Name: experimental methods to study human postural control
Uploaded: 2019-09-11T15:00:00
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이 문서는 NPRP 교부금 #6-463-2-189 카타르 국립 연구 및 MOP 교부금 #81280 캐나다 보건 연구소에서 가능하게 되었다.

모든 실험 방법은 McGill 대학 연구 윤리 위원회에 의해 승인되었으며, 과목은 참여하기 전에 정보에 입각한 동의서에 서명합니다.
1. 실험
참고: 각 실험에는 다음 단계가 포함됩니다.
<ol><li>사전 테스트<ol>
<li>수행할 모든 시험의 명확한 개요를 준비하고 데이터 수집을 위한 검사 목록을 만듭니다.</li>
		<li>주제에 필요한 모든 정보를 동의서에 제공하고, ?...

몇몇 단계는 인간 자세 통제를 공부하기 위하여 이 실험을 능력을 발휘하기에서 중요합니다. 이러한 단계는 신호의 올바른 측정과 관련이 있으며 다음을 포함합니다: 1) 발목 토크의 정확한 측정을 위해 1) 페달의 회전에 대한 생크 발목 축의 올바른 정렬. 2) 범위 파인더가 범위에서 작동하고 실험 중에 포화되지 않도록 레인지 파인더를 올바르게 설정합니다. 3) 좋은 품질과 최소한의 크로스 토크?...

