1. Wstęp
Twister jest urządzeniem sterowanym serwomechanicznie, służącym do ilościowego określania napięcia posturalnego w osiowych i proksymalnych obszarach ciała podczas aktywnego stania w pozycji wyprostowanej. Pierwotne urządzenie zostało zbudowane na Oregon Health & Science University, a podobne urządzenie jest obecnie konstruowane dla University of Southampton w Wielkiej Brytanii. W niniejszym raporcie opisujemy funkcję i uzasadnienie zastosowania Twistera oraz jego różnorodne wykorzystania. Następnie przedstawiamy szczegółowy opis, aby ułatwić jego reprodukcję, oraz pokazujemy, w jaki sposób może on być wykorzystany do badania kontroli napięcia posturalnego.
2. Przegląd
Urządzenie Twister składa się ze sztywnej stalowej ramy, obrotowej platformy, czujnika momentu obrotowego, systemu zawieszenia z przeciwwagą, górnych i dolnych mocowań oraz elementów mocujących ciało (Ryc. 1), a także systemu serwokontroli regulującego obrót platformy. Twister kwantyfikuje napięcie posturalne u osób stojących poprzez obracanie segmentów dolnej części ciała wokół osi pionowej względem segmentów górnych. Powoduje to skręcenie obszaru pomiędzy nimi, zmieniając długość znajdujących się tam mięśni. Górne i dolne mocowania mogą być przymocowane w taki sposób, aby wywołać skręcanie w obszarze szyi, tułowia lub bioder (Ryc. 2). Ponieważ Twister nie zapewnia wsparcia posturalnego, aktywność toniczna mięśni szkieletowych jest niezbędna do przeciwdziałania momentom grawitacyjnym. Tę regulację toniczną bada się poprzez pomiar oporu torsionalnego na skręcanie oraz za pomocą elektromiografii odpowiednich mięśni. Opór na skręcanie jest oceniany przez czujnik momentu obrotowego w górnym mocowaniu i odzwierciedla stan wszystkich mięśni podlegających zmianom długości. Twister wykorzystuje kilka różnych profili obrotu platformy do badania kontroli tonicznej, w tym profil trójkątny, profil skokowy oraz profil trójkątny o zwiększającej się amplitudzie (Ryc. 3). Platforma obraca się w tych profilach ze stałą niską prędkością, co minimalizuje efekty bezwładności wpływające na badanego oraz na pomiar.
Stosujemy zaburzenie skrętne wokół osi pionowej, ponieważ: 1) zmienia ono długość mięśni osiowych i proksymalnych, gdyż struktury te są zorientowane ukośnie i mają szerokie przyczepy oraz początki anatomiczne; 2) nie zmienia relacji całego ciała i jego części względem grawitacji; 3) obraca ciało wokół osi o minimalnym momencie bezwładności2; 4) odpowiada strefie neutralnej3,4, dzięki czemu opór przy niewielkich przesunięciach z pozycji skierowanej do przodu odzwierciedla siły mięśniowe, a nie kostno-więzadłowe; oraz 5) występuje naturalnie w codziennych czynnościach3,5.
Twister jest elastycznym urządzeniem, które może być wykorzystywane do badania różnych aspektów kontroli tonicznej. Obejmują one: 1) sztywność związaną z aktywnością toniczną6-8; 2) reakcje toniczne na zmiany długości mięśni6,8; 3) wpływ skręcania na odległe regiony ciała; 4) efekty toniczne wynikające z informacji kinestetycznych9; 5) wpływ chorób na napięcie posturalne7,10; oraz 6) progi percepcji powolnej rotacji11.
3. Szczegółowy opis urządzenia
Poniżej szczegółowo opisujemy komponenty Twister.
