, misurato da un rilevatore di range laser (Tabella dei materiali) con una risoluzione di 50 m e una larghezza di banda di 750 Hz²⁵. L'angolo della caviglia è la somma degli angoli del piede e del gambo. L'angolo del corpo rispetto alla verticale si ottiene indirettamente dallo spostamento lineare del punto medio tra le spine iliache superiori superiori sinistra e destra (PSIS), misurato utilizzando un cercatore di gamma laser (Tabella dei materiali) con una risoluzione di 100 m e larghezza di banda di 750 Hz²³. La posizione e la rotazione della testa vengono misurate rispetto al sistema di coordinate globale dell'ambiente VR dalle stazioni di base del sistema VR che emettono impulsi a infrarossi a tempo (IR) a 60 impulsi al secondo che vengono rilevati dai sensori IR dell'auricolare con sub-millimeter precisione.

Acquisizione dei dati

Tutti i segnali vengono filtrati con un filtro anti-aliasing con una frequenza di angolo di 486.3 e quindi campionati a 1000 Hz con prestazioni elevate a 24 bit/8 canali, campionamento simultaneo, schede di acquisizione del segnale dinamico (Tabella dei materiali)con gamma di 20 V.

Meccanismi di sicurezza

Sei meccanismi di sicurezza sono stati incorporati nell'apparato permanente per prevenire lesioni ai soggetti; i pedali sono controllati separatamente e non interferiscono mai l'uno con l'altro. (1) L'albero dell'attuatore ha una camma, che attiva meccanicamente una valvola che scollega la pressione idraulica se la rotazione dell'albero supera i 20 gradi dalla sua posizione orizzontale. (2) Due fermi meccanici regolabili limitano la gamma di movimento dell'attuatore; questi sono impostati sulla gamma di movimento di ciascun soggetto prima di ogni esperimento. (3) Sia il soggetto che lo sperimentatore tengono premuto un pulsante di panico; premendo il pulsante si disconnette l'alimentazione idraulica dagli attuatori e li fa allentare, in modo che possano essere spostati manualmente. (4) I corrimano situati su entrambi i lati del soggetto sono disponibili per fornire supporto in caso di instabilità. (5) Il soggetto indossa un'imbracatura a tutto corpo (Table of Materials), attaccata alle traverse rigide nel soffitto per sostenerle in caso di caduta. L'imbracatura è allentata e non interferisce con la posizione normale, a meno che il soggetto non diventi instabile, dove l'imbracatura impedisce al soggetto di cadere. In caso di caduta, i movimenti del pedale saranno interrotti manualmente dal soggetto, utilizzando il pulsante di panico o dallo sperimentatore. (6) I servo-valve arrestano la rotazione degli attuatori utilizzando meccanismi sicuri in caso di interruzione dell'alimentazione elettrica.

Protocollo

Tutti i metodi sperimentali sono stati approvati dal McGill University Research Ethics Board e i soggetti firmano consensi informati prima di partecipare.

1. Esperimenti

NOTA: ogni esperimento prevede i passaggi seguenti.

