מאמר זה מציג מסגרת ניסיונית/אנליטית לחקר שליטה בגוף האדם. הפרוטוקול מספק הליכים צעד-אחר-צעד לביצוע ניסויים עומדים, מדידת הקינמטיקה ואותות קינטיקה, וניתוח התוצאות כדי לספק תובנות לגבי המנגנון שבבסיס השליטה האנושית.
מאמר שיטה
מאמר זה מציג מסגרת ניסיונית/אנליטית לחקר שליטה בגוף האדם. הפרוטוקול מספק הליכים צעד-אחר-צעד לביצוע ניסויים עומדים, מדידת הקינמטיקה ואותות קינטיקה, וניתוח התוצאות כדי לספק תובנות לגבי המנגנון שבבסיס השליטה האנושית.
רכיבים רבים של מערכות העצבים ושריר השלד פועלים בהופעה כדי להשיג את היציבה האנושית היציבה והזקופה. ניסויים מבוקרים המלווים בשיטות מתמטיות מתאימות נדרשים כדי להבין את התפקיד של מערכות המשנה השונות המעורבות בשליטה אנושית. מאמר זה מתאר פרוטוקול לביצוע ניסויים עומדים ומודאג, רכישת נתונים ניסיוניים, וביצוע הניתוח המתמטי הבא, במטרה להבין את התפקיד של מערכת שריר-שלד ושליטה מרכזית באדם יציבה זקופה. התוצאות שנוצרו על ידי שיטות אלה חשובות, כי הם מספקים תובנה לתוך בקרת איזון בריא, ליצור את הבסיס להבנת האטיולוגיה של איזון לקוי אצל חולים וקשישים, וסיוע בתכנון של התערבויות לשפר בקרה ויציבות. ניתן להשתמש בשיטות אלה כדי ללמוד את התפקיד של מערכת המגע, הקשיחות הפנימית של מפרק הקרסול, ומערכת חזותית בבקרת הפוסט-שליטה, וניתן גם להרחיב אותה לחקור את תפקידה של מערכת שיווי המידה. השיטות הן לשימוש במקרה של אסטרטגיית קרסול, שבה הגוף נע בעיקר על מפרק הקרסול ונחשב למטוטלת הפוכה של קישור יחיד.
השליטה האנושית ממומשת באמצעות אינטראקציות מורכבות בין מערכת העצבים המרכזית לבין מערכות שריר-שלד1. הגוף האנושי בעמידה אינו יציב באופן מיסודו, בכפוף למגוון פנימי (כגון: נשימה, פעימות לב) וחיצוני (למשל, הכבידה) רטבאליות. היציבות מושגת על ידי בקר מבוזר עם רכיבים מרכזיים, רפלקס ופנימיים (איור 1).
השליטה הפוסט מושגת על ידי: בקר פעיל, בתיווך על ידי מערכת העצבים המרכזית (CN) ואת חוט השדרה, אשר משנה הפעלת שריר; בקר נוקשות פנימית המתנגד לתנועה משותפת ללא שינוי בהפעלת שרירים (איור 1). הבקר המרכזי משתמש במידע חושי כדי ליצור פקודות בסדר יורד המייצרים כוחות שרירים מתקנות כדי לייצב את הגוף. מידע חושי מושפע ממערכות הראייה, השמיעה והמגע. באופן ספציפי, מערכת המגע מפיקה מידע בנוגע למשטח התמיכה ולזוויות משותפות; ראיה מספקת מידע בנוגע לסביבה; ומערכת השמיעה מפיקה מידע בנוגע למהירות זוויתית מראש, האצת לינארית ואוריינטציה ביחס לכוח הכבידה. הבקר המרכזי, הלולאה הסגורה, פועל עם עיכובים ארוכים שעלולים להיות בעלי יציבות של2. המרכיב השני של הבקר הפעיל הוא קשיות רפלקס, אשר מייצרת פעילות שרירים עם השהיה קצרה ומייצרת התנגדות תנועה משותפת.
