Metode til at måle tone Axial og proksimal muskelsvaghed

Summary

Vi har udviklet et apparat (Twister) at undersøge reguleringen af ​​toniske muskler aktivitet under aktiv postural vedligeholdelse. Twister foranstaltninger vridninger modstand og muskuløs reaktioner i stående forsøgspersoner i løbet af vrid af kroppen akse. Enheden kan fleksibelt konfigureres til at undersøge forskellige aspekter af tonisk kontrol på tværs i halsen, krop og / eller hofter.

Abstract

Kontrollen med tonic muskelaktivitet stadig dårligt forstået. Mens unormal tone almindeligt vurderes klinisk ved at måle den passive modstand afslappede lemmer ^1, har ingen systemer er tilgængelige for at studere tonic muskel kontrol i en naturlig og aktiv tilstand af antigravitation støtte. Vi har udviklet et apparat (Twister) at studere tonic regulering af aksial-og proksimale muskler under aktiv postural vedligeholdelse (dvs. postural tone). Twister roterer aksial kroppen regioner i forhold til hinanden om den lodrette akse i løbet holdning, således at vride halsen, krop eller hofte regioner. Denne snoning pålægger længde ændringer på aksiale muskler uden at ændre kroppens forhold til tyngdekraften. Da Twister ikke giver postural støtte, skal tonen være reguleret til at modvirke tyngdekraften momenter. Vi kvantificere denne tonic regulering fra de urolige moment til at vride, som afspejler tilstanden af ​​alle muskler undergår længde ændringer, samt ved elektromyografi afrelevante muskler. Fordi tonen er præget af langvarig lavt niveau muskel aktivitet, er tonic kontrol studeret med langsomme bevægelser, der producerer "tonic" ændringer i muskel længde, uden at fremkalde hurtige "phasic" svar. Twister kan omdannes til at studere forskellige aspekter af muskeltonus, såsom co-kontraktion, tonic graduering til posturale ændringer, styrkende samspil på tværs af kroppens enkelte dele, samt perceptuelle tærskler til at bremse aksial rotation. Twister kan også bruges til at give en kvantitativ måling af virkningerne af sygdommen aksial-og proksimale postural tone og vurdere effekten af ​​interventionen.

