軸方向および近位筋のトーンを測定する方法

要約

我々は、アクティブな姿勢メンテナンス時トニック筋活動の調節を研究するデバイス（ツイスター）を開発しました。ツイスターは、体軸のねじれの間に立っている被験者のねじれ抵抗と筋肉の反応を測定します。デバイスは、柔軟に、トランク、および/または腰を首全体トニックコントロールのさまざまな側面を研究するように構成することができます。

要約

トニック筋肉活動の制御には、よくわかっていないままです。異常な音が一般的にリラックスした手足¹の受動抵抗を測定することにより、臨床的に評価されている間、システムは、反重力のサポートの自然な、アクティブな状態にあるトニック筋肉の制御を研究するために利用できません。我々は、アクティブな姿勢維持（すなわち姿勢緊張）の間に軸方向および近位筋の緊張調節を研究するデバイス（ツイスター）を開発しました。 Twisterは、首、トランクまたはヒップの領域をねじるように、姿勢時の縦軸について互いに相対的軸ボディ領域を回転します。このねじれは、重力に体の関係を変更せずに、軸方向筋の長さの変化を課します。ツイスターは、姿勢のサポートを提供しないため、トーンは重力トルクを打ち消すために安定化する必要があります。我々は、このトニックの長さの変化するすべての筋肉の状態を反映するねじれへの反抗トルクによる規制だけでなく、の筋電図での定量化関連する筋肉。トーンが長期的な低レベルの筋活動によって特徴づけされているので、強壮剤のコントロールは、高速の"相性"の応答を想起させることなく、筋肉の長さの"トニック"変化を生み出すゆっくりとした動きで研究されている。ツイスターは、このような軸方向の回転を遅くする姿勢の変化、体のセグメント間で強壮作用だけでなく、知覚のしきい値の共収縮、トニック変調などの筋緊張のさまざまな側面を、研究するために再構成することができます。ツイスターは、軸方向および近位姿勢のトーンに対する病気の影響の定量的な測定を提供し、介入の有効性を評価するために使用することができます。

プロトコル

1。はじめ

ツイスターは、アクティブな、直立姿勢時の軸方向および近位本体領域の姿勢トーンを定量化するためのサーボ制御装置です。オリジナルのデバイスは、オレゴン健康科学大学で建設され、同様のデバイスは、英国サザンプトン大学のために建設中であるれました。このレポートでは、我々は、ツイスターとその様々な用途の関数と論理的根拠を説明。我々は、その複製を容易にし、それが姿勢トーンのコントロールを調査するために使用する方法を示すために詳細な説明を提供しています。

2。概要

ツイスターは、プラットフォームの回転を規制するためのプラットフォーム、トルクセンサ、輪サスペンションシステム、上下の注視、およびボディの添付ファイル（図1）だけでなく、サーボ制御システムを回転させ、剛性のスチールフレームで構成されています。ツイスターは、上部のセグメントを基準にした垂直方向の軸を中心に下半身のセグメントを回転させて立っての被験者で姿勢トーンを定量化する。これは内の筋肉の長さを変える、との間で​​領域をねじる。上部と下部の注視は、首、トランクまたはヒップの領域（図2）にねじれを付与するために取り付けることができます。ツイスターは、姿勢のサポートを提供しないため、骨格筋の緊張性活動は重力トルクを打ち消すために必要です。この強壮剤の規制は、ねじれねじれに対する抵抗性だけでなく、関連する筋肉から筋電図によって研究されている。ねじれに対する抵抗性は、上部の固定内にトルクセンサによって評価し、長さの変化するすべての筋肉の状態を反映している。ツイスターは、いくつかの異なるプラットフォームを使用してRotationプロファイルは、三角形のプロファイル、ステッププロファイル、および増加する大きさの三角形のプロファイル（図3）を含めて、トニック制御を研究する。これらは、対象と測定上の慣性の影響を最小限に抑える定数遅い速度、でプラットフォームを回転させる。

