我们开发了一种设备（Twister），用于研究在主动维持姿势期间对紧张性肌肉活动的调控。Twister可在受试者站立时扭转身体纵轴的过程中，测量扭转阻力及肌肉反应。该设备可灵活配置，用于研究颈部、躯干和/或髋部在紧张性控制方面的不同特征。
本文内容
摘要
摘要
紧张性肌肉活动的调控机制目前仍不明确。尽管临床上通常通过测量放松状态下肢体的被动阻力来评估异常肌张力1，但尚无系统可用于研究在自然的抗重力支撑主动状态下的紧张性肌肉控制。我们开发了一种装置（Twister），用于研究在主动维持姿势过程中（即姿势性肌张力）躯干和近端肌肉的紧张性调节。Twister在站立状态下围绕垂直轴相对旋转身体的轴向部位，从而扭转颈部、躯干或髋部区域。这种扭转会引起轴向肌肉长度的变化，而不会改变身体与重力之间的关系。由于Twister不提供姿势支撑，因此必须通过调节肌张力以对抗重力产生的转矩。我们通过抵抗扭转的反作用转矩来量化这种紧张性调节，该转矩反映了所有发生长度变化的肌肉的状态，同时结合相关肌肉的肌电图进行分析。由于肌张力表现为持续时间较长的低水平肌肉活动，因此通过缓慢运动来研究紧张性控制，这些运动引起肌肉长度的“紧张性”改变，而不诱发快速的“时相性”反应。Twister可重新配置，用于研究肌张力的多个方面，例如共激活、对姿势变化的紧张性调节、身体节段间的紧张性相互作用，以及对缓慢轴向旋转的感知阈值。此外，Twister还可用于定量评估疾病对轴向和近端姿势性肌张力的影响，并评价干预措施的有效性。
方案
1. 引言
Twister 是一种由伺服器控制的装置，用于在主动直立姿势期间量化躯干及近端身体区域的姿势张力。该装置最初由俄勒冈健康与科学大学研制，目前英国南安普顿大学正在建造类似的设备。本报告中，我们描述了 Twister 的功能及其设计原理，并介绍其多种用途。随后提供了详细的装置描述，以促进其复制，并展示了如何利用该装置研究姿势张力的调控机制。
2. 概述
Twister 由刚性钢架、旋转平台、扭矩传感器、平衡式悬吊系统、上下固定装置和身体附着部件（图1）组成，同时还配备用于调节平台旋转的伺服控制系统。Twister 通过相对于上部节段绕垂直轴旋转下部身体节段，使中间区域发生扭转，从而量化站立受试者的姿势张力，改变其中肌肉的长度。上下固定装置可安装于不同位置，以对颈部、躯干或髋部区域施加扭转（图2）。由于 Twister 不提供姿势支撑，骨骼肌的紧张性活动必须用于抵抗重力矩。这种紧张性调节可通过扭转阻力以及相关肌肉的肌电图进行研究。扭转阻力由上部固定装置内的扭矩传感器测定，反映所有发生长度变化的肌肉的状态。Twister 采用多种不同的平台旋转模式来研究紧张性控制，包括三角波模式、阶跃模式以及幅度递增的三角波模式（图3）。这些模式以恒定的低速旋转平台，从而最大限度地减少惯性效应对受试者及测量结果的影响。
我们采用绕垂直轴的扭转扰动，因为该方法：1）会改变轴向和近端肌肉的长度，这些结构呈斜向走行，具有广泛的解剖学起点和止点；2）不改变身体整体及其各部分与重力之间的关系；3）使身体绕最小转动惯量轴旋转2；4）对应于中立区3,4，因此从前倾位置发生微小位移时的阻力反映的是肌肉力而非骨-韧带结构的力学作用；5）在日常活动中自然发生3,5。
Twister 是一种灵活的设备，可用于研究张力控制的多个方面，包括：1) 与紧张性活动相关的僵硬度6-8；2) 肌肉长度变化引起的紧张性反应6,8；3) 扭转对远端身体区域的影响；4) 来自本体感觉信息的紧张性效应9；5) 疾病对姿势张力的影响7,10；以及 6) 对缓慢旋转的感知阈值11。
3. 设备的详细描述
下文将详细介绍 Twister 的各个组成部分。
- 旋转平台
受试者站立在一个可绕垂直轴在±20°范围内旋转的平台上（图1、图4A）。电动机驱动该平台，通过传动比调节使平台转速在0.5°/s至5°/s之间，并提供高扭矩。Twister系统在空间中旋转下肢而非上身，以消除可能干扰安静站立状态的前庭信号。 - 采用皮带与带轮系统进行减速传动，以减小振动并消除可能干扰扭矩测量的间隙。振动被最小化，以避免向受试者提供平台运动的提示信息。
