Eksenel ve Proksimal kas tonu ölçün Yöntem

Özet

Biz aktif postural bakım sırasında tonik kas aktivitesi yönetmelik çalışması için bir cihaz (Twister) geliştirdik. Twister, vücut ekseni büküm sırasında ayakta konularda burulma direnci ve kas tepkileri ölçer. Cihaz esnek, boyun, gövde, ve / veya kalça üzerinde tonik kontrolü, çeşitli yönlerini incelemek için konfigüre edilebilir.

Özet

Tonik kas aktivitesi kontrolü tam olarak anlaşılamamıştır. Anormal tonu genellikle rahat uzuvları ¹ pasif direniş ölçerek klinik olarak değerlendirilmekte olup, hiçbir yerçekimsizlik destek doğal, aktif devlet tonik kas kontrolü çalışma sistemleri mevcuttur . Biz aktif postural bakım sırasında (yani postural ton), eksenel ve proksimal kasların tonik düzenleme çalışması için bir cihaz (Twister) geliştirdik. Twister, boyun, gövde veya kalça bölgeleri büküm, böylece duruşu sırasında dikey eksen etrafında birbirine göre eksenel vücut bölgelerinde döner. Bu büküm vücudun yerçekimi ilişki değiştirmeden aksiyel kaslarını uzunluğu değişiklikleri dayatır. Twister postural destek sağlamaz, çünkü sesi yerçekimi torkları karşı düzenlenmiş olmalıdır. Biz süresini değişiklikler geçirecek, tüm kasların devlet yanı sıra, elektromiyografi yansıtan büküm, huzursuz tork bu tonik düzenleme ölçmekilgili kaslar. Sesi uzun süreli düşük seviyeli kas aktivitesi ile karakterize olduğundan, tonik kontrolü, kas uzunluğu "tonik" Değişiklikleri üreten yavaş hareketlerle hızlı "fazik" cevapları çağrıştıran olmadan çalışılmaktadır. Twister, kas tonusu, aksiyel rotasyon yavaş postüral değişiklikler, vücut segmentlerinde tonik etkileşimler gibi algısal eşikleri co-daralma, tonik modülasyon gibi çeşitli yönlerini incelemek için yeniden olabilir. Twister eksenel ve proksimal postural ton hastalığın etkilerini kantitatif bir ölçüm sağlamak ve müdahale etkinliğini değerlendirmek için kullanılabilir.

Protokol

1. Giriş

Twister, aktif, dik duruşu sırasında eksenel ve proksimal vücut bölgelerinde postural tonu ölçülmesi için bir servo kontrollü bir cihazdır. Orijinal cihaz, Oregon Sağlık ve Bilim Üniversitesi inşa ve benzer bir aygıt, University of Southampton, Birleşik Krallık için yapım aşamasındadır. Bu raporda, Twister ve çeşitli kullanımlar için fonksiyon ve gerekçeleri açıklanmaktadır. Daha sonra üreme kolaylaştırmak ve postural sesi kontrol araştırmak için nasıl kullanılabileceğini göstermek için ayrıntılı bir açıklama sağlar.

2. Genel bakış

Twister platformu dönen sert bir çelik çerçeve, tork sensörü, dengeli süspansiyon sistemi, üst ve alt tespitler ve vücut ekleri (Şekil 1), yanı sıra bir platform dönüşü düzenleyen bir servo kontrol sistemi oluşur. Twister, dikey eksen etrafında üst kesimlerine göre daha düşük vücut bölümlerinin döndürerek ayakta konularda postural tonu rakamlarla. Bu içinde kas uzunluğu arasında değişen bölgede katlanmış. Üst ve alt tespitler, boyun, gövde veya kalça bölgeleri (Şekil 2) büküm vermek için eklenebilir. Twister postural destek sağlamaz, çünkü tonik aktivite iskelet kas yerçekimi torkları karşı gerekli. Bu tonik düzenleme burulma burulma direnci yanı sıra ilgili kasların elektromiyografi tarafından incelenmiştir. Bükülmeye direnci üst fiksasyon içinde bir tork sensörü tarafından değerlendirilecek ve uzunluk değişimlergerçekleşiyor tüm kasların durumu yansıtır. Twister birçok farklı platform r kullanırotation profilleri bir üçgen profili, adım profili ve artan büyüklükte üçgen profili (Şekil 3) de dahil olmak üzere, tonik kontrol çalışması. Bu konu ve ölçüm atalet etkileri en aza indiren bir sabit yavaş hız, platform döndürün.

dikey eksen hakkında bir büküm pertürbasyon vücudun ağırlık parçaları, 3), atalet minimal an bir eksen etrafında döner ² 4) tarafsız bir bölgeye karşılık gelir ^3,4, Bu nedenle ileriye dönük pozisyonda küçük deplasmanlar bu direniş osteo-bağ güçleri yerine kas olarak yansıttığını;) ve 5 günlük faaliyetleri doğal olarak oluşur ^3,5.