1. Pre-test
   1. Preparare una struttura definita di tutte le prove da eseguire e creare un elenco di controllo per la raccolta dei dati.
   2. Fornisci al soggetto un modulo di consenso con tutte le informazioni necessarie, chiedi loro di leggerlo a fondo, rispondere a tutte le domande e poi chiedere loro di firmare il modulo.
   3. Registrare il peso, l'altezza e l'età del soggetto.
2. Preparazione del soggetto
   1. Misurazione elettromiografica
      1. Utilizzare singoli elettrodi differenziali (Tabella dei materiali) con una distanza interelettroda di 1 cm per la misurazione dell'elettromiografia (EMG) dei muscoli della caviglia.
      2. Utilizzare un amplificatore (Table of Materials) con un guadagno complessivo di 1000 e una larghezza di banda di 20-2000 Hz.
      3. Per garantire un elevato rapporto segnale-rumore (SNR) e un minimo cross-talk, individuare e contrassegnare le aree di fissaggio degli elettrodi secondo le linee guida fornite dal progetto Seniam²⁶, come di seguito: (1) per il gastrocnemio mediale (MG), il rigonfiamento più muscolo; (2) per il gastrocnemio laterale (LG), 1/3 della linea tra la testa del perone e il tallone; (3) per soleo (SOL), 2/3 della linea tra i condili mediali del femore e il malleolo mediale; (4) per tibialis anteriore (TA), 1/3 della linea tra la punta del perone e la punta del malleolo mediale.
      4. Rasare le aree contrassegnate con un rasoio e pulire la pelle con alcool. Lasciare asciugare accuratamente la pelle.
      5. Rasare un'area ossea sulla rotula per l'elettrodo di riferimento e pulire con alcool.
      6. Fai in modo che il soggetto si trovi in una posizione rilassata.
      7. Posizionare l'elettrodo di riferimento sull'area rasata della rotula.
      8. Fissare gli elettrodi uno ad uno alle aree rasate dei muscoli, utilizzando nastro adesivo doppio lato, facendo attenzione a garantire che gli elettrodi siano fissati alla pelle in modo sicuro.
      9. Dopo aver posizionato ogni elettrodo, chiedere al soggetto di eseguire una contrazione plantaflessing/dorsiflexing contro la resistenza ed esaminare le forme d'onda su un oscilloscopio per garantire che il segnale EMG abbia un alto SNR. Se il segnale SNR è scarso, spostare gli elettrodi fino a trovare una posizione con un SNR elevato.
      10. Assicurarsi che i movimenti del soggetto non siano ostacolati dai cavi EMG.
   2. Misure cinematiche
      1. Fissare un marcatore riflettente al gambo con un cinturino, da utilizzare per la misurazione dell'angolo del gambo.
         NOTA: Posizionare il marcatore del gambo più in alto possibile sul gambo per generare il più grande spostamento lineare possibile per una determinata rotazione, migliorando quindi la risoluzione angolare.
      2. Fare in modo che il soggetto sia messo sull'imbracatura del corpo.
      3. Fissare un marcatore di riflessione alla vita del soggetto con un cinturino, da utilizzare per la misurazione dell'angolo superiore del corpo. Assicurarsi che il marcatore riflettente in vita sia posizionato nel punto medio tra il sinistro e destro e che l'abbigliamento del soggetto non copra la superficie riflettente della vita.
      4. Chiedi all'argomento di salire sull'apparato in piedi.
      5. Regolare la posizione del piede del soggetto per allineare i malleoli laterali e mediali di ogni gamba all'asse di rotazione del pedale.
      6. Delineare le posizioni del piede del soggetto con un pennarello e indicare loro di mantenere i piedi nelle stesse posizioni durante gli esperimenti. Questo assicura che gli assi di rotazione delle caviglie e degli attuatori rimangano allineati durante gli esperimenti.
      7. Regolare la posizione verticale dei cercatori di gamma laser in modo che puntino al centro dei marcatori riflettenti. Regolare la distanza orizzontale tra il cercatore di gamma laser e marcatori riflettenti, in modo che i cercatori di gamma lavorano nel loro raggio medio e non saturare durante la posizione tranquilla.
      8. Fai in modo che il soggetto si sporghi avanti e indietro sulla caviglia e assicurati che i laser rimangano all'interno del loro raggio di lavoro.
      9. Misurare l'altezza dei cercatori di gamma laser rispetto all'asse della caviglia di rotazione.
         NOTA: queste altezze vengono utilizzate per convertire gli spostamenti lineari in angoli.
   3. Protocolli sperimentali
      1. Informare l'argomento di cosa aspettarsi per ogni condizione di prova.
      2. Istruisci il soggetto a stare tranquillamente con le mani di lato mentre guarda in avanti, e di mantenere il loro equilibrio come fanno, di fronte alle perturbazioni del mondo reale.
      3. Per le prove perturbate, avviare la perturbazione e consentire al soggetto di adattarsi ad esso.
      4. Avviare l'acquisizione dei dati una volta che il soggetto ha stabilito un comportamento stabile.
      5. Fornire al soggetto un periodo di riposo sufficiente dopo ogni prova per evitare la fatica. Comunicare con loro per vedere se hanno bisogno di più tempo.
      6. Eseguire le seguenti prove.
         1. Per il test dell'apparato, eseguire un test di 2 min per esaminare i dati del sensore 2 h prima dell'arrivo del soggetto. Cercare rumori o scostamenti di dimensioni irregolari nei dati registrati del sensore. Se ci sono problemi, risolverli prima che arrivi l'argomento.
         2. Per una tranquilla in piedi, esegui una prova tranquilla di 2 min senza perturbazioni.
            NOTA: Questa prova fornisce un riferimento, necessario per determinare se/come le variabili posturali cambiano in risposta alle perturbazioni.
         3. Per gli esperimenti perturbati, eseguire la perturbazione e acquisire i dati per 2-3 min. Applicare perturbazioni del pedale se l'obiettivo è quello di studiare il ruolo del sistema somatosensoriale / rigidità della caviglia in piedi. Applicare perturbazioni visive se l'obiettivo è quello di esaminare il ruolo della visione nel controllo posturale. Applicare contemporaneamente perturbazioni visive e pedonali se l'obiettivo è quello di esaminare l'interazione dei due sistemi nel controllo posturale.
            NOTA: le perturbazioni dei pedali vengono applicate come rotazione dei pedali del dispositivo in piedi. Allo stesso modo, le perturbazioni visive vengono applicate ruotando il campo visivo virtuale, utilizzando l'auricolare VR. L'angolo del pedale/campo visivo segue un segnale, selezionato a seconda degli obiettivi dello studio. La sezione di discussione fornisce dettagli sui tipi di perturbazione, utilizzati per lo studio del controllo posturale e dei meriti di ogni perturbazione.
      7. Esegui un minimo di 3 prove per ogni perturbazione specifica.
         NOTA: vengono eseguite più prove per garantire l'affidabilità dei modelli durante l'esecuzione dell'analisi sui dati raccolti; ad esempio, è possibile incrociare la convalida dei modelli.
      8. Eseguire le prove in ordine casuale per garantire che i soggetti non imparino a reagire a una perturbazione specifica; questo rende anche possibile controllare il comportamento variabile nel tempo.
      9. Controllare i dati visivamente dopo ogni prova per assicurarsi che i segnali acquisiti siano di alta qualità.

