Valutazione del controllo posturale e dell'attivazione muscolare a bassa estremità in individui con instabilità cronica della caviglia

Riepilogo

Gli individui con instabilità cronica della caviglia (CAI) presentano carenza di controllo posturale e attivazione muscolare ritardata degli allevamenti inferiori. La posturografia dinamica computerizzata combinata con l'elettromiografia superficiale fornisce informazioni sulla coordinazione dei sistemi visivi, somatosensoriali e vestibolari con regolazione dell'attivazione muscolare per mantenere la stabilità posturale negli individui con CAI.

Abstract

La posturografia dinamica computerizzata (CDP) è una tecnica oggettiva per la valutazione della stabilità posturale in condizioni statiche e dinamiche e perturbazioni. CDP si basa sul modello di pendolo invertito che traccia l'interrelazione tra il centro di pressione e il centro di gravità. Il CDP può essere utilizzato per analizzare le proporzioni della visione, della propriocezione e della sensazione vestibolare per mantenere la stabilità posturale. I seguenti personaggi definiscono l'instabilità cronica della caviglia (CAI): dolore alla caviglia persistente, gonfiore, la sensazione di "dare modo" e disabilità auto-riferita. Stabilità posturale e livello di attivazione muscolare fibulare in individui con CAI diminuito a causa di lesioni complesse del legamento della caviglia laterale. Pochi studi hanno utilizzato CDP per esplorare la stabilità posturale degli individui con CAI. Mancano studi che studiano la stabilità posturale e l'attivazione muscolare correlata utilizzando CDP sincronizzato con elettromiografia superficiale. Questo protocollo CDP include un test dell'organizzazione sensoriale (SOT), un test di controllo del motore (MCT) e un test di adattamento (ADT), nonché test che misurano la posizione unilaterale (US) e il limite di stabilità (LOS). Il sistema di elettromiografia superficiale è sincronizzato con CDP per raccogliere dati sull'attivazione muscolare degli arti inferiori durante la misurazione. Questo protocollo presenta un nuovo approccio per valutare il coordinamento dei sistemi visivi, somatosensoriali e vestibolari e la relativa attivazione muscolare per mantenere la stabilità posturale. Inoltre, fornisce nuove informazioni sul controllo neuromuscolare degli individui con CAI quando si affronta ambienti complessi reali.

Introduzione

La posturografia dinamica computerizzata (CDP) è una tecnica oggettiva per la valutazione della stabilità posturale in condizioni statiche e dinamiche e perturbazioni. Il CDP si basa sul modello di pendolo invertito che traccia l'interrelazione tra il centro di pressione (COP) e il centro di gravità (COG). COG è la proiezione verticale del centro di massa (COM), mentre COM è l'equivalente in punti della massa corporea totale nel sistema di riferimento globale. COP è la posizione del punto del vettore di forza di reazione al suolo verticale. Rappresenta una media ponderata di tutte le pressioni sulla superficie dell'area di contatto con il terreno¹. La stabilità posturale è la capacità di mantenere la COM all'interno della base di supporto in un determinato ambiente sensoriale. Riflette la capacità di controllo neuromuscolare che coordina il sistema nervoso centrale con il sistema sensoriale afferente (visione, propriocezione e sensazione vestibolare) e l'uscita del comando^{motorio 2}.

I metodi di valutazione precedenti per il controllo posturale, come il tempo per una posizione a gamba singola e la distanza di copertura per i test di bilanciamento Y, sono orientati ai risultati e non possono essere utilizzati per valutare oggettivamente la coordinazione tra i sistemi sensoriali e il controllo^{motorio 3}. Inoltre, alcuni studi hanno utilizzato scheda oscillante computerizzata portatile, che quantificato le prestazioni di bilanciamento dinamico dalle impostazioni di^{laboratorio 4,5,6}. Il CDP differisce dai suddetti metodi di prova, perché può essere applicato all'analisi della proporzione di visione, propriocezione e sensazione vestibolare nella manutenzione posturale della stabilità e alla valutazione della proporzione della strategia motoria, come la strategia dominante della caviglia o dell'anca. È stato visto come un gold standard per la misurazione del controllo^{posturale 7} a causa della sua precisione, affidabilità e validità⁸.

