Name: experimental methods to study human postural control
Uploaded: 2019-09-11T15:00:00
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Este artículo fue posible gracias a la subvención NPRP #6-463-2-189 de la subvención de Qatar National Research y MOP #81280 de los Institutos Canadienses de Investigación Sanitaria.

Todos los métodos experimentales han sido aprobados por la Junta de Etica de Investigación de la Universidad McGill y los sujetos firman consentimientos informados antes de participar.
1. Experimentos
NOTA: Cada experimento implica los siguientes pasos.
<ol><li>Prueba previa<ol>
<li>Preparar un esquema definido de todas las pruebas a realizar y hacer una lista de comprobación para la recopilación de datos.</li>
		<li>Proporcione al sujeto un formulario de cons...

Varios pasos son críticos en la realización de estos experimentos para estudiar el control postural humano. Estos pasos están asociados con la medición correcta de las señales e incluyen: 1) Alineación correcta del eje del tobillo del vástago de rotación al de los pedales, para la correcta medición de los pares de tobillo. 2) Configuración correcta de los buscadores de rango para asegurarse de que funcionan en su rango y no están saturados durante los experimentos. 3) Medición de EMG con buena calidad y míni...

El control postural humano se realiza a través de complejas interacciones entre los sistemas nervioso central y musculoesquelético1. El cuerpo humano en pie es inherentemente inestable, sujeto a una variedad de perturbaciones internas (por ejemplo, respiración, latidos del corazón) y externas (por ejemplo, gravedad). La estabilidad se logra mediante un controlador distribuido con componentes centrales, reflejos e intrínsecos(Figura 1).
El control postural se logra mediante: un controlador activo, mediado por el sistema nervioso central (SNC) y la médula espinal, que cambia la activación muscular; y un controlador de rigidez intrínseca que resiste el movimiento articular sin cambios en la activación muscular(Figura 1). El controlador central utiliza información sensorial para generar comandos descendentes que producen fuerzas musculares correctivas para estabilizar el cuerpo. La información sensorial es transducida por los sistemas visual, vestibular y somatosensorial. Específicamente, el sistema somatosensorial genera información sobre la superficie de soporte y los ángulos de las articulaciones; visión proporciona información sobre el medio ambiente; y el sistema vestibular genera información sobre la velocidad angular de la cabeza, la aceleración lineal y la orientación con respecto a la gravedad. El controlador central de bucle cerrado funciona con largos retrasos que pueden estar desestabilizando2. El segundo elemento del controlador activo es la rigidez del reflejo, que genera actividad muscular con latencia corta y produce pares que resisten el movimiento de las articulaciones.
Hay una latencia asociada con ambos componentes del controlador activo; consecuentemente, la rigidez intrínseca conjunta, que actúa sin demora, desempeña un papel importante en el control postural3. La rigidez intrínseca se genera por las propiedades pasivas viscoelásticas de los músculos contraunidos, los tejidos blandos y las propiedades inerciales de las extremidades, lo que genera pares resistivos instantáneamente en respuesta a cualquier movimiento articular4. No se entiende claramente el papel de la rigidez articular (rigidez intrínseca y refleja) en el control postural, ya que cambia con las condiciones de funcionamiento, definidas por la activación muscular4,5,6 y la posición articular 4 , 7 , 8, los cuales cambian con el cuerpo se balancean, inherentes a estar de pie.
La identificación de las funciones del controlador central y la rigidez articular en el control postural es importante, ya que proporciona la base para: el diagnóstico de la etiología de las deficiencias del equilibrio; el diseño de intervenciones específicas para los pacientes; evaluación del riesgo de caídas; el desarrollo de estrategias para la prevención de caídas en las personas mayores; y el diseño de dispositivos de asistencia como la ortesis y las prótesis. Sin embargo, es difícil, porque los diferentes subsistemas actúan juntos y sólo se puede medir la cinemática corporal resultante general, los pares de torsión articular y la electromiografía muscular.
