축방향 및 근위 근육 톤을 측정하는 방법

요약

우리는 적극적인 체위 유지 보수하는 동안 토닉 근육 활동의 조절을 연구하는 장치 (트위스터) 개발했습니다. 트위스터는 신체 축 비틀림 동안 서 과목 비틀림 저항 및 근육의 반응을 측정합니다. 장치는 유연 목, 트렁크 및 / 또는 엉덩이에 걸쳐 토닉 컨트롤의 다양한 측면을 연구하도록 구성할 수 있습니다.

초록

토닉 근육 활동의 제어가 제대로 이해 남아 있습니다. 비정상적인 음색은 일반적으로 편안한 사지 ^1의 수동 저항을 측정하여 임상 평가하는 동안에는 시스템은 무중력 지원 자연, 활성 상태로 토닉 근육 제어를 연구 사용할 수 없습니다. 우리는 적극적인 체위 유지 (즉, 체위 톤) 중 축 및 근위 근육 토닉 규제를 연구하기위한 장치 (트위스터) 개발했습니다. 트위스터는 목, 트렁크 또는 힙 영역을 강요할만큼, 자세 중에 수직 축에 대해 서로 상대 축 신체 영역을 회전합니다. 이것은 비틀 중력에 대한 신체의 관계를 변경하지 않고 축 근육의 길이 변화를 부과. 트위스터는 체위 지원을 제공하지 않기 때문에, 음색은 중력 토크 대항하기 위해 규제되어야합니다. 우리는 길이 변화를 겪고 모든 근육의 상태뿐만 아니라의 electromyography로를 반영 왜곡에 침착하지 못한 토크로 토닉 규정을 계량관련 근육. 색조가 오랫동안 낮은 수준의 근육 활동에 의해 특징이기 때문에 토닉 컨트롤은 빠른 "phasic"응답을 evoking없이, 근육의 길이에 "토닉"변화를 생산 느린 움직임과 함께 공부합니다. 트위스터는 축 회전을 늦추기 위해 체위 변경, 신체 세그먼트에 걸쳐 토닉 상호 작용뿐만 아니라 지각 문턱에 공동 수축, 토닉 변조 등 근육 톤의 다양한 측면을 연구 재구성 수 있습니다. 트위스터도 축과 근위 체위 톤에있는 질병의 효과 양적 측정을 제공하고 개입의 효능을 평가하기 위해 사용될 수 있습니다.

프로토콜

1. 소개

트위스터 활성화, 직립 자세시 축 및 근위 신체 지역에서 체위 음색을 quantifying위한 서보 제어 장치입니다. 원래 장치는 오레곤 건강 과학 대학에서 건축과 유사한 장치 사우샘프턴, 영국의 대학 공사중가되었습니다. 이 보고서에서는, 우리는 트위스터과 다양한 사용을위한 기능과 근거를 설명합니다. 우리는 다음의 재생을 촉진하고 그것이 체위 톤 컨트롤을 조사하는 데 사용될 수있는 방법을 보여주기에 대한 자세한 설명을 제공합니다.

2. 개요

트위스터는 단단한 플랫폼을 회전 철골, 토크 센서, counterbalanced 서스펜션 시스템, 위턱과 아래턱에 fixations, 그리고 바디 첨부 파일 (그림 1)뿐만 아니라, 플랫폼 회전을 조절을위한 서보 제어 시스템으로 구성되어 있습니다. 트위스터는 상부 세그먼트에 상대적인 수직 축에 대한 낮은 신체 세그먼트를 돌려 서 과목 체위 음색을 quantifies. 이것은 내 근육의 길이를 변경 사이에있는 영역을 왜곡. 위턱과 아래턱에 fixations는 목, 트렁크 또는 힙 영역 (그림 2) 왜곡을 가르친다에 첨부할 수 있습니다. 트위스터는 체위 지원을 제공하지 않기 때문에, 골격근의 토닉 활동 중력 토크를 중화하는 것이 필요합니다. 이 토닉 규제는 비틀림 비틀림에 대한 저항뿐만 아니라 관련 근육의 electromyography로 공부합니다. 비틀림에 저항은 상단에 고정 내에 토크 센서에 의한 평가 및 길이 변화를 겪고 모든 근육의 상태를 반영합니다. 트위스터는 여러 플랫폼 R을 사용하여otation 프로파일은 삼각형 프로필, 스텝 프로필, 그리고 증가 크기의 삼각형 프로필 (그림 3)를 포함, 토닉 컨트롤을 공부합니다. 이것은 주제 및 측정에 대한 관성 효과를 최소화 지속적인 느린 속도에서 플랫폼을 돌린다.

