Метод измерения Тон Осевые и проксимальных мышц

Резюме

Мы разработали устройство (Twister) для изучения регуляции тонической активности мышц во время активных постуральной обслуживание. Twister меры крутильных сопротивление и мышечных реакций в стоящий субъектов во время скручивания оси тела. Устройство может быть гибко настроен для изучения различных аспектов тоник контроля по всей шеи, туловища, и / или бедер.

Аннотация

Контроль тонической мышечной активности еще недостаточно изучена. Хотя ненормальным тон обычно оценено клинически путем измерения пассивное сопротивление расслабленной конечностей ^1, нет системы доступны для изучения тоник мышечный контроль в естественных, активное состояние антигравитации поддержки. Мы разработали устройство (Twister) для изучения тоник регулирования осевого и проксимальных мышц во время активного поддержания позы (например, мышечного тонуса). Twister вращается осевой части тела относительно друг друга вокруг вертикальной оси в позиции, таким образом, чтобы поворот шеи, туловища и бедра регионах. Это скручивание накладывает длина изменений на осевые мышцы без изменения отношения организма к гравитации. Потому что Twister не обеспечивает поддержку постуральной, тон должны регулироваться, чтобы противодействовать гравитационных моментов. Мы количественно этот тоник регулирования беспокойной крутящий момент на скручивание, который отражает состояние всех мышц претерпевает изменения длины, а также электромиографии изсоответствующих мышц. Потому что тон характеризуется длительным низким уровнем мышечной активности, тоник контроля изучается с медленными движениями, которые производят "тоника", изменения в мышцах длину, не вызывая быстрый "фазовый" ответов. Twister могут быть сконфигурированы для изучения различных аспектов тонус мышц, таких, как совместное сокращение, тоник модуляции для изменения позы, тоник взаимодействий между сегментов тела, а также пороги восприятия для замедления осевого вращения. Twister также может быть использована для обеспечения количественного измерения эффектов болезни на осевые и проксимальных мышечного тонуса и оценки эффективности вмешательства.

протокол

1. Введение

Twister является серво-управляемое устройство для количественного мышечного тонуса в аксиальной и проксимальной части тела во время активной, вертикальное положение. Оригинальное устройство было построено в Oregon Health & Science University и аналогичное устройство находится в стадии строительства в Университете Саутгемптона, Великобритания. В этом докладе мы описываем функцию и обоснование для Twister и ее различных применений. Мы тогда подробно опишите для облегчения ее воспроизводства и показать, как он может быть использован для исследования контроль мышечного тонуса.

2. Обзор

Twister состоит из жесткой стальной рамы, вращающейся платформе, датчик крутящего момента, уравновешенная подвеска, верхние и нижние фиксаций, и тело вложений (рис. 1), а также серво система управления для регулирования поворота платформы. Twister количественно мышечного тонуса в стоячей субъектов поворотом нижних сегментов тела вокруг вертикальной оси по отношению к верхним сегментам. Это повороты регионе между ними, изменяя длину мышц изнутри. Верхняя и нижняя фиксации может быть присоединен к распространять на скручивание шеи, туловища и бедра регионов (рис. 2). Потому что Twister не обеспечивает постуральной поддержки, тонической активности скелетных мышц необходимо противодействовать гравитационных моментов. Это тонизирующее средство регулирования изучается крутильных устойчивость к скручиванию, а также электромиографии от соответствующих мышц. Сопротивление к скручиванию оценивается датчиком крутящего момента в пределах верхней фиксации и отражает состояние всех мышц проходят изменения длины. Twister использует несколько различных т платформыotation профили для изучения тоник контроля, в том числе треугольного профиля, шаг профиля и треугольного профиля увеличения величины (рис. 3). Эти повернуть платформу с постоянной медленной скоростью, что сводит к минимуму инерционные эффекты на эту тему и измерения.

Мы используем крутящий возмущения вокруг вертикальной оси, так как: 1) изменения длины осевой и проксимальных мышц, так как эти структуры ориентированы косо и имеют широкие анатомические происхождение и вставками, 2) не изменяет отношения всего тела и ее частей тяжести; 3) вращается тело вокруг оси минимального момента инерции ²; 4) соответствует нейтральной зоне ^3,4, Так что сопротивление малых смещений от обращенных вперед позиция отражает мышечную, а не костно-связочного сил и 5) естественно происходит в повседневной деятельности ^3,5.

