Name: experimental methods to study human postural control
Uploaded: 2019-09-11T15:00:00
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本文由卡塔尔国家研究#6-463-2-189的NPRP赠款和加拿大卫生研究院的MOP赠款#81280。

所有实验方法均已获得麦吉尔大学研究伦理委员会的批准，受试者在参与前签署知情同意书。
1. 实验
注：每个实验都涉及以下步骤。
<ol><li>预测试<ol>
<li>准备要执行的所有试验的明确大纲，并制定数据收集清单。</li>
		<li>向受试者提供同意书，提供所有必要的信息，要求他们彻底阅读，回答任何问题，然后让他们在表格上签名。</li>
		<li>记录受试者的?...

有几个步骤是执行这些实验研究人类姿势控制的关键。这些步骤与信号的正确测量相关，包括：1） 旋转齿形轴与踏板轴的正确对齐，以便正确测量脚踝扭矩。2） 正确设置测距仪，确保它们在其范围内工作，且在实验期间不会饱和。3） 测量EMG具有良好的质量和最小的相声。4） 应用适当的扰动，引起足够的反应，但不中断正常的姿势控制。5） 根据预期分析选择适当的试验长度，同时避免身体换...

人类姿势控制是通过中枢神经系统和肌肉骨骼系统之间的复杂相互作用实现的。人体在站立中本质上是不稳定的，受各种内部（如呼吸、心跳）和外部（如重力）扰动的影响。稳定性由具有中央、反射和内在组件的分布式控制器实现（图1）。
姿势控制由：由中枢神经系统（CNS）和脊髓介导的主动控制器，改变肌肉激活;和一个内在刚度控制器，抵抗关节运动，肌肉激活没有变化 （图1）。中央控制器使用感觉信息来生成降序命令，产生矫正肌肉力量以稳定身体。感官信息由视觉、前庭和躯体感觉系统转换。具体来说，躯体感觉系统生成有关支撑面和关节角度的信息;愿景提供有关环境的信息;和前庭系统生成有关头部角速度、线性加速度和与重力方向有关的信息。中央闭环控制器运行时间长，可能会破坏稳定2。主动控制器的第二个元素是反射刚度，它产生短延迟的肌肉活动，并产生抵抗关节运动的扭矩。
活动控制器的两个组件都有延迟;因此，关节内在刚度，不延迟地作用，在姿势控制3中起着重要的作用。内在刚度是由收缩肌肉的被动粘弹性特性、软组织和四肢的惯性特性产生的，这些特性可立即产生电阻扭矩，以响应任何关节运动4。关节刚度（内在和反射刚度）在姿势控制中的作用并不清晰，因为它随着手术条件的变化而变化，由肌肉活化4、5、6和关节位置定义4,7,8，两者随身体摇摆而变化，与站立本身有内在影响。
确定中央控制器的作用和关节刚度在姿势控制中很重要，因为它为：诊断平衡损伤的病因提供了基础;为患者设计有针对性的干预措施;评估跌倒风险;制定老年人防堕落战略;和辅助设备的设计，如矫形器和假肢。然而，这是困难的，因为不同的子系统一起作用，只能测量整体产生的身体运动学，关节扭矩和肌肉肌电图。
因此，开发使用可测量的姿势变量来评估每个子系统的贡献的实验和分析方法至关重要。一个技术难题是，姿势变量的测量是在闭环中完成的。因此，输入和输出（因果）是相互关联的。因此，有必要：a） 应用外部扰动（作为输入）来唤起反应中姿势反应（作为输出），b） 使用专门的数学方法来识别系统模型并解开因果9。
本文的重点是使用脚踝策略时，即当运动主要发生在脚踝关节时，姿势控制。在这种情况下，上半身和下肢一起移动，因此，身体可以建模为单链倒置钟摆在下垂平面10。当支撑面牢固且扰动小1，11时，使用脚踝策略。
我们的实验室12开发了一种能够应用适当的机械（自体）和视觉感官扰动并记录身体运动学、动力学和肌肉活动的站立装置。该装置提供所需的实验环境，通过使用视觉或/和躯体感官刺激生成姿势反应，研究脚踝刚度、中央控制机制及其相互作用的作用。也可以扩展设备来研究前庭系统的作用，将直接电刺激应用于乳腺过程，从而产生头部速度的感觉，并唤起姿势反应12，13.