우리는 수직 축에 대한 왜곡 섭동를 사용하여 중력하기 위해 부품, 3) 관성의 최소 순간의 축을 중심으로 몸을 회전 ², 4) 중립 지대에 해당하는 ^3,4 그래서 앞으로 향하게 위치에서 작은 변위로부터 저항이 오히려 osteo - ligamentous 세력보다 근육질 반영;) 5 자연스럽게 일상 활동에서 발생 ^3,5.

트위스터 토닉 컨트롤의 다양한 측면을 해결하는 데 사용할 수있는 유연한 장치입니다. 이들은 다음과 같습니다 토닉 활동 관련 1) 강성 ^6-8, 근육질의 길이 변화 2) 토닉 응답 ^6,8. 3) 원격 몸 지역에 비틀림의 영향, kinesthetic 정보에서 4) 토닉 효과 ⁹, 체위 톤에 대한 질병의 5) 효과 ^7,10, 회전 속도와 6) 지각 문턱 ¹¹.

3. 장치의 상세한 설명

우리는 세부 트위스터의 구성 요소를.

회전 플랫폼 과목 ㆍ 수직 축 (1, 4A의 오른팔)에 대한 베어링의 ± 20 회전 플랫폼에 서서. 전기 모터 0.5 ° / s와 5 ° / s의 높은 토크 사이의 플랫폼 속도를 실현 드라이브 비율 권력이 회전. 트위스터는 공간에 하체보다는 조용한 자세를 중단 수 vestibular 신호를 제거하기 위해 상체를 회전합니다.
1. 벨트와 풀리 시스템은 진동을 dampens 및 토크 측정을 방해할 수있는 채찍질을 제거 드라이브 감소를 위해 사용됩니다. 그것이 큐 플랫폼 움직임에 대한 제목을 수 있기 때문에 진동이 최소화됩니다.
2. 안전을 위해, 하드 정거장은 최대한의 플랫폼 변위를 제한하는 데 사용됩니다.
광학 인코더 (휴렛 팩커드 HEDS - 5540)는 서보 제어 및 데이터 분석을 모두 회전 변위를보고합니다.
프레임
딱딱한, 스틸 프레임 (1.5mx 1.5mx 3m)는 정확한 토크 측정에 필요한 플랫폼의 어셈블리 및 토크 센서 사이의 높은 비틀림 강성을 만듭니다.
어퍼 고정 및 서스펜션 시스템 상단 고정하고 가벼운, counterbalanced 서스펜션 시스템은 프레임 (그림 4B)로 비틀어 영역의 위쪽 여백을 연결합니다. 상단 고정 내에 위치 토크 센서 (Futek TFF220, 어빈, CA)은 회전에 대한 주제의 저항을 측정합니다.
3. 서스펜션 시스템은 앞쪽에 - 후부 및 매니 퓰 레이터 축 따라 교대로 힌지 4 가지 사각형 알루미늄 플레이트로 구성되어 있습니다. 이것은 정확하게 다른 차원의 운동을 제한하지 않고 토크를 측정하기 위해 수직 축 (590 NM / °)에 대한 회전을위한 높은 강성을 만듭니다. 특히, X, Y, 및 Z 방향 (0.25 N / cm)에서 번역에 대한 낮은 강성이 과목 체위 안정성 자신을 유지 보장하고 공간 참조를 제공 상단 고정을 방지합니다. 이것은 또한 각 개인이 수평면에 체위 운동에 영향을주지 않고 자신의 독특한 수직 자세를 유지할 수 있습니다.
4. 온천 행위는 서스펜션 시스템의 무게를 중화합니다.
5. 수직 베어링 어셈블리 (그림 1, 4B)가 적용 높이 상단 고정을 조정하는 데 사용됩니다.
   
