Name: 测量方法轴向和近端肌肉音 (视频) | JoVE Journal
Uploaded: 2011-12-14T13:00:00.000+00:00
Duration: 10 min 41 s
Description: 了解如何使用Twister设备测量轴向和近端肌肉张力，通过施加轴向扭转量化站立受试者的抗阻扭矩和肌肉反应。该方法有助于研究姿势控制的生理机制，为帕金森病等疾病的诊断和治疗提供重要依据。

ai_agent_IP

ai_agent

maintenance

instantTrialDurationMinutes

isBiopharma

enableNewMyJoveSectionDesign

educationFeatures

seoMetaApi

ai_copilot_institution_blacklist

ai_chat_institution_blacklist

freeAccessWindow

ssoRoleCapture

scheduledMaintenanceBanner

joveLabsFeatures

disable_autoplay_for_bots

extended_trial_duration

5 minutes

playerTrialDesktop

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。

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。
<ol>
 <li>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。</li>
 <li>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。</li>
 <li>出于安全考虑，使用机械限位块限制平台的最大位移。</li>
 <li>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。 
 </li>
 <li>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。 
 </li>
 <li>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。</li>
 <li>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。</li>
 <li>弹簧用于平衡悬吊系统的重量。</li>
 <li>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。 
 </li>
 <li>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。</li>
 <li>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。 
 </li>
 <li>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）。</li>
 <li>若需扭转颈部，则将头盔连接于上方，肩部连接于下方。</li>
 <li>若需扭转躯干，则将肩部连接于上方，骨盆连接于下方。</li>
 <li>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。 
 </li>
 <li>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。</li>
 <li>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。</li>
 <li>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。</li>
 <li>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。 
 </li>
 <li>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。</li>
 <li>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）。</li>
 <li>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。</li>
</ol>
4. 实验方案
典型的实验按如下步骤进行：
<ol>
 <li>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。</li>
 <li>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。</li>
 <li>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。</li>
 <li>指导受试者站在旋转平台上，面朝前方。</li>
 <li>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。</li>
 <li>为受试者佩戴眼罩。</li>
 <li>指导受试者保持放松站立状态，不要主动干预。</li>
 <li>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。</li>
 <li>重置扭矩传感器的偏置。</li>
 <li>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。</li>
 <li>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。</li>
</ol>
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。
<img src="/files/ftp_upload/3677/3677fig1.jpg" alt="静力平衡示意图，人体模型测试装置设置，力学分析，ΣFx=0" data-altupdatedat="1787630408000" data-alt="图1"> 
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。
<img src="/files/ftp_upload/3677/3677fig2.jpg" alt="静态平衡示意图，显示颈部、躯干和髋部受力；运动分析的一致性。" data-altupdatedat="1787630408000" data-alt="图 2"> 
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。
<img src="/files/ftp_upload/3677/3677fig3.jpg" alt="平台旋转图，显示电压随时间变化、波形模式和动态分析。" data-altupdatedat="1787630408000" data-alt="图3"> 
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。
<img src="/files/ftp_upload/3677/3677fig4.jpg" alt="静态平衡实验装置，受试者位于测力台上；用于平衡与姿势稳定性分析。" data-altupdatedat="1787630408000" data-alt="图4"> 
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。
<img src="/files/ftp_upload/3677/3677fig5.jpg" alt="扭矩变化分析；比较不同受试者及同一受试者在数月间的数据图示。" data-altupdatedat="1787630408000" data-alt="图 5"> 
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。
<img src="/files/ftp_upload/3677/3677fig6.jpg" alt="显示颈部、躯干和髋部扭矩的生物力学图；用于平衡分析的旋转与时间关系。" data-altupdatedat="1787630408000" data-alt="图 6"> 
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。
<img src="/files/ftp_upload/3677/3677fig7.jpg" alt="带有PID控制器、光电编码器、电机和用于平台定位的PC的控制系统示意图。" data-altupdatedat="1787630408000" data-alt="图7"> 
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。