我々は、垂直軸に関するねじれ摂動を使用：これらの構造体が斜めに向いていると広い解剖学的起源や挿入を持っている1）、軸方向および近位筋の長さを変更する、2）全身の関係を変化させないと重力へのその部分、3）慣性の最小限のモーメントの軸周りに体を回転させる ² 4）ニュートラルゾーンに対応しています ^3,4ので、前方に対向する位置からの微小変位からの抵抗は筋肉ではなく骨靱帯力を反映している、5）自然に日常生活で発生する ^3,5。

ツイスターは、強壮剤、コントロールのさまざまな側面に対処するために使用できる柔軟性のあるデバイスです。これらが含まれます：1）緊張性活動に関連した剛性を ^6月8日、筋肉の長さの変化2）強壮剤応答 ^6,8。 3）リモートボディ領域にねじれの効果は、運動感覚情報から4）強壮剤の効果 ⁹;姿勢トーンで病気の5）の影響 ^7,10;回転を遅くする、6）知覚しきい値 ¹¹。

3。デバイスの詳細な説明

我々は、詳細以下のツイスターのコンポーネントを。

回転台被験者は、縦軸（1図、4A）約ベアリングに° ± 20を回転させるプラットフォームに立っている。 0.5 ° / sおよび5 ° /秒と高トルクの間でプラットフォームの速度を実現したドライブの比では電気モーターの力をこのローテーション。ツイスター空間の下半身ではなく、静かな姿勢を混乱させることができる前庭信号を除去するために上半身を回転させる。
1. ベルトとプーリーのシステムは、振動を減衰し、トルクの測定に干渉する可能性ラッシュを除去するドライブの削減、のために使用されます。それはキュープラットフォームの動きについての主題をできるので、振動を最小限に抑えられます。
2. 安全のために、ハードストップは、最大のプラットフォームの変位を制限するために使用されています。
光学式エンコーダ（ヒューレットパッカードHEDS - 5540）は、サーボ制御とデータ解析の両方の回転変位を報告します。
フレーム
硬質、鋼製フレーム（1.5mx 1.5mx 3m）は、正確なトルク測定に必要なプラットフォームアセンブリとトルクセンサの間に高いねじり剛性を、作成します。
アッパー固定とサスペンションシステム上部の固定や軽量、輪サスペンションシステムは、フレーム（図4B）にツイストペア領域の左上余白を接続する。上部の固定内に配置されたトルクセンサ（FUTEK TFF220、アーバイン、カリフォルニア州）は、回転対象の抵抗を測定します。
3. サスペンションシステムは、前後と縦縞状の軸に沿って交互にヒンジ式の4つの長方形のアルミ板で構成されています。これは正確に他の次元に動きを制限することなく、トルクを測定するために、縦軸（590ナノメートル/℃）程度の回転のための高い剛性を作成します。特に、x、y、z方向（0.25 N / cm）の中の翻訳のための低剛性は、被験者が姿勢の安定性そのものを維持確保し、空間参照を提供することから、上部の固定を防ぐことができます。また、これは各個人が水平面に姿勢運動に影響を与えることなく、独自の、ユニークな垂直姿勢を維持することができます。
4. スプリングはサスペンションシステムの重量を打ち消すように働く。
5. 垂直ベアリングアセンブリ（図1、図4（b））が対象の高さに上部の固定を調整するために使用されます。
   
ニーダー固定下の固定は、回転台にツイストペア地域の下端を接続します。低い固定下体セグメントは、プラットフォームで回転する。
6. 下の固定は、回転台に接続されている軽量の伸縮棒で構成されています。ヒンジは、前後の姿勢動揺を可能にするために、プラットフォームに伸縮棒を接続する。
   
ボディの添付ファイル三つの添付ファイルは、ツイスターで使用されています。
7. 首をひねったりするために、上記のヘルメットと下に肩を取り付けます。
8. トランクをねじるために上記の肩や下に骨盤を添付
9. 腰が上記の骨盤を添付ツイストする。足、すねと太もものプラットフォームで回転するように、この例では、ねじれは内部と外部の腰の回転にローカライズされています。
   