낮은 고정 낮은 고정은 회전 플랫폼으로 비틀어 영역의 아래쪽 여백을 연결합니다. 하단 고정 이하 바디 세그먼트 플랫폼 회전.
6. 낮은 고정은 회전 플랫폼에 연결된 가벼운 높낮이 막대로 구성되어 있습니다. 경첩은 앞쪽에 - 사후 체위 영향력을 허용하도록 플랫폼으로 높낮이 막대를 연결합니다.
   
바디 첨부 파일 세 첨부 파일 트위스터와 함께 사용됩니다.
7. 목을 비틀어하려면 위의 헬멧 아래의 어깨를 연결합니다.
8. 트렁크 위에 어깨를 첨부 강요할와 골반 아래의
9. 엉덩이 위의 골반을 첨부 강요할. 피트, 생크와 허벅지가 플랫폼 회전으로이 경우에는 비틀림은 내부 및 외부 허리 회전에화된 것입니다.
   
외부 고정 셋째, 외부 고정이 다른 제작한 토크를 측정하는 동안 시체 한 지역을 비꼬아하는 데 사용할 수 있습니다. 후자 세그먼트가 고정이기 ​​때문에, 측정된 토크가 저항하는 것은 아니지만 잠재적인 원격 왜곡에서 유도 세그먼트 내의 근육 세력에서 유래.
10. 외부 고정은 수직 축에 대한 회전에서 연결된 세그먼트를 방지하는 경량 높낮이 막대로 구성되어 있습니다. 막대와 프레임 사이의 힌지 조인트 앞쪽에 - 사후 체위 바꿀 수 있습니다.
11. 그림 4C는 트렁크 트위스트 동안 목 토크를 측정하기위한 구성을 보여줍니다. 또한, 허리 비틀림에 대한 응답으로 목 토크는 외부 고정으로 골반을 연결하여 평가하실 수 있습니다.
12. 표준 forceplate이 동시에 비틀어 세그먼트에 저항 토크를 측정하는 과목의 피트와 회전 플랫폼 사이에 삽입할 수 있습니다. 이 forceplate도 왜곡 동안 체위 영향력을 계량하는 데 사용할 수 있습니다.
    
서보 제어 사용자 정의 내장 실시간 서보 시스템은 플랫폼 회전을 제어합니다. 이 하드웨어 PID 컨트롤러는 광학 인코더에서 플랫폼 위치 신호와 원하는 회전 (그림 7 참조)에 따라 모터 드라이브 신호를 출력합니다. 플랫폼 회전 원하는 시간적 프로파일을 지정하고 재판을 시작 하드웨어 컨트롤러와 사용자 PC의 프로그램 인터페이스.
13. 컨트롤러 플랫폼 회전 세 프로파일을 생성합니다. 일정한 속도와 방향 (그림 3, 추적 1) 회전 시계 반대 방향 사이의 대체에 삼각형 프로필을 선택합니다. (그림 3, 추적 2) 불연속 회전을 달성하기위한 단계 프로필을 사용합니다. 회전도 사이클에 걸쳐 진폭 (그림 3, 추적 3) 증가 삼각형 프로파일과 동승 수 있습니다.
14. 모든 프로필에 대해, 회전은 12 ° / s의 가속도를 제한하는 smoothed입니다 ² 운동 개시 및 방향 변경시.