Twister, tonik kontrol çeşitli yönlerini ele kullanılabilir esnek bir cihaz. Bunlar: 1) tonik aktivite ile ilgili sertlik ^6-8 2) kas uzunluk değişiklikleri için tonik yanıtları ^6,8. 3) uzaktan vücut bölgelerinde büküm etkisi; 4) kinestetik bilgi tonik etkileri ⁹, Postural ton 5) hastalığın etkilerini ^7,10; Dönüşü yavaş ve 6) algısal eşikleri ¹¹.

3. Cihazın detaylı açıklaması

detay Twister bileşenleri.

Döner platformu Başlık ± 20 ° dikey eksen (Şekil 1, 4A) hakkında bir yatak üzerinde dönen bir platform üzerinde duruyor. Bir elektrik motoru platformu arasında 0.5 ° / s ve 5 ° / sn ve yüksek tork yüksek hıza sahip bir sürücü oranı güçler bu rotasyon. Twister, uzayda alt gövde, yerine sessiz bir duruş bozabilir vestibüler sinyalleri ortadan kaldırmak için vücudun üst döner.
1. Kayış ve kasnak sistemi, titreşim azaltan ve tork ölçümü ile müdahale kirpik ortadan kaldıran sürücü azaltılması için kullanılır. Çünkü konusu platform hareketi hakkında ipucu, çünkü titreşim en aza indirilmiştir.
2. Güvenliğiniz için, sabit durur maksimal platformu deplasman sınırlamak için kullanılır.
3. Platform mili sabit bir optik enkoder (Hewlett-Packard HEDS-5540), servo kontrolü ve veri analizi için dönme deplasman raporlar.
   
Çerçeve
Çapraz çapraz destekleme katı, çelik çerçeve (1.5mx 1.5mx 3m) doğru tork ölçümü için gerekli platform montaj ve tork sensörü arasında yüksek burulma direnci oluşturur.
Üst fiksasyon ve süspansiyon sistemi Üst fiksasyon ve hafif, dengeli süspansiyon sistemi çerçevesinde (Şekil 4B) bükülmüş bölgenin üst kenar bağlamak. Üst fiksasyon içinde yerleştirilmiş bir tork sensörü (Futek TFF220, Irvine, CA) bir konu dönme direncini ölçer.
4. Süspansiyon sistemi, ön-arka ve mediolateral eksen boyunca dönüşümlü olarak menteşeli dört dikdörtgen alüminyum plakalar oluşuyor. Bu doğru diğer boyutlarda hareket kısıtlayan, tork ölçmek için, (590 Nm / °) dikey eksen etrafında dönme için yüksek sertlik oluşturur. Özellikle, x, y ve z yönlerinde (0,25 N / cm) çeviri için düşük sertlik konuları postural stabilite kendilerini korumalarını sağlayan ve mekansal bir referans sağlayarak üst sabitleme engeller. Bu aynı zamanda, her bireyin, yatay düzlemde postural hareket etkilemeden kendi eşsiz dikey duruş korumak için olanak sağlar.
5. Springs hareket süspansiyon sistemi ağırlık karşı.
6. Dikey bir yatak montaj (Şekil 1, 4B), üst fiksasyon tabi yüksekliği ayarlamak için kullanılır.
   
Alt fiksasyon Daha düşük bir fiksasyon dönen bir platform bükülmüş bölgenin alt kenar boşluğu bağlanır. Vücut bölümlerinin alt fiksasyon altında platforma döndürün.
7. Alt sabitleme dönen platforma bağlı bir hafif teleskopik bar oluşur. Menteşe ön-arka spektumunu izin teleskopik platform çubuğu bağlanır.
   
Vücut Attachments Üç ekleri Twister ile kullanılır.
8. Boyun bükmek için, yukarıda ve aşağıda omuzları kask takmak.
9. Gövde üstünde omuzları eklemek büküm ve pelvis altında
10. Kalça yukarıda pelvis eklemek büküm. Bu durumda, ayak, kol ve uyluk platformu ile dönüşümlü olarak, büküm, iç ve dış kalça rotasyon lokalize olur.
    
