Name: experimental methods to study human postural control
Uploaded: 2019-09-11T15:00:00
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この記事は、カナダ保健研究所のカタール国立研究とMOP助成金#81280からNPRP助成金#6-463-2-189によって可能になりました。

すべての実験方法は、マギル大学研究倫理委員会によって承認されており、被験者は参加する前にインフォームドコンセントに署名します。
1. 実験
注: 各実験には、次の手順が含まれます。
<ol><li>事前テスト<ol>
<li>実行するすべての試行の明確な概要を準備し、データ収集のチェックリストを作成します。</li>
		<li>必要なすべての情報を同意書で?...

いくつかのステップは、人間の姿勢制御を研究するためにこれらの実験を行う上で重要です。これらのステップは、信号の正しい測定に関連付けられており、含まれています:1)足首のトルクの正しい測定のために、ペダルの回転のシャンク足首軸の正しい位置合わせ。2)レンジファインダーの正しいセットアップは、彼らがその範囲内で動作し、実験中に飽和していないことを確認します。3)...

人間の姿勢制御は、中枢神経系と筋骨格系1との複雑な相互作用を通じて実現される。立っている人体は本質的に不安定であり、様々な内部(例えば、呼吸、心拍)および外部(例えば、重力)摂動を受ける。安定性は、中央、反射、および固有のコンポーネントを備えた分散コントローラによって達成されます (図 1)。
姿勢制御は、中枢神経系(CNS)と脊髄によって媒介されるアクティブコントローラによって達成され、筋肉の活性化を変化させる。筋肉の活性化に変化なく関節の動きに抵抗する固有の剛性コントローラー(図1)。中央コントローラは、感覚情報を使用して、身体を安定させるために矯正筋力を生成する降下コマンドを生成します。感覚情報は、視覚、前庭、および身体感覚システムによって変換されます。具体的には、身体感覚システムは、支持面と関節角度に関する情報を生成します。ビジョンは、環境に関する情報を提供します。前庭システムは、重力に関する頭角速度、線形加速度、および方向に関する情報を生成します。中央の閉ループコントローラは、2を不安定にする可能性のある長い遅延で動作します。アクティブコントローラの2番目の要素は反射剛性で、短い待ち時間で筋肉活動を発生させ、関節の動きに抵抗するトルクを生み出します。
アクティブ コントローラの両方のコンポーネントに関連付けられている待機時間があります。その結果、遅延なく作用する関節固有の剛性は、姿勢制御3において重要な役割を果たす。本質的な剛性は、収縮する筋肉、軟部組織および四肢の慣性特性の受動的粘性特性によって生成され、任意の関節運動に応答して瞬時に抵抗トルクを発生する4。姿勢制御における関節剛性(本質的および反射剛性)の役割は、筋肉活性化4、5、6および関節位置によって定義される動作条件によって変化するため、明確に理解されていない4,7,8は、いずれも体の揺れで変化し、立ち上がりに固有の。
中央コントローラの役割と姿勢制御における関節剛性の識別は、バランス障害の病因を診断するための基礎を提供するため、重要です。患者のための標的介入の設計;落下のリスクの評価;高齢者の転倒防止戦略の策定矯正や人工装具などの補助装置の設計。しかし、異なるサブシステムが一緒に作用し、全体的な結果として生じる身体運動学、関節トルク、筋肉筋電学のみが測定できるため、困難です。
したがって、測定可能な姿勢変数を使用して各サブシステムの寄与度を評価する実験的および分析的手法を開発することが不可欠です。技術的な問題は、姿勢変数の測定がクローズドループで行われることです。その結果、入力と出力 (原因と結果) は相互に関連します。したがって、a)応答(出力として)の姿勢反応を呼び起こすために外部摂動(入力として)を適用し、b)システムモデルとディセンタングラングル原因と効果9を識別するために特殊な数学的方法を採用する必要があります。
本稿では、足首戦略を使用する場合、すなわち、主に足首関節に関する動きが起こる場合の姿勢制御に焦点を当てています。この状態では、上半身と下肢が一緒に移動し、その結果、体は矢状面10における単一リンク反転振り子としてモデル化することができる。足首の戦略は、支持面がしっかりしていて、摂動が小さい場合に使用されます1,11.
適切な機械的(プロプライオティブ)および視覚感覚摂動を適用し、身体運動学、運動学、および筋肉活動を記録することができる立体装置が我々の実験室12で開発された。このデバイスは、視覚または身体感覚刺激を用いて姿勢応答を生成することにより、足首の剛性、中央制御機構、およびその相互作用の役割を研究するために必要な実験環境を提供します。また、頭部速度の感覚を生成し、姿勢応答を呼び起こすことができるマストイドプロセスへの直接電気刺激の適用によって前庭系の役割を研究するために装置を拡張することも可能である12,13.