2. Identificazione del controllo posturale umano

1. Identificazione non parametrica della relazione dinamica dell'angolo del corpo alle perturbazioni visive
   1. rsperimento
      1. Acquisire prove visivamente perturbate per 2 min secondo i passaggi nelle sezioni 1.1 e 1.2.
      2. Utilizzare un segnale trapezioide (Trapezoidal) con un'ampiezza picco-picco di 0,087 rad e una velocità di 0,105 rad/s.
      3. Mantenere la costante di posizione del pedale con l'angolo zero.
   2. analisi
      NOTA: l'analisi dei dati nelle sezioni 2.1.2 e 2.2.2 viene eseguita utilizzando MATLAB.
      1. Decimare l'angolo del corpo grezzo e i segnali di perturbazione visiva (in modo che la frequenza osservabile più alta sia di 10 Hz), utilizzando i seguenti comandi:
         
         
         dove
         
         
         
         NOTA: per una frequenza di campionamento di 1 kHz, il rapporto di decimazione deve essere 50 per avere una frequenza più alta di 10 Hz.
      2. Scegliere la frequenza di interesse più bassa, che determinerà la lunghezza della finestra per la stima dell'alimentazione.
         NOTA: In questo caso, viene scelta una frequenza minima di 0,1 Hz, quindi la lunghezza della finestra per la stima dell'alimentazione è di 1/0,1 Hz e 10 s. La frequenza è la stessa della frequenza minima e, pertanto, i calcoli vengono eseguiti per 0,1, 0,2, 0,3, ..., 10 Hz.
      3. Scegliere il tipo di finestra e il grado di sovrapposizione per trovare gli spettri di potenza.
         NOTA: per una durata di prova di 120 s, 10 s finestre Hanning con 50% sovrapposizione risultati in media di 23 segmenti per la stima dello spettro di potenza. Dal momento che abbiamo decimato i dati a 20 Hz, una finestra di 10 s ha una lunghezza di 200 campioni.
      4. Utilizzare la funzione per trovare la risposta di frequenza (FR) del sistema:
         
         dove
         
         
         