Twister представляет собой гибкое устройство, которое можно использовать для решения различных аспектов тоник контроля. К ним относятся: 1) жесткость, связанные с тонической активности ^6-8, 2) тоник ответы на мышечные изменения длины ^6,8. 3) эффект скручивания на удаленных областей тела, 4) тонизирующий эффект от информации кинестетический ⁹; 5) последствия болезни на мышечного тонуса ^7,10; И 6) перцептивные пороги, чтобы замедлить вращение ¹¹.

3. Подробное описание устройства

Мы подробно компоненты Twister ниже.

Вращающаяся платформа Тематика стоять на платформе, которая вращается ± 20 ° на подшипнике вокруг вертикальной оси (рис. 1, 4А). Электрические силы мотора это вращение на диске коэффициент, который достигает скорости платформы от 0,5 ° / с и 5 ° / с и высоким крутящим моментом. Twister вращается нижней части тела в пространстве, а не верхней части тела для устранения вестибулярные сигналы, которые могут нарушить тихую позицию.
1. Ремня и шкива система используется для привода снижение, которое гасит вибрацию и устраняет ресниц, которые могут помешать измерения крутящего момента. Вибрация сведена к минимуму, поскольку он может кий сюжет о платформа движения.
2. В целях безопасности, жесткий останавливается используются для ограничения максимального смещения платформы.
3. Оптический датчик (Hewlett-Packard HEDS-5540), крепится к платформе вал отчетов поворот как для серво-контроля и анализа данных.
   
Frame
Жесткая, стальная рама (1.5м x 1.5м x 3м) с диагональным крестом крепления создает высокую жесткость при кручении между монтажной площадки и датчиком крутящего момента, необходимого для точного измерения крутящего момента.
Верхний фиксации и подвески Верхней фиксации и легкий, уравновешенная система подвески подключения верхнего края витой региона к раме (рис. 4В). Датчик крутящего момента (Futek TFF220, Irvine, CA), расположенных в пределах верхней фиксации измерения сопротивления субъекта к вращению.
4. Система подвески состоит из четырех прямоугольных алюминиевых пластин, которые поочередно навесных вдоль передне-задней и медиолатеральной осей. Это создает высокую жесткость, необходимую для вращения вокруг вертикальной оси (590 Нм / °), для того, чтобы точно измерить крутящий момент, без ограничения движения в других измерениях. В частности, низкая жесткость, необходимую для перевода в х, у и z. направлениях (0,25 Н / см) обеспечивает поддержание субъектов постуральной стабильности самих и препятствует фиксации верхних от предоставления пространственных ссылок. Это также позволяет каждому человеку сохранить свою собственную, уникальную вертикальную позу, не затрагивая постуральных движения в горизонтальной плоскости.
5. Пружины действовать, чтобы противодействовать вес подвесной системы.
6. Вертикального монтажа подшипников (рис. 1, 4В) используется для регулировки верхней фиксации на предмет высоты.
   
Нижняя фиксация Ниже фиксации соединяет нижний край витой региона вращающейся платформе. Тела сегментов ниже нижней фиксации вращаются с платформы.
7. Ниже фиксации состоит из легких бар телескопическая, который подключен к вращающейся платформе. Шарнир соединяет телескопическая бар на платформу, чтобы передне-задней постуральной власть.
   
Оборудование кузов Три вложения используются с Twister: легкий шлем, использовать плечо и таз ортопедических, каждая из которых может быть надежно крепится к корпусу (рис. 2).
8. Чтобы крутить шею, прикрепить шлем выше и ниже плеч.
9. Для поворот ствола приложить плечи выше и ниже таза
10. Чтобы крутить бедрами придают таза выше. В этом случае крутящий локализуется на внутренние и внешние бедра ротации, ноги, голени и бедра вращаются с платформы.
    