קיימת השהיה המשויכת לשני הרכיבים של בקר פעיל; כתוצאה מכך, נוקשות פנימית משותפת, הפועלת ללא דיחוי, ממלאת תפקיד חשוב בבקרת הפוסט-שלוש. נוקשות פנימית נוצרת על ידי ויסקו פסיבי מאפיינים גמישים של שרירי הקבלנות, רקמות רכות ותכונות אינרציאליות של הגפיים, אשר מייצרת torques התנגדות מיידי בתגובה לכל תנועה משותפת4. התפקיד של הקשיחות המשותפת (נוקשות פנימית ורפלקס) בבקרת הפוסט אינו מובן בבירור, שכן הוא משתנה עם תנאי הפעולה, המוגדר על ידי הפעלת שרירים4,5,6 ומיקום משותף ד , מיכל סבן , 8, שניהם משתנים עם הגוף מתנדנד, הטבועה לעמוד.
זיהוי התפקידים של הבקר המרכזי ונוקשות משותפת בשליטה פוסט-אוראל חשוב, כפי שהוא מספק את הבסיס: אבחון האטיולוגיה של ליקויי איזון; תכנון התערבויות ייעודיות למטופלים; הערכת הסיכון לנפילות; פיתוח אסטרטגיות למניעת נפילות בקשישים; ואת העיצוב של התקנים מסייעת כגון orthotics ו תותבות. עם זאת, זה קשה, כי מערכות משנה שונות לפעול יחד ורק את הגוף הכולל כתוצאה מכך, torques משותף, ו אלקטרומגנטים שרירים ניתן למדוד.
לכן, חיוני לפתח שיטות נסיוניות ואנליטיות המשתמשות במשתני הפוסט-מדידים כדי להעריך את תרומתו של כל מערכת משנה. בעיה טכנית היא שמדידה של משתני הפוסטאורל נעשית בלולאה סגורה. כתוצאה מכך, התשומות והתפוקות (סיבה ותוצאה) הם קשורים. כתוצאה מכך, יש להחיל את הרטבאליות החיצוניים (כתשומות) לעורר תגובות פוסט-אוראטיות בתגובות (כפלטי מדפסת), ו-b) להעסיק שיטות מתמטיות מיוחדות כדי לזהות מודלים של מערכת ולגרום לתוצאה ולאפקט9.
המאמר הנוכחי מתמקד בשליטה משותפת כאשר משתמשים באסטרטגיית קרסול, כלומר, כאשר התנועות מתרחשות בעיקר על מפרק הקרסול. במצב זה, הגוף העליון והגפיים התחתונות לנוע יחד, כתוצאה מכך, הגוף יכול להיות מעוצב כמטוטלת הפוכה הקישור יחיד במישור משונן10. אסטרטגיית הקרסול משמשת כאשר משטח התמיכה מוצק והרטבאליות הם קטנים1,11.
מנגנון עמידה המסוגל ליישם מכני מתאים (בקינטיביות) והחושים החזותיים הרטבאליות והקלטת את הגוף הקינמטיקה, הקינטיקה ופעילות השרירים פותחה במעבדה שלנו12. המכשיר מספק את הסביבה הניסיונית הנחוצה כדי ללמוד את התפקיד של קשיות הקרסול, מנגנוני הבקרה המרכזיים, והאינטראקציות שלהם על ידי יצירת תגובות באמצעות שימוש בגירויים חזותיים או/והמגע הבין-חושי. ניתן גם להאריך את המכשיר כדי ללמוד את התפקיד של מערכת שיווי המידה על ידי יישום של גירוי חשמלי ישיר לתהליכי מסטואיד, שיכולים ליצור תחושה של מהירות ראש ולעורר תגובות פוסט12,13 .
אחרים פיתחו גם התקנים דומים כדי ללמוד בקרת הדואר האנושי, שם piezo ליניארי מפעילים חשמליים11, מנועים חשמליים רוטרי14,15, ומנועי חשמל ליניארי16,17 , 18 שימשו להחלת רטבאליות מכני לקרסול בעמידה. התקנים מורכבים יותר פותחו גם כדי ללמוד שליטה מרובת מקטעים בקרה, שם ניתן להחיל רטבאליות מרובים על המפרקים קרסול והירך בו19,20.