Protocol

<p class="jove_title"> 1. Indledning</p><p class="jove_content"> Twister er en servo-kontrolleret enhed til at kvantificere posturale tone i aksial og proksimal krop regioner under aktiv, opretstående stilling. Den oprindelige enhed blev bygget på Oregon Health & Science University, og en lignende enhed er under opførelse for University of Southampton, England. I denne rapport beskriver vi funktionen og baggrunden for Twister og dens forskellige anvendelser. Vi så give en detaljeret beskrivelse at lette dens reproduktion og vise, hvordan det kan bruges til at undersøge kontrol af postural tone.</p><p class="jove_title"> 2. Oversigt</p><p class="jove_content"> Twister består af en stiv stålramme, roterende platform, moment-sensor, opvejes affjedringssystem, øvre og nedre optagelser, og krop vedhæftede filer (Figur 1), samt et servo-kontrolsystem til regulering platform rotation. Twister kvantificerer posturale tone i stående emner ved at dreje underkroppen segmenter omkring den lodrette akse i forhold til øvre segmenter. Dette vrid regionen i mellem, at ændre længden af ​​musklerne inden. Øvre og nedre optagelser kan knyttes til give vrid i nakken, krop eller hofte regioner (figur 2). Da Twister ikke giver postural støtte, toniske aktivitet af skeletmuskulaturen er nødvendigt for at modvirke tyngdekraften momenter. Denne tonic forordning er undersøgt af torsionale vridmodstand samt elektromyografi fra relevante muskler. Vridmodstand er vurderet af et drejningsmoment sensor i den øvre fiksering og afspejler tilstanden af ​​alle muskler undergår længde ændringer. Twister bruger flere forskellige platform rotation profiler for at studere tonic kontrol, herunder en trekant profil, trin profil og trekant profil stigende størrelsesorden (Figur 3). Disse rotere platform på en konstant langsom hastighed, hvilket minimerer inertien om emnet og måling.</p><p class="jove_content"> Vi bruger en drejende forstyrrelse omkring den lodrette akse, fordi det: 1) ændringer længden af ​​aksial-og proksimale muskler, da disse strukturer er orienteret skråt og har en bred anatomisk oprindelse og indrykninger, 2) ændrer ikke forholdet til hele kroppen og dele af tyngdekraften, 3) roterer kroppen rundt om en akse af minimal inertimoment²; 4) svarer til en neutral zone^3,4, Så der modstand fra små forskydninger fra fremadvendt holdning afspejler muskuløse snarere end osteo-ligamenternes styrker og 5) forekommer naturligt i daglige aktiviteter^3,5.</p><p class="jove_content"> Twister er en fleksibel enhed, der kan bruges til at adressere forskellige aspekter af tonic kontrol. Disse omfatter: 1) stivhed forbundet med tonic aktivitet^6-8, 2) tonic reaktioner på muskuløse længden ændringer^6,8. 3) effekten af ​​vrid på fjerntliggende kroppen regioner; 4) styrkende effekter fra kinæstetisk information⁹; 5) virkningerne af sygdommen på postural tone^7,10; Og 6) perceptuelle tærskler til langsom rotation¹¹.<br /</p><p class="jove_title"> 3. Detaljeret beskrivelse af enhedens</p><p class="jove_content"> Vi detalje komponenterne i Twister nedenfor.</p><ol><li<strong> Roterende platform</strong<br /> Emner stå på en platform, der kan drejes ± 20 ° på et leje omkring den lodrette akse (figur 1, 4A). En elektrisk motor beføjelser denne drejning på et udvekslingsforhold, der opnår platform hastigheder mellem 0,5 ° / s og 5 ° / s og højt drejningsmoment. Twister roterer den nederste del af kroppen i rummet, i stedet for den øverste del af kroppen til at fjerne vestibulære signaler, der kunne forstyrre ro holdning.</li><li> En rem og remskive system bruges til drev reduktion, som dæmper vibrationer og eliminerer piskeslag, der kan forstyrre moment måling. Vibration er minimeret, fordi det kan cue emnet omkring platformen bevægelse.</li><li> Af sikkerhedsmæssige grunde er svære stopper bruges til at begrænse maksimal platform forskydning.</li><li> En optisk encoder (Hewlett-Packard HEDS-5540) fast på platformen akslen rapporter roterende forskydning til både servo-styring og data-analyse.<br /></li><li<strong> Ramme</strong><br /> En stiv, stålramme (1.5mx 1.5mx 3m) med diagonalt kryds skinner skaber høj vridningsstivhed mellem platformen montage og drejningsmoment sensor, der er nødvendige for præcis måling af drejningsmomentet.<br /></li><li<strong> Upper fiksering og affjedringssystem</strong<br /> Den øverste fiksering og let, opvejes affjedringssystem forbinde den øvre margin på de snoede regionen til stellet (Fig. 4B). Et moment sensor (Futek TFF220, Irvine, CA) placeret i den øvre fiksering måler en subjektets modstand mod rotation.