其他人也开发了类似的设备来研究人类姿势控制，其中线性压电执行器11，旋转电机14，15，和线性电机16，17,18用于在站立时对脚踝施加机械扰动。更复杂的设备也已经开发，以研究多段姿势控制，有可能同时对脚踝和髋关节应用多个扰动19，20。
站立式仪器
两个伺服控制电动液压旋转执行器移动两个踏板，以应用脚踝位置的控制扰动。执行器可以产生姿势控制所需的大扭矩（>500 Nm）;这在诸如前倾等情况下尤其重要，因为身体的质量中心离脚踝旋转轴很远（前部），导致姿势控制的脚踝扭矩值较大。
每个旋转执行器由一个单独的比例伺服阀控制，使用踏板位置反馈，由执行器轴上的高性能电位计（材料表）测量。该控制器使用基于 MATLAB 的 xPC 实时数字信号处理系统实现。执行器/伺服阀的带宽一起超过40赫兹，远远大于整体姿势控制系统的带宽，脚踝关节刚度，以及中央控制器21。
虚拟现实设备与环境
虚拟现实 （VR） 耳机 （材料表） 用于干扰视觉.耳机包含一个 LCD 屏幕（双 AMOLED 3.6' 屏幕，每只眼睛的分辨率为 1080 x 1200 像素），为用户提供发送到设备的媒体的立体视图，提供三维深度感知。刷新率是90赫兹，足以为用户提供坚实的虚拟感22。屏幕的视场为 110°，足以产生类似于真实情况的视觉扰动。
耳机跟踪用户头部的旋转，并相应地更改虚拟视图，以便用户完全沉浸在虚拟环境中;因此，它可以提供正常的视觉反馈;并且，它还可以通过旋转视场在下视平面上来干扰视觉。
动力学测量
垂直反应力由四个称重传感器测量，夹在脚底下的两块板之间（材料表）。脚踝扭矩由扭矩传感器直接测量，容量为565Nm，扭转刚度为104 kNm/rad;它也可以间接测量从垂直力转导的称重传感器，使用其距离到脚踝轴的旋转23，假设水平力施加到脚站立是小2，24。压力中心（COP）在下垂平面上测量，方法是将脚踝扭矩除以总垂直力，由称重传感器23测量。
运动学测量
脚角与踏板角度相同，因为使用脚踝策略时，主体的脚随踏板移动。相对于垂直的刀柄角度是间接地从刀柄的线性位移获得，由分辨率为50 μm和带宽为750 Hz25的激光测距仪（材料表）测量。脚踝角是脚角和刀柄角度的总和。相对于垂直体的角度是间接从左右后部上部脊柱 （PSIS） 之间的中点线性位移获得的，使用激光测距仪（材料表）测量，分辨率为100 μm 和带宽 750 Hz23.头部位置和旋转由 VR 系统基站根据 VR 环境的全球坐标系进行测量，该基站以每秒 60 个脉冲发出定时红外 （IR） 脉冲，由带子毫米的耳机红外传感器拾取精度。
数据采集
所有信号均采用角频为 486.3 的抗锯齿滤波器进行滤波，然后在 1000 Hz 下采样，具有高性能 24 位/8 通道、同步采样动态信号采集卡（材料表），具有动态范围为 20 V。
安全机制
在常设仪器中已加入六个安全机制，以防止对受试者造成伤害;踏板是分开控制的，从不相互干扰。（1） 执行器轴有一个凸轮，该凸轮可机械地激活一个阀，当轴旋转超过其水平位置 ±20°时，该阀可断开液压。（2） 两个可调节的机械停止限制执行器的运动范围;这些被设置为每个受试者在每个实验前的运动范围。（3） 受试者和实验者都按住一个紧急按钮;按下按钮可断开执行器的液压动力，使其松动，因此可以手动移动。（4） 位于主体两侧的扶手可在不稳定时提供支持。（5）受试者佩戴全身安全带（材料表），附在天花板上的刚性横杆上，以防跌倒。线束松弛，不会干扰正常站立，除非主体变得不稳定，其中线束可防止主体掉落。在坠落的情况下，被主体使用紧急按钮或实验者手动停止踏板移动。（6） 伺服阀在电源中断时，使用故障安全机制停止执行器的旋转。