인간의 자세 조절은 중추 신경과 근골격계 사이의 복잡한 상호 작용을 통해 실현된다1. 서있는 인체는 본질적으로 불안정하며 다양한 내부 (예 : 호흡, 심장 박동) 및 외부 (예 : 중력) 교동에 따라 달라질 수 있습니다. 안정성은 중앙, 반사 및 내장 구성 요소가 있는 분산 컨트롤러에 의해 달성됩니다(그림1).
자세 제어에 의해 달성된다 : 활성 컨트롤러, 중추 신경계에 의해 중재 (CNS) 척수, 이는 근육 활성화를 변경; 근육 활성화의 변화없이 관절 의 움직임에 저항하는 본질적인 강성 컨트롤러(그림 1). 중앙 컨트롤러는 감각 정보를 사용하여 신체를 안정시키는 교정 근육 힘을 생성하는 내림차순 명령을 생성합니다. 감각 정보는 시각, 전정 및 체감각 시스템에 의해 변환됩니다. 구체적으로, 체감각 시스템은 지지면 및 조인트 각도에 관한 정보를 생성한다; 비전은 환경에 관한 정보를 제공합니다. 전정 시스템은 중력에 대한 머리 각도 속도, 선형 가속도 및 방향에 관한 정보를 생성합니다. 중앙 의 폐쇄 루프 컨트롤러는 2. 액티브 컨트롤러의 두 번째 요소는 짧은 대기 시간으로 근육 활동을 생성하고 관절 운동에 저항하는 토크를 생성하는 반사 강성입니다.
활성 컨트롤러의 두 구성 요소와 관련된 대기 시간이 있습니다. 따라서 지체 없이 작용하는 관절 내재 강성은 자세 제어3에서중요한 역할을 합니다. 본질적인 강성은 수축 근육, 연조직 및 사지의 관성 특성의 수동 점성 특성에 의해 생성되며, 이는 어떤 관절 운동에 반응하여 즉각적으로 저항 토크를 생성합니다4. 자세 조절에서 관절 강성 (본질및 반사 강성)의 역할은 근육 활성화4,5,6및 관절 위치에 의해 정의 된 작동 조건에 따라 변경되기 때문에 명확하게 이해되지 않습니다. 4개 , 7명 , 8,둘 다 몸이 흔들리면서 변화하며, 서있는 것이 내재되어 있습니다.
자세 제어에서 중앙 제어기의 역할과 관절 강성의 역할을 식별하는 것이 중요합니다. 환자를위한 표적 개입의 설계; 낙하 의 위험평가; 노인의 가을 예방을위한 전략의 개발; 및 정형 외과 및 보철과 같은 보조 장치의 디자인. 그러나, 서로 다른 서브 시스템이 함께 작용하기 때문에 전체적인 신체 운동학, 관절 토크 및 근육 근전도만 측정할 수 있기 때문에 어렵다.
따라서 측정 가능한 자세 변수를 사용하여 각 하위 시스템의 기여도를 평가하는 실험 및 분석 방법을 개발하는 것이 필수적입니다. 기술적 인 어려움은 자세 변수의 측정이 폐쇄 루프에서 수행된다는 것입니다. 결과적으로 입력 및 출력(원인 및 효과)이 서로 관련됩니다. 따라서, a) 응답(출력으로)에서 자세 반응을 불러일으키기 위해 외부 섭동(입력으로)을 적용하고, b) 시스템 모델및 디센지글 원인 및 효과를 식별하기 위해 특수 수학적 방법을사용한다.
본 기사는 발목 전략이 사용될 때, 즉 발목 관절에 대해 주로 움직임이 발생할 때 자세 제어에 중점을 둡니다. 이러한 조건에서상체와 하반신은 함께 움직이며, 따라서, 신체는시상면(10)에서단일 링크 역진자로 모델링될 수 있다. 발목 전략은 지지면이 단단하고 섭동이작을때1,11에사용됩니다.
적절한 기계적(proprioceptive) 및 시각적 감각 적 교란을 적용하고 신체 운동학, 운동학 및 근육 활동을 기록할 수 있는 스탠딩 장치가 당사 의 실험실12에서개발되었다. 이 장치는 시각 또는 체감각 자극을 사용하여 자세 반응을 생성하여 발목 강성, 중앙 제어 메커니즘 및 상호 작용의 역할을 연구하는 데 필요한 실험 환경을 제공합니다. 또한 유양봉 공정에 직접 전기 자극을 적용하여 전정 시스템의 역할을 연구하는 장치를 확장할 수 있으며, 이는 머리 속도의 감각을 생성하고 자세 반응을 불러일으킬 수 있는12,13 .
다른 사람은 또한 선형 압전 전기 액추에이터11,회전 전기 모터14,15,선형 전기 모터16,17 인간 자세 제어를 연구하기 위해 유사한 장치를 개발했습니다. , 18은 서있는 발목에 기계적 교란을 적용하는 데 사용되었다. 더 복잡한 장치는 또한 동시에 발목과 엉덩이 관절에 여러 섭동을 적용 할 수있는 다중 세그먼트 자세 제어를 연구하기 위해 개발되었다19,20.
스탠딩 장치
두 개의 서보 제어 식 전기 유압 회전 액추에이터는 두 개의 페달을 이동하여 발목 위치의 제어된 섭동을 적용합니다. 액추에이터는 자세 제어에 필요한 큰 토크(>500 Nm)를 생성할 수 있습니다. 이것은 신체의 질량 중심이 발목 회전 축에서 멀리 (앞쪽)인 전방 린 (forward Lean)과 같은 경우에 특히 중요하며, 자세 제어를위한 발목 토크의 큰 값을 초래합니다.