</li><li> Suspensionen Systemet består af fire rektangulære aluminiums plader, som er skiftevis hængslet langs den anterior-posterior og mediolateral akser. Dette skaber en høj stivhed for rotation om den lodrette akse (590 Nm / °), med henblik på at præcist at måle drejningsmoment, uden at begrænse bevægelse i andre dimensioner. I særdeleshed sikrer den lave stivhed til oversættelse i x, y og z retninger (0,25 N / cm) forsøgspersoner opretholde postural stabilitet selv og forhindrer den øverste fikseringen fra at levere en rumlig reference. Dette giver også mulighed for enkelte at bevare deres egen, unikke lodret kropsholdning uden at påvirke postural bevægelse i det vandrette plan.</li><li> Springs handle for at modvirke vægten af ​​affjedringssystem.</li><li> En lodret bærer samling (Fig 1, 4B) bruges til at justere den øvre fiksering at underkaste højde.<br /></li><li<strong> Lavere fiksering</strong<br /> En lavere fiksering forbinder den lavere margin på den snoede regionen til den roterende platform. Krop segmenter under den nedre fiksering roterer med platformen.</li><li> Den lavere fiksering består af en letvægts teleskopfunktion bar, der er forbundet til den roterende platform. Et hængsel forbinder teleskopcyklusen bar til den platform til at tillade anterior-posterior posturale svaj.<br /></li><li<strong> Body Vedhæftninger</strong<br /> Tre vedhæftede filer bruges med Twister: en letvægts hjelm, en skulder sele og et bækken orthotic, som hver kan være forsvarligt fastgjort til kroppen (Fig 2).</li><li> At vride halsen, lægger hjelmen over og skuldrene nedenfor.</li><li> At vride stammen vedhæfte skuldrene over og bækkenet nedenfor</li><li> At vride hofterne vedhæfte bækkenet ovenfor. I dette tilfælde er vride lokaliseret til interne og eksterne hofte rotation som fødder, skank og lår rotere med platformen.<br /></li><li<strong> Eksterne fiksering</strong<br /> En tredje, ekstern fiksering kan bruges til at vride et enkelt organ region under måling af drejningsmoment produceret af en anden. Fordi sidstnævnte segment er stationær, den målte drejningsmoment er ikke resistive, men stammer fra muskuløse kræfter inden for segmentet, potentielt induceret fra fjerntliggende vride.</li><li> De eksterne fiksering består af en letvægts teleskopfunktion bar, der forhindrer den tilsluttede segment fra roterer om den lodrette akse. Et hængsel fællesskab mellem bar og rammen giver mulighed for anterior-posterior posturale svaj.</li><li> Fig 4C viser konfigurationen til måling hals moment under bagagerummet vride. Alternativt kan nakke moment som reaktion på hofte vrid vurderes ved at tilslutte bækken til den eksterne fiksering.</li><li> En standard forceplate kan placeres mellem fagene fødder og roterende platform, samtidig at måle resistive drejningsmoment i de snoede segment. Dette forceplate kan også bruges til at kvantificere posturale svaj i løbet vride.<br /></li><li<strong> Servo-styring af platform rotation</strong<br /> En specialbygget real-time servo-systemet styrer platform rotation. Denne hardware PID-controller udgange en motor drev signal baseret på en platform stilling signal fra den optiske encoder og den ønskede rotation (se fig 7). En brugerdefineret PC program grænseflader med den hardware-controller til at angive den ønskede tidsmæssige profil platform rotation og indlede en retssag.</li><li> Regulatoren genererer tre profiler for platformen rotation. Vælg trekanten profil for at skifte mellem konstant hastighed med uret og mod uret (fig. 3, spor 1). Brug skridt profil til at opnå diskontinuert rotation (fig. 3, spor 2). Rotation kan også være drevet med en trekant profil, stigninger i amplitude på tværs af cyklusser (Fig. 3, spor 3).</li><li> For alle profiler, er rotation glattet at begrænse acceleration til 12 ° / s² Under bevægelses-indledning og retningsændringer.</li></ol><p class="jove_title"> 4. Forsøgsprotokol</p><p class="jove_content"> En typisk eksperimentel drives som følger:</p><ol><li> Placer kroppen vedhæftede filer (dvs. hjelm, skulder sele eller bækken orthotic) på den ønskede segmenter, sikrer, at de er lunt og der er ingen torsionale spille.</li><li> Juster højden af ​​den lineære bærer således at den øverste fiksering er i samme højde som de tilsvarende tilknytning til kroppen.</li><li> Juster det nederste fiksering ved hjælp af teleskopfunktion baren svarer til højden af ​​den lavere tilknytning til kroppen.