L'instabilità cronica della caviglia (CAI) è caratterizzata da dolore persistente alla caviglia, gonfiore e sensazione di "dare modo"; è uno degli infortuni sportivi più comuni⁹. CAI proviene principalmente da distorsioni alla caviglia lateral, che distruggono l'integrità e la stabilità del complesso legamento della caviglia laterale. La propriocezione, la forza muscolare fibulare e la traiettoria normale del talus sono compromesse^10,11. Le carenze del segmento della caviglia debole possono provocare un controllo posturale carente e l'attivazione muscolare in individui con CAI¹². Tuttavia, pochi studi hanno studiato la stabilità posturale degli individui con CAI utilizzando CDP^3,13. Le misurazioni attuali raramente potrebbero analizzare la carenza di controllo della postura del CAI dal punto di vista dell'analisi sensoriale. Pertanto, la capacità dell'organizzazione sensoriale e della strategia posturale del CAI di mantenere la stabilità posturale richiede ulteriori esplorazioni.

L'attività muscolare è una componente importante del controllo neuromuscolare che influisce sulla regolazione della stabilità^{posturale 14,15}. Tuttavia, CDP monitora solo l'interrelazione tra COP e COG attraverso piastre di forza, e la sua applicazione all'osservazione del livello di attivazione specifico dei muscoli degli arti inferiori negli individui con CAI è difficile. Attualmente, pochi studi hanno valutato la stabilità posturale degli individui con CAI attraverso un metodo che combina CDP con elettromiografia (EMG).

Pertanto, il protocollo sviluppato mira a esplorare il controllo posturale e l'attività muscolare correlata combinando CDP e sistema di elettromiografia superficiale (sEMG). Questo protocollo fornisce un nuovo approccio per studiare il controllo neuromuscolare, tra cui l'organizzazione sensoriale, il controllo posturale e l'attività muscolare correlata, per i partecipanti con CAI.

Protocollo

Prima dei test, i partecipanti hanno firmato un consenso informato dopo aver ricevuto informazioni sul processo sperimentale. Questo esperimento è stato approvato dal comitato etico della Shanghai University of Sports.

1. Configurazione dell'attrezzatura

1. Accendere il sistema CDP, completare l'auto-calibrazione e assicurarsi che lo strumento funzioni normalmente alla frequenza di campionamento a 100 Hz.
   NOTA: Ognuna delle due piastre di forza indipendenti installate misura tre forze (Fx, Fy e Fz) e tre momenti (Mx, My e Mz). L'asse x si trova nella direzione sinistra-destra ed è perpendicolare al piano sagittale. L'asse y si trova nella direzione avanti-indietro ed è perpendicolare al piano coronale. L'asse z è perpendicolare al piano orizzontale. Le origini si trovano al centro delle piastre di forza.
2. Fare doppio clic su Sistema di Gestione bilanciamento Modulo clinico, quindi fare clic su Nuovo paziente e stabilire l'ID paziente. Immettere un'altezza, un peso e un'età accurati. Selezionare Test organizzazione sensoriale, Posizione unilaterale, Limiti di stabilità, Test di controllo del motore e Test di adattamento.
   NOTA: tali dati demografici vengono utilizzati anche per l'analisi diagnostica normativa corrispondente all'età.
3. Accendere il sistema di elettromiografia della superficie (sEMG) e fare doppio clic sull'icona Strumenti di movimento EMG. Specificare il segnale di innesco come Trigger In (Manual Stop), stabilire l'ID del partecipante e abbinare i muscoli misurati con l'elettrodo wireless. I muscoli dell'arto inferiore instabile sono vastus medialis (VM), vastus lateralis (VL), biceps femoris (BF), tibialis anteriore (TA), longus peroneale (PL), gastrocnemius medialis (GM) e gastrocnemius lateralis (GL).
   NOTA: la frase Trigger In (Manual Stop) indica che CDP attiva il sistema sEMG per acquisire i dati EMG durante i test, ma il flag "end" richiede un clic manuale per interrompere l'acquisizione.
4. Collegare il sistema sEMG con il sistema CDP tramite la linea di sincronizzazione. Regolare la telecamera del sistema sEMG per catturare la luce dell'indicatore di segnale del sistema CDP.
   NOTA: Il video della luce indicatore viene raccolto in modo sincrono con il sistema CDP e sEMG per tagliare il ciclo corrispondente del EMG in conformità con i test CDP. "Light on" indica che il test è in corso e "light off" indica che il test è in pausa/arrestato.