Por lo tanto, es esencial desarrollar métodos experimentales y analíticos que utilicen las variables posturales medibles para evaluar la contribución de cada subsistema. Una dificultad técnica es que la medición de las variables posturales se realiza en bucle cerrado. Como resultado, las entradas y salidas (causa y efecto) están interrelacionadas. En consecuencia, es necesario: a) aplicar perturbaciones externas (como insumos) para evocar reacciones posturales en las respuestas (como salidas), y b) emplear métodos matemáticos especializados para identificar modelos de sistema y desenredar causa y efecto9.
El presente artículo se centra en el control postural cuando se utiliza una estrategia de tobillo, es decir, cuando los movimientos ocurren principalmente sobre la articulación del tobillo. En esta condición, la parte superior del cuerpo y las extremidades inferiores se mueven juntas, por lo tanto, el cuerpo se puede modelar como un péndulo invertido de un solo enlace en el plano sagital10. La estrategia del tobillo se utiliza cuando la superficie de soporte es firme y las perturbaciones son pequeñas1,11.
En nuestro laboratorio12se ha desarrollado un aparato de pie capaz de aplicar perturbaciones sensoriales mecánicas (proprioceptivas) y visuales adecuadas y registrar la cinemática corporal, la cinética y las actividades musculares. El dispositivo proporciona el entorno experimental necesario para estudiar el papel de la rigidez del tobillo, los mecanismos de control central y sus interacciones mediante la generación de respuestas posturales utilizando estímulos visuales o/y somatosensoriales. También es posible extender el dispositivo para estudiar el papel del sistema vestibular mediante la aplicación de estimulación eléctrica directa a los procesos mastoideos, que puede generar una sensación de velocidad de la cabeza y evocar respuestas posturales12,13 .
Otros también han desarrollado dispositivos similares para estudiar el control postural humano, donde los actuadores eléctricos piezoeléctricos lineales11,los motores eléctricos rotativos14,15y los motores eléctricos lineales16,17 , 18 se utilizaron para aplicar perturbaciones mecánicas en el tobillo de pie. También se han desarrollado dispositivos más complejos para estudiar el control postural multisegmento, donde es posible aplicar múltiples perturbaciones a las articulaciones del tobillo y la cadera simultáneamente19,20.
Aparato de pie
Dos actuadores rotativos electrohidráulicos servocontrolados mueven dos pedales para aplicar perturbaciones controladas de la posición del tobillo. Los actuadores pueden generar grandes pares (>500 Nm) necesarios para el control postural; esto es especialmente importante en casos como la inclinación hacia adelante, donde el centro de masa del cuerpo está lejos (anterior) del eje del tobillo de rotación, lo que resulta en grandes valores de torsión del tobillo para el control postural.
Cada actuador rotativo es controlado por una servoválvula proporcional separada, utilizando la retroalimentación de la posición del pedal, medida por un potenciómetro de alto rendimiento en el eje del actuador(Tabla de materiales). El controlador se implementa utilizando un sistema de procesamiento de señal digital en tiempo real xPC basado en MATLAB. El actuador/servoválvula juntos tienen un ancho de banda de más de 40 Hz, mucho mayor que el ancho de banda del sistema de control postural general, rigidez de la articulación del tobillo y el controlador central21.
Dispositivo de realidad virtual y entorno
Un casco de realidad virtual (VR)(Tabla de materiales)se utiliza para perturbar la visión. El auricular contiene una pantalla LCD (doble pantalla AMOLED de 3,6'' con una resolución de 1080 x 1200 píxeles por ojo) que proporciona al usuario una vista estereoscópica de los medios enviados al dispositivo, ofreciendo una percepción de profundidad tridimensional. La frecuencia de actualización es de 90 Hz, suficiente para proporcionar un sentido virtual sólido a los usuarios22. El campo de visión de la pantalla es de 110o, suficiente para generar perturbaciones visuales similares a las situaciones del mundo real.