Eksternal fiksasyon üçüncü, eksternal fiksatör kullanılabilir. Ikinci segment sabit olduğundan, ölçülen tork rezistif değil ama potansiyel olarak uzaktan büküm uyarılan kas güçleri, segment içinde kaynaklanır.
11. Eksternal fiksatör, dikey eksen etrafında dönen bağlı segment engelleyen bir hafif teleskopik çubuğu oluşur. Bar ve çerçeve arasında bir menteşe eklem, ön-arka spektumunu sağlar.
12. Şekil 4C bükülmek sırasında boyun tork ölçmek için yapılandırmasını göstermektedir. Alternatif olarak, kalça bükülmeye tepki olarak boyun tork, pelvis eksternal fiksatör bağlamadan tarafından değerlendirilecektir.
13. Standart forceplate bükülmüş segmentinde rezistif tork aynı anda ölçmek için, deneklerin ayak ve dönen bir platform arasına yerleştirilir. Bu forceplate da büküm sırasında spektumunu ölçmek için kullanılabilir.
    
Platform dönme Servo kontrol Özel bir yerleşik gerçek-zamanlı servo sistemi platformu rotasyon kontrol eder. Bu donanım PID kontrolörü optik enkoder bir platform konumunda sinyal ve istenilen rotasyon (bkz. Şekil 7) dayalı bir motor sürücü sinyal çıkışları. Platformu dönme istenen zamansal profilini belirtmek ve bir deneme başlatmak için donanım denetleyicisi ile özel bir bilgisayar programı arabirimleri.
14. Denetleyici platform rotasyon için üç profil üretir. Sabit hızda saat yönünde ve dönme (Şekil 3, iz 1) saat yönünün tersine arasında geçiş üçgen profili seçin. (Şekil 3, iz 2) süreksiz dönüşü elde etmek için adım profili kullanın. Rotasyon döngüleri boyunca genlik (Şekil 3, iz 3) artan bir üçgen profilini sürülebilir.
15. Tüm profiller için, rotasyon, 12 ° / s hızlanma sınırlamak için düzeltti. ² Hareketinin başlatılması ve yön değişiklikleri sırasında.

4. Deneysel protokol

Tipik bir deney aşağıdaki gibi çalıştırın:

1. İstenen segmentleri Yeri vücut ekleri (yani kask, omuz koşum ya da pelvis ortez), onlar rahat ve burulma oyun var sağlamak.
2. Lineer rulman yüksekliğini ayarlayın, böylece üst fiksasyon ilgili bedene olarak aynı yükseklikte.
3. Alt vücut eki yüksekliğe karşılık teleskopik çubuğunu kullanarak düşük fiksasyon ayarlayın.
4. Ileriye dönük, dönen bir platform üzerinde durmak için bu konuda bilgilendirin.
5. Konu Körü körüne.
6. Rahat durmak konusu talimat ve müdahale etmek değil.
7. Tork sensörü göre vücut bölgesi bu sinyal dinamik aralığını maksimize etmek için, bükülmüş olan bir amplifikatör kazanç seçin.
8. Tork sensörü önyargı sıfırlayın.
9. Yaw ve veri kayıt yüzey salınım başlayın. Tork ve platform dönüş sinyalleri, genellikle Spike 2 kazanım yazılım (Cambridge Elektronik Cihazlar, Cambridge, UK) kullanılarak 50 Hz kaydedilir.
10. Istenilen platformu dönüş profili ile büküm başlatın. Genel hareketi yavaş ve konuları doğru büküm algıladığımız kalmaması için yeterince pürüzsüz olmalıdır.

5. Temsilcisi sonuçları

Rezistif tork platformu gezi ile genellikle artar, ancak bu artış büyük gezi yavaşlatır. Genel direnç genellikle pik-pik tork sayısal döngüleri boyunca ortalama. Şekil 5A sabit hızda rampa gövde burulma direnci için denekler genelinde tek bir dava tepkileri gösterir. Biz (interclass korelasyon katsayısı = 0.89 Şekil 5B) ay içinde bir konu üzerinde tekrarlanabilir veriler gözlemledik. Ortalama bükülmeye direnci, vücut segmentlerinde farklıdır, kalça, gövde ve 3.23 ± 1.67 Nm, boyun, 5.11 ± 1.94 Nm için 0.54 ± 0.24 Nm olarak bildirilmiştir ⁶ (Şekil 6). Platformu dönme düzgün ve herhangi bir kirpik olduğunu önemlidir. Kirpik yokluğu (kısa menzilli kas sertliği nedeniyle muhtemelen başlangıcında yön değişiklikleri hızlı bir değişim ve tork, Gurfinkel Şekil 3A görmek sırasında düz tork değişiklikler gösterilir Ve ark. 6).