2. Selezione e preparazione dei partecipanti

1. Utilizzare i seguenti criteri di inclusione per i partecipanti CAI: (1) 35 partecipanti maschi con regolare attività quotidiana, esclusi gli atleti professionisti o i partecipanti sedentari; (2) 20-29 anni; (3) la storia di almeno una distorsione significativa alla caviglia e la distorsione iniziale deve essere avvenuta almeno 12 mesi prima dell'iscrizione allo studio; (4) sensazioni di "dare via" l'articolazione della caviglia infortunata e/o una distorsione ricorrente e/o "sensazione di instabilità;" e (5) un punteggio di questionario Cumberland Ankle Instability Tool inferiore a 24 punti¹⁶.
   1. Escludere i partecipanti con una storia di distorsioni bilaterali, frattura degli arti inferiori, operazione, malattie del sistema nervoso e vestibolare o allergia alla registrazione. Inoltre, recluta 35 partecipanti maschi senza CAI, i cui dati demografici corrispondevano al gruppo CAI, come gruppo di controllo.
2. Per la preparazione, fissare il pezzo di elettrodo sulla pancia dei muscoli misurati. Istrui i partecipanti a indossare un'imbracatura di sicurezza e di stare a piedi nudi sulle piastre di forza per affrontare il surround visivo.
   1. Regolare l'allineamento dei piedi sulle piastre di forza. Allineare il malleolus medialis con la linea orizzontale e il bordo posteriore del piede con la corrispondente linea di altezza generata dal computer (linee S, M e T). Disattivare lo schermo incorporato nell'ambiente visivo surround (Figura 1).
      NOTA: queste linee guida si basano sulle seguenti altezze. "S" significa "piccolo" e comprende altezze che vanno da 76 cm a 140 cm. "M" significa "medio" e comprende altezze che vanno da 141 cm a 165 cm. "T" significa "alto" e comprende altezze che vanno da 166 cm a 203 cm. Lo schermo può produrre effetti di apprendimento, perché può fornire feedback visivo in tempo reale. Pertanto, lo schermo deve rimanere chiuso durante la prova, tranne durante il limite di stabilità (LOS) test¹⁷.

Figura 1: Preparazione dei partecipanti per la misurazione. I partecipanti stanno in piedi a piedi nudi per affrontare il surround visivo, indossare l'imbracatura di sicurezza, allineare correttamente i piedi con le piastre di forza e fissare gli elettrodi EMG wireless sulle gambe. Si prega di fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

3. Procedure di misurazione

1. Misurazione CDP
   1. Test dell'organizzazione sensoriale
      1. Indicare ai partecipanti di stare in piedi e di mantenere il loro COG il più stabile possibile per far fronte all'interferenza della vista, somatosensoriale e sensazione vestibolare (singly o combinato)(Tabella 1). Completare le misurazioni delle condizioni da 1 a 6. Ogni test dura 20 s. Ripetere la procedura tre volte per ogni condizione.
   2. Posizione unilaterale
      1. Istruire i partecipanti a mettere le mani sulla colonna vertebrale ilica superiore anteriore con gli occhi aperti / chiusi. Considerare il lato della caviglia instabile come la gamba di supporto. Estendere completamente l'articolazione del ginocchio e piegare il ginocchio della gamba non di supporto di circa 30 gradi. Consentire ai partecipanti di rimanere stabilmente per 10 s. Ripetere la procedura tre volte per ogni condizione visiva.
   3. Limite di stabilità
      1. Indicare ai partecipanti di mantenere il COG nell'area centrale. Dopo aver sentito l'anello, appoggia il corpo e sposta rapidamente il LORO COG nel fotogramma mirato sullo schermo. Istruire i partecipanti a rimanere fermi per 10 s. Completate gli otto spostamento direzionali del COG (avanti, avanti destra, destra, destra-indietro, indietro, indietro, indietro-sinistra, sinistra e sinistra in avanti).
         NOTA: Nel processo di spostamento COG, il corpo viene mantenuto dritto, il tallone o le dita dei piedi non sono lontani dalle piastre di forza e l'articolazione dell'anca non è piegata.
   4. Test di controllo del motore
      1. Istruire i partecipanti a rispondere efficacemente per ripristinare la stabilità del corpo e per far fronte allo slittamento inaspettato delle piastre di forza. Ripetere la procedura tre volte per ogni condizione di scivolamento.
         NOTA: le piastre di forza sono scivolate con ampiezza piccola/media/grande nella direzione anteriore/posteriore. In base all'altezza del partecipante, l'ampiezza dello slittamento delle piastre di forza viene regolata automaticamente. Le procedure standard devono essere seguite per allineare la posizione del piede sulle piastre di forza. Esiste un ritardo casuale tra le prove.
   5. Test di adattamento
      1. Istruire i partecipanti a rispondere in modo efficace per ripristinare la stabilità del corpo e per far fronte a cinque rotazioni inaspettate consecutive ad una velocità di 20 gradi/ s. Dirigere le dita dei piedi verso l'alto o verso il basso.