         
         NOTA: La funzione presentata calcola lo spettro incrociato tra la perturbazione della VR decimata e l'angolo del corpo nelle frequenze specificate da , utilizzando una finestra hanning con la lunghezza specificata da e il numero di sovrapposizioni pari a (cioè la sovrapposizione del 50%). Allo stesso modo, calcola l'auto-spettro dell'input VR. Quindi, utilizzando lo spettro trasversale e l'autospettro stimato, calcola il FR del sistema.
      5. Trovare il guadagno e la fase del FR stimato nel passaggio 2.1.2.4, utilizzando i seguenti comandi:
         
         
         dove
         
         
      6. Calcolare la funzione di coerenza utilizzando il seguente comando:
         
         dove
         
         NOTA: la funzione segue una procedura simile per trovare la coerenza tra e .
      7. Tracciare il guadagno, la fase e la coerenza in funzione della frequenza.
         
         
         
         NOTA: il metodo presentato può essere esteso al caso in cui vengono applicate perturbazioni sia visive che meccaniche, in cui è necessario utilizzare un metodo di identificazione FR a ingresso multiplo, a più uscite (MIMO)^FR. L'identificazione può essere effettuata anche utilizzando il metodo subspaziale (che si occupa intrinsecamente di sistemi MIMO)²⁷ o utilizzando metodi di funzione di trasferimento parametrici come MIMO Box-Jenkins²⁸. Sia il subspazio che Box-Jenkins (e altri metodi) sono implementati nella casella degli strumenti di identificazione del sistema MATLAB.
2. Identificazione parametrica della rigidità intrinseca della caviglia in
   1. rsperimento
      1. Eseguire prove perturbate meccanicamente per 2 min. Utilizzare una perturbazione di sequenze binarie pseudo-casuali (PRBS) con un'ampiezza picco-picco di 0,02 rad e un intervallo di commutazione di 200 ms.
   2. analisi
      1. Differenziare il segnale del piedeuna volta per ottenere la velocità del piede ( , due volte per ottenere l'accelerazione del piede ( e tre volte per ottenere il suo scatto ( Allo stesso modo differenziare la coppia per ottenere la sua velocità e accelerazione, utilizzando il seguente Comando:
         
         dove
         
         
         
      2. Calcolare la posizione della massima locale e della velocità del piede locale per individuare gli impulsi, utilizzando il seguente comando:
         
         
         dove
         
         
         
         
         NOTA: funzione trova tutte le massime locali (velocità del piede positivo) e le loro posizioni. Per trovare il minimo locale, viene utilizzata la stessa funzione, ma il segno della velocità dell'angolo del piede deve essere invertito.
      3. Progettare un filtro Butterworth low-pass di 8^{th ordine} con una frequenza di angolo di 50 Hz, utilizzando il seguente comando:
         
         
         
         
         
      4. Filtra tutti i segnali con uno spostamento a zero fasi utilizzando il filtro Butterworth:
         
         
         
         NOTA: la funzione "filtfilt" non causa alcun cambiamento nel segnale filtrato. Non utilizzare la funzione "filtro", perché genera unturno.
      5. Tracciare la velocità del piede e trovare visivamente una stima del periodo di tempo tra l'estremità della velocità del piede e l'inizio dell'impulso (che è il primo punto con velocità del piede zero prima della velocità di picco). Per la perturbazione in questo studio, questo punto si è verificato 25 ms prima dell'estremità della velocità trovata nel passaggio 2.2.2.2.
      6. Per ogni impulso, calcolare la coppia dello sfondo della caviglia come media della coppia alla caviglia di 25 ms prima dell'inizio dell'impulso, cioè la media della coppia nel segmento a partire da 50 ms fino a 25 ms prima dell'estremità di velocità. Eseguire questa operazione per l'impulso k^con una velocità positiva utilizzando il seguente comando:
         