מתקנים עומדים
שני סרוו מבוקרת אלקטרו הידראולי מפעילים רוטרי להעביר שני דוושות להחיל רטבאליות נשלט של מיקום הקרסול. הפעילים יכולים לייצר טורקים גדולים (> 500 ננומטר) הדרושים לבקרת הפוסט-שליטה; זה חשוב במיוחד במקרים כגון להישען קדימה, שם מרכז המסה של הגוף הוא רחוק (קדמי) מציר הקרסול של סיבוב, וכתוצאה מכך ערכים גדולים של מומנט הקרסול עבור שליטה הפוסט.
כל מפעיל רוטרי נשלט על-ידי שסתום סרוו פרופורציונלי נפרד, באמצעות משוב פדאל מיקום, שנמדד על ידי מדידת פוטנציאל ביצועים גבוהים על פיר המפעיל (טבלת חומרים). הבקר מיושם באמצעות מערכת עיבוד אותות דיגיטליים בזמן אמת MATLAB מבוסס xPC. למפעיל/סרוו-שסתום יחד יש רוחב פס של יותר מ-40 Hz, הרבה יותר גדול מרוחב הפס של מערכת הבקרה הכוללת של המערכת, נוקשות במפרק הקרסול והבקר המרכזי21.
התקן וסביבה של מציאות וירטואלית
אוזניית מציאות וירטואלית (VR) (טבלת חומרים) משמשת לperturb החזון. האוזנייה האלחוטית מכילה מסך LCD (כפול AMOLED 3.6 ' מסך עם רזולוציה של 1080 x 1200 פיקסלים לעין) המספקת למשתמש תצוגה סטריאוסקופי של המדיה הנשלחת למכשיר, המציעה תפיסת עומק תלת-ממדית. קצב הרענון הוא 90 Hz, מספיק כדי לספק תחושה וירטואלית מוצקה למשתמשים22. שדה התצוגה של המסך הוא 110 °, מספיק כדי ליצור רטבאליות חזותיים דומה למצבים בעולם האמיתי.
האוזנייה עוקבת אחר סיבוב ראש המשתמש ומשנה את התצוגה הווירטואלית בהתאם, כך שהמשתמש שקוע באופן מלא בסביבה הווירטואלית; לכן, היא יכולה לספק את המשוב החזותי הרגיל; והוא יכול גם לperturb חזון על-ידי סיבוב השדה החזותי במישור משונן.
מדידות קינטית
כוח תגובה אנכי נמדד על ידי ארבעה תאים לטעון, דחוקה בין שתי צלחות מתחת לרגל (טבלת חומרים). מומנט הקרסול נמדד ישירות על ידי התמרה מומנט עם קיבולת של 565 ננומטר ונוקשות טורמיעית של 104 kNm/rad; כמו כן ניתן למדוד אותו בעקיפין מהכוחות האנכיים העומדים בפני תאי העומס, תוך שימוש במרחקים שלהם לציר הקרסול של סיבוב23, בהנחה שהכוחות האופקיים החלים על הרגליים בעמידההם קטנים,24. מרכז הלחץ (COP) נמדד במישור משונן על ידי חלוקת מומנט הקרסול על ידי כוח אנכי הכולל, נמדד על ידי העומס התאים23.
מדידות קימטיות
זווית כף הרגל זהה לזווית הדוושה, כי כאשר משתמשים באסטרטגיית קרסול, הרגל של הנבדק זזה עם הדוושה. זווית שאנק ביחס האנכי מושגת בעקיפין מן העקירה הליניארית של shank, נמדד על ידי מוצא לייזר טווח (טבלת חומרים) עם רזולוציה של 50 יקרומטר ו רוחב פס של 750 Hz25. זווית הקרסול היא הסכום של הרגל ואת הזוויות שאנק. זווית הגוף עם כבוד האנכי מתקבל בעקיפין מן העקירה הליניארית של אמצע הנקודה בין שמאל וימין האחורי מעולה השדרה (PSIS), נמדד באמצעות טווח לייזר מאתר (טבלת חומרים) עם רזולוציה של 100 יקרומטר ורוחב פס של 750 הרץ23. מיקום וסיבוב הראש נמדדים ביחס למערכת הקואורדינטות הגלובלית של סביבת VR על-ידי תחנות הבסיס של מערכת VR שפולטות פולסים של אינפרא-אדום מתוזמן (IR) ב-60 פולסים לשנייה, הנאסף על-ידי חיישני אינפרא-אדום עם האוזנייה האלחוטית עם תת-מילימטר דיוק.