Condizione	Occhi	Piastre di forza	Surround visivo	Interferenza	Risposta anticipata
1	Aperto	correzione	correzione		Somatosensory
2	Vicino	correzione	correzione	Visione	Somatosensory
3	Aperto	correzione	Riferimento a Sway	Visione	Somatosensory
4	Aperto	Riferimento a Sway	correzione	Somatosensory	Visione vestibolare
5	Vicino	Riferimento a Sway	correzione	Somatosensoriale, visione	Vestibolare
6	Aperto	Riferimento a Sway	Riferimento a Sway	Somatosensoriale, visione	Vestibolare

Tabella 1: Interferenze diverse e risposta prevista corrispondente nel test dell'organizzazione sensoriale. Il termine "oscillazione-riferimento" significa che il movimento delle piastre di forza e surround visivo segue l'oscillazione COG del partecipante.

2. Misurazione e processo dati sEMG
   1. Dopo l'attivazione da parte del sistema CDP durante SOT, US, LOS, MCT e ADT, avviare l'acquisizione automatica dei dati grezzi dell'attività muscolare degli arti inferiori. Interrompere manualmente l'acquisizione durante il sistema sEMG quando la luce è spenta. La dimensione del campione è 1000 Hz.
   2. Immettere la finestra di elaborazione del software sEMG. Importare il file C3d dei dati raw EMG e il file mp4 del video leggero. Tagliare il ciclo di prova quando la luce è accesa.
   3. Nelle operazioni della "pipeline di elaborazione", includere le opzioni seguenti nella pipeline di esecuzione: filtro Butterworth con passaggio basso (450 Hz, 2. ordine) e high-pass (20 Hz, 2. Ordine); filtro tacca a 50 Hz; e radice media finestra di levigatura quadrata di 100 ms.
      NOTA: scegliere il filtro Butterworth con pass basso (450 Hz, 2. ordine) e high-pass (20 Hz, 2. ordine) per filtrare i componenti indesiderati a bassa e alta frequenza. Impostare il filtro tacca a 50 Hz per rimuovere l'interferenza di 50 Hz dalla potenza principale. Utilizzare la finestra di levigatura quadrata media radice di 100 ms per lisciare il segnale rumoroso.
   4. Nelle opzioni Genera eventi includere gli eventi seguenti nella pipeline di esecuzione. "muscle on" è definito come "tutti i canali vanno al di sopra di 5 volte le deviazioni standard del rumore di base per almeno 50 ms". "muscle off" è definito come "tutti i canali scendono al di sotto di 5 volte le deviazioni standard rispetto alla linea di base per almeno 50 ms ".
   5. Nelle opzioni Genera parametri, includere i seguenti parametri nella pipeline di esecuzione: elettromiografia integrale (iEMG); radice media quadrato (RMS); frequenza media di potenza (MPF); media frequenza (MDF); rapporto di co-attivazione.
      NOTA: Di seguito sono riportati i calcoli di riferimento per i parametri di cui sopra (Equazioni 1–4):
      
      
      
      
   6. Normalizzare i valori RMS delle prove SOT, US, LOS, MCT e ADT con i valori RMS della massima contrazione isometrica volontaria (MVIC) per ogni muscolo (Equazione 5).
      
      NOTA: MVIC indica la contrazione massima della forza di ogni muscolo per i partecipanti nella postura standard per 5 s (file supplementare 1)¹⁸.

Risultati

Risultati CDP rappresentativi
Test dell'organizzazione sensoriale
Il sistema valuta la capacità del partecipante di mantenere il COG nell'area di destinazione predeterminata, quando l'ambiente cambia quando l'ingresso del segnale periferico. Punteggio di equilibrio (ES) è il punteggio in condizioni 1–6 che riflette la capacità di coordinare il sistema sensoriale per mantenere la stabilità posturale (Equazione 6). Il punteggio composito (COMP)...

Discussione

Il protocollo presentato viene utilizzato per misurare il controllo posturale dinamico e l'attività muscolare correlata negli individui con CAI sincronizzando CDP con sEMG. CDP traccia la traiettoria del COP e COG e fornisce informazioni dettagliate sull'interazione tra l'input di informazioni sensoriali (visual, somatosensoriale e vestibolare) e l'ambiente^{esterno 8,21,22}. È uno strumento efficace per la diagnosi della limitaz...

Materiali

Name	Company	Catalog Number	Comments
NeuroCom Balance Manager SMART EquiTest	Natus Medical Incorporated, USA		Its major components include: NeuroCom Balance Manager Software Suite, dynamic dual force plate (rotate & translate), moveable visual surround with 15” LCD display (it could provide a real time display of the subject’s center of gravity shown as a cursor during the task) and illumination, overhead support bar with patient harness, computer and other parts.
wireless Myon 320 sEMG system	Myon AG		The system consists of 16 parallel channels of transmitter signals, receiver, "EMG motion Tools" and "ProEMG" software,computer and other parts.