         
         
         NOTA: Questa operazione viene eseguita sia per la velocità massima che per quella minima (velocità negativa del piede) rilevate nel passaggio 2.2.2.2.
      7. Trovare il minimo e il massimo di tutte le coppia di sfondo per tutti gli impulsi, utilizzando il seguente comando:
         
         
      8. Per ogni impulso, estrarre i dati di coppia di 65 ms dopo l'avvio dell'impulso (come segmento di coppia intrinseco), utilizzando il seguente comando:
         
         
         NOTA: Questo viene fatto anche per la prima e la seconda derivata della coppia alla caviglia (per fornire il primo e il secondo derivato della coppia intrinseca), così come, angolo del piede, velocità del piede, accelerazione del piede, e piede jerk.
      9. Calcolare la modifica nel segmento di coppia intrinseca k^th dal valore iniziale, utilizzando il comando seguente:
         
         NOTA: Questa operazione viene eseguitain modo analogo per l'angolo del piede per ottenere .
      10. Dividere l'intervallo di coppia (ottenuto al punto 2.2.2.7) in 3 bidoni larghi nm e trovare gli impulsi con coppia di sfondo in ogni contenitore.
          NOTA: Questa operazione viene eseguita utilizzando la funzione"find" e l'indicizzazione. Si presume che la rigidità intrinseca sia costante in ogni contenitore, poiché la coppia di fondo della caviglia non cambia in modo significativo.
      11. Stimare i parametri di rigidità intrinseca del modello intrinseco esteso (EIM)²⁹, per il contenitore j^th utilizzando gli impulsi nel gruppo j ().
          1. Concatenare tutte le risposte di coppia intrinseche nel^contenitore j th per formare il vettore :
             
             dove è larisposta di coppia intrinseca i^th ( ) nel gruppo j.
             NOTA: Allo stesso modo, concatenare l'angolo del piede, la velocità e l'accelerazione e la prima e la seconda derivata della coppia intrinseca del^gruppo j th da utilizzare nel passaggio 2.2.2.11.2.
          2. Posizionare l'angolo del piede, la velocità, l'accelerazione e lo scatto, nonché la prima e la seconda derivata della coppia del gruppo j insieme per formare la matrice regressore:
             
          3. Trovare i parametri di rigidità intrinseci per il gruppo j^th utilizzando l'operatore barra rovesciata (-):
             
          4. Estrarre il quarto elemento di comerigidità intrinseca a bassa frequenza .
      12. Eseguire i passaggi nella sezione 2.2.2.11 per tutti i gruppi (bin) e stimare la rigidità intrinseca a bassa frequenza corrispondente.
      13. Dividere tutti i valori di rigidità a bassa frequenza stimati per la rigidità critica del soggetto:
          
          dove m è la massa del soggetto, g è l'accelerazione gravitazionale, ed è l'altezza del centro di massa del corpo sopra l'asse di rotazione della caviglia, derivato da dati antropometrici³⁰. Questo dà la rigiditànormalizzata ( ).
      14. Convertire la coppia di sfondo della caviglia in posizione COP sfondo caviglia () dividendo le tartarughe di sfondo della caviglia con le corrispondenti forze verticali misurate.
      15. Grafico in funzione del centro di pressione.
          
          dove
          
          

Risultati

Pseudo sequenza casuale ternaria (PRTS) e trap

La figura 2A mostra un segnale PRTS, generato integrando un profilo di velocità pseudo casuale. Per ogni tempo di campionamento, la velocità del segnale può essere uguale a zero o acquisi...

Discussione

Diversi passaggi sono fondamentali per eseguire questi esperimenti per studiare il controllo posturale umano. Questi passaggi sono associati alla corretta misurazione dei segnali e includono: 1) Corretto allineamento dell'asse della caviglia del gambo di rotazione a quello dei pedali, per la corretta misurazione delle coppia alla caviglia. 2) Corretto set-up dei cercatori di gamma per garantire che funzionino nella loro gamma e non sono saturi durante gli esperimenti. 3) Misurazione di EMG con buona qualità e minimal e ...

Materiali

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