Внешние фиксации-Третьих, внешняя фиксация может быть использована крутить одно тело регионе в то время как измерения крутящего момента, созданный другим. Потому что последний сегмент стационарных, измеренного крутящего момента не резистивный, а происходит от мышечной силы внутри сегмента, потенциально, индуцированной из удаленных скручивания.
11. Внешней фиксации состоит из легких бар телескопическая, которая предотвращает связанные сегмент из вращающегося вокруг вертикальной оси. Шарнирного соединения между баром и рамы позволяет передне-задней постуральной власть.
12. 4C рис показана конфигурация для измерения крутящего момента шеи во время ствола скручивания. Кроме того, шеи крутящий момент в ответ на хип скручивания могут быть оценены путем подключения к тазу внешней фиксации.
13. Стандартные forceplate могут быть помещены между субъектами ноги и вращающейся платформе, одновременно измерять момент сопротивления в витую сегменте. Это forceplate также может быть использована для количественного постуральной власть во время скручивания.
    
Серво-контроль поворота платформы Индивидуальному заказу в режиме реального времени следящая система управления поворота платформы. Этот аппаратный контроллер PID выходы сигнал привода на основе сигнала от позиции платформы оптического датчика и желаемого вращения (см. рис 7). Пользовательские ПК программных интерфейсов с аппаратного контроллера, чтобы указать желаемый временной профиль поворота платформы и начать судебное разбирательство.
14. Контроллер генерирует три профиля для поворота платформы. Выберите треугольного профиля, чтобы выбрать между постоянной скоростью по часовой стрелке и против часовой стрелки (рис. 3, следом 1). Используйте шаг профиля для достижения разрывной вращения (рис. 3, след 2). Вращение может также определяться с треугольного профиля, что увеличение амплитуды через циклы (рис. 3, кривая 3).
15. Для всех профилей, вращение сглаживается ограничивать ускорение до 12 ° / с ² Во время начала движения и изменения направления.

4. Экспериментальный протокол

Типичных экспериментальных запускается следующим образом:

1. Место тела вложения (то есть шлем, ремни плечо или таз ортопедические) на желаемые сегменты, обеспечивая им уютно и нет крутильных играть.
2. Отрегулируйте высоту линейного подшипника так, чтобы верхняя фиксация на той же высоте, что и соответствующие вложения тела.
3. Adjust нижней фиксации использованием телескопического бар, чтобы соответствовать высоте нижней части тела привязанности.
4. Проинструктируйте тему, чтобы стоять на вращающейся платформе, лицом вперед.
5. Вложить верхней и нижней фиксации в соответствующие вложения тела, позиционирование корректировки так нулю крутящего момента подается на вопрос в досудебном позиции.
6. Завязанными глазами предмета.
7. Проинструктируйте теме стоять спокойно и не вмешиваться.
8. Выбрать усиления усилителя для датчика крутящего момента в соответствии с которым тело регионе закручивается, чтобы максимизировать динамический диапазон этого сигнала.
9. Сброс смещения на датчик крутящего момента.
10. Начало поверхности колебаний в рыскания и записи данных. Крутящий момент и сигналы поворота платформы, как правило, записанные с частотой 50 Гц использованием Спайк 2 приобретение программного обеспечения (Кембридж электронных устройств, Кембридж, Великобритания).
11. Начать скручиванием нужный профиль вращения платформы. В целом движение должно быть медленным и достаточно плавно, так, чтобы предметы не точно воспринимать скручивания.

5. Представитель результаты

Резистивные крутящего момента обычно увеличивается с платформой экскурсии, однако рост замедляется с большими экскурсии. Общее сопротивление, как правило, количественно от пика до пика крутящего момента, усредненная по циклам. Рис 5A показывает один ответ суда по субъектам для крутильных сопротивление постоянного рампы скорость ствола. Мы наблюдали данных воспроизводимых в течение нескольких месяцев в пределах субъекта (рис 5Б; межклассовых коэффициент корреляции = 0,89). Средняя устойчивость к скручиванию различается по сегментов тела, и, как сообщается, 0,54 ± 0,24 Нм для шеи, 5,11 ± 1,94 Нм для магистральных и 3,23 ± 1,67 Нм для бедер ⁶ (Рис. 6). Важно, что поворота платформы гладко и нет ресниц. Отсутствие ресниц указывает плавное изменение крутящего момента во время изменения направления и быстрое изменение крутящего момента на начало, предположительно из-за малой дальности жесткость мышц (см. рис 3А в Гурфинкель Соавт. 6).