<ol><li>Foster, M. A Text Book of Physiology. <a target="_blank" href="http://scholar.google.com/scholar?hl=en&safe=off&q=author%3aFoster%2C+M+%22The+Central+Nervous+System%22">The Central Nervous System</a>. Vol. III, 6th edn, (1892).</li>
<li>Zatsiorsky, V. M. Kinetics of human motion. <a target="_blank" href="http://scholar.google.com/scholar?hl=en&safe=off&q=author%3aZatsiorsky%2C+VM+%22Human+Kinetics%22">Human Kinetics</a>. , (2002).</li>
<li>Kumar, S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Ergonomics+and+biology+of+spinal+rotation%5BTitle%5D)+AND+%22Ergonomics%22%5BJournal%5D)">Ergonomics and biology of spinal rotation.</a> Ergonomics. 47, 370-415 (2004).</li>
<li>Kumar, S., Panjabi, M. M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Vivo+axial+rotations+and+neutral+zones+of+the+thoracolumbar+spine%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+spinal%22%5BJournal%5D)">Vivo axial rotations and neutral zones of the thoracolumbar spine.</a> Journal of spinal. 8, 253-263 (1995).</li>
<li>Lamoth, C. J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Pelvis-thorax+coordination+in+the+transverse+plane+during+walking+in+persons+with+nonspecific+low+back%5BTitle%5D)+AND+%22Spine%22%5BJournal%5D)">Pelvis-thorax coordination in the transverse plane during walking in persons with nonspecific low back.</a> Spine. 27, E92-E99 (2002).</li>
<li>Gurfinkel, V. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Postural+muscle+tone+in+the+body+axis+of+healthy+humans%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+Neurophysiology%22%5BJournal%5D)">Postural muscle tone in the body axis of healthy humans.</a> Journal of Neurophysiology. 96, 2678-2687 (2006).</li>
<li>Wright, W. G., Gurfinkel, V. S., Nutt, J., Horak, F. B., Cordo, P. J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Axial+hypertonicity+in+Parkinson%27s+disease%3A+direct+measurements+of+trunk+and+hip+torque%5BTitle%5D)+AND+%22Exp.+Neurol%22%5BJournal%5D)">Axial hypertonicity in Parkinson's disease: direct measurements of trunk and hip torque.</a> Exp. Neurol. 208, 38-46 (2007).</li>
<li>Cacciatore, T. W., Gurfinkel, V. S., Horak, F. B., Cordo, P. J., Ames, K. E. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Increased+dynamic+regulation+of+postural+tone+through+Alexander+Technique+training%5BTitle%5D)+AND+%22Human+movement+science%22%5BJournal%5D)">Increased dynamic regulation of postural tone through Alexander Technique training.</a> Human movement science. 30, 74-89 (2011).</li>
<li>Franzen, E., Gurfinkel, V. S., Wright, W. G., Cordo, P. J., Horak, F. B. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Haptic+touch+reduces+sway+by+increasing+axial+tone%5BTitle%5D)+AND+%22Neuroscience%22%5BJournal%5D)">Haptic touch reduces sway by increasing axial tone.</a> Neuroscience. 174, 216-223 (2011).</li>
<li>Franzen, E. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Reduced+performance+in+balance%2C+walking+and+turning+tasks+is+associated+with+increased+neck+tone+in+Parkinson%27s+disease%5BTitle%5D)+AND+%22Exp.+Neurol%22%5BJournal%5D)">Reduced performance in balance, walking and turning tasks is associated with increased neck tone in Parkinson's disease.</a> Exp. Neurol. 219, 430-438 (2009).</li>
<li>Wright, W. G. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Axial+kinesthesia+is+impaired+in+Parkinson%27s+disease%3A+Effects+of+levodopa%5BTitle%5D)+AND+%22Exp.+Neurol%22%5BJournal%5D)">Axial kinesthesia is impaired in Parkinson's disease: Effects of levodopa.</a> Exp. Neurol. , (2010).</li>
<li>Sinkjaer, T., Toft, E., Andreassen, S., Hornemann, B. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Muscle+stiffness+in+human+ankle+dorsiflexors%3A+intrinsic+and+reflex+components%5BTitle%5D)+AND+%22J+Neurophysiol%22%5BJournal%5D)">Muscle stiffness in human ankle dorsiflexors: intrinsic and reflex components.</a> J Neurophysiol. 60, 1110-1121 (1988).</li>
<li>Sherrington, C. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((On+plastic+tonus+and+proprioceptive+reflexes%5BTitle%5D)+AND+%22Quart.+J.+Exper.+Physiol%22%5BJournal%5D)">On plastic tonus and proprioceptive reflexes.</a> Quart. J. Exper. Physiol. 2, 109-156 (1909).</li>
<li>Wright, W. G., Gurfinkel, V., King, L., Horak, F. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Parkinson%27s+disease+shows+perceptuomotor+asymmetry+unrelated+to+motor+symptoms%5BTitle%5D)+AND+%22Neurosci.+Lett%22%5BJournal%5D)">Parkinson's disease shows perceptuomotor asymmetry unrelated to motor symptoms.</a> Neurosci. Lett. 417, 10-15 (2007).</li>
</ol>