- Platforma obrotowa
Badani stoją na platformie, która obraca się o ±20° na łożysku wokół osi pionowej (Ryc. 1, 4A). Rotacja ta jest napędzana silnikiem elektrycznym z przełożeniem, które pozwala osiągnąć prędkości platformy od 0.5°/s do 5°/s oraz wysoki moment obrotowy. Urządzenie Twister obraca dolną część ciała w przestrzeni, a nie górną, aby wyeliminować sygnały przedsionkowe, które mogłyby zakłócić stabilną postawę.
- Do redukcji napędu stosuje się układ pasa i kół pasowych, który tłumi wibracje i eliminuje luzy mogące zakłócać pomiar momentu obrotowego. Wibracje są minimalizowane, ponieważ mogłyby one informować badanego o ruchu platformy.
- W celu zapewnienia bezpieczeństwa zastosowano ograniczniki mechaniczne, które limitują maksymalne wychylenie platformy.
- Enkoder optyczny (Hewlett-Packard HEDS-5540) zamocowany na wale platformy raportuje przemieszczenie obrotowe zarówno dla serwonadzoru, jak i analizy danych.
- Rama
Sztywna, stalowa rama (1.5m x 1.5m x 3m) z diagonalnymi stężeniami zapewnia wysoką sztywność skrętną między zespołem platformy a czujnikiem momentu obrotowego, co jest niezbędne do dokładnego pomiaru momentu.
- Górny system mocowania i zawieszenia
Górne mocowanie oraz lekki, wyważony system zawieszenia łączą górną krawędź skręcanego obszaru z ramą (Ryc. 4B). Czujnik momentu obrotowego (Futek TFF220, Irvine, CA) umieszczony w górnym mocowaniu mierzy opór badanego przeciwko rotacji.
- System zawieszenia składa się z czterech prostokątnych płyt aluminiowych, które są naprzemiennie zawiasowane wzdłuż osi przednio-tylnej i mediolateralnej. Tworzy to wysoką sztywność dla rotacji wokół osi pionowej (590 Nm/°), co pozwala na dokładny pomiar momentu obrotowego, nie ograniczając jednocześnie ruchów w innych wymiarach. W szczególności niska sztywność dla translacji w kierunkach x, y i z (0.25 N/cm) zapewnia, że badani samodzielnie utrzymują stabilność postawy i zapobiega sytuacji, w której górne mocowanie stanowiłoby punkt odniesienia w przestrzeni. Pozwala to również każdej osobie na utrzymanie własnej, unikalnej postawy pionowej bez wpływu na ruch postawy w płaszczyźnie poziomej.
- Sprężyny służą do przeciwdziałania ciężarowi systemu zawieszenia.
- Zespół łożyska pionowego (Ryc. 1, 4B) jest wykorzystywany do dopasowania górnego mocowania do wzrostu badanego.
- Dolne mocowanie
Dolne mocowanie łączy dolną krawędź skręcanego obszaru z obrotową platformą. Segmenty ciała poniżej dolnego mocowania obracają się wraz z platformą.
- Dolne mocowanie składa się z lekkiej pręta teleskopowego połączonego z obrotową platformą. Zawias łączy pręt teleskopowy z platformą, aby umożliwić przednio-tylne kołysanie postawy.
- Mocowania do ciała
W systemie Twister stosuje się trzy mocowania: lekki kask, uprząż naramienną oraz ortezę miednicy, z których każde można bezpiecznie przymocować do ciała (Ryc. 2).
- Aby skręcić szyję, należy przymocować kask u góry, a ramiona u dołu.
- Aby skręcić tułów, należy przymocować ramiona u góry, a miednicę u dołu.
- Aby skręcić biodra, należy przymocować miednicę u góry. W tym przypadku skręcanie ogranicza się do wewnętrznej i zewnętrznej rotacji w stawie biodrowym, ponieważ stopy, podudle i udo obracają się wraz z platformą.