Измеренного крутящего момента отражает как динамические изменения в тон скручивания, а также распределение базовой деятельности тоником (в том числе со-сжатие). Из-за медленной скорости скручивания, увеличение крутящего момента на один градус соответствует внутренней жесткости ¹² Только при мышечной деятельности является постоянным. Обратите внимание, что из-за активных структур способствовать измеренного сопротивления Twister технически оценивает pseudostiffness.

В общем, два типа ответов отметили, что соответствует постоянной или модулированный тонической активности в витую регионе. Бывший характеризуется низкой цикла к циклу изменения крутящего момента, высокий пик-пик крутящего момента величины, и относительно постоянным EMG. В отличие от динамической модуляции характеризуется высокой цикла к циклу изменчивости, низкой крутильной сопротивление и ЭМГ модуляции когерентным с скручивание. На углу по крутящему моменту участков немодулированных субъектов выставки регулярные петли гистерезиса в то время как модулированные субъектов имеют неправильную картину, которая может обратном направлении (см. рис 3А в Гурфинкель Соавт. 6 Динамическая модуляция обычно состоит из увеличения тонической активности мышц во время уменьшения продолжительности и активности во время удлинения (т.е. Шеррингтона удлинение и укорочение реакции ¹³), Которые являются противоположными по знаку рефлекса растяжения. Интегративной мера степени модуляции может быть получена сдвигом в нейтральном положении (нулевой момент) положение субъекта в пределах цикла, называемый крутящий момент фазового набега ^6,8.

Рисунок 1. Схема Twister со стороны. Компоненты помечены следующим образом: 1) вращающейся платформе, 2) телескопическая бар для нижней фиксации, 3) шарнирного соединения между нижним баром и телескопической поворотной платформе, 4) шлем прилагается к верхней фиксации, 5) датчик крутящего момента и уравновешенная система подвески; 6) блокировки вертикального линейного подшипника; 7) внешней фиксации для измерения индуцированных крутящего момента; 8) шарнирного соединения аналогично 3, 9) жесткий каркас; 10) диагональный крест готовятся к жесткой раме.

Рисунок 2. Скручивание применяется для осевых и проксимальных уровнях. Субъекты стоять на вращающейся платформе (желтый) с верхней и нижней части тела прикреплены вложения передать крутящий к желаемой области тела. Верхняя привязанности подключен через подвеску (зигзагообразные линии), чтобы датчик крутящего момента (T), которая фиксируется в связи с вращением вокруг вертикальной оси. Ниже вложений соединяется с поворотной платформой с помощью шарнирного соединения (черный круг), что позволяет вращения в сагиттальной плоскости предмета. : Скручивание шеи достигается путем присоединения шлем с датчиком крутящего момента и плечи на платформу. B: магистральные крутящий достигается путем присоединения плечи датчик крутящего момента и таза до платформы. C: Hip крутящий достигается путем присоединения к тазу датчиком крутящего момента.

Рисунок 3. Различные профили скручивания. Различные профили могут быть использованы для изучения конкретных аспектов тоник контроля. Выход оптический кодировщик указания поворота платформы показан на вольт. Отклонение вверх соответствует против часовой стрелки поворота платформы при взгляде сверху. 1) Треугольник профиля: В этом случае скорость вращения, максимальный экскурсии и число циклов указаны. Два цикла 12 ° показаны. 2) Разрывные, шаг профиля: амплитуда, скорость и время удержания шаг указаны. Два цикла вращения 12 °, состоящей из четырех, 3 ° град шаги показано на рисунке. 3) Увеличение амплитуды волны треугольника: два цикла каждого из 3 °, 6 ° и 9 ° вращения показано на рисунке. В данном примере скорость поворота платформы является постоянной для всех условиях.