4. 실험 프로토콜

전형적인 실험은 다음과 같이 실행됩니다 :

장소 바디 첨부 파일 (즉, 헬멧, 어깨 하네스 또는 골반의 정형용), 그들은 아늑한되었으며 비틀림 놀이가 없습니다 확보. 선형 베어링의 높이를 조정합니다.
1. 하체 첨부 파일의 높이에 해당하는 높낮이 막대를 사용하여 낮은 고정을 조정합니다.
2. 앞으로 직면하고, 회전 플랫폼에 서 주제를 지시한다.
는 해당 신체 첨부 파일에 위치 조정을 상단과 하단 fixations을 첨부합니다.
3. 는 주제를 눈가리개.
4. 편안한 서 주제를 지시하고 개입하지.
5. 신체 영역이 신호의 동적 범위를 극대화하기 위해, 트위스트되는에 따라 토크 센서를위한 증폭기 이득을 선택합니다.
6. 토크 센서에 대한 편견을 재설정합니다.
7. 편주 및 데이터 레코딩에서 표면 진동을 시작합니다. 토크 및 플랫폼 회전 신호는 일반적으로 스파이크이 수집 소프트웨어 (캠브리지 전자 기기, 캠브리지, 영국)를 사용하여 50 Hz에서에서 기록됩니다.
8. 원하는 플랫폼 회전 프로파일 비틀림하라. 일반적으로 운동에 느리고 과목 정확하게 왜곡 인식하지 않도록 충분히 부드럽게한다.

5. 대표 결과

저항 토크는 일반적으로 플랫폼 여행과 함께 증가하지만 증가는 큰 여행과 속도가 느려집니다. 전체 저항은 일반적으로 피크 - 투 - 피크 토크로 계량되어 사이클에 걸쳐 평균. 무화과 5A는 트렁크에 대한 일정한 속도 램프의 비틀림 방지를위한 주제에 걸쳐 하나의 시험 응답을 보여줍니다. 우리는 (; interclass 상관 계수 = 0.89 그림의 5B) 주제 내에서 개월 동안 재현할 데이터를 관찰했습니다. 비틀림에 대한 저항이 몸 세그먼트에 걸쳐 차이, 그리고 엉덩이를위한 트렁크와 3.23 ± 1.67 NM위한 목, 5.11 ± 1.94 NM에 대한 0.54 ± 0.24 NM 것으로보고되었습니다 평균 ⁶ (그림 6). 플랫폼 회전이 부드럽고이며 채찍이 없다는 것이 중요합니다. 채찍의 부재는 (Gurfinkel에서 그림 3A 참조 근육의 단거리 강성으로 인해 아마도 시작될 때 방향 변경 토크의 급격한 변화시 토크에 원활한 변화로 표시됩니다 외. 6).

측정된 토크가 기준 토닉 활동의 분포 (CO - 수축을 포함)뿐만 아니라 왜곡과 목소리로 동적 변경 내용을 모두 반영합니다. 때문에 왜곡의 느린 속도, 정도마다 토크의 증가는 내장 강성하는 것과 같습니다 ¹² 근육 활동이 일정한 경우에만. 적극적인 구조가 측정된 저항 트위스터에 기여하기 때문에 기술적으로 pseudostiffness을 평가합니다.

일반적으로 반응의 두 가지 유형이 꼬인 지역 내에서 일정 또는 변조된 토닉 활동에 해당하는 것을 관찰하고 있습니다. 전이 토크 낮은 사이클 - 투 - 사이클 편차, 높은 피크 - 투 - 피크 토크 크기, 그리고 비교적 지속적인 EMG이 특징입니다. 반면, 동적 모듈 레이션은 높은 사이클 - 투 - 사이클 변화, 낮은 비틀림 저항 및 비틀림과 EMG 변조 일관된 특징입니다. 변조된 과목 (Gurfinkel에서 그림 3A 참조 방향을 반대로 할 수 불규칙한 패턴을 갖고있는 동안 각도 대 토크 플롯에 unmodulated 과목은 일반적인 히스테리 시스 루프를 전시 외. 6 동적 변조는 일반적으로 근육 (즉 Sherrington의 길어과 단축 반응을 길어 동안 활동을 단축하고 감소하는 동안 토닉 활동을 증가로 구성되어 있습니다 ¹³), 스트레치 반사에 로그인 반대하는 역할을합니다. 변조의 범위에 통합 측정은 토크 위상 사전이라고 한 사이클 내에서 주제의 중립 (제로 토크) 위치에 이동하여 얻을 수 있습니다 ^6,8.