他の人はまた、リニアピエゾ電気アクチュエータ11、回転電気モーター14、15、および線形電気モーター16、17を研究するために、人間の姿勢制御を研究するために同様のデバイスを開発しました,18は、立っている足首に機械的摂動を適用するために使用された。より複雑なデバイスはまた、足首と股関節に同時に複数の摂動を適用することが可能であるマルチセグメント姿勢制御を研究するために開発されました19,20.
立ち装置
2つのサーボ制御された電気油圧回転式アクチュエータは足首の位置の制御された摂動を適用するために2つのペダルを動かす。アクチュエータは、姿勢制御に必要な大きなトルク(>500 Nm)を生成できます。これは、体の質量の中心が足首の回転軸から遠く(前方)離れているフォワードリーンなどの場合に特に重要であり、姿勢制御のための足首トルクの値が大きくなります。
各回転アクチュエータは、アクセルシャフト(材料の表)上の高性能ポテンショメータによって測定されるペダル位置フィードバックを使用して、別々の比例サーボバルブによって制御されます。コントローラは、MATLABベースのxPCリアルタイムのデジタル信号処理システムを使用して実装されています。アクチュエータ/サーボバルブは一緒に40 Hz以上の帯域幅を持ち、全体的な姿勢制御システムの帯域幅、足首関節剛性、および中央コントローラ21よりもはるかに大きい。
バーチャルリアリティデバイスと環境
バーチャルリアリティ(VR)ヘッドセット(材料の表)は、ビジョンを乱すために使用されます。ヘッドセットには、デバイスに送信されるメディアの立体視をユーザーに提供する LCD スクリーン (デュアル AMOLED 3.6 インチの解像度 1080 x 1200 ピクセル) が含まれており、3 次元の深度知覚を提供します。リフレッシュレートは90 Hzであり、ユーザに固体仮想感覚を提供するのに十分な22.画面の視野は110°であり、現実世界の状況に似た視覚摂動を生成するのに十分です。
ヘッドセットは、ユーザーの頭の回転を追跡し、ユーザーが仮想環境に完全に浸漬できるように、それに応じて仮想ビューを変更します。したがって、通常の視覚的フィードバックを提供できます。また、矢状面で視野を回転させることで視力を乱すこともあります。
キネティック測定
垂直反力は、足の下の2つのプレートの間に挟まれた4つのロードセルによって測定されます(材料の表)。足首のトルクは565 Nmの容量および104 kNm/radのねじり剛性のトルクのトランスデューサーによって直接測定される;また、荷重セルによって導出された垂直力から間接的に測定することができ、その距離を使用して回転23の足首軸を使用し、立っている足に適用される水平力が小さい2、24であると仮定する。圧力の中心(COP)は、足首のトルクを全垂直力で割ることによって矢状面で測定され、負荷セル23によって測定される。
キネマティック測定
足首の戦略を使用すると、被写体の足がペダルと一緒に動くので、足角はペダル角度と同じです。垂直に対するシャンク角度は、シャンクの線形変位から間接的に得られ、50 μmの解像度と750 Hz25の帯域幅を持つレーザーレンジファインダー(材料の表)によって測定される。足首の角度は、足とシャンク角度の合計です。垂直に対するボディ角度は、左右後部優れた腸骨脊椎(PSIS)間の中間点の線形変位から間接的に得られ、レーザー距離ファインダー(材料の表)を用いて測定した。100 μm と 750 Hz23の帯域幅 .ヘッドの位置と回転は、VR環境のグローバル座標系に対して、時間指定赤外線(IR)パルスを毎秒60パルスで放出するVRシステムベースステーションによって測定され、ヘッドセットIRセンサによってサブミリメートルでピックアップされます。精度。
データ取得
すべての信号は、コーナー周波数が486.3のアンチエイリアスフィルタでフィルタリングされ、高性能24ビット/8チャンネル、同時サンプリング、ダイナミック信号集録カード(材料の表)で1000 Hzでサンプリングされます。20 Vの範囲。
安全機構
被験者への傷害を防ぐために、6つの安全機構が立ち装置に組み込まれている。ペダルは別々に制御され、互いに干渉することはありません。(1)アクチュエータシャフトにはカムがあり、シャフトの回転が水平位置から±20°を超えると油圧を切断するバルブを機械的に作動させます。(2)2つの調節可能な機械停止はアクチュエータの動きの範囲を制限する;これらは、各実験の前に各被験者の動きの範囲に設定されます。(3) 被験者と実験者の両方がパニックボタンを押す。ボタンを押すと、アクチュエータから油圧パワーが切断され、ゆるくなるので、手動で移動できます。(4)被写体の両側にある手すりは、不安定な場合にサポートを提供するために利用可能です。(5)被写体は、天井の硬いクロスバーに取り付けられた全身ハーネス(材料表)を装着し、落下時に支えます。ハーネスはたるみであり、被験者が不安定にならない限り、通常の立ち位置に干渉しません。落下の場合、ペダルの動きは、パニックボタンを使用するか、実験者によって、被験者によって手動で停止されます。(6) サーボバルブは、電気供給の中断時にフェイルセーフ機構を使用してアクチュエータの回転を停止します。