- Mocowanie zewnętrzne
Trzecie, zewnętrzne mocowanie może być użyte do skręcania jednego regionu ciała przy jednoczesnym pomiarze momentu obrotowego generowanego przez inny region. Ponieważ ten drugi segment pozostaje nieruchomy, mierzony moment nie jest momentem oporowym, lecz wynika z sił mięśniowych wewnątrz segmentu, potencjalnie indukowanych przez zdalne skręcanie.
- Mocowanie zewnętrzne składa się z lekkiego pręta teleskopowego, który zapobiega obrotowi połączonego segmentu wokół osi pionowej. Przegub zawiasowy między prętem a ramą umożliwia przednio-tylne kołysanie postawy.
- Ryc. 4C przedstawia konfigurację do pomiaru momentu obrotowego szyi podczas skręcania tułowia. Alternatywnie można ocenić moment obrotowy szyi w odpowiedzi na skręcanie bioder, łącząc miednicę z mocowaniem zewnętrznym.
- Standardową platformę dynamometryczną można umieścić między stopami badanego a obrotową platformą, aby jednocześnie mierzyć moment oporowy w skręcanym segmencie. Platforma ta może być również wykorzystana do ilościowej oceny kołysania postawy podczas skręcania.
- Serwonadzór rotacji platformy
Rotacją platformy steruje specjalnie zaprojektowany system serwo w czasie rzeczywistym. Ten sprzętowy kontroler PID generuje sygnał sterujący silnikiem na podstawie sygnału pozycji platformy z enkodera optycznego oraz pożądanej rotacji (patrz Ryc. 7). Specjalny program komputerowy komunikuje się z kontrolerem sprzętowym w celu określenia pożądanego profilu czasowego rotacji platformy i zainicjowania próby.
- Kontroler generuje trzy profile rotacji platformy. Wybierz profil trójkątny, aby przeplatać rotację zgodnie i przeciwnie z ruchem wskazówek zegara ze stałą prędkością (Ryc. 3, krzywa 1). Użyj profilu skokowego, aby uzyskać rotację nieciągłą (Ryc. 3, krzywa 2). Rotacja może być również sterowana profilem trójkątnym o amplitudzie zwiększającej się w kolejnych cyklach (Ryc. 3, krzywa 3).
- Dla wszystkich profili rotacja jest wygładzana, aby ograniczyć przyspieszenie do 12 °/s2 podczas inicjacji ruchu i zmian kierunku.
4. Protokół eksperymentalny
Typowy przebieg eksperymentu wygląda następująco:
- Umieść mocowania do ciała (np. kask, uprząż naramienną lub ortezę miednicy) na odpowiednich segmentach, upewniając się, że przylegają ściśle i nie występuje luz skrętny.
- Dostosuj wysokość łożyska liniowego tak, aby górna fiksacja znajdowała się na tej samej wysokości co odpowiadające jej mocowanie do ciała.
- Dostosuj dolną fiksację za pomocą pręta teleskopowego tak, aby odpowiadała ona wysokości dolnego mocowania do ciała.
- Poleć badanemu stanie na obrotowej platformie przodem do przodu.
- Przymocuj fiksacje górną i dolną do odpowiednich mocowań do ciała, dokonując korekt pozycji w taki sposób, aby w pozycji przedtestowej na badanego nie oddziaływał żaden moment obrotowy.
- Załóż badanemu opaskę na oczy.
- Poleć badanemu stać w rozluźnieniu i nie interweniować.
- Wybierz wzmocnienie wzmacniacza dla czujnika momentu obrotowego w zależności od tego, który region ciała jest skręcany, aby zmaksymalizować zakres dynamiczny tego sygnału.
- Zresetuj offset czujnika momentu obrotowego.
- Rozpocznij oscylację powierzchni w osi yaw oraz rejestrację danych. Sygnały momentu obrotowego i obrotu platformy są zazwyczaj rejestrowane z częstotliwością 50 Hz przy użyciu oprogramowania akwizycyjnego Spike 2 (Cambridge Electronic Devices, Cambridge, UK).