El auricular realiza un seguimiento de la rotación de la cabeza del usuario y altera la vista virtual en consecuencia para que el usuario esté completamente inmerso en el entorno virtual; por lo tanto, puede proporcionar la retroalimentación visual normal; y también puede perturbar la visión girando el campo visual en plano sagital.
Mediciones cinéticas
La fuerza de reacción vertical se mide mediante cuatro células de carga, intercaladas entre dos placas debajo del pie(Tabla de materiales). El par del tobillo se mide directamente por transductores de par con una capacidad de 565 Nm y una rigidez torsional de 104 kNm/rad; también se puede medir indirectamente desde las fuerzas verticales transducidas por las células de carga, utilizando sus distancias al eje del tobillo de rotación23,suponiendo que las fuerzas horizontales aplicadas a los pies en pie son pequeñas2,24. El centro de presión (COP) se mide en plano sagital dividiendo el par del tobillo por la fuerza vertical total, medida por las células de carga23.
Mediciones cinemáticas
El ángulo del pie es el mismo que el ángulo del pedal, porque cuando se utiliza una estrategia de tobillo, el pie del sujeto se mueve con el pedal. El ángulo del vástago con respecto a la vertical se obtiene indirectamente del desplazamiento lineal del vástago, medido por un buscador de rango láser(Tabla de Materiales)con una resolución de 50 m y anchura de banda de 750 Hz25. El ángulo del tobillo es la suma de los ángulos del pie y del vástago. El ángulo del cuerpo con respecto a la vertical se obtiene indirectamente del desplazamiento lineal del punto medio entre las espinas ilíacas superiores superiores posteriores izquierda y derecha (PSIS), medido utilizando un buscador de rango láser(Tabla de Materiales)con una resolución de 100 m y anchura de banda de 750 Hz23. La posición y la rotación de la cabeza se miden con respecto al sistema de coordenadas globales del entorno VR por las estaciones base del sistema VR que emiten pulsos infrarrojos (IR) cronometrados a 60 pulsos por segundo que son recogidos por los sensores IR de auriculares con sub-milímetros Precisión.
Adquisición de datos
Todas las señales se filtran con un filtro anti-aliasing con una frecuencia de esquina de 486.3 y luego muestreadas a 1000 Hz con alto rendimiento de 24 bits/8 canales, muestreo simultáneo, tarjetas de adquisición de señal dinámica(Tabla de materiales)con una dinámica dinámica alcance de 20 V.
Mecanismos de seguridad
Se han incorporado seis mecanismos de seguridad en el aparato de pie para prevenir lesiones a los sujetos; los pedales se controlan por separado y nunca interfieren entre sí. (1) El eje del actuador tiene una leva, que activa mecánicamente una válvula que desconecta la presión hidráulica si la rotación del eje supera los 20o de su posición horizontal. (2) Dos topes mecánicos ajustables limitan el rango de movimiento del actuador; estos se establecen en el rango de movimiento de cada sujeto antes de cada experimento. (3) Tanto el sujeto como el experimentador tienen un botón de pánico; pulsando el botón se desconecta la energía hidráulica de los actuadores y hace que se aflojen, por lo que se pueden mover manualmente. (4) Los pasamanos situados a ambos lados del sujeto están disponibles para proporcionar apoyo en caso de inestabilidad. (5) El sujeto lleva un arnés de cuerpo completo(Tabla de materiales),unido a barras transversales rígidas en el techo para apoyarlos en caso de caída. El arnés es flojo y no interfiere con el pie normal, a menos que el sujeto se vuelva inestable, donde el arnés evita que el sujeto caiga. En caso de caída, los movimientos del pedal se detendrán manualmente ya sea por el sujeto, utilizando el botón de pánico o por el experimentador. (6) Las servoválvulas detienen la rotación de los actuadores utilizando mecanismos a prueba de fallos en caso de interrupción del suministro eléctrico.