作者无任何利益冲突需要披露。

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。

测量躯干及近端肌肉张力的方法

Method to Measure Tone of Axial and Proximal Muscle

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。

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。

肌张力的调控机制目前仍不明确。临床上通常通过测量被动阻力来评估异常肌张力……

以下实验的总体目标是量化身体轴线上的姿势张力。该目标通过一种名为Twister的伺服控制装置实现，该装置可施加轴向扭转，但不提供抗重力支撑。当该装置扭转身体轴线的选定区域时，跨越该区域的肌肉长度会发生缓慢变化。接下来，通过测量产生的阻力矩，以量化所有发生长度变化的肌肉的紧张性控制。根据阻力矩的峰-峰值大小和相位，以及肌电图（EMG）的调制情况，获得反映紧张性肌肉活动强度和动态控制的结果。在自然状态下，人体大部分骨骼肌或躯体肌肉处于持续的、低水平的稳态活动。这种活动模式称为紧张性活动或紧张性姿势活动。我们的目标是研究这种紧张性控制模式的生理机制。这种独特的装置使我们能够探讨神经科学中的重要问题，例如，大脑如何控制正常的姿势张力？它对于解答神经病学领域的问题也具有重要意义，例如，帕金森病患者的异常肌张力如何影响其功能表现，以及我们如何通过治疗来改善肌张力？Twister 是一种由伺服器控制的装置，用于量化轴向和近端身体区域的姿势张力。在主动直立站立期间，受试者站在一个平台上，该平台围绕垂直轴在轴承上向左或向右旋转±20度。电动机驱动该旋转，传动比可使平台转速达到每秒0.5度至5度，并提供高扭矩，以消除可能干扰安静站立的前庭信号。Twister 通过空间中的下肢旋转而非上身旋转来实现运动。在此配置中，骨盆通过连接至框架而固定在空间中，安装在平台轴上的光学编码器可记录旋转位移，用于伺服控制和数据分析。刚性钢架带有对角交叉支撑，可防止上身旋转，并在平台组件与扭矩传感器之间形成高扭转刚度，从而确保扭矩测量的准确性。上部固定装置与轻量化配重悬吊系统将扭曲区域的上边缘连接至支架。位于上部固定装置内的扭矩传感器用于测量受试者对旋转的阻力。该悬吊系统由四个矩形铝板组成，沿前、后以及内侧-外侧轴交替铰接。这种设计在垂直轴旋转方向上具有高刚度，以便在不限制其他维度运动的情况下精确测量扭矩。特别是，X、Y 和 Z 方向上的平移具有低刚度，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作用的弹簧来抵消悬挂系统的重量。采用垂直轴承组件来调节上部固定装置以适应受试者的身高。下部固定装置将扭转区域的下边缘连接到旋转平台上，使得下部固定装置以下的身体节段随平台一同旋转。该下部固定装置由一根轻质的伸缩杆构成，该杆连接至旋转平台。伸缩杆通过一个铰链与平台相连，以允许身体进行前后方向的姿势摆动。Twister 使用三种附件：轻质头盔、肩部固定带和骨盆矫形器，每种均可牢固地固定在身体上。