Рисунок 4. Фотография Twister со стороны. : Конфигурация для магистральных скручивание с компонентами помечены следующим образом: 1) вращающейся платформе, 2) двигателя и серво-контроль сборки, 3) шарнирного соединения между нижним баром и телескопической поворотной платформе, 4) нижней фиксации и таза ортопедические, 5) верхний фиксации и плечо упряжь; 6) Бар подключения подвески к верхней фиксации; 7) Датчик крутящего момента и уравновешенная система подвески; 8) внешней фиксации для измерения индуцированных крутящего момента; 9) жесткой раме. B: Крупным планом датчик крутящего момента и система подвески помечены следующим образом: 1) датчик крутящего момента; 2-5) легкий алюминиевый навесной пластин. Шарнир между пластинами 2 и 3 вращается вокруг передне-задней оси, а шарнир между пластинами 4 и 5 ориентирован на медиолатеральной оси. 8) блокировки вертикального линейного подшипника; 9) легкий шлем и верхнюю привязанности. C: Конфигурация для скручивания туловища, но измерения крутильных влияние на шее. В этой конфигурации таза крепится кПлатформа вращающийся (1) и плечи подключены к внешней фиксации (2), который предотвращает плеч, шеи и головы от вращения, ограничение крутящего к стволу. Голова также ассоциируются с верхней фиксации (3) так, чтобы любой индуцированных шеи крутящий момент подается на датчик крутящего момента.

Рисунок 5. Крутильных сопротивление ствола. ) Крутящий момент следы от отдельных исследований из разных предметов. Три цикла по 10 °, 1 ° / с треугольника волны использовались. Субъекты имеют согласованное поведение крутящего момента между циклами, с большим изменением сопротивления между субъектами. Следы с высоким сопротивлением типичны немодулированных поведения, в то время как следы с наименьшего сопротивления характерны высокая модуляция. B) Интер-субъект повторяемость в крутильных сопротивления во времени. Два измерения с 7 предметов, разделенных на один месяц. Пик-пик крутящего момента ствол показывает последовательное внутри предмет поведения через тестирование сессий, но широкий межпредметных вариации.

Рисунок 6. Беспокойной крутящий момент от различных осевых уровнях. Резистивный крутящий момент до 10 °, 1 ° / с треугольником волн для шеи, туловища и бедер уровнях. Одноместный испытаний с представителем предмета показаны. Обратите внимание на различные величины и timecorse на разных уровнях.

Рисунок 7. Схема серво-контролем. Контур управления состоит из PID (пропорционально-интегрально-производными) контроллер, который получает входной сигнал от оптических датчиков прилагается к платформе вала. Контроллер определяет ток двигателя привода. Пользовательские программы, установленные на ПК используется для выбора желаемой траектории платформу, которая затем загружает эту информацию на контроллер.

Обсуждение

По нашему мнению, что Twister могут быть использованы решения многих вопросов в тоником контроля. На сегодняшний день, Twister привело к 7 таких публикаций ^6-11,14. Вероятно, наиболее важной особенностью Twister том, что она представляет собой интегрированную, кинетические мера тона. Этот момент мера тона не предусмотрено кинематических, обратная динамика или электромиографического подходов, а также необходимо ответить на многие вопросы, касающиеся тон. Кроме того, Twister уникален тем, существенно не вмешательство в естественный антигравитации или постуральной поведения, а также обеспечивает тонизирующее средство, а не фазовое возмущение.

Одним из потенциальных использование твистер является количественная оценка тонизирующий эффекты болезни на мышечного тонуса. В то время как внутренняя и рефлекторной жесткости хорошо изучен для многих неврологических и опорно-двигательного аппарата с помощью быстрого возмущения, количественный эффект многих заболеваний на мышечного тонуса не достаточно хорошо описана. В частности, Twister может быть уSED количественно эффект расстройства, такие как жесткость ^7,10,14, гипотония, дистония, и в спине и шее боль от величины, распределения и симметричности мышечного тонуса по оси тела. Она также может быть использован для измерения осевых kinesthesis, например, восприятие тела вращения основано на мышцы проприорецепторов и ¹¹ perceptuomotor симметрии, например, представление прямо во время осевого скручивания ^14. Наконец, Twister может быть использована для изучения влияния вмешательства на эти меры осевых мышечного тонуса ^8.

Оценим стоимость найма инженерная фирма для изготовления Twister составляет примерно $ 30000 США. Это устройство может, вероятно, будет собственного производства на долю этой стоимости, так как цена сырья невелика, но значительные изготовления не требуется. На протяжении всей своей использования, Twister значительно изменилась и продолжает это делать. Есть много основных вопросов, которые могут быть решены с Twister. Мы надеемся, что этаОтчет поможет другим исследователям построить Скручивание устройств или иным образом стимулировать исследования в этой фундаментальной, но плохо понимал области.