- 出于安全考虑，使用机械限位块限制平台的最大位移。
- 一个固定在平台转轴上的光学编码器（Hewlett-Packard HEDS-5540）用于报告旋转位移，供伺服控制和数据分析使用。
- 框架
一个刚性钢制框架（1.5 m × 1.5 m × 3 m），配有对角交叉支撑，使平台组件与扭矩传感器之间具有高抗扭刚度，这是实现精确扭矩测量所必需的。
- 上部固定与悬吊系统
上部固定装置与轻质、配重平衡的悬吊系统将扭转区域的上缘连接至框架（图4B）。安装在上部固定装置内的扭矩传感器（Futek TFF220，Irvine，CA）用于测量受试者对旋转的抵抗扭矩。 - 悬吊系统由四个矩形铝合金板组成，沿前后轴和内外侧轴交替铰接。该结构在绕垂直轴旋转时具有高刚度（590 Nm/°），以实现扭矩的精确测量，同时不限制其他方向的运动。特别是，在x、y和z方向的平移刚度较低（0.25 N/cm），确保受试者自身维持姿势稳定性，并防止上部固定装置提供空间参考。这也允许每位个体保持其独特的垂直姿势，而不影响水平面内的姿势运动。
- 弹簧用于平衡悬吊系统的重量。
- 垂直轴承组件（图1、图4B）用于调节上部固定装置的高度以适应受试者身高。
- 下部固定装置
下部固定装置将扭转区域的下缘连接至旋转平台。位于下部固定装置以下的身体节段随平台一同旋转。 - 下部固定装置由一根轻质伸缩杆构成，连接至旋转平台。伸缩杆与平台之间通过铰链连接，允许前后方向的姿势摆动。
- 身体连接附件
Twister系统使用三种附件：轻质头盔、肩部背带和骨盆矫形器，每种均可牢固地固定于身体（图2）。 - 若需扭转颈部，则将头盔连接于上方，肩部连接于下方。
- 若需扭转躯干，则将肩部连接于上方，骨盆连接于下方。
- 若需扭转髋部，则将骨盆连接于上方。此时，扭转局限于髋关节的内旋与外旋，因为足部、小腿和大腿随平台一同旋转。
- 外部固定装置
可使用第三种外部固定装置，在扭转一个身体区域的同时测量另一区域产生的扭矩。由于后者节段保持静止，所测得的扭矩并非抵抗性扭矩，而是来源于该节段内部的肌肉力，可能由远端的扭转所诱发。 - 外部固定装置由一根轻质伸缩杆构成，防止所连接节段绕垂直轴旋转。杆与框架之间的铰接关节允许前后方向的姿势摆动。
- 图4C展示了在躯干扭转过程中测量颈部扭矩的配置。另一种方式是将骨盆连接至外部固定装置，以评估髋部扭转引起的颈部扭矩。
- 可在受试者足底与旋转平台之间放置标准测力台，以同步测量扭转节段的抵抗扭矩。该测力台也可用于量化扭转过程中的姿势摆动。
- 平台旋转的伺服控制
一套定制的实时伺服系统控制平台旋转。该硬件PID控制器根据光学编码器提供的平台位置信号和设定的旋转目标输出电机驱动信号（见图7）。通过定制的PC程序与硬件控制器通信，设定平台旋转所需的时间曲线并启动试验。 - 控制器生成三种平台旋转曲线。选择三角波形以在恒定速度的顺时针和逆时针旋转之间交替（图3，轨迹1）。使用阶跃波形实现不连续旋转（图3，轨迹2）。旋转也可采用振幅逐周期递增的三角波形驱动（图3，轨迹3）。
- 对于所有波形，旋转过程均经过平滑处理，以在运动起始和方向转换期间将加速度限制在12 °/s2以内。
4. 实验方案
典型的实验按如下步骤进行：
- 将身体固定装置（例如头盔、肩部固定带或骨盆矫形器）安装到目标节段，确保贴合紧密且无扭转松动。
- 调节线性轴承的高度，使上部固定点与相应的身体固定装置处于同一高度。
- 使用伸缩杆调节下部固定点，使其与下部身体固定装置的高度一致。
- 指导受试者站在旋转平台上，面朝前方。
- 将上部和下部固定点连接至相应的身体固定装置，并进行位置调整，使受试者在试验前位置时不承受任何扭矩。
- 为受试者佩戴眼罩。
- 指导受试者保持放松站立状态，不要主动干预。
- 根据被扭转的身体区域选择扭矩传感器的放大增益，以最大化该信号的动态范围。