外固定第三に、創外固定は別のことで生成するトルクを測定し、一方のボディ領域をねじるために使用することができます。後者のセグメントが静止しているので、測定トルクは抵抗性ではないが、潜在的にリモートねじれから誘導されたセグメント内の筋肉の力に由来します。
10. 外固定は垂直軸周りに回転するから、接続されたセグメントを防ぐ軽量の伸縮棒で構成されています。バーとフレームの間にヒンジジョイントは、前後の姿勢動揺することができます。
11. 図4Cは、トランクのねじれの間に首のトルクを測定するための構成を示しています。また、股関節のねじれに対応して首のトルクは、外部固定する骨盤を接続することにより評価することができる。
12. 標準forceplateを同時に撚りセグメントの抵抗トルクを測定するために、被験者の足と回転台の間に配置することができます。このforceplateは、ねじれの間に姿勢動揺を定量化するために使用することができます。
    
サーボ制御カスタム構築されたリアルタイムのサーボシステムは、プラットフォームの回転を制御します。このハードウェアのPIDコントローラは、光学式エンコーダからプラットフォームの位置信号と所望の回転（図7参照）に基づいて、モータ駆動信号を出力する。プラットフォームの回転の希望する時間的プロファイルを指定し、裁判を開始す​​るためのハードウェアコントローラを搭載したカスタムPCのプログラムインタフェース。
13. コントローラは、プラットフォームの回転のために3つのプロファイルを生成します。定速時計回りと反時計回りの回転（図3、トレース1）を交互に三角形のプロファイルを選択します。 （図3、トレース2）不連続回転を達成するためのステッププロファイルを使用してください。回転は、サイクルにわたって振幅の増加（図3、トレース3）三角形のプロファイルで駆動することができます。
14. すべてのプロファイルの場合、回転は12 ° / sに加速を制限するために平滑化され ²運動の開始と方向転換中。

4。実験的なプロトコル

典型的な実験は、次のように実行します。

配置ボディの添付ファイル（すなわちヘルメット、ショルダーハーネスまたは骨盤の矯正）、それらがぴったりとされていないとねじり遊びがないことを保証する。リニアベアリングの高さを調整します。
1. 下半身の添付ファイルの高さに対応する伸縮棒を使用して、より低い固定を調整します。
2. 前を向いた、回転台の上に立つ主題を指示します。
3. ゼロトルクは公判前の位置にある対象に適用されるように、対応する身体の添付ファイル、位置の調整に上限と下限を固定した添付。
4. 件名を目隠し。
5. リラックス立って対象を指示し、介入することではない。
6. 選択しているボディ領域に応じてトルクセンサ用アンプのゲインは、この信号のダイナミックレンジを最大にするために、ねじれている。
7. トルクセンサのバイアスをリセットします。
8. ヨーとデータの記録に表面の発振を開始します。トルクとプラットフォームの回転信号は通常、スパイク2収集ソフトウエア（ケンブリッジ電子デバイス、ケンブリッジ、英国）を用いて50 Hzで記録されます。
9. 目的のプラットフォームの回転プロファイルを使用してねじる開始。被験者は正確にねじれ認識しないように、一般的な動きでゆっくりと十分に滑らかでなければなりません。

5。代表的な結果

抵抗トルクは通常、プラットフォームの遠足で増加、しかし、増加が大きいエクスカーションと遅くなります。全体的な抵抗は、通常、ピークツーピークトルクにより定量化され、サイクルにわたって平均した。図5Aは、トランクのための一定速度のランプのねじれ抵抗のための科目にまたがる単一試行の応答を示しています。我々は（;クラス間の相関係数= 0.89図5B）の対象内ヶ月間で再現性のあるデータを観察している。ねじれに対する抵抗が身体セグメントで異なる、と腰のためのトランクおよび3.23 ± 1.67 Nmのために首、5.11 ± 1.94 Nmのための0.54 ± 0.24 nmと報告されていることを意味 ⁶（図6）。プラットフォームの回転が滑らかであるとはラッシュがないことが重要です。ラッシュの不在が方向転換し、発症時のトルクの急激な変化時のトルクで滑らかな変化によって示され、おそらく筋肉の短距離剛性に起因する（Gurfinkelで図3Aを参照してください。ら。 6）。