Ölçülen tork başlangıç ​​tonik aktivite dağılımı (co-daralma içeren) yanı sıra büküm ton dinamik değişiklikleri yansıtır. Çünkü büküm yavaş hızı, derece başına tork artışı içsel sertlik eşdeğer ¹² Sadece kas aktivitesi sabittir. Not aktif yapıların ölçülen direnç Twister katkıda çünkü teknik pseudostiffness değerlendirir.

Genel olarak, iki tür tepkilerin bükülmüş bölge içinde sabit veya modüle tonik aktivite için uygun görülmektedir. Eski tork düşük çevrim döngüsü varyasyon, yüksek pik-pik tork büyüklüğü, nispeten sabit EMG ile karakterizedir. Buna karşılık, yüksek devirli döngüsü değişkenliği, düşük burulma direnci ve büküm ile EMG modülasyon tutarlı bir dinamik modülasyonu ile karakterize edilir. (Bkz. Şekil 3A Gurfinkel içinde yönünü ters modüle konularda düzensiz bir model varken açısı vs tork araziler üzerinde modüle edilmemiş konular düzenli bir histerezis döngüsü sergi Ve ark. 6 Dinamik modülasyon, genel olarak (yani Sherrington'un uzatılması ve kısaltılması reaksiyonlar uzatma sırasında kas aktivitesini kısaltılması ve azalan sırasında tonik aktivite oluşur ¹³), Streç refleks işareti karşısında olan. Modülasyon ölçüde entegre bir önlem tork faz peşin olarak adlandırılan, bir döngü içinde bir konu nötr (sıfır tork) pozisyon kayması elde edilebilir ^6,8.

Şekil 1. Yan Twister şematik. Dönen platformu) 1, 2) daha düşük fiksasyon için teleskopik çubuk, 3) düşük teleskopik bar ve dönen bir platform arasında ortak menteşe; 4) kask üst sabitleme bağlı; 5) tork sensörü ve dengeli süspansiyon sistemi; 6): Bileşenler aşağıdaki gibi etiketlenmiştir dikey lineer rulman kilitleme kaynaklı tork ölçmek için 7) eksternal fiksatör; 8) menteşe eklem 3 benzer 9) rijit çerçeve; 10) çapraz çapraz rijit çerçeve için hazırlanıyordu.

Şekil 2. Eksenel ve proksimal düzeyde uygulanan Büküm. Konular istenen vücut bölgesine büküm vermek için alt ve üst vücut yapıştırılmış ekleri ile (sarı) dönen bir platform üzerinde duruyor. Üst eki tork sensörü, dikey eksen etrafında dönme konusunda sabit bir süspansiyon sistemi (zigzag çizgiler) (T) ile bağlanır. Düşük bağlanma konunun sagital düzlemde rotasyon sağlayan bir menteşe eklem (siyah daire) ile dönen bir platform bağlanır. A: Boyun büküm platforma tork sensörü ve omuzları bir kask takarak elde edilir. B: Trunk büküm tork sensörü ve pelvis platforma omuzlar ekleyerek elde edilir. C: Hip büküm tork sensörü pelvis ekleyerek elde edilir.

Şekil 3. Farklı büküm profilleri. Tonik kontrolü belirli yönlerini incelemek için çeşitli profiller kullanılabilir. Platformu dönme belirterek optik enkoder çıkışı Volt gösterilmiştir. Yukarıdan bakıldığında saat yönünün tersine bir platform dönüşü yukarı doğru sapma karşılık gelir. 1) Üçgen Profil: Bu durumda, dönme hızı, maksimum gezi ve döngü sayısı belirtilir. İki kür 12 ° gösterilmiştir. 2) Kesintili, adım Profil: Genlik, hız ve tutma süresi bir adım belirtilmiştir. Dört, 3 ° derece adımları oluşan iki döngü 12 ° dönmeler, gösterilmiştir. 3) genlik üçgen dalgaları artırılması: 3 °, 6 ° ve 9 ° dönmeler her iki kür gösterilmiştir. Bu örnekte platformu dönme oranı, tüm koşulları için sabittir.

