本文介绍了一种用于研究人体姿势控制的实验与分析框架。该方案提供了进行站立实验、测量身体运动学和动力学信号以及分析结果的逐步操作流程,以深入理解人体姿势控制背后的机制。
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本文介绍了一种用于研究人体姿势控制的实验与分析框架。该方案提供了进行站立实验、测量身体运动学和动力学信号以及分析结果的逐步操作流程,以深入理解人体姿势控制背后的机制。
神经和肌肉骨骼系统的许多组成部分协同作用,以实现稳定的人体直立姿势。需要结合适当的数学方法进行受控实验,以理解参与人体姿势控制的不同子系统的作用。本文描述了一种进行扰动站立实验、采集实验数据以及进行后续数学分析的方案,旨在阐明肌肉骨骼系统和中枢控制在人体直立姿势中的作用。这些方法产生的结果具有重要意义,因为它们有助于理解健康的平衡控制机制,为认识患者和老年人平衡功能障碍的病因提供基础,并有助于设计改善姿势控制和稳定性的干预措施。这些方法可用于研究本体感觉系统、踝关节固有刚度以及视觉系统在姿势控制中的作用,也可进一步扩展至前庭系统作用的研究。这些方法适用于踝关节策略情形,即身体主要围绕踝关节运动,并被视为单连杆倒摆系统。
人体姿势控制是通过中枢神经系统与肌肉骨骼系统之间复杂的相互作用实现的1。人体在站立状态下本质上是不稳定的,会受到多种内部(例如呼吸、心跳)和外部(例如重力)扰动的影响。稳定性由一个包含中枢、反射和本征成分的分布式控制器来实现(图1)。
姿势控制由以下两部分共同实现:一种是通过中枢神经系统(CNS)和脊髓介导的主动控制器,可调节肌肉激活;另一种是内在刚度控制器,可在不改变肌肉激活的情况下抵抗关节运动(图1)。中枢控制器利用感觉信息生成下行指令,以产生纠正性肌肉力,从而稳定身体。感觉信息由视觉、前庭和本体感觉系统转导。具体而言,本体感觉系统提供关于支撑面和关节角度的信息;视觉提供关于周围环境的信息;前庭系统则提供关于头部角速度、线加速度以及相对于重力方向的定位信息。中枢闭环控制器的工作存在较长延迟,可能引起系统失稳2。主动控制器的第二个组成部分是反射性刚度,其可在极短潜伏期内引发肌肉活动,并产生抵抗关节运动的力矩。
主动控制器的两个组成部分均存在延迟;因此,能够即时发挥作用的关节本体刚度在姿势控制中起着重要作用3。本体刚度由收缩肌肉、软组织的被动黏弹性特性以及肢体的惯性特性产生,可在关节运动发生的瞬间产生抵抗性力矩4。由于关节刚度(本体刚度和反射性刚度)会随肌肉激活程度4,5,6和关节位置4,7,8等工况条件的变化而改变,而这些因素又会随着站立时固有的身体摇摆而动态变化,因此其在姿势控制中的作用尚未被明确理解。
明确中枢控制器和关节刚度在姿势控制中的作用至关重要,因为这为以下方面提供了基础:诊断平衡障碍的病因;为患者设计针对性干预措施;评估跌倒风险;为老年人开发跌倒预防策略;以及设计矫形器和假肢等辅助装置。然而,这一任务具有挑战性,因为各个子系统协同作用,而只能测量到整体的身体运动学、关节力矩和肌肉肌电图信号。
因此,必须开发能够利用可测量的姿势变量来评估每个子系统贡献的实验与分析方法。一个技术难点在于,姿势变量的测量是在闭环条件下进行的,导致输入与输出(即因果关系)相互关联。因此,有必要:a)施加外部扰动(作为输入)以诱发姿势反应(作为输出);b)采用专门的数学方法来识别系统模型并分离因果关系9。
本文重点研究使用踝关节策略时的姿势控制,即运动主要发生在踝关节周围的情况。在这种条件下,上半身和下肢协同运动,因此可在矢状面上将人体建模为单连杆倒立摆10。当支撑面坚实且扰动较小时,通常采用踝关节策略1,11。
我们实验室开发了一种站立装置,能够施加适当的机械(本体感觉)和视觉感觉扰动,并记录身体的运动学、动力学及肌肉活动12。该装置提供了所需的实验环境,可通过视觉和/或本体感觉刺激诱发姿势反应,从而研究踝关节刚度、中枢控制机制及其相互作用。此外,还可通过向乳突部位施加直接电刺激来扩展该装置的应用,以研究前庭系统的作用;这种刺激可产生头部速度感并诱发姿势反应12,13。
其他研究者也开发了类似的装置用于研究人体姿势控制,这些装置采用直线压电致动器11、旋转电机14,15以及直线电机16,17,18,在站立状态下对踝关节施加机械扰动。此外,还开发了更为复杂的装置用于研究多节段姿势控制,可在踝关节和髋关节同时施加多种扰动19,20。
站立装置
两个伺服控制的电液旋转执行器驱动两个踏板,以对踝关节位置施加可控扰动。这些执行器能够产生姿势控制所需的大扭矩(>500 Nm);这在诸如前倾的情况下尤为重要,此时身体质心远离踝关节旋转轴(位于前方),导致姿势控制所需的踝关节扭矩值较大。
每个旋转执行器均由独立的比例伺服阀控制,并通过安装在执行器轴上的高性能电位计测量踏板位置反馈信号(材料表)。控制器采用基于 MATLAB 的 xPC 实时数字信号处理系统实现。执行器与伺服阀组合的带宽超过 40 Hz,远高于整体姿势控制系统、踝关节刚度以及中枢控制器的带宽21。
虚拟现实设备与环境
使用虚拟现实(VR)头戴式设备(材料表)来干扰视觉。该设备包含一个液晶显示屏(双AMOLED 3.6''屏幕,每只眼睛分辨率为1080 x 1200像素),可为用户提供发送至设备的媒体内容的立体视觉,实现三维深度感知。屏幕刷新率为90 Hz,足以向用户呈现稳定的虚拟体验22。屏幕视场角为110°,足以产生与真实世界情境相似的视觉干扰。
头戴式设备可追踪用户头部的旋转,并相应地调整虚拟视角,使用户完全沉浸于虚拟环境中;因此,它能够提供正常的视觉反馈;同时,它还可以通过在矢状面内旋转视场来干扰视觉。
动力学测量
垂直反作用力通过位于足部下方两块板之间的四个负荷传感器进行测量(材料表)。踝关节力矩可通过力矩传感器直接测量,该传感器量程为565 Nm,扭转刚度为104 kNm/rad;也可通过负荷传感器测得的垂直力及其到踝关节旋转轴的距离间接计算获得23,前提是假设站立时作用于足部的水平力较小2,24。压力中心(COP)在矢状面内通过将踝关节力矩除以负荷传感器测得的总垂直力来确定23。
运动学测量
足部角度与踏板角度相同,因为在采用踝关节策略时,受试者的足部会随踏板一起运动。小腿相对于垂直方向的角度是通过激光测距仪(材料表)测量小腿的线性位移间接获得的,该仪器分辨率为50 μm,带宽为750 Hz25。踝关节角度为足部角度与小腿角度之和。身体相对于垂直方向的角度是通过激光测距仪(材料表)测量左右侧后上髂嵴(PSIS)中点的线性位移间接获得的,该仪器分辨率为100 μm,带宽为750 Hz23。头部位置和旋转是通过虚拟现实(VR)系统基站相对于VR环境的全局坐标系进行测量的,基站以每秒60次的频率发射定时红外(IR)脉冲,由头戴设备上的红外传感器接收,精度达亚毫米级。
数据采集
所有信号均使用截止频率为486.3的抗混叠滤波器进行滤波,然后通过高性能24位/8通道同步采样动态信号采集卡(材料表),以1000 Hz的采样频率进行采样,动态范围为20 V。
安全机制
站立装置中集成了六种安全机制,以防止受试者受伤;踏板被独立控制,且彼此之间不会产生干扰。(1)驱动轴上设有凸轮,当驱动轴的旋转角度超过其水平位置 ±20° 时,该凸轮会机械地触发一个阀门,从而切断液压压力。(2)两个可调节的机械限位块用于限制驱动器的运动范围;这些限位块在每次实验前根据每位受试者的运动范围进行设定。(3)受试者和实验人员均持有一个紧急停止按钮;按下该按钮将切断驱动器的液压动力,使其变为自由状态,从而可手动移动。(4)在受试者两侧设有扶手,以便在发生不稳时提供支撑。(5)受试者佩戴全身安全带(材料表),并通过连接至天花板上的刚性横杆,以在跌倒时提供支撑。该安全带处于松弛状态,不会干扰正常的站立动作,仅在受试者失去稳定时发挥作用,防止其跌倒。一旦发生跌倒情况,踏板的运动将由受试者通过紧急按钮或由实验人员手动停止。(6)伺服阀在电源中断的情况下,会通过故障保护机制停止驱动器的旋转。
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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,受试者在参与前均签署知情同意书。
1. 实验
注意:每个实验均包含以下步骤。
2. 人体姿势控制的识别





用于查找系统频率响应(FR)的函数:




该函数计算指定频率下经衰减处理的虚拟现实扰动与身体角度之间的互谱
,使用指定长度的汉宁窗
重叠数量等于
(即50%重叠)。类似地,它计算VR输入的自功率谱。然后,利用估计的互功率谱和自功率谱,计算系统的频率响应(FR)。





功能遵循类似的步骤
寻找两者之间的相干性
和
.


,重复两次以获得足部加速度(
并重复三次以获得其加加速度(
类似地,使用以下命令对扭矩进行微分,以获得其速度和加速度:









该函数可找出所有局部极大值(正向足部速度)及其位置。为找出局部极小值,需使用相同的函数,但必须反转足角速度的符号。















.
).
:
是 ith (
j组的固有扭矩响应

低频固有刚度
.
身体质心高于踝关节旋转轴的高度,源自人体测量数据30。这给出了归一化的刚度(
).
通过将踝关节背景扭矩除以相应的测量垂直力来计算。
作为压力中心的函数。


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伪随机三进制序列(PRTS)和 TrapZ 信号
图2A 显示了一个PRST信号,该信号通过对伪随机速度曲线进行积分生成。在每个采样时刻
,信号速度可能为零,也可能取预定义的正值或负值,即
。通过控制
和
,可生成具...
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在进行研究人体姿势控制的实验时,有几个步骤至关重要。这些步骤与信号的准确测量相关,包括:1)正确对齐小腿-踝关节旋转轴与踏板的旋转轴,以准确测量踝关节力矩。2)正确设置测距仪,确保其工作在有效范围内,并在实验过程中不发生饱和。3)获取高质量且串扰最小的肌电图(EMG)信号。4)施加适当扰动,既能诱发足够的反应,又不破坏正常的姿势控制。5)根据预期分析选择合适的试验时长,同时避免身体位移和疲劳。除了实验操作外,数据分析也必须谨慎进行。在利用机械扰动站立实验所获取的数据估算本征刚度时,关键在于选择本征反应的时间长度,确保不包含反射性力矩(该力矩在腓肠肌群活动爆发后不久即开始出现)。此外,尽管许多研究假设在站立状态下本征刚度保持不变11,14,15,但最近的一项研究表明,必须考虑本征刚度随姿势摇摆过程中踝关节力矩变化而产生的调制作用23,32...
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作者无任何利益冲突需要披露。
本文由卡塔尔国家研究基金会NPRP资助项目(项目编号:6-463-2-189)和加拿大卫生研究院MOP资助项目(项目编号:81280)支持。
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| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| 5K 电位计 | Maurey | 112P19502 | 测量执行器轴的角度 |
| 8 通道 Bagnoli 表面肌电放大器和电极 | Delsys | 测量踝部肌肉的肌电信号 | |
| AlienWare 笔记本电脑 | Dell Inc. | P69F001-Rev. A02 | 支持虚拟现实的笔记本电脑 |
| 数据采集卡 | National Instruments | 4472 | 采集来自传感器的模拟信号 |
| 方向阀 | REXROTH | 4WMR10C3X | 当执行器轴角度超过 ±20° 时旁通流量 |
| 全身式安全带 | Jelco | 740 | 防止受试者跌倒 |
| 激光测距仪 | Micro-epsilon 1302-100 | 1507307 | 测量小腿的线性位移 |
| 激光测距仪 | Micro-epsilon 1302-200 | 1509074 | 测量身体的线性位移 |
| 负荷传感器 | Omega | LC302-100 | 测量垂直反作用力 |
| 比例伺服阀 | MOOG | D681-4718 | 控制液压流向旋转执行器 |
| 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 |
| 虚拟环境运动追踪器 | HTC inc. | 1551984681 | 追踪头部运动 |
| 虚拟现实头戴显示器 | HTC inc. | 1551984681 | 提供视觉扰动 |
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