- 重置扭矩传感器的偏置。
- 开始偏航方向的平台振荡并记录数据。通常使用Spike 2采集软件（Cambridge Electronic Devices, Cambridge, UK）以50 Hz的频率记录扭矩和平台旋转信号。
- 按照设定的平台旋转模式开始扭转。一般情况下，运动应足够缓慢平滑，使受试者无法准确感知到扭转。
5. 代表性结果
阻力矩通常随平台偏转角度的增大而增加，但在较大偏转角度时，其增长趋势减缓。总体阻力通常通过峰-峰值力矩来量化，并对多个周期取平均值。图5A展示了受试者在躯干扭转过程中，以恒定速度斜坡加载时的单次试验反应。我们观察到同一受试者在数月内的数据具有可重复性（图5B；组内相关系数 = 0.89）。不同身体节段对抗扭转的平均阻力存在差异，据报道，颈部为0.54 ± 0.24 Nm，躯干为5.11 ± 1.94 Nm，髋部为3.23 ± 1.67 Nm6（图6）。平台旋转必须平稳，且不得存在间隙。无间隙的特征表现为方向转换时力矩变化平滑，以及在运动起始时力矩迅速上升，这可能归因于肌肉的短程刚度（参见Gurfinkel et al.6中的图3A）。
测得的扭矩反映了扭转过程中张力的动态变化以及基础紧张性活动（包括共同收缩）的分布情况。由于扭转速度较慢，只有在肌肉活动保持恒定时，每度扭矩的增加才等同于内在刚度12。需要注意的是，由于主动结构也参与了阻力的形成，因此Twister实际上测量的是伪刚度。
通常可观察到两种类型的反应，分别对应于扭动区域内的恒定或调制性紧张性活动。前者的特点是扭矩的周期间变异较小、峰-峰值扭矩幅度较高，以及相对恒定的肌电图（EMG）信号。相比之下，动态调制表现为较高的周期间变异性、较低的扭转阻力，且肌电活动的调制与扭动动作同步。在角度-扭矩图中，未调制者的曲线呈现规则的滞后环，而调制者的曲线则呈现不规则模式，甚至可能出现方向反转（参见Gurfinkel et al.6中的图3A）。动态调制通常表现为肌肉缩短时紧张性活动增强，而肌肉伸长时活动减弱（即Sherrington的伸长与缩短反应13），其符号与牵张反射相反。可通过受试者在一个周期内中性（零扭矩）位置的变化来综合评估调制程度，该指标被称为扭矩相位前移6,8。
图1. Twister 装置的侧面示意图。各部件标注如下：1）旋转平台；2）用于下部固定的伸缩杆；3）下部伸缩杆与旋转平台之间的铰接关节；4）连接至上部固定的头盔；5）扭矩传感器及配重悬吊系统；6）锁定式垂直线性轴承；7）用于测量施加扭矩的外固定装置；8）与3类似的铰接关节；9）刚性框架；10）刚性框架的斜向交叉支撑。
图 2. 作用于轴向和近端水平的扭转力。受试者站立于一个旋转平台（黄色）上，通过固定在上半身和下半身的连接装置，向目标身体区域施加扭转力。上部连接装置通过一个悬挂系统（锯齿线）连接至扭矩传感器（T），该传感器在绕垂直轴旋转方向上保持固定。下部连接装置通过一个铰链关节（黑色圆圈）连接至旋转平台，允许受试者在矢状面内旋转。A：通过将头盔连接至扭矩传感器，同时将肩部固定于平台，实现颈部扭转。B：通过将肩部连接至扭矩传感器，同时将骨盆固定于平台，实现躯干扭转。C：通过将骨盆连接至扭矩传感器，实现髋部扭转。
图3. 不同的扭转模式。可使用多种模式来研究张力控制的特定方面。显示的是由光学编码器输出的平台旋转信号，单位为伏特（V）。当从上方观察时，向上的偏转对应平台逆时针旋转。1）三角波模式：在此情况下设定旋转速度、最大偏转角度和周期数。图中显示了两个12°的周期。2）不连续阶跃模式：设定阶跃的幅度、速度和保持时间。图中显示了两个12°的旋转周期，每个周期由四个3°的阶跃组成。3）递增幅度的三角波：分别显示了3°、6°和9°旋转的各两个周期。在本示例中，所有条件下的平台旋转速率保持恒定。