</li><li> Instruer emnet til at stå på den roterende platform, vender fremad.</li><li> Vedhæft de øvre og nedre optagelser til det tilsvarende organ vedhæftede filer, positionering justeringer, så nul moment er anvendt på motivet i forundersøgelsesfasen position.</li><li> Blindfold emnet.</li><li> Instruer emnet at stå afslappet og ikke at gribe ind.</li><li> Vælg en forstærker gevinst for drejningsmoment sensor, hvorefter kroppen regionen er snoet, for at maksimere det dynamiske område af dette signal.</li><li> Nulstil bias på moment sensoren.</li><li> Begynd overflade svingninger i yaw og registrering af data. Drejningsmoment og platform rotation signaler typisk registreres ved 50 Hz ved hjælp af Spike 2 Køb software (Cambridge Elektroniske enheder, Cambridge, England).</li><li> Start vride med den ønskede platform rotation profil. I almindelighed Bevægelsen skal være langsom og jævn nok til, at emner ikke præcist opfatter vride.</li></ol><p class="jove_title"> 5. Repræsentative resultater</p><p class="jove_content"> Resistive drejningsmoment typisk stiger med platform udflugt, men stigningen bremser med større udflugt. Samlet modstand er typisk kvantificeres ved peak-to-peak moment i gennemsnit på tværs af cykler. Figur 5A viser enkelt forsøg svar på tværs af fag for torsions modstand konstant hastighed rampe for stammen. Vi har observeret data reproducerbare over måneder inden for et emne (figur 5B; interclass korrelationskoefficient = 0,89). Mean vridmodstand varierer på tværs af kroppens enkelte dele, og er blevet rapporteret at være 0,54 ± 0,24 Nm til hals, 5,11 ± 1,94 Nm i bagagerummet og 3,23 ± 1,67 Nm til hofterne⁶ (Figur 6). Det er vigtigt, at platformen rotation er glat og der er ingen lash. Fravær af øjenvippe er angivet med glat ændringer i moment under retningsændringer og en hurtig ændring i drejningsmoment ved debut, formentlig på grund af kortrækkende stivhed i musklen (se figur 3A i Gurfinkel<em> Et al.</em⁶).</p><p class="jove_content"> Den målte drejningsmoment afspejler både dynamiske ændringer i tone med vrid samt fordelingen af ​​baseline tonic aktivitet (som omfatter co-sammentrækning). På grund af den langsomme hastighed af snoede, er stigningen i moment pr grad svarende til iboende stivhed¹² Kun når muskel aktivitet er konstant. Bemærk, at fordi aktive strukturer bidrager til den målte modstand Twister teknisk vurderer pseudostiffness.</p><p class="jove_content"> Generelt er der to typer af respons observeret, der svarer til konstant eller moduleret tonic aktivitet inden for snoede regionen. Førstnævnte er karakteriseret ved lav cyklus til cyklus variation i moment, høj peak-to-peak drejningsmoment størrelsesorden, og relativt konstant EMG. I modsætning hertil er dynamisk graduering karakteriseret ved høj cyklus til cyklus variation, lav vridninger modstand og EMG modulation sammenhængende med at vride. På vinkel vs drejningsmoment plots umodulerede emner udviser en regelmæssig hysterese løkke, mens moduleres fag har en uregelmæssig mønster, der kan vende retning (se figur 3A i Gurfinkel<em> Et al.</em⁶ Dynamisk graduering består generelt af øget tonisk aktivitet i musklen forkorte og faldende aktivitet i forlængelse (dvs. Sherringtons forlængelse og afkortning reaktioner¹³), Som er med modsat fortegn til strækningen refleks. En integrativ mål for omfanget af modulation kan opnås ved at skiftet i et fag er neutral (nul-moment) stilling i en cyklus, der betegnes som moment fase forhånd^6,8.</p><p class="jove_content"<img src="/files/ftp_upload/3677/3677fig1.jpg" alt="Figure 1" /<br /><strong> Figur 1.</strong> Skematisk af Twister fra siden. Komponenter er mærket som følger: 1) roterende platform, 2) teleskopfunktion bar for lavere fiksering, 3) hængsel samling mellem lavere teleskopfunktion bar og roterende platform, 4) hjelm fastgjort til øverste fiksering, 5) drejningsmoment sensor og opvejes suspensionsordningen 6) låsning lodret lineær pejling 7) ekstern fiksering til måling af inducerede drejningsmoment; 8) hængslet joint svarer til 3, 9) fast ramme, 10) diagonalt kryds afstivet for stive ramme.</p><p class="jove_content"<img src="/files/ftp_upload/3677/3677fig2.jpg" alt="Figure 2" /<br /><strong> Figur 2.