- Inicjuj skręcanie zgodnie z pożądanym profilem obrotu platformy. Co do zasady ruch powinien być na tyle powolny i płynny, aby badani nie postrzegali precyzyjnie skręcania.
5. Reprezentatywne wyniki
Moment obrotowy oporu zazwyczaj wzrasta wraz z wychyleniem platformy, jednak przy większym wychyleniu ten wzrost spowalnia. Całkowity opór jest zazwyczaj określany przez moment obrotowy szczyt-szczyt, uśredniony z wielu cykli. Rys. 5A przedstawia odpowiedzi z pojedynczych prób u różnych badanych dla oporu skrętnego podczas rampy o stałej prędkości dla tułowia. Zaobserwowaliśmy powtarzalność danych w obrębie jednego badanego w odstępach wielomiesięcznych (Rys. 5B; współczynnik korelacji wewnątrzklasowej = 0,89). Średni opór na skręcanie różni się w zależności od segmentów ciała i raportowano, że wynosi on 0,54 ± 0,24 Nm dla szyi, 5,11 ± 1,94 Nm dla tułowia oraz 3,23 ± 1,67 Nm dla bioder6 (Rys. 6). Ważne jest, aby obrót platformy był płynny i nie występował luz mechaniczny. Brak luzu przejawia się płynnymi zmianami momentu obrotowego podczas zmian kierunku oraz gwałtowną zmianą momentu na początku ruchu, co prawdopodobnie wynika z krótkozasięgowej sztywności mięśni (patrz Rys. 3A u Gurfinkel et al.6).
Zmierzony moment obrotowy odzwierciedla zarówno dynamiczne zmiany napięcia podczas skręcania, jak i rozkład podstawowej aktywności tonicznej (obejmującej współskurcz). Ze względu na niską prędkość skręcania, wzrost momentu obrotowego na stopień jest równoważny sztywności wewnętrznej12 tylko wtedy, gdy aktywność mięśniowa jest stała. Należy zauważyć, że ponieważ struktury aktywne przyczyniają się do mierzonego oporu, urządzenie Twister technicznie ocenia pseudosztywność.
Ogólnie obserwuje się dwa rodzaje reakcji, które odpowiadają stałej lub modulowanej aktywności tonicznej w obszarze skręconym. Pierwsza z nich charakteryzuje się niską zmiennością momentu obrotowego z cyklu na cykl, wysoką wartością szczytową momentu obrotowego oraz stosunkowo stałym EMG. W przeciwieństwie do niej, modulacja dynamiczna charakteryzuje się wysoką zmiennością z cyklu na cykl, niskim oporem skrętnym oraz modulacją EMG spójną ze skręcaniem. Na wykresach kąta w funkcji momentu obrotowego badani bez modulacji wykazują regularną pętlę histerezy, natomiast badani z modulacją wykazują nieregularny wzorzec, który może zmieniać kierunek (patrz Ryc. 3A w Gurfinkel et al.6). Modulacja dynamiczna polega zazwyczaj na zwiększaniu aktywności tonicznej podczas skracania mięśnia i zmniejszaniu aktywności podczas jego wydłużania (tj. reakcje wydłużania i skracania Sherringtona13), co ma przeciwny znak niż odruch rozciągania. Zintegrowaną miarę zakresu modulacji można uzyskać poprzez przesunięcie neutralnej (zerowego momentu obrotowego) pozycji badanego w obrębie cyklu, określane jako wyprzedzenie fazy momentu obrotowego6,8.

Rycina 1. Schemat urządzenia Twister widziany z boku. Elementy są opisane następująco: 1) platforma obrotowa; 2) teleskopowy pręt do mocowania dolnego; 3) przegub zawiasowy pomiędzy dolnym prętem teleskopowym a platformą obrotową; 4) kask przymocowany