为了扭转颈部，需先将头部装置调节至适当高度。头盔佩戴完毕后，再将装置连接到肩部。此时，头部被固定，而肩部可自由旋转。另一种方法是固定躯干，将肩部连接在上方，骨盆连接在下方。此时可以扭转下肢，同时保持上半身固定。第三种选择是将骨盆连接在上方，从而实现髋部的旋转。在此情况下，扭转局限于髋关节的内旋和外旋。当足部、小腿和大腿随平台旋转时，可在受试者足下的旋转平台上放置标准测力台，以同步测量扭转节段的阻力矩。该测力台还可用于量化扭转过程中的姿势摇摆。一个定制的实时伺服系统通过一个与硬件控制器相连的专用 PC 程序控制平台的旋转，以设定平台旋转所需的时间进程并启动试验。该硬件 PID 控制器根据来自光学编码器的平台位置信号和期望的旋转量，输出电机驱动信号。控制器为平台旋转生成三种不同的运行曲线。在一种模式下，控制器选择三角波形，在恒定速度、顺时针和逆时针旋转之间交替。或者，可选择阶梯波形以实现不连续的步进式旋转。也可以使用振幅在多个周期内逐渐增加的三角波形来驱动旋转。开始实验时，将身体连接件安装在目标节段上，确保其贴合且无扭转松动。本实验演示的是受试者站在旋转平台上、面向前方时的躯干扭转。调节线性轴承的高度，使上方固定装置与相应身体连接件的高度一致。使用伸缩杆调节下方固定装置，使其与下方身体连接件的高度相对应。将上部和下部固定装置连接到相应的身体附着点。调整位置，使受试者在试验前位置时不受到任何扭矩作用。蒙住受试者眼睛后，指导其自然站立并保持放松，不要主动干预。根据被扭转的身体部位选择扭矩传感器的放大器增益。为了最大化该信号的动态范围，重置扭矩传感器的偏置。开始下颌表面振荡并记录数据。扭矩和平台旋转信号通常以 50 赫兹的频率记录。使用 Spike2 采集软件，按照所需的平台旋转模式启动扭转，总体运动应足够缓慢且平滑，以确保受试者无法准确感知。扭转过程如图所示。以下是与楼梯相关的躯干扭矩示例。展示了平台旋转的模式。此处为与斜坡相关的躯干扭矩，三角形旋转的幅度逐渐增加。阻力矩通常随平台偏转角度的增加而增大，但在偏转角度较大时，其增长速度会减缓。总体阻力通常通过峰值扭矩来量化。对多个周期取平均后的扭矩表明，从颈部到躯干再到髋部，不同身体节段对扭转的平均阻力存在差异。此处显示的是10名受试者在躯干扭转阻力测试中的单次试验反应，采用三个周期的10度、1度/秒三角波。注意，各受试者在不同周期间表现出一致的行为特征，但受试者之间的变异性和阻力差异较大。阻力最高的曲线通常代表持续的紧张性肌肉活动。尽管电阻最小的轨迹通常代表较高的肌电调制。结果表明，在不同时间点，受试者间的扭转阻力具有个体间重复性。图中显示了七名受试者相隔一个月的两次测量结果。峰值张力。躯干扭矩在不同测试会话中表现出受试者内部行为的一致性，但受试者之间的差异较大。在临床中，准确评估张力状态非常重要。在诊断研究中，即使肌张力活动的机制尚未完全明确，对肌张力调控生理学的研究仍可极大有助于理解肌张力的病理状态、痉挛类型、强直及其他相关问题。除了测量轴向姿势张力外，扭曲仪还可用于研究大脑如何控制空间定向，即我们如何利用前庭信息和本体感觉等感官来判断正前方的位置。