각 회전 액추에이터는 액추에이터샤프트(재료 표)의고성능 전위도계로 측정된 페달 위치 피드백을 사용하여 별도의 비례 서보 밸브로 제어됩니다. 컨트롤러는 MATLAB 기반의 xPC 실시간 디지털 신호 처리 시스템을 사용하여 구현됩니다. 액추에이터/서보 밸브는 40Hz 이상의 대역폭을 가지며, 전체 자세 제어 시스템, 발목 관절 강성 및 중앙제어기(21)의대역폭보다 훨씬 큽니까.
가상 현실 장치 및 환경
가상 현실 (VR) 헤드셋(재료의 표)는비전을 교란하는 데 사용됩니다. 헤드셋에는 LCD 화면(눈당 1080 x 1200픽셀 해상도의 듀얼 AMOLED 3.6' 화면)이 포함되어 있어 사용자에게 장치에 전송된 미디어의 입체적인 뷰를 제공하여 3차원 깊이 의 지각을 제공합니다. 새로 고침 빈도는 90 Hz이며, 사용자에게 견고한 가상 감각을 제공하기에충분합니다(22). 화면의 시야는 110°이므로 실제 상황과 유사한 시각적 섭동을 생성할 수 있습니다.
헤드셋은 사용자의 머리 의 회전을 추적하고 사용자가 가상 환경에 완전히 몰입되도록 그에 따라 가상 보기를 변경합니다. 따라서 일반적인 시각적 피드백을 제공할 수 있습니다. 또한 시상평면에서 시야를 회전시킴으로써 시야를 교란시킬 수 있습니다.
운동 측정
수직 반력은 발 아래 두 개의 플레이트 사이에 끼어 있는 4개의 로드 셀에 의해 측정됩니다(재료표). 발목 토크는 565 Nm의 용량과 104 kNm / rad의 비틀림 강성을 가진 토크 트랜스듀서에 의해 직접 측정됩니다. 또한 로드 셀에 의해 변환되는 수직 힘으로부터 간접적으로 측정될 수 있으며, 그들의 거리를 이용하여회전(23)의발목 축까지, 서있는 발에 가해지는 수평힘이작다고가정하면2,24. 압력 중심(COP)은 발목 토크를 총 수직힘으로 나누어 시상평면에서 측정하고, 로드셀(23)에의해 측정된다.
운동학 측정
발목 전략을 사용할 때 피사체의 발이 페달과 함께 움직이기 때문에 발 각도는 페달 각도와 동일합니다. 수직에 대하여 생크 각도는 생크의 선형 변위로부터 간접적으로 수득되며, 50 μm의 해상도와 750Hz25의대역폭을 가진 레이저 범위 파인더(표의 재료표)에 의해 측정된다. 발목 각도는 발과 생크 각도의 합계입니다. 수직에 대하여 본체 각도는 좌우 후방 사이의 중간점의 선형 변위로부터 간접적으로 얻어지며, 레이저 범위 파인더(표)를 이용하여측정된 우수한 장골 등뼈(PSIS)의 해상도를 100 μm 및 750 Hz23의대역폭 . 헤드 위치 및 회전은 초당 60펄스의 시간 적외선(IR) 펄스를 방출하는 VR 시스템 기지국에 의해 VR 환경의 글로벌 좌표계에 대해 측정되며, 이는 밀리미터 이하의 헤드셋 IR 센서에 의해 포착됩니다. 정밀도.
데이터 수집
모든 신호는 코너 주파수가 486.3인 안티 앨리어싱 필터로 필터링된 다음 1000Hz에서 샘플링하여 고성능 24비트/8채널, 동시 샘플링, 동적 신호 수집카드(재료 표)를제공합니다. 20 V의 범위.
안전 메커니즘
6 개의 안전 메커니즘은 과목에 부상을 방지하기 위해 서 있는 장치에 통합되었습니다. 페달은 별도로 제어되며 서로 간섭하지 않습니다. (1) 액추에이터 샤프트에는 샤프트 회전이 수평 위치에서 ± 20 °를 초과하면 유압을 분리하는 밸브를 기계적으로 활성화하는 캠이 있습니다. (2) 두 개의 조정 가능한 기계적 정지는 액추에이터의 운동 범위를 제한; 각 실험 전에 각 피사체의 동작 범위로 설정됩니다. (3) 피실험자와 실험자 모두 패닉 버튼을 누르고; 버튼을 누르면 액추에이터에서 유압 전원이 분리되어 느슨해져 수동으로 이동할 수 있습니다. (4) 피사체의 양쪽에 위치한 난간은 불안정한 경우 지원을 제공할 수 있습니다. (5) 피사체는 전신 하네스(재료 표)를 착용하고,천장의단단한 크로스바에 부착되어 낙상 시 이를 지지합니다. 하네스는 느슨하고 피사체가 불안정해지지 않는 한 정상적인 서있는 것을 방해하지 않으며, 하네스가 피사체가 떨어지는 것을 방지합니다. 추락의 경우, 페달 움직임은 패닉 버튼을 사용하거나 실험자가 피사체에 의해 수동으로 정지됩니다. (6) 서보 밸브는 전기 공급이 중단된 경우 페일 세이프 메커니즘을 사용하여 액추에이터의 회전을 중지합니다.

