人間の姿勢制御を研究する実験的方法

Summary

この記事では、人間の姿勢制御を研究するための実験的/分析的枠組みを紹介する。このプロトコルは、立ち実験を行い、ボディキネマティクスと運動信号を測定し、結果を分析して、人間の姿勢制御の基礎となるメカニズムに関する洞察を提供するためのステップバイステップの手順を提供します。

Abstract

神経および筋骨格系の多くの構成要素は、安定した直立した人間の姿勢を達成するために協調して作用する。適切な数学的方法を伴う制御実験は、人間の姿勢制御に関与する異なるサブシステムの役割を理解するために必要とされる。本稿では、人間における筋骨格系と中央制御の役割を理解することを目的として、摂動した立ち実験を行い、実験データを取得し、その後の数学的解析を行うためのプロトコルについて説明する。直立した姿勢。これらの方法によって生成された結果は、健康的なバランス制御に関する洞察を提供し、患者と高齢者のバランスの低下の病因を理解するための基礎を形成し、改善するための介入の設計を支援するので、重要です。姿勢制御と安定性。これらの方法は、身体感覚システムの役割、足首関節の本質的な剛性、および姿勢制御における視覚系の役割を研究するために使用することができ、また、前庭系の役割を調査するために拡張されてもよい。この方法は、足首の戦略の場合に使用され、体は主に足首関節を中心に移動し、シングルリンク反転振り子と見なされます。

Introduction

人間の姿勢制御は、中枢神経系と筋骨格^系1との複雑な相互作用を通じて実現される。立っている人体は本質的に不安定であり、様々な内部(例えば、呼吸、心拍)および外部(例えば、重力)摂動を受ける。安定性は、中央、反射、および固有のコンポーネントを備えた分散コントローラによって達成されます (図 1)。

姿勢制御は、中枢神経系(CNS)と脊髄によって媒介されるアクティブコントローラによって達成され、筋肉の活性化を変化させる。筋肉の活性化に変化なく関節の動きに抵抗する固有の剛性コントローラー(図1)。中央コントローラは、感覚情報を使用して、身体を安定させるために矯正筋力を生成する降下コマンドを生成します。感覚情報は、視覚、前庭、および身体感覚システムによって変換されます。具体的には、身体感覚システムは、支持面と関節角度に関する情報を生成します。ビジョンは、環境に関する情報を提供します。前庭システムは、重力に関する頭角速度、線形加速度、および方向に関する情報を生成します。中央の閉ループコントローラ^は、2を不安定にする可能性のある長い遅延で動作します。アクティブコントローラの2番目の要素は反射剛性で、短い待ち時間で筋肉活動を発生させ、関節の動きに抵抗するトルクを生み出します。

Protocol

すべての実験方法は、マギル大学研究倫理委員会によって承認されており、被験者は参加する前にインフォームドコンセントに署名します。

1. 実験

注: 各実験には、次の手順が含まれます。

1. 事前テスト
   1. 実行するすべての試行の明確な概要を準備し、データ収集のチェックリストを作成します。
   2. 必要なすべての情報を同意書で入力し、徹底的に読み、質問に答えてもらい、フォームに署名してもらいます。
   3. 被写体の体重、身長、年齢を記録します。
2. 科目の準備
   1. 筋電図測定
      1. 足首の筋肉の筋電図(EMG)の測定には、電極間距離が1cmの単一の差動電極(材料表)を使用します。
      2. 全体的なゲインが 1000、帯域幅が 20−2000 Hz のアンプ (材料の表)を使用します。
      3. 高い信号対雑音比(SNR)と最小クロストークを確保するために、Seniam^{プロジェクト26}が提供するガイドラインに従って電極取り付け領域を見つけてマークします。筋肉;(2)横胃腸血症(LG)の場合、線維の頭部とかかとの間の線の1/3;(3)ソレウス(SOL)の場合、大腿骨の中間顆と中間マレオロスの間の線の....

Results

擬似ランダム三次シーケンス(PRTS)およびTrapZ信号

図2Aは、擬似ランダム速度プロファイルを統合することによって生成されるPRTS信号を示す。各サンプル時間について、信号速度はゼロに等しいか、または事前に定義された正または負の値を取得し、.広いスペクトル

Discussion

いくつかのステップは、人間の姿勢制御を研究するためにこれらの実験を行う上で重要です。これらのステップは、信号の正しい測定に関連付けられており、含まれています:1)足首のトルクの正しい測定のために、ペダルの回転のシャンク足首軸の正しい位置合わせ。2)レンジファインダーの正しいセットアップは、彼らがその範囲内で動作し、実験中に飽和していないことを確認します。3)良質と最小限のクロストークでEMGの測定。4)十分な応答を呼び起こすが、通常の姿勢制御を中断しない適切な摂動の適用。5)身体シフトや疲労を避けながら、意図した分析に基づいて、適切な試験長の選択。実験に加えて、分析も慎重に行う必要があります。機械的に摂動された立っている状態で得られたデータから本質的な剛性を推定するためには、(TS筋肉の活動のバーストの直後に始まる)反射トルクを確保しない方法で固有応答の長さを選択することが重要です。含ま。さらに、多くの研究は、本質的な剛性が立って11、14、15で変化しないと仮定しているが、最近の研究は、剛性の変調を考慮することが重要であることを示した。

Materials

List of materials used in this article

Name	Company	Catalog Number	Comments
5Kポテンショメータ	Maurey	112P19502	アクチュエータ、シャフト角度、
8チャンネル、Bagnoli表面、EMGアンプ、電極	Delsys		足首の筋肉のEMGを測定
AlienWare、ラップトップ	、Dell Inc.	P69F001-Rev.A02	VR対応PCラップトップ
データ収集カード	ナショナルインスツルメンツ	4472	センサーからのアナログ信号をサンプリング
方向制御弁	レックスロス	4WMR10C3X	アクチュエーターシャフトの角度が ± を超える場合、流れをバイパスします。20°C
全身ハーネス	Jelco	740	落下から被写体を保護
レーザー距離計	マイクロイプシロン 1302-100	1507307	シャンク線形変位を測定
レーザー距離計	マイクロイプシロン 1302-200	1509074	体の線形変位を測定
ロードセル	オメガ	LC302-100	垂直方向の反力
を測定比例サーボバルブ	MOOG	D681-4718	ロータリーアクチュエータへの油圧の流れを制御します
ロータリーアクチュエータ	Rotac	26R21VDEISFTFLGMTG	機械的な摂動を適用します
トルクトランスデューサ	Lebow	2110-5k	足首のトルクを測定し
Virtual Environment Motion Trackers	HTC inc.	1551984681	ヘッドモーションをトラッキング
バーチャルリアリティヘッドセット	HTC inc.	1551984681	視覚的な摂動を提供します