그림 1. 도식. 회전 플랫폼) 1, 낮은 고정 2) 높낮이 막대, 3) 낮은 높낮이 막대와 회전 플랫폼 간의 공동 경첩, 4) 헬멧은 상단 고정에 첨부된; 5) 토크 센서와 counterbalanced 서스펜션 시스템, 6) : 구성 요소는 다음과 같이 분류 아르 수직 선형 베어링 잠금, 유도 토크를 측정 7 건) 외부 고정, 8) 경첩 관절 3 유사, 9) 라멘, 10) 대각선 십자가는 딱딱한 프레임에 브레 이싱.

그림 2. 축 및 근위 수준에 적용 숨기며. 과목은 원하는 신체 영역을 숨기며 가르친다에 부착된 위턱과 아래턱에 몸 첨부 파일이있는 회전 플랫폼 (노란색)에 서서. 상단 첨부 파일이 수직 축 주위를 회​​전에 관한 고정되는 토크 센서 서스펜션 시스템 (지그재그 라인) (T)를 통해 연결되어 있습니다. 하단 첨부 파일 피사체의 화살 비행기의 회전을 허용하는 경첩 관절 (검은 동그라미)을 통해 회전 플랫폼에 연결합니다. A : 목이 비틀은 플랫폼에 토크 센서와 어깨에 헬멧을 부착하여 이루어진다. B : 간선 왜곡은 토크 센서와 플랫폼으로 골반에 어깨를 첨부하여 이루어진다. C : 엉덩이 트위스트는 토크 센서로 골반을 첨부하여 이루어진다.

그림 3. 다른 왜곡 프로필. 다양한 프로파일 토닉 컨트롤의 특정 측면을 연구하는 데 사용할 수 있습니다. 플랫폼 회전을 지정 광학 인코더의 출력 볼트에 표시됩니다. 위에서 볼 때 상향 편향은 시계 반대 방향으로 회전 플랫폼에 해당합니다. 1) 삼각형 프로필 :이 경우에는 회전 속도, 최대 여행 및 사이클의 개수가 지정됩니다. 12 °의 두 사이클이 표시됩니다. 2) 불연속 단계 프로필 : 진폭, 속도 및 유지 시간이 단계가 지정됩니다. 넷, 셋 ° 있길 단계로 구성된 두 개의 사이클 12 °의 회전이 표시됩니다. 3) 진폭 삼각형 웨이브 향상 : 3 °, 6 ° 9 ° 회전의 각 두 개의 사이클이 표시됩니다. 이 예제에서는 플랫폼 회전 속도는 모든 조건에 대한 상수입니다.

그림 4. 사진. A : 다음과 같이 표시 구성 요소와 복잡하게 트렁크에 대한 구성 : 1) 회전 플랫폼 2) 모터와 서보 제어 어셈블리, 3) 낮은 높낮이 막대와 회전 플랫폼 간의 공동 경첩, 4) 낮은 고정 및 골반의 정형용, 5) 상단 고정 및 어깨 하네스, 상단에 고정하기 위해 서스펜션을 연결 6) 바, 7) 토크 센서와 counterbalanced 서스펜션 시스템, 유도 토크를 측정 8) 외부 고정, 9) 라멘. B :로 표시 토크 센서 및 서스펜션 시스템의 근접 촬영은 다음과 : 1) 토크 센서, 2-5) 경량 알루미늄 힌지 플레이트. 접시 4와 5 사이의 경첩이 매니 퓰 레이터 축 주위를 지향하는 동안 접시 2, 3 사이의 힌지는 앞쪽에 - 후부 축에 대한 회전합니다. 8) 수직 선형 베어링을 잠금, 9) 경량 헬멧과 첨부 파일 상단. C : 트렁크를 복잡하지만 목의 비틀림 효과를 측정하기위한 구성. 이 구성에서는 골반은 고정합니다회전 플랫폼 (1)과 어깨가 트렁크에 비틀을 제한, 회전에서 어깨, 목 및 머리를 방지 외부 고정 (2)에 연결되어 있습니다. 머리는 또한 유도 목 토크는 토크 센서에 적용되도록 상부 고정 (3)에 첨부되어 있습니다.