<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

신경 및 근골격계의 많은 구성 요소는 안정적이고 똑바로 인간의 자세를 달성하기 위해 함께 작동합니다. 적절한 수학적 방법을 동반 한 제어 실험은 인간의 자세 제어에 관련된 다른 하위 시스템의 역할을 이해하는 데 필요합니다. 이 문서에서는 인간에서 근골격계 및 중앙 제어의 역할을 이해하기 위한 목적으로 교란된 스탠딩 실험을 수행하고, 실험 데이터를 수집하며, 후속 수학적 분석을 수행하기 위한 프로토콜을 설명합니다. 똑바로 서 있습니다. 이러한 방법에 의해 생성 된 결과는 건강한 균형 제어에 대한 통찰력을 제공하고, 환자와 노인의 균형 장애의 병인을 이해하기위한 기초를 형성하고, 개선을위한 중재 설계를 돕기 때문에 중요합니다. 자세 제어 및 안정성. 이러한 방법은 체감각 시스템의 역할을 연구하는 데 사용할 수 있습니다, 발목 관절의 본질적인 강성, 자세 제어의 시각 시스템, 또한 전정 시스템의 역할을 조사하기 위해 확장 될 수있다. 방법은 몸이 주로 발목 관절에 대해 이동하고 단일 링크 반전 진자로 간주됩니다 발목 전략의 경우에 사용되어야한다.