測定されたトルクは、（共収縮を含む）だけでなく、ベースラインの緊張性活動の分布をねじると音のダイナミックな変化の両方を反映している。ためにねじれの低速から、度あたりのトルクの増加は、本質的な剛性と同等です ¹²筋肉の活動が一定の場合のみ。アクティブな構造が測定された抵抗ツイスターに寄与するため、技術的にpseudostiffnessを評価することに注意してください。

一般的には、応答の2つのタイプは、ツイストペアの領域内に定数または変調された強壮剤の活性に対応することが観察されています。前者は、トルク、高ピークツーピークトルクの大きさ、そして比較的一定EMGの低サイクル間の変化によって特徴付けられる。対照的に、動的な変調は、高サイクルごとのばらつき、低ねじれ抵抗とねじれとコヒーレントEMG変調によって特徴付けられる。変調された被験者は方向を逆（Gurfinkelで図3Aを参照することができます不規則なパターンを持っている間に角度対トルクのプロットに変調されていない被験者は、通常のヒステリシスループを示すら。 6動的な変調は、一般的に（すなわちシェリントンの延長と短縮反応を延長する際、アクティビティを短縮し、減少させる筋肉の間にトニック活動の増加で構成されています ¹³）、伸張反射の符号が反対である。変調の程度の統合的な測定は、トルクの位相前進と呼ばれる、サイクル内の被写体のニュートラル（ゼロトルク）位置にシフトすることによって得ることができる ^6,8。

図1。回路図。コンポーネントは、次のように分類されます：1）回転のプラットフォームは、下の固定用2）伸縮式のバー、3）低伸縮式バーと回転台との間の蝶番関節、4）上部の固定に接続されているヘルメットを、5）トルクセンサと輪サスペンションシステムを、6）垂直リニアベアリングをロックする、7）誘導トルクを測定するための創外固定、8）3〜ヒンジジョイント類似を、9）剛性フレームを、10）ラーメン用ブレース対角線の交わりが。

図2。軸方向と近位のレベルに適用されるねじれ。被験者は、目的のボディ領域にねじれ付与するために貼付されている上半身と下半身の添付ファイル付き回転台（黄色）の上に立つ。上部の添付ファイルは、垂直軸周りの回転に関して固定されているトルクセンサへのサスペンションシステム（ジグザグ線）（T）、を介して接続されている。下の添付ファイルは、被験者の矢状面内で回転できるヒンジジョイント（黒丸）を介して回転台に接続します。 ：ネックのねじれは、プラットフォームにトルクセンサへのヘ​​ルメットと肩を取り付けることによって実現されます。 B：トランクのねじれは、トルクセンサとプラットフォームに骨盤に肩を取り付けることによって実現されます。 C：ヒップのねじれは、トルクセンサに骨盤を取り付けることによって実現されます。

図3。異なるねじれプロファイル。様々なプロファイルは、強壮剤、コントロールの特定の側面を研究するために使用することができます。プラットフォームの回転を指定する光学式エンコーダの出力はボルトで示されています。上から見ると上向きのたわみは、反時計回りのプラットフォームの回転に対応しています。 1）三角形のプロフィール：この場合、回転速度、最大偏位とサイクル数が指定されている。 12 °の2つのサイクルが示されています。 2）不連続、ステッププロファイル：振幅、速度、および保持時間ステップが指定されています。 4つ、3 °度のステップで構成される2サイクル12 °の回転は、示されている。 3）振幅三角波の増加：3 °、6 °と9 °回転のそれぞれの2つのサイクルが示されている。この例では、プラットフォームの回転率はすべての条件の定数です。