<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

神経および筋骨格系の多くの構成要素は、安定した直立した人間の姿勢を達成するために協調して作用する。適切な数学的方法を伴う制御実験は、人間の姿勢制御に関与する異なるサブシステムの役割を理解するために必要とされる。本稿では、人間における筋骨格系と中央制御の役割を理解することを目的として、摂動した立ち実験を行い、実験データを取得し、その後の数学的解析を行うためのプロトコルについて説明する。直立した姿勢。これらの方法によって生成された結果は、健康的なバランス制御に関する洞察を提供し、患者と高齢者のバランスの低下の病因を理解するための基礎を形成し、改善するための介入の設計を支援するので、重要です。姿勢制御と安定性。これらの方法は、身体感覚システムの役割、足首関節の本質的な剛性、および姿勢制御における視覚系の役割を研究するために使用することができ、また、前庭系の役割を調査するために拡張されてもよい。この方法は、足首の戦略の場合に使用され、体は主に足首関節を中心に移動し、シングルリンク反転振り子と見なされます。

擬似ランダム三次シーケンス(PRTS)およびTrapZ信号
図2Aは、擬似ランダム速度プロファイルを統合することによって生成されるPRTS信号を示す。各サンプル時間<img alt="Equation 76" src="/files/ftp_upload/60078/60078eq76.jpg">について、信号速度はゼロに等しいか、または事前に定義された正または負の値...

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Experimental Methods to Study Human Postural Control

この記事では、人間の姿勢制御を研究するための実験的/分析的枠組みを紹介する。このプロトコルは、立ち実験を行い、ボディキネマティクスと運動信号を測定し、結果を分析して、人間の姿勢制御の基礎となるメカニズムに関する洞察を提供するためのステップバイステップの手順を提供します。