<table>
	<tbody>
		<tr>
			<td>5K potentiometer</td>
			<td>Maurey</td>
			<td>112P19502</td>
			<td>Measures actuator shaft angle</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>8 channel Bagnoli surface EMG amplifiers and electrodes</td>
			<td>Delsys</td>
			<td></td>
			<td>Measures the EMG of ankle muscles</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>AlienWare Laptop</td>
			<td>Dell Inc.</td>
			<td>P69F001-Rev. A02</td>
			<td>VR-ready PC laptop</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Data acquisition card</td>
			<td>National instruments</td>
			<td>4472</td>
			<td>Samples the analogue signals from the sensors</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Directional valve</td>
			<td>REXROTH</td>
			<td>4WMR10C3X</td>
			<td>Bypasses the flow if the angle of actuator shaft goes beyond &#177;20&#176;</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Full body harness</td>
			<td>Jelco</td>
			<td>740</td>
			<td>Protect the subjects from falling</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Laser range finder</td>
			<td>Micro-epsilon 1302-100</td>
			<td>1507307</td>
			<td>Measures shank linear displacement</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Laser range finder</td>
			<td>Micro-epsilon 1302-200</td>
			<td>1509074</td>
			<td>Measures body linear displacement</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Load cell</td>
			<td>Omega</td>
			<td>LC302-100</td>
			<td>Measures vertical reaction forces</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Proportional servo-valve</td>
			<td>MOOG</td>
			<td>D681-4718</td>
			<td>Controls the hydraulic flow to the rotary actuators</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Rotary actuator</td>
			<td>Rotac</td>
			<td>26R21VDEISFTFLGMTG</td>
			<td>Applies mechanical perturbations</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Torque transducer</td>
			<td>Lebow</td>
			<td>2110-5k</td>
			<td>Measures ankle torque</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Virtual Environment Motion Trackers</td>
			<td>HTC inc.</td>
			<td>1551984681</td>
			<td>Tracks the head motion</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Virtual Reality Headset</td>
			<td>HTC inc.</td>
			<td>1551984681</td>
			<td>Provides visual perturbations</td>
		</tr>
	</tbody>
</table>

experimental methods to study human postural control

神经和肌肉骨骼系统的许多成分协同作用，以实现稳定、直立的人体姿势。需要进行对照实验，并辅之以适当的数学方法，以了解人类姿势控制中涉及的不同子系统的作用。本文介绍了一种用于进行扰动站立实验、获取实验数据以及进行后续数学分析的协议，目的是了解肌肉骨骼系统和中央控制在人体中的作用。直立姿势。这些方法所产生的结果很重要，因为它们提供了对健康平衡控制的洞察，为了解患者和老年人平衡受损病因奠定了基础，并有助于设计改善的干预措施姿势控制和稳定性。这些方法可用于研究躯体感觉系统的作用、踝关节的内在刚度和视觉系统在姿势控制中的作用，也可以扩展研究前庭系统的作用。这些方法将用于脚踝策略，其中身体主要移动的脚踝关节，被认为是单链倒摆。

伪随机三元序列 （PRTS） 和 TrapZ 信号
图 2A显示了通过集成伪随机速度配置文件生成的 PRTS 信号。对于每个采样时间，<img alt="Equation 76" src="/files/ftp_upload/60078/60078eq76.jpg">信号速度可能等于零，或获取预定义的正值或<img alt="Equation 77" src="/files/ftp_upload/60078/60078eq77.jpg">负值。通过<img alt="Equation 77...

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Experimental Methods to Study Human Postural Control

本文提出了研究人类姿势控制的实验/分析框架。该协议提供了执行站立实验、测量身体运动学和动力学信号以及分析结果的分步程序，以深入了解人类姿势控制背后的机制。

研究人体姿势控制的实验方法

Many components of the nervous and musculoskeletal systems act in concert to achieve the stable, upright human posture. Controlled experiments accompanied ...