図4。写真。 ：次のようにラベル付きコンポーネントをねじるトランクの設定：1）回転のプラットフォーム、2）モータとサーボ制御アセンブリ、3）低伸縮式バーと回転台の間に蝶番関節、4）低固定し、骨盤の矯正、5）の上部固定し、ショルダーハーネス、上部固定するサスペンションを接続する6）バー、7）トルクセンサと輪サスペンションシステム、8）誘導トルクを測定するための創外固定、9）ラーメン。 B：トルクセンサと、次のようにラベル付けサスペンションシステムのクローズアップ：1）トルクセンサは、2-5）軽量ヒンジのアルミプレート。プレート4と5の間にヒンジが縦縞状の軸の周りに配向している間、プレート2と3の間のヒンジは、前後軸回りに回転。 8）垂直リニアベアリングをロックして、9）軽量ヘルメットとアタッチメントアッパー。 C：トランクをねじることが首にねじれ効果を測定するための構成。この構成では骨盤に固定され回転のプラットフォーム（1）と肩をトランクにねじれを制限する、回転から肩、首と頭を防ぐ外固定（2）、に接続されています。ヘッドは、任意の誘発首のトルクがトルクセンサに印加されるように、上部固定（3）に接続されています。

図5。ねじり抵抗。 A）別の科目から個々の試験からのトルクのトレース。 10 °、1 ° / sの三角波の3サイクルが使用されました。被験者は、被験者間の抵抗の大きな変化で、サイクル全体で一貫性のあるトルクの動作を持っている。少なくとも抵抗の痕跡が高い変調方式の代表的なものながら、最高の抵抗を使用したトレースは、変調されていない行動の典型的なものである。時間にわたってねじれ抵抗のB）被験者間の再現性。一ヶ月で区切られた7名から二つの測定値。ピークツーピークトランクのトルクは、テストセッション間で一貫性のある被験者内の動作が幅広い被験者間のばらつきを示しています。

図6。反抗トルク。首、体幹と股関節のレベルの抵抗トルクに10 °、1 ° / sの三角波。代表的な主題から単一の試験が示されています。レベル間で異なる大きさとtimecorseに注意してください。

図7。回路図。制御ループは、プラットフォームのシャフトに取り付けられた光学式エンコーダからの入力を受け取るPID（比例、積分、微分）コントローラ、構成されています。コントローラは、モータ駆動電流を決定します。 PC上で動作するカスタムソフトウェアは、コントローラにこの情報をダウンロードし、目的のプラットフォームの軌道を、選択するために使用されます。

ディスカッション

それは、ツイスターは、強壮剤、コントロール内のアドレス数多くの質問を使用することができることは私達の意見である。日付に、ツイスターは7などの出版物^6-11,14にリードしている。おそらく、ツイスターの最も重要な特徴は、音色の統合、運動測定を提供することである。トーンのこのトルクの測定値は、運動学、逆動力学や筋電図的なアプローチによって提供され、音に関する多くの質問に答える必要がありますされていません。また、ツイスターは、実質的な自然反重力や姿勢の動作に干渉しないでユニークであり、そしてトニックではなく、一過性摂動を提供します。

ツイスターの1つの潜在的な使用は、姿勢のトーンで病気の強壮効果の定量化です。内因性および反射剛性が十分に高速な摂動を用いて多くの神経や筋骨格系の条件のために研究されていますが、姿勢のトーンで多くの疾患の定量的な効果は十分に特徴付けされません。特に、ツイスターはuをすることができます体軸に沿ってこのような剛性^7,10,14、筋緊張低下、ジストニア、および姿勢トーンの大きさ、分布および対称性で背中と首の痛みなどの疾患の影響を定量化するsedは。また、例えば、軸方向の運動感覚を、測定するために使用することができ、筋肉のproprioceptorsと¹¹ perceptuomotorの対称性に基づく身体の回転の知覚、たとえば、軸ねじれ¹⁴時の直進の表現。最後に、ツイスターは、軸方向の姿勢緊張⁸これらの措置に関する介入の効果を研究するために使用することができます。

我々は、ツイスターを作製するエンジニアリング会社を雇うのコストは約3万ドル米国でいると推測される。原材料の価格が低いですが、かなりの製作が必要とされるこのデバイスは、おそらく、このコストのほんの一部のために社内で製造することができる。その使用を通して、ツイスターは大きく進化し続けている。ツイスターで対応することができる多くの基本的な質問があります。我々は、このを願っています報告書は、他の研究者が強くねじるデバイスを構築するか、またはそうでなければこの基本が理解不十分な領域の研究を刺激するのに役立ちます。