人間の姿勢制御を研究する実験的方法

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

これらの実験的および分析的手法は、ヒトの姿勢制御における中枢神経系および筋骨格系の多くの構成要素の役割を理解することを目的としたガイドラインを提供する。意味のある物理的パラメータを持つ姿勢制御モデルを使用して、疾患や老化による感覚システムの役割と相互作用、およびそれらの変化を調べることができます。これらの方法は、患者のバランスの問題を評価し、障害のイデオロギーを明らかにし、姿勢制御を改善するための介入の設計を支援するために使用することができる。これらの方法は、感覚運動病理とバランス制御との相互作用を研究するためにも使用することができる。例えば、高齢者の転倒防止のため。このプロトコルは、プロプリオセプティブおよび視覚系およびそれらの相互作用ならびに姿勢制御への筋肉の受動的寄与を含む感覚的モダリティの相対的寄与を調査する手段を提供する。足首の筋肉からの筋電図の測定のための被験者を準備するには、1センチメートルの電極間距離を持つ単一の差動電極を使用する。筋肉の最も顕著な膨らみで内側胃腸をマークし、 フィブラの頭部とかかとの間の線の3分の1の横胃腸、大腿骨の内側顆と内側のmalleolusの間の線の3分の2のソレウス、および脛骨前部は、大腿骨の先端とメディア・モールロールの先端との間の線の3分の1にある。すべてのポイントがマークされたら、カミソリを使用して各領域を剃り、アルコールで肌をきれいにします。皮膚が乾燥したら、両面テープを使用して各電極を各領域に取り付け、各電極が皮膚にしっかりと固定されていることを注意してください。キネマティック測定のために被験者を準備するには、まずストラップを使用して、被験者のシャンクにできるだけ高い反射マーカーを取り付け、被験者をボディハーネスに装着させます。ストラップを使用して、被写体の腰に反射マーカーを取り付け、被検者を立ち上がった装置に乗り込まします。各脚の側面と内側のmalleoliを回転のペダル軸に合わせて、足の位置を概説するためにマーカーを使用するように、被写体の足の位置を調整します。実験中に同じ位置に足を置き、レーザーレンジファインダーの垂直位置を反射マーカーの中心を指すよう調整するように被験者に指示します。次に、レーザーレンジファインダーと反射マーカーの間の水平距離を調整して、レンジファインダーが中距離で動作し、立ち実験中に飽和しないようにします。実験を開始する前に、各試験条件に何が期待されるかを被験者に知らせてください。現実世界の摂動に直面したときのようにバランスを保ちながら、側に手を置いて静かに立つように被験者に指示する。静かな裁判のために、被験者は摂動なしで2分間静止しています。摂動実験では、体性感覚システムや立ち上がりにおける足首の剛性の役割を調査することが目的である場合、データを記録しながら2〜3分間ペダル摂動を適用する。姿勢制御におけるビジョンの役割を調べることを目的とする場合は、データを記録しながら、バーチャルリアリティヘッドセットを使用して視覚フィールドを2〜3分間回転させることで視覚的な摂動を適用します。目的は、姿勢制御で2つのシステムの相互作用を調べることである場合は、同時に視覚とペダルの摂動を適用します。視覚的に摂動された試験データを適切な解析ソフトウェアプログラムにロードした後の身体角と視覚摂動の動的関係の非パラメトリック識別には、示されたコマンドを使用して、生の身体角と視覚摂動信号をデシメーションし、デシメーション信号から手段を除去します。デシメーションされたサンプリング周波数を決定し、関心の最も低い周波数を選択してウィンドウ長を決定し、パワースペクトルの推定に重なる度合いを選択します。周波数応答を推定する周波数のベクトルを定義します。TF Estimate 関数を使用して、示されているシステムの周波数応答を検索し、示されているように、推定周波数応答のゲインと位相を見つけます。次に、示されたコマンドを使用してコヘレンス関数を計算し、ゲイン、位相、およびコヘレンスを周波数の関数としてプロットします。視覚摂動を伴う典型的な立ち試みのこの例では、バーチャルリアリティヘッドセットによって適用される台形信号は、射手座面のゼロからプラスまたはマイナス0.087 radに視野が回転するところに観察することができる。足首と体の角度は、足の角度がゼロで、シャンクと上半身が一緒に移動するため、この分析で非常に似ていました。足首のトルクはシャンクと体の角度とも相関していた。足首の筋肉からの筋電図は、ソレウスと横方向の胃腸が連続的に活動していることを示していますが、内側胃腸は定期的に身体の揺れで大きな活動バーストを発生させ、脛眼前部は沈黙しています。ここで、立ち試験データに対する身体角に対する視覚入力に関する伝達関数の周波数応答が示される。この実験では、一貫性は低周波数で1ヘルツ前後まで高く、高い周波数で有意に低下し、周波数応答は1ヘルツまで意味を持つ。ゲインは当初、1ヘルツに減少する前に0.1から0.2ヘルツに増加し、身体の高い慣性による予想される低いパス挙動を示しました。また、フェーズはゼロで始まり、入力に関して出力が遅れたことを示す周波数でほぼ直線的に減少しました。回転の足首の軸をアクチュエータの軸に合わせるように注意してください。被写体が余分な動きを生じないようにし、適切な機械的および視覚的な摂動が使用されていることを確認します。初めてユーザーは、一貫した反復可能な実験パラダイムを確立し、近いループ、非線形、および時間変化の効果を考慮した適切な同定方法を使用して姿勢制御に困難を持つ可能性があります。これらの方法は、健康な姿勢制御とその適応を調査し、様々な実験的および臨床的条件下でのバランス制御の変化を定量化するために使用されてきた。

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