</strong> Twisting anvendes til aksial og proksimal niveauer. Emner stå på en roterende platform (gul) med over-og underkrop vedhæftede filer anbringes at bibringe vride til den ønskede kroppen regionen. Den øverste vedhæftede fil er tilsluttet via en suspension system (zig-zag linjer) til drejningsmoment sensoren (T), som fastsættes under hensyn til rotation omkring den lodrette akse. Den lavere tilknytning forbindes til den roterende platform via et hængsel fælles (sort cirkel), der tillader rotation i sagittal planet for emnet. A: Neck vridning opnås ved at knytte en hjelm til drejningsmoment sensoren og skuldre til platformen. B: Trunk vride opnås ved at knytte skuldrene til drejningsmoment sensoren og bækken til platformen. C: Hip vride opnås ved at knytte bækkenet til drejningsmoment sensoren.</p><p class="jove_content"<img src="/files/ftp_upload/3677/3677fig3.jpg" alt="Figure 3" /<br /><strong> Figur 3.</strong> Forskellige vride profiler. Forskellige profiler kan bruges til at undersøge konkrete aspekter af tonic kontrol. Produktionen af ​​den optiske encoder angivelse platform rotation er vist i volt. Opad nedbøjning svarer til mod uret platform rotation, når den ses fra oven. 1) Triangle profil: I dette tilfælde rotations hastighed, maksimal udflugt og antal cyklusser er specificeret. To cyklusser på 12 ° er vist. 2) Diskontinuerte, trin profil: Amplitude, hastighed og holdetid et skridt er angivet. To cyklusser 12 ° rotationer, bestående af fire, 3 ° grader trin er vist. 3) Stigende amplitude trekant bølger: to cyklusser af hver af 3 °, 6 ° og 9 ° rotationer er vist. I dette eksempel antallet af platformen rotation er konstant under alle forhold.</p><p class="jove_content"<img src="/files/ftp_upload/3677/3677fig4.jpg" alt="Figure 4" /<br /><strong> Figur 4.</strong> Fotografi af Twister fra siden. A: Konfiguration til krop vride med komponenter mærket som følger: 1) roterende platform, 2) motor og servo-styring forsamling, 3) hængsel samling mellem lavere teleskopfunktion bar og den roterende platform, 4) lavere fiksering og bækken orthotic; 5) øvre fiksering og skulder sele, 6) linie, der forbinder suspension til øverste fiksering; 7) drejningsmoment sensor og opvejes suspensionsordningen 8) ekstern fiksering til måling af inducerede drejningsmoment; 9) stiv ramme. B: Nærbillede af drejningsmoment sensor og affjedringssystem mærket som følger: 1) drejningsmoment sensor, 2-5) let hængslet aluminiumsplader. Hængslet mellem pladerne 2 og 3 roterer om anterior-posterior akse, mens hængsel mellem pladerne 4 og 5 er orienteret omkring mediolateral akse. 8) aflåsning lodret lineær pejling 9) letvægts hjelm og øvre vedhæftet fil. C: Konfiguration til at sno stammen, men at måle torsionale effekt på halsen. I denne konfiguration bækkenet er fastgjort tilden roterende platform (1), og skuldrene er forbundet til den eksterne fiksering (2), hvilket forhindrer skuldre, nakke og hoved fra roterende, begrænse dreje til stammen. Hovedet er også knyttet til den øverste fiksering (3), således at enhver induceret halsen moment påføres drejningsmoment sensoren.</p><p class="jove_content"<img src="/files/ftp_upload/3677/3677fig5.jpg" alt="Figure 5" /<br /><strong> Figur 5.</strong> Torsions modstand af stammen. A) Moment spor fra de enkelte forsøg fra forskellige fag. Tre cyklusser på 10 °, 1 ° / s trekant bølger blev brugt. Emner har konsekvent drejningsmoment adfærd på tværs af cykler, med stor variation i modstand mellem fag. Spor med højeste modstand er typiske for umodulerede adfærd, mens spor med mindst modstand er typiske for høje graduering. B) Inter-emne repeterbarhed i torsions modstand på tværs af tid. To målinger fra 7 emner, adskilt af en måned. Peak-to-peak trunk drejningsmoment viser konsistente inden-emne adfærd på tværs af test-sessioner, men bredt inter-emne variation.</p><p class="jove_content"<img src="/files/ftp_upload/3677/3677fig6.jpg" alt="Figure 6" /<br /><strong> Figur 6.</strong> Urolige moment fra forskellige aksial niveauer. De resistive drejningsmoment til 10 °, 1 ° / s trekant bølger til hals, krop og hofte niveauer. Enkelt forsøg fra en repræsentant emne er vist. Bemærk de forskellige størrelse og timecorse på tværs af niveauer.</p><p class="jove_content"<img src="/files/ftp_upload/3677/3677fig7.jpg" alt="Figure 7" /<br /><strong> Figur 7.</strong> Skematisk af servo-styring. Reguleringssløjfen består af en PID (proportional, integral, afledte) controller, som modtager input fra en optisk encoder knyttet til platformen akslen. Regulatoren bestemmer motordrev strøm. Tilpasset software, der kører på en PC bruges til at vælge den ønskede platform bane, som derefter downloads i denne information til controlleren.</p