그림 5. 비틀림 저항. A) 다른 과목에서 각각의 실험에서 토크 흔적. 10 °, 1 ° / s의 삼각 파의 세 사이클이 사용되었습니다. 과목은 과목 사이의 저항에 큰 변화와 함께주기에 걸쳐 일관성 토크 행동을했습니다. 최소 저항 성분이 높은 변조의 전형하는 동안 최고의 저항 성분이 unmodulated 행동의 전형입니다. 시간을 가로질러 비틀림 저항의 B) 남북 주제 repeatability. 7 과목에서 두 측정은 한달로 구분. 피크 - 투 - 피크 트렁크 토크 테스트 세션에 걸쳐 일관성 이내 - 제목 동작하지만, 광범위한 상호 과목 편차를 보여줍니다.

그림 6. 침착하지 못한 토크. 10 °에 대한 저항 토크, 목, 몸통과 고관절 레벨 1 ° / s의 삼각형 파. 대표적인 주제에서 단일 재판이 표시됩니다. 레벨에 걸쳐 다양한 크기와 timecorse을 적어 둡니다.

그림 7. 도식. 제어 루프는 플랫폼 샤프트에 부착된 광학 인코더로부터 입력을 수신하는 PID (비례, 적분, 유도체) 컨트롤러로 구성되어 있습니다. 컨트롤러는 모터 드라이브 전류를 결정합니다. PC에서 실행되는 사용자 지정 소프트웨어는 다음 컨트롤러에이 정보를 다운로드하여 원하는 플랫폼 탄도를 선택하는 데 사용됩니다.

토론

그것은 트위스터가 토닉 컨트롤의 주소 많은 질문을 사용할 수있는 우리의 의견이다. 지금까지, 트위스터 7과 같은 출판물 ^6-11,14로 연결했다. 아마도 트위스터의 가장 중요한 특징은 음색의 통합, 운동 측정을 제공한다는 것입니다. 어조의 토크 측정은 운동학, 역학 역 또는 electromyographic 접근에 의해 제공하고, 음색에 관한 여러 질문에 대한 답변을 필요하지 않습니다. 또한, 트위스터는 크게 자연 무중력 또는 체위 행동을 방해하지 독특한이며, 강장제보다는 phasic 섭동를 제공합니다.

트위스터 중 하나는 잠재적인 사용은 체위 음색에 대한 질병의 강장제 효과 부량입니다. 내장과 반사 강성이 잘 빠른 perturbations를 사용하는 많은 신경 및 musculoskeletal 조건에 대한 연구되어 있지만, 체위 음색에 많은 질병의 양적 효과가 잘 특성화 없습니다. 특히, 트위스터 U 수 있습니다이러한 강성 ^7,10,14, hypotonia, dystonia, 그리고 다시와 본문 축을 따라 체위 톤 규모, 유통 및 대칭에 목에 통증과 같은 장애의 영향을 수치 SED. 축 비틀림 ^14시 앞을의 표현, 근육 proprioceptors ¹¹ perceptuomotor 대칭 예에 따라 신체 회전 인식, 또한 축 kinesthesis, 예를 들어 측정하는 데 사용할 수 있습니다. 마지막으로, 트위스터는 축 체위 톤 ⁸ 이러한 조치에 대한 개입의 효과를 연구하는 데 사용할 수 있습니다.

우리는 트위스터를 조작하는 엔지니어링 회사를 고용하는 비용이 약 3만달러 미국입니다 예상하고있다. 원료의 가격이 낮은 본 장치는 가능성이 비용의 일부에 대한 자체 생산 수 있지만, 상당한 가공이 필요합니다. 의 사용 전반에 걸쳐, 트위스터 크게 발전하고 이렇게 계속했다. 트위스터로 해결될 수있는 기본적인 질문이 있습니다. 우리는 이것을 희망리포트는 다른 수사관들이 숨기며 장치를 구축하거나이 기본이지만 제대로 이해 영역에 대한 연구를 자극 도움이 될 것입니다.