רכישת נתונים
כל האותות מסוננים עם מסנן נגד החלקה עם תדירות פינתית של 486.3 ולאחר מכן שנדגמו ב-1000 הרץ עם ביצועים גבוהים 24-bit/8-ערוץ, דגימה בו, כרטיסי רכישת אות דינאמי (לוח חומרים) עם דינאמי טווח של 20 וולט.
מנגנוני בטיחות
שישה מנגנוני בטיחות שולבו במנגנון עמידה כדי למנוע פציעות לנושאים; הדוושות נשלטות בנפרד ולעולם לא יפריעו זה לזה. (1) פיר המפעיל יש מצלמת, אשר מפעילה בצורה מכנית שסתום שינתק לחץ הידראולי אם סיבוב הפיר חורג ± 20 ° ממיקומה האופקי. (2) שתי עצירות מכניות מתכווננות מגבילות את טווח התנועה של המפעיל; אלה מוגדרים לטווח התנועה של כל נושא לפני כל ניסוי. (3) הנושא והנסבית מחזיקים כפתור בהלה; לחיצה על לחצן מתנתק כוח הידראולי מן הפעילים וגורם להם להיות רופף, כך שהם יכולים להיות מועברים באופן ידני. (4) מעקות הממוקמים משני צדי הנושא זמינים לספק תמיכה במקרה של אי יציבות. (5) הנושא לובש רתמה גוף מלא (טבלת חומרים), המצורפת מרובי נוקשה בתקרה כדי לתמוך בהם במקרה של נפילה. הרתמה היא מרווח ואינה מפריעה לעמידה הרגילה, אלא אם כן הנושא הופך לבלתי יציב, כאשר הרתמה מונעת מהנושא ליפול. במקרה של נפילת, תנועות הדוושה תופסק באופן ידני או על ידי הנושא, באמצעות לחצן הפניקה או על ידי הנסניסה. (6) מנגנוני הסרוו עוצרים את סבב הפעילים באמצעות מנגנונים אל-כשל במקרה של הפרעה באספקת החשמל.
הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.
כל השיטות הנסיוניות אושרו על ידי מועצת האתיקה מחקר של אוניברסיטת מקגיל והנושאים לחתום על הסכמה מושכלת לפני השתתפות.
1. ניסויים
הערה: כל ניסוי כרוך בשלבים הבאים.
2. זיהוי בקרת השליטה האנושית





בפונקציה כדי לאתר את תגובת התדירות (FR) של המערכת:




מחשבת את הרוחב בין הפרטורציה VR הושמדה ואת זווית הגוף בתדרים שצוין על-ידי
, באמצעות חלון hanning עם האורך שצוין על-ידי
ומספר חופפים שווה ל
(כלומר, 50% חופפים). באופן דומה, הוא מחשב את הספקטרום האוטומטי של קלט VR. לאחר מכן, באמצעות הספקטרום הצולב והספקטרום האוטומטי, הוא מחשב את FR של המערכת.





: הפונקציה מלווה בהליך דומה
כדי למצוא
את
הקוהרנטיות בין ו.


להשיג מהירות הרגל (
, פעמיים כדי להשיג תאוצה ברגל
(ושלוש פעמים כדי לקבל את הנתירה שלה (בדומה להבדיל את מומנט הכוח כדי להשיג את מהירות ההאצה שלה, באמצעות הבאים פקודה









: הפונקציה מוצאת את כל המקסימה המקומית (מהירות הרגל החיובית) ואת מיקומם. כדי למצוא את minima המקומי, הפונקציה זהה משמש, אבל את הסימן של מהירות זווית הרגל חייב להיות הפוך.