Şekil 4. Yan Twister Fotoğraf. A: aşağıdaki gibi etiketli bileşenleri ile büküm gövde Yapılandırma: 1) dönen bir platform, 2) motor ve servo kontrol düzeneğini, 3) düşük teleskopik bar ve dönen bir platform arasında ortak menteşe; 4) daha düşük fiksasyon ve pelvis ortez 5) Üst fiksasyon ve omuz koşum takımları; üst sabitleme süspansiyon bağlayan 6) bar; 7) tork sensörü ve dengeli süspansiyon sistemi; kaynaklı tork ölçümü için 8) eksternal fiksatör; 9) rijit çerçeve. B: Closeup olarak etiketlenmiş tork sensörü ve süspansiyon sistemi aşağıdaki gibidir: 1) tork sensörü, 2-5), hafif menteşeli alüminyum levhalar. Plakalar 4 ve 5 arasında menteşe mediolateral ekseni etrafında odaklı iken plakaları 2 ve 3 arasında menteşe, ön-arka eksen etrafında döner. 8) dikey lineer rulman kilitleme; 9) hafif kask ve üst eklenti. C: bükülmek ama boyun burulma etkisini ölçmek için yapılandırma. Bu yapılandırmada pelvis sabitdönen platformu (1) ve omuzlar gövde büküm kısıtlayan, omuz, boyun ve baş dönmesini önler, eksternal fiksatör (2), bağlanır. Baş, aynı zamanda herhangi bağlı boyun tork tork sensörü uygulanır, böylece üst sabitleme (3) eklenir.

Şekil 5.

Şekil 6. Farklı eksenel seviyeleri huzursuz tork. 10 ° resistive tork, boyun, gövde ve kalça seviyesi için 1 ° / s üçgen dalgaları. Tek bir temsilci konu çalışmalarda gösterilmiştir. Düzeyleri arasında farklı büyüklükte ve timecorse unutmayın.

Şekil 7. Servo kontrol şematik. Platform miline bağlı bir optik enkoder girdi alır PID (oransal, integral, türev) kontrolör, kontrol döngüsü oluşur. Kontrolör motor sürücü akımı belirler. Bir PC üzerinde çalışan özel yazılım denetleyici için bu bilgileri daha sonra karşıdan istenen platform yörünge seçmek için kullanılır.

Tartışmalar

Bizim görüşümüze Twister tonik kontrolü adres birçok soru olabilir. Bugüne kadar, Twister, 7 gibi ^yayınlar 6-11,14 yol açtı . Muhtemelen Twister en önemli özelliği tonu entegre, kinetik önlem sağlar. Sesi Bu tork önlemi kinematik, ters dinamikleri veya elektromiyografik yaklaşımlar ve ton ile ilgili pek çok soru cevap gerekli. Twister Ayrıca, önemli ölçüde doğal yerçekimi karşıtı ya da postural davranış ile müdahale olmayan benzersiz ve bir tonik yerine fazik pertürbasyon sağlar.

Twister biri potansiyel kullanımı, hastalığın postural ton tonik etkileri miktarının. Içsel ve refleks sertlik hızlı tedirginlikler kullanarak pek çok nörolojik ve kas iskelet koşulları için eğitim olsa da, kantitatif etkisi postural tonu birçok hastalığın iyi karakterize değil. Özellikle, Twister u olabilirrijidite ^7,10,14, hipotoni, distoni, ve postural sesi vücut ekseni boyunca büyüklüğü, dağıtım ve simetri sırt ve boyun ağrısı gibi rahatsızlıkların etkilerini ölçmek için sed. ¹⁴ eksenel büküm sırasında dümdüz temsil kas proprioseptörlere ve ¹¹ perceptuomotor simetri, örneğin vücut rotasyon dayalı algı; Aynı zamanda eksenel kinesthesis, örneğin ölçmek için kullanılan olabilir. Son olarak, Twister müdahale eksenel postural tonu ⁸ bu önlemler etkisini araştırmak için kullanılabilir.

Biz Twister imal etmek için bir mühendislik firması işe maliyeti yaklaşık $ 30.000 ABD tahmin ediyoruz. Bu cihaz, hammadde fiyat düşük olduğu gibi, büyük olasılıkla, bu maliyetin bir kısmını ev içinde imal edilebilir, ama önemli imalat gereklidir. Twister, kullanımı boyunca önemli ölçüde değişmiş ve bunu yapmaya devam ediyor. Twister ile ele alınacak bir çok temel sorular vardır. Biz bu umutRapor, diğer araştırmacılar Büküm cihazlar bu temel ama tam olarak anlaşılamamıştır alana inşa etmek ya da başka bir şekilde araştırmaları teşvik yardımcı olacaktır.