图4. Twister装置的侧面照片。A：躯干扭转配置，各部件标注如下：1）旋转平台；2）电机及伺服控制组件；3）下部伸缩杆与旋转平台之间的铰链关节；4）下部固定装置及骨盆矫形器；5）上部固定装置及肩部背带；6）连接悬吊系统与上部固定的杆；7）扭矩传感器及配重悬吊系统；8）用于测量施加扭矩的外部固定装置；9）刚性框架。B：扭矩传感器与悬吊系统的特写，标注如下：1）扭矩传感器；2-5）轻质铰接铝板。2与3板之间的铰链绕前后轴旋转，而4与5板之间的铰链则围绕内外侧轴定向。8）锁定式垂直线性轴承；9）轻质头盔及上部连接装置。C：用于扭转躯干但测量颈部扭转效应的配置。在此配置中，骨盆固定于旋转平台（1），肩部连接至外部固定装置（2），从而防止肩部、颈部和头部旋转，使扭转仅限于躯干。头部也连接至顶部固定装置（3），以便任何诱发的颈部扭矩均可传递至扭矩传感器。
图 5. 躯干扭转阻力。A) 来自不同受试者的单次试验扭矩轨迹。采用三个周期的 10°、1°/s 三角波。受试者在各周期间表现出一致的扭矩行为，但不同受试者之间的阻力存在较大差异。阻力最高的轨迹通常代表未调节行为，而阻力最低的轨迹通常代表高度调节行为。B) 不同时期间躯干扭转阻力的受试者间重复性。7 名受试者相隔一个月的两次测量结果。峰值到峰值的躯干扭矩在不同测试会话中表现出一致的个体内行为，但个体间变异较大。
图 6. 不同轴向水平的阻力矩。颈部、躯干和髋部水平在10°、1°/s三角波作用下的阻力矩。图中显示一位代表性受试者的单次试验结果。注意不同水平间在幅度和时间进程上的差异。
图7. 伺服控制示意图。控制回路由一个PID（比例、积分、微分）控制器组成，该控制器接收来自安装在平台转轴上的光电编码器的输入信号。控制器据此确定电机驱动电流。运行在PC上的自定义软件用于选择期望的平台运动轨迹，并将该信息下载至控制器。
讨论
我们认为，Twister 可用于解决张力控制中的诸多问题。迄今为止，Twister 已促成 7 项相关研究的发表6-11,14。Twister 最重要的特性可能是它能够提供一种整合性的、动态的张力测量方法。这种扭矩形式的张力测量无法通过运动学、逆向动力学或肌电图方法实现，但对于回答许多有关张力的问题却是必需的。此外，Twister 的独特之处在于其对自然抗重力或姿势行为的干扰极小，并且提供的是持续性的（tonic）而非时相性的（phasic）扰动。
Twister 的一个潜在用途是量化疾病对姿势张力的紧张性效应。尽管通过快速扰动已对多种神经和肌肉骨骼疾病的内在及反射性刚度进行了深入研究，但许多疾病对姿势张力的定量影响仍缺乏充分表征。特别是，Twister 可用于量化诸如强直7,10,14、肌张力低下、肌张力障碍以及腰背部和颈部疼痛等疾病对身体轴线上姿势张力的幅度、分布和对称性的影响。它还可用于测量躯干本体感觉，例如基于肌肉本体感受器的身体旋转感知11，以及感知运动对称性，例如在轴向扭转过程中对正前方位置的表征14。最后，Twister 还可用于研究干预措施对这些躯干姿势张力指标的影响8。
我们估计，聘请工程公司制造Twister的费用约为30,000美元。该设备很可能由实验室自行制造，成本仅为上述费用的一小部分，因为原材料价格较低，但需要大量的加工工作。在使用过程中，Twister经历了显著的演变，并且仍在持续改进中。利用Twister可以解决许多基础科学问题。我们希望本报告能够帮助其他研究人员构建扭转装置，或以其他方式推动这一基本但尚不明确领域的研究。
披露
作者无任何利益冲突需要披露。
致谢
我们感谢Eugene Gurfinkel和Mark Chapman在Twister设计与制造过程中所做出的贡献。Twister的开发得到了美国国立卫生研究院资助项目R01 AR-31017（资助对象：P. Cordo和V. Gurfinkel）以及F32 HD-008520（资助对象：T. Cacciatore）的支持。T. Cacciatore还感谢英国医学研究理事会为撰写本文提供的支持。
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