<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

Muchos componentes de los sistemas nervioso y musculoesquelético actúan en conjunto para lograr la postura humana estable y erguida. Se necesitan experimentos controlados acompañados de métodos matemáticos adecuados para entender el papel de los diferentes subsistemas involucrados en el control postural humano. Este artículo describe un protocolo para realizar experimentos de pie perturbados, adquirir datos experimentales y llevar a cabo el análisis matemático posterior, con el objetivo de comprender el papel del sistema musculoesquelético y el control central en el postura erguida. Los resultados generados por estos métodos son importantes, ya que proporcionan información sobre el control del equilibrio saludable, constituyen la base para la comprensión de la etiología del equilibrio deteriorado en pacientes y ancianos, y ayudan en el diseño de intervenciones para mejorar control postural y estabilidad. Estos métodos se pueden utilizar para estudiar el papel del sistema somatosensorial, la rigidez intrínseca de la articulación del tobillo y el sistema visual en el control postural, y también pueden extenderse para investigar el papel del sistema vestibular. Los métodos se deben utilizar en el caso de una estrategia de tobillo, donde el cuerpo se mueve principalmente sobre la articulación del tobillo y se considera un péndulo invertido de un solo enlace.

Pseudo secuencia ternaria aleatoria (PRTS) y señales TrapZ
La Figura 2A muestra una señal PRTS, que se genera integrando un perfil de velocidad pseudoaleatorio. Para cada <img alt="Equation 76" src="/files/ftp_upload/60078/60078eq76.jpg"> </img>tiempo de muestra, la velocidad de la señal puede ser <img alt="Equation 77" src="/files/ftp_upload/60078/60078eq77.jpg"> </img>igual a c...

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Experimental Methods to Study Human Postural Control

Este artículo presenta un marco experimental/analítico para estudiar el control postural humano. El protocolo proporciona procedimientos paso a paso para realizar experimentos de pie, medir la cinemática corporal y las señales cinéticas, y analizar los resultados para proporcionar información sobre los mecanismos subyacentes al control postural humano.