의사 랜덤 삼차 시퀀스 (PRTS) 및 TrapZ 신호
도 2A는 의사 임의 속도 프로파일을 통합하여 생성되는 PRTS 신호를 나타낸다. 각 샘플 <img alt="Equation 76" src="/files/ftp_upload/60078/60078eq76.jpg"> </img>시간에 대해 신호 속도는 0과 같거나 미리 정의된 양수 또는 <img alt="Equation 77" src="/files/ftp_upload/60078/60078eq77.j...

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Experimental Methods to Study Human Postural Control

이 문서는 인간의 자세 제어를 연구하는 실험 / 분석 프레임 워크를 제공합니다. 이 프로토콜은 서 있는 실험을 수행하고, 신체 운동학 및 역학 신호를 측정하고, 결과를 분석하여 인간의 자세 제어의 기본 메커니즘에 대한 통찰력을 제공하기 위한 단계별 절차를 제공합니다.

인간의 자세 제어를 연구하는 실험 방법

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

이러한 실험 및 분석 방법은 인간의 자세 제어에서 중추 신경 및 근골격계의 많은 구성 요소의 역할을 이해하는 것을 목표로 지침을 제공합니다. 의미 있는 물리적 매개 변수를 가진 자세 제어 모형은 질병 과 노화로 인한 감각 시스템의 역할 그리고 상호 작용 및 그들의 변경을 조사하기 위하여 이용될 수 있습니다. 이러한 방법은 환자 균형 문제를 평가하고, 장애의 이데올로기를 밝히고, 자세 조절을 개선하기 위한 중재 설계를 돕기 위해 사용될 수 있다.이러한 방법은 감각 운동 병리학과 균형 제어 사이의 상호 작용을 연구하는 데 사용할 수도 있습니다. 예를 들어, 노인의 가을 예방. 이 프로토콜은 프로피지브 및 시각 시스템 및 상호 작용을 비롯한 감각 양식의 상대적 기여뿐만 아니라 자세 제어에 대한 근육 수동 기여도를 조사하는 방법을 제공합니다.발목 근육에서 전동 측정을 위한 피사체를 준비하려면 1센티미터의 인터전극 거리가 있는 단일 차동 전극을 사용하십시오. 근육의 가장 눈에 띄는 부푼 에서 내측 위장증을 표시, 비골머리와 발 뒤꿈치 사이의 라인의 3분의 1에 있는 측면 위장혈증, 대퇴골의 내측 콘딜레와 내측 말단 사이의 선의 3분의 2, 비골 끝과 미디어 몰롤의 끝 사이의 선의 3분의 1에 있는 티비아 전방. 모든 포인트가 표시되면 면도기를 사용하여 각 부위를 면도하고 알코올로 피부를 청소하십시오.피부가 건조되면 양면 테이프를 사용하여 각 전극이 피부에 단단히 고정되는 것을 주의하여 각 영역에 하나의 전극을 부착하십시오. 운동 측정을 위해 피사체를 준비하려면 먼저 스트랩을 사용하여 피사체의 생크에 가능한 한 높은 반사 마커를 부착하고 피사체를 바디 하네스에 착용하십시오. 스트랩을 사용하여 피사체의 허리에 반사 마커를 부착하고 피사체가 서있는 장치에 올라가도록하십시오.피사체의 발 위치를 조정하여 각 다리의 측면 및 내측 말레올리를 회전의 페달 축에 맞추고 마커를 사용하여 발 위치를 윤곽을 잡을 수 있습니다. 실험 중에 피사체가 발을 동일한 위치에 유지하고 레이저 범위 파인더의 수직 위치를 조정하여 반사 마커의 중심을 가리키도록 지시합니다. 그런 다음, 레이저 범위 파인더와 반사 마커 사이의 수평 거리를 조정하여 범위 파인더가 중간 범위에서 작동하고 서 있는 실험 중에 포화되지 않도록 합니다.실험을 시작하기 전에 각 시험 상태에 대해 무엇을 기대해야하는지 에 대해 알려줍니다. 피사체가 실제 혼란에 직면했을 때 균형을 유지하는 것을 기대하면서 옆으로 조용히 서도록 지시한다. 조용한 상임 재판을 위해, 피사체가 2 분 동안 여전히 흔들리지 않고 서 있어야합니다.경진 실험의 경우, 목적이 서 있는 소마토 감각 시스템 또는 발목 강성의 역할을 조사하는 경우, 데이터를 기록하는 동안 2 ~ 3 분 동안 페달 혼란을 적용합니다. 자세 제어에서 비전의 역할을 검사하는 것이 목적인 경우 데이터를 기록하는 동안 가상 현실 헤드셋을 사용하여 시각적 혼란을 2~3분 동안 회전하여 시각적 혼란을 적용합니다. 자세 제어에서 두 시스템의 상호 작용을 검사하는 것이 목적인 경우 시각적 및 페달 혼란을 동시에 적용합니다.시각적으로 왜곡된 평가판 데이터를 적절한 분석 소프트웨어 프로그램으로 로드한 후 신체 각도의 동적 적중적 관계를 시각적으로 식별하는 비파라메트릭 식별을 위해, 원시 체각및 시각적 섭동 신호를 감소시키고 멸망된 신호로부터 수단을 제거하기 위해 지시된 대로 명령을 사용한다. 소멸된 샘플링 주파수를 결정한 다음 가장 낮은 관심 주파수를 선택하여 창 길이를 결정하고 전력 스펙트럼 의 추정에 대한 중첩 정도를 선택합니다. 주파수 응답을 추정할 주파수의 벡터를 정의합니다.TF 견적 함수를 사용하여 표시된 대로 시스템의 주파수 응답을 찾고 예상 주파수 응답의 이득 및 위상을 입증된 대로 찾습니다. 그런 다음, 지시된 대로 명령을 사용하여 일관성 함수를 계산하고 게인, 위상 및 일관성을 주파수 함수로 플롯합니다. 시각적 인 혼란을 가진 전형적인 스탠딩 트라이얼의 이 예에서는 가상 현실 헤드셋에 의해 적용 된 사다리꼴 신호가 관전이 0에서 플러스 또는 마이너스 0.087 rad로 회전하는 곳을 관찰 할 수 있습니다.발목과 신체 각도는 발 각도가 0이고 생크와 상체가 함께 움직이기 때문에 이 분석에서 매우 유사했습니다. 발목 토크는 생크와 신체 각도와도 상관관계가 있었습니다. 발목 근육의 전기근육은 발바닥과 측면 위트로크리미제가 지속적으로 활성화되어 있음을 보여 주지만, 내측 위트로크리미악은 주기적으로 신체 동요로 큰 활동의 파열을 생성하고 티비아리스 전방이 침묵한다는 것을 보여준다.여기서, 스탠딩 평가판 데이터에 대한 체각에 대한 시각적 입력과 관련된 전송 함수의 주파수 반응이 나타난다. 이 실험에서 일관성은 약 1 헤르츠까지 낮은 주파수에서 높았고 더 높은 주파수에서 현저하게 떨어졌으며, 이는 주파수 응답이 최대 하나의 hertz에 의미가 있다는 것을 의미합니다. 이득은 처음에 1 헤르츠로 감소하기 전에 0.1에서 0.2 헤르츠로 증가, 신체의 높은 관성으로 인해 예상 낮은 패스 동작을 보여.위상은 또한 0에서 시작하여 입력과 관련하여 출력이 지연되었음을 나타내는 주파수로 거의 선형적으로 감소했습니다. 회전의 발목 축을 액추에이터의 발목 축과 정렬하십시오. 피사체가 추가 움직임을 생성하지 않고 적절한 기계적 및 시각적 혼란을 사용하는지 확인합니다.처음 사용자는 일관된 반복 가능한 실험 패러다임을 설정하고 근접 루프, 비선형 및 자세 제어에서 시간 변화 효과를 설명하는 적절한 식별 방법을 사용하는 데 어려움을 겪을 수 있습니다. 이러한 방법은 건강한 자세 조절 및 적응을 조사하고 다양한 실험 및 임상 조건하에서 균형 제어의 변화를 정량화하는 데 사용되었습니다.

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Introduction to the Human Body

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