研究人体姿势控制的实验方法

Summary

本文提出了研究人类姿势控制的实验/分析框架。该协议提供了执行站立实验、测量身体运动学和动力学信号以及分析结果的分步程序，以深入了解人类姿势控制背后的机制。

Abstract

神经和肌肉骨骼系统的许多成分协同作用，以实现稳定、直立的人体姿势。需要进行对照实验，并辅之以适当的数学方法，以了解人类姿势控制中涉及的不同子系统的作用。本文介绍了一种用于进行扰动站立实验、获取实验数据以及进行后续数学分析的协议，目的是了解肌肉骨骼系统和中央控制在人体中的作用。直立姿势。这些方法所产生的结果很重要，因为它们提供了对健康平衡控制的洞察，为了解患者和老年人平衡受损病因奠定了基础，并有助于设计改善的干预措施姿势控制和稳定性。这些方法可用于研究躯体感觉系统的作用、踝关节的内在刚度和视觉系统在姿势控制中的作用，也可以扩展研究前庭系统的作用。这些方法将用于脚踝策略，其中身体主要移动的脚踝关节，被认为是单链倒摆。

Introduction

人类姿势控制是通过中枢神经系统和肌肉骨骼系统之间的复杂相互作用^实现的。人体在站立中本质上是不稳定的，受各种内部（如呼吸、心跳）和外部（如重力）扰动的影响。稳定性由具有中央、反射和内在组件的分布式控制器实现（图1）。

姿势控制由:由中枢神经系统（CNS）和脊髓介导的主动控制器，改变肌肉激活;和一个内在刚度控制器，抵抗关节运动，肌肉激活没有变化 （图1）。中央控制器使用感觉信息来生成降序命令，产生矫正肌肉力量以稳定身体。感官信息由视觉、前庭和躯体感觉系统转换。具体来说，躯体感觉系统生成有关支撑面和关节角度的信息;愿景提供有关环境的信息;和前庭系统生成有关头部角速度、线性加速度和与重力方向有关的信息。中央闭环控制器运行时间长，可能会破坏稳定²。主动控制器的第二个元素是反射刚度，它产生短延迟的肌肉活动，并产生抵抗关节运动的扭矩。

活动控制器的两个组件都有延迟;因此，关节内在刚度，不延迟地作用，在姿势^控制3中起着重要的作用。内在刚度是由收缩肌肉的被动粘弹性特性、软组织和四肢的惯性特性产生的，这些特性可立即产生电阻扭矩，以响应任何关节^运动....

Protocol

所有实验方法均已获得麦吉尔大学研究伦理委员会的批准，受试者在参与前签署知情同意书。

1. 实验

注:每个实验都涉及以下步骤。

1. 预测试
   1. 准备要执行的所有试验的明确大纲，并制定数据收集清单。
   2. 向受试者提供同意书，提供所有必要的信息，要求他们彻底阅读，回答任何问题，然后让他们在表格上签名。
   3. 记录受试者的体重、身高和年龄。
2. 主题准备
   1. 肌X线测量
      1. 使用单微分电极（材料表），电极间距离为1厘米，用于测量脚踝肌肉的肌电图（EMG）。
      2. 使用总增益为1000和带宽为20~2000Hz的放大器（材料表）。
      3. 为确保高信噪比 （SNR） 和最小串扰，根据 Seniam 项目²⁶提供的指南定位并标记电极附件区域，如下所示:（1） 用于中枢胃肠 （MG），这是肌肉;（2） 对于侧侧胃肠 （LG），纤维头和脚跟之间的线 1/3;（3） 对于鞋底 （SOL），股骨和内阴线之间的线 2/3;（4） 对于前部 （TA）， 纤维尖和中端的尖端之间的线 1/3。
      4. 用剃须刀剃光标记区域，用酒精清洁皮肤。让皮肤彻底干燥。
      5. 在用于参....

Results

伪随机三元序列 （PRTS） 和 TrapZ 信号

图 2A显示了通过集成伪随机速度配置文件生成的 PRTS 信号。对于每个采样时间，信号速度可能等于零，或获取预定义的正值或负值。通过控制和，可以生成具有宽频谱带宽的PRTS输入，并将.......

Discussion

有几个步骤是执行这些实验研究人类姿势控制的关键。这些步骤与信号的正确测量相关，包括:1） 旋转齿形轴与踏板轴的正确对齐，以便正确测量脚踝扭矩。2） 正确设置测距仪，确保它们在其范围内工作，且在实验期间不会饱和。3） 测量EMG具有良好的质量和最小的相声。4） 应用适当的扰动，引起足够的反应，但不中断正常的姿势控制。5） 根据预期分析选择适当的试验长度，同时避免身体换档和疲劳。除了实验外，分析也必须仔细进行。为了估计从机械扰动站立中获得的数据中的内在刚度，选择内在响应的长度至关重要，以确保无反射扭矩（在 TS 肌肉活动爆发后不久开始）是包括。此外，尽管许多研究假设内在刚度在站立11，14，15不会改变，但最近的研究表明，重要的是解释刚度的调制与姿势摇摆相关的脚踝扭矩的变化^23，32.为了确定从任何输入到输出的动态关系的 FR，最重要的步骤.......

Materials

List of materials used in this article

Name	Company	Catalog Number	Comments
5K 电位计	Maurey	112P19502	测量执行器轴角度
8 通道 Bagnoli 表面肌电图放大器和电极	Delsys		测量踝关节肌肉的肌电图
AlienWare 笔记本电脑	Dell Inc.	P69F001 修订版A02	VR 就绪 PC 笔记本电脑
数据采集卡	National instruments	4472	对来自传感器的模拟信号进行采样
方向阀	REXROTH	4WMR10C3X	如果执行器轴的角度超过±，则旁路流量;20°C
全身式安全带	Jelco	740	保护被测物免受坠落
激光测距仪	Micro-epsilon 1302-100	1507307	测量柄线性位移
激光测距仪	Micro-epsilon 1302-200	1509074	测量人体线性位移
称重传感器	Omega	LC302-100	测量垂直反作用力
比例伺服阀	MOOG	D681-4718	控制流向旋转执行器的液压流量
旋转执行器	Rotac	26R21VDEISFTFLGMTG	施加机械扰动
扭矩传感器	Lebow	2110-5k	测量踝关节扭矩
虚拟环境 运动跟踪器	HTC inc.	1551984681	跟踪头部运动
虚拟现实耳机	HTC inc.	1551984681	提供视觉扰动