这些实验和分析方法提供了指南，旨在了解中枢神经和肌肉骨骼系统的许多组成部分在人体姿势控制中的作用。具有有意义的物理参数的姿势控制模型可用于研究感觉系统的作用和相互作用，以及它们因疾病和衰老而引起的变化。这些方法可用于评估患者平衡问题，揭示损伤的意识形态，并协助设计干预措施，以改善姿势控制。这些方法还可用于研究感觉运动病理学和平衡控制之间的相互作用。例如，在老年人中预防秋季。该协议提供了一个手段，以调查感官模式的相对贡献，包括自得和视觉系统及其相互作用，以及肌肉被动贡献的姿势控制。要准备测量脚踝肌肉的肌电图的科目，请使用一个距离为一厘米的单差分电极。将中侧胃骨在肌肉最突出的凸起位置，在腓骨头部和脚跟之间三分之一的线的侧侧胃肠，在股骨和中侧马勒耳之间三分之二的线的侧侧胃肠，以及腓骨尖和中侧马勒耳尖之间三分之一线的头骨。当所有点都标记后，使用剃须刀剃光每个区域，用酒精清洁皮肤。当皮肤干燥时，使用双面胶带将一个电极连接到每个区域，注意每个电极都牢固地固定在皮肤上。要为运动测量做好准备，请先使用表带将反射标记尽可能高地贴在主体的刀柄上，然后将主体放在身体线束上。使用表带将反射标记连接到主体的腰部，让主体爬到站立的仪器上。调整主体的脚部位置，将每条腿的侧向和中侧马勒利与旋转的踏板轴对齐，并使用标记勾勒出脚部位置。指示主体在实验过程中将脚放在相同位置，并调整激光测光器的垂直位置以指向反射标记的中心。然后，调整激光测距离器与反射标记之间的水平距离，使测光器在中距离工作，在站立实验中不饱和。在开始实验之前，告知主体每个试验条件会发生什么。指示主体安静地站在一边，同时期待在面对现实世界的扰动时保持平衡。对于一个安静的站立审判，让主题静止两分钟，没有扰动。对于扰动的实验，如果目标是调查躯体感觉系统或脚踝僵硬在站立中的作用，则在记录数据时应用踏板扰动两到三分钟。如果目标是检查视觉在姿势控制中的作用，则在记录数据时使用虚拟现实耳机旋转视场两到三分钟来应用视觉扰动。如果目标是检查姿势控制中两个系统的相互作用，则同时应用视觉和踏板扰动。在将视觉扰动试验数据加载到合适的分析软件程序中后，对身体角度与视觉扰动的动态关系进行非参数化识别，使用指示的命令来抽取原始身体角度和视觉扰动信号，并从被抽取的信号中去除这些手段。确定抽取的采样频率，然后选择兴趣的最低频率以确定窗口长度，并选择功率光谱估计的重叠程度。定义要估计频率响应的频率矢量。使用 TF 估计函数查找系统的频率响应，并查找所演示的估计频率响应的增益和相位。然后，使用指示命令计算相干函数，并绘制增益、相位和相干作为频率函数。在具有视觉扰动的典型站立试验示例中，可以观察到虚拟现实耳机应用的梯形信号，其中视野在下垂平面中从零旋转到正负 0.087 rad。脚踝和身体的角度是非常相似的，在这个分析，因为脚角为零，刀柄和上半身一起移动。脚踝扭矩也与刀柄和车身角度相关。来自脚踝肌肉的肌电图显示，鞋底和侧胃肠持续活跃，但中侧胃肠周期性地产生与身体摇摆的大量活动爆发，并且前侧胃是无声的。此处显示了传输函数的频率响应，该函数将视觉输入与站立试验数据的身体角度相关。在这个实验中，低频的相干性在1赫兹左右，在较高频率下显著下降，这意味着频率响应在1赫兹以下有意义。增益最初从 0.1 赫兹增加到 0.2 赫兹，然后减至 1 赫兹，表明由于身体的高惯性，预期的低通率。相位也从零开始，并且几乎线性下降，频率指示输出因输入而延迟。注意将旋转的脚踝轴与执行器的轴轴对齐。确保主体不会产生额外的运动，并确保使用适当的机械和视觉扰动。首次使用的用户可能难以建立一致的可重复实验范式，以及使用适当的识别方法，这些方法在姿势控制中考虑到闭环、非线性和时间变化的影响。这些方法已用于调查健康的姿势控制及其适应，以及量化各种实验和临床条件下的平衡控制变化。

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