Métodos experimentales para estudiar el control postural humano

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

Estos métodos experimentales y analíticos proporcionan pautas que tienen como objetivo entender el papel de los muchos componentes de los sistemas nerviosos y musculoesqueléticos centrales en el control postural humano. Los modelos de control postural con parámetros físicos significativos se pueden utilizar para investigar el papel y la interacción de los sistemas sensoriales y sus cambios debidos a la enfermedad y el envejecimiento. Estos métodos se pueden utilizar para evaluar los problemas de equilibrio del paciente, para revelar la ideología del deterioro y para ayudar en el diseño de intervenciones para mejorar el control postural.Estos métodos también se pueden utilizar para estudiar las interacciones entre las patologías motoras sensoriales y el control del equilibrio. Por ejemplo, para la prevención de caídas en los ancianos. Este protocolo proporciona un medio para investigar las contribuciones relativas de las modalidades sensoriales incluyendo los sistemas proprioceptivos y visuales y sus interacciones, así como las contribuciones pasivas musculares al control postural.Para preparar un sujeto para la medición de la electromiografía a partir de los músculos del tobillo, utilice electrodos diferenciales individuales con una distancia entreelectrodas de un centímetro. Marca el gastrocnemius media en la protuberancia más prominente del músculo, el gastrocnemius lateral en un tercio de la línea entre la cabeza del peroné y el talón, el soleus en dos tercios de la línea entre los cóndilos medios del fémur y el maléolo medial, y el tibialis anterior en un tercio de la línea entre la punta del peroné y la punta del malléolo medial. Cuando todos los puntos hayan sido marcados, usa una maquinilla de afeitar para afeitar cada área y limpiar la piel con alcohol.Cuando la piel se haya secado, utilice cinta adhesiva de doble cara para fijar un electrodo a cada área cuidando que cada electrodo esté fijado a la piel de forma segura. Para preparar el sujeto para una medición cinemática, utilice primero una correa para fijar un marcador reflectante lo más alto posible en el vástago del sujeto y hacer que el sujeto se coloque en el arnés del cuerpo. Utilice una correa para colocar un marcador de reflejo en la cintura del sujeto y hacer que el sujeto suba al aparato de pie.Ajuste la posición del pie del sujeto para alinear el maleéolo lateral y medial de cada pierna con el eje de rotación del pedal y utilice un marcador para delinear las posiciones del pie. Indique al sujeto que mantenga sus pies en los mismos lugares durante los experimentos y ajuste la posición vertical de los buscadores de rango láser para que apunten al centro de los marcadores reflectantes. A continuación, ajuste la distancia horizontal entre el buscador de rango láser y los marcadores reflectantes para que los buscadores de rango trabajen en su rango medio y no se saturen durante los experimentos de pie.Antes de comenzar el experimento, informe al sujeto de qué esperar para cada condición de ensayo. Instruya al sujeto a permanecer en silencio con las manos a un lado mientras espera con ansias mantener su equilibrio mientras lo hacen cuando se enfrentan a las perturbaciones del mundo real. Para un juicio silencioso, haga que el sujeto se quede quieto durante dos minutos sin perturbaciones.Para experimentos perturbados, si el objetivo es investigar el papel del sistema somatosensorial o la rigidez del tobillo en pie, aplique perturbaciones de pedal durante dos a tres minutos mientras registra los datos. Si el objetivo es examinar el papel de la visión en el control postural, aplique perturbaciones visuales girando el campo visual utilizando los auriculares de realidad virtual durante dos o tres minutos mientras se registran los datos. Si el objetivo es examinar la interacción de los dos sistemas en el control postural, aplique simultáneamente las perturbaciones visuales y de pedal.Para la identificación no paramétrica de la relación dinámica del ángulo del cuerpo con las perturbaciones visuales después de cargar los datos de prueba perturbados visualmente en un programa de software de análisis adecuado, utilice los comandos indicados para diezmar el ángulo del cuerpo sin procesar y las señales de perturbación visual y eliminar los medios de las señales diezmadas. Determine la frecuencia de muestreo diezmada y, a continuación, seleccione la frecuencia de interés más baja para determinar la longitud de la ventana y elija el grado de superposición para la estimación de los espectros de potencia. Defina el vector de frecuencias en el que se va a estimar la respuesta de frecuencia.Utilice la función TF Estimate para encontrar la respuesta de frecuencia del sistema como se indica y encontrar la ganancia y la fase de la respuesta de frecuencia estimada como se ha demostrado. A continuación, utilice el comando como se indica para calcular la función de coherencia y trazar la ganancia, la fase y la coherencia en función de la frecuencia. En este ejemplo de un ensayo de pie típico con perturbaciones visuales, se puede observar una señal trapezoidal aplicada por los auriculares de realidad virtual donde el campo de visión gira de cero a más o menos 0,087 rad en el plano sagital.Los ángulos del tobillo y del cuerpo fueron muy similares en este análisis ya que el ángulo del pie es cero y el vástago y la parte superior del cuerpo se mueven juntos. El par del tobillo también se correlacionó con los ángulos del vástago y del cuerpo. Los electromiógrafos de los músculos del tobillo demuestran que el soleo y el gastrocnemius lateral están continuamente activos, pero el gastrocnemius medial genera periódicamente grandes ráfagas de actividad con balanceo corporal y que el tibialis anterior es silencioso.Aquí, se muestra una respuesta de frecuencia de la función de transferencia que relaciona la entrada visual con el ángulo del cuerpo para los datos de prueba permanentes. En este experimento, la coherencia fue alta a bajas frecuencias hasta alrededor de un hercio y disminuyó significativamente a frecuencias más altas, lo que significa que la respuesta de frecuencia es significativa hasta un hercio. La ganancia aumentó inicialmente de 0.1 a 0.2 hercios antes de disminuir a un hercio, demostrando el comportamiento esperado de paso bajo debido a la alta inercia del cuerpo.La fase también comenzó en cero y disminuyó casi linealmente con la frecuencia que indica que la salida se retrasó con respecto a la entrada. Tenga cuidado de alinear el eje de rotación del tobillo con el del actuador. Asegúrese de que el sujeto no genere movimientos adicionales y asegúrese de que se utilizan las perturbaciones mecánicas y visuales adecuadas.Los usuarios por primera vez pueden tener dificultades para establecer un paradigma experimental repetible consistente y en el uso de los métodos de identificación adecuados que explican los efectos de bucle cercano, no lineales y variables de tiempo en el control postural. Estos métodos se han utilizado para investigar el control postural sano y su adaptación, así como para cuantificar los cambios en el control del equilibrio bajo una variedad de condiciones experimentales y clínicas.

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