.
באמצעות פולסים בקבוצה j ().
כדי ליצור את הווקטור:
הוא ה-i (
) מומנט התגובה הפנימית בקבוצה j.
הרביעי כמו קשיות
נמוכה בתדר הפנימי.
הגובה של מרכז הגוף של המסה מעל ציר הקרסול של סיבוב, נגזר נתונים אנתרופומטרים30. זה נותן את הקשיחות המנורמלת (
).
שוטר העמדה () על ידי חלוקת הרקע הקרסול torques עם כוחות אנכיים נמדד המקביל.
כפונקציה של מרכז הלחץ.


הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.
אותות מדומים ברצף (PRT) ושידורי לטרעון
איור 2A מציג אות prt, אשר מופק על ידי שילוב של פרופיל מהירות אקראית מדומה. עבור כל אחת מהדוגמאות
, מהירות האות עשויה להיות שווה לאפס, או לרכוש ערך חיובי או
שלילי מוגדר מראש. על-
הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.
מספר שלבים הם קריטיים בביצוע ניסויים אלה כדי ללמוד שליטה בפני האדם. שלבים אלה משויכים למדידה הנכונה של האותות וכוללים: 1. יישור נכון של ציר הקרסול השאנק של הרוטציה לדוושות, למדידת המדידה הנכונה של הקרסול. 2) הגדרת מפלסי הטווח הנכונים כדי להבטיח שהם פועלים בטווח שלהם ואינם רוויים במהלך הניסויים. 3) מדידה של EMG עם איכות טובה ודיבור צולב מינימלי. 4) יישום של רטבאליות מתאים, שעוררו תגובות מספיקות, אך לא משבשים את השליטה הרגילה. 5) מבחר של אורך ניסיון מתאים, המבוסס על הניתוח המתוכנן, תוך הימנעות משינוי הגוף והעייפות. בנוסף ל...
הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.
. למחברים אין מה לגלות
מאמר זה התאפשר על ידי מענק NPRP #6-463-2-189 מן המחקר הלאומי קטאר מענק מגב #81280 מכונים הקנדי של מחקר הבריאות.
הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.
| שם | חברה | מספר קטלוג | הערות |
|---|---|---|---|
| פוטנציומטר 5K | Maurey | 112P19502 | מודד זווית פיר מפעיל |
| 8 ערוצים משטח Bagnoli מגברי EMG ואלקטרודות | Delsys | מודד את ה-EMG של שרירי הקרסול | |
| מחשב נייד AlienWare | Dell Inc. | P69F001-כומר A02 | מחשב נייד מוכן ל-VR |
| כרטיס רכישת נתונים | מכשירים לאומיים | 4472 | דוגם את האותות האנלוגיים מהחיישנים |
| שסתום כיווני | REXROTH | 4WMR10C3X | עוקף את הזרימה אם זווית פיר המפעיל חורגת מ-± 20° |
| רתמת גוף מלאה | Jelco | 740 | הגן על הנבדקים מפני נפילה |
| מד טווח לייזר | מיקרו-אפסילון 1302-100 | 1507307 | מודד תזוזה ליניארית של השוק |
| מד טווח לייזר | מיקרו-אפסילון 1302-200 | 1509074 | מודד תזוזה ליניארית של הגוף |
| תא עומס | אומגה | LC302-100 | מודד כוחות |
| תגובה אנכיתשסתום סרוו פרופורציונלי | MOOG | D681-4718 | שולט בזרימה ההידראולית למפעילים הסיבוביים |
| מפעיל סיבובי | Rotac | 26R21VDEISFTFLGMTG | מיישם הפרעות מכניות |
| מתמר מומנט | Lebow | 2110-5k | מודד מומנט קרסול |
| סביבה וירטואלית עוקבי תנועה | HTC inc. | 1551984681 | עוקב אחר תנועת הראש |
| אוזניות מציאות מדומה | HTC inc. | 1551984681 | מספק הפרעות חזותיות |
הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.
בקש הרשאה לשימוש חוזר בטקסט או באיורים של מאמר JoVE זה
בקש הרשאה