Discussion

Det er vores opfattelse, at Twister kan bruges fat på mange spørgsmål i tonic kontrol. Til dato har Twister føre til 7 sådanne publikationer ^6-11,14. Sandsynligvis den vigtigste egenskab ved Twister er, at det giver en integreret, kinetisk måling af tone. Denne drejningsmoment mål for tonen er ikke leveret af kinematisk, invers dynamik eller elektromyografisk tilgange, og det er nødvendigt at besvare mange spørgsmål om tone. Også, Twister er enestående i ikke væsentligt blande med naturlig antigravitation eller postural adfærd, og giver en tonic, snarere end en phasic forstyrrelse.

En mulig brug af Twister er kvantificering af toniske virkningerne af sygdom på postural tone. Mens den iboende og refleks stivhed er blevet godt undersøgt for mange neurologiske og muskel-og betingelser ved hjælp af Fast forstyrrelser, den kvantitative effekt af mange sygdomme på postural tone ikke velkarakteriserede. Især kan Twister være used at kvantificere effekten af lidelser, såsom stivhed ^7,10,14, hypotoni, dystoni, og ryg og nakke smerter på den størrelse, fordeling og symmetri af postural tone langs kroppen aksen. Den kan også bruges til at måle aksial kinesthesis, f.eks; opfattelse af kroppen rotation baseret på muskel propioceptorer og ¹¹ perceptuomotor symmetri, f.eks; repræsentation af ligeud under aksial vride ^14. Endelig kan Twister kan bruges til at studere effekten af intervention på disse foranstaltninger af aksiale postural tone ^8.

Vi anslår udgifter til leje af et ingeniørfirma til at fabrikere Twister er ca $ 30.000 amerikanske. Denne enhed kan sandsynligvis fremstilles i huset til en brøkdel af disse omkostninger, som prisen på råvarer er lav, men signifikant fabrikation er påkrævet. Igennem hele sin brug, har Twister udviklet sig betydeligt og gør det fortsat. Der er mange grundlæggende spørgsmål, som kan behandles med Twister. Vi håber, at denneRapporten vil hjælpe andre undersøgere opbygge Twisting enheder eller på anden måde stimulere forskning i dette grundlæggende, men dårligt forstået område.

Materials