method-to-measure-tone-of-axial-and-proximal-muscle

Research

科研

JoVE Journal

Medicine

医学

测量方法轴向和近端肌肉音

为了评估治疗干预措施对肌肉疾病的体内效应，需要采用能够定量测定治疗后肌肉力量生成和疲劳性的方法。本文详细介绍了一种用于评估离体小鼠后肢肌肉肌械性能的方法。该分析为定量评估基因修饰对肌肉功能的影响，以及比较不同疗法在肌肉疾病小鼠模型中的效果提供了可靠的技术途径。...

离体骨骼肌的肌-机械分析

我们介绍一种微创且无痛的方法，用于测量犬后肢肌肉力量以及肌肉对重复离心收缩的反应。...

体内 犬肌肉功能检测

本视频演示了通过电刺激大鼠尺神经、调节电极以获得最佳信号，并逐步增加刺激强度以评估神经功能，来记录复合肌肉动作电位（CMAP）的操作流程。该方法可实现对神经传导功能的定量评估。 体内...

在大鼠体内测量复合肌肉动作电位

肌肉功能的测量有助于评估肌肉病理的潜在治疗方法，以及阐明该组织生理学的潜在机制。我们将演示趾长伸肌和膈肌的功能测试前处理。将展示等长收缩和离心收缩的实验方案，并比较代表病理状态的肌营养不良肌肉与野生型肌肉在实验结果上的差异。...

评估来自肌营养不良症小鼠模型的分离骨骼肌的等长和离心收缩力

四肢肌肉收缩性和被动力学特性的改变是肌肉疾病的重要生物标志物。本文描述了用于测量小鼠趾长伸肌和胫骨前肌这些特性的生理检测方法。...

评估趾长伸肌的肌肉功能 离体 和胫骨前肌 原位 在小鼠中

神经肌肉接头（NMJ）的功能评估可提供有关肌肉与神经之间通信的关键信息。本文介绍了一种利用两种不同的肌肉-神经标本——即比目鱼肌-坐骨神经和膈肌-膈神经——全面评估NMJ及肌肉功能的实验方案。...

测量神经肌肉接头功能

本方案采用市售的压力肌动图系统，对小鼠阴道和宫颈进行压力肌动图检测。通过使用含钙和不含钙的培养基，在模拟生理条件下分别分离出平滑肌细胞（SMC）的基础张力和被动细胞外基质（ECM）对器官的贡献。...

使用压力肌动描记仪对小鼠生殖系统进行双轴向基础张力与被动测试

本技术报告描述了一种改良的 Bergström...

从人体胫骨前肌上部隔室采集骨骼肌活检样本以进行力学评估

本方案详细描述了评估与解读的简明实验步骤 体内 获得的扭矩数据 通过...

体内测定猪后肢背屈肌的等长力矩

本方案采用运动模式超声与表面肌电图同步测量核心肌群功能。在侧平板支撑和仰卧直腿抬高（死虫式）训练的特定时间点，可评估局部稳定肌（如腹横肌、腹内斜肌）和整体运动肌（如腹外斜肌）的肌肉厚度及激活程度。...

利用运动模式超声与表面肌电图评估核心耐力训练期间的肌肉功能

超声成像在临床和科研环境中的可及性日益提高，采用一致的检查方案将有助于不同研究之间的比较以及临床解读。本超声评估方案是一种有效且可靠的评估方法，可用于健康、肌腱病及断裂跟腱形态学的评价。...

健康与损伤腓肠肌形态的测量

了解如何使用Twister设备测量轴向和近端肌肉张力，通过施加轴向扭转量化站立受试者的抗阻扭矩和肌肉反应。该方法有助于研究姿势控制的生理机制，为帕金森病等疾病的诊断和治疗提供重要依据。

测量躯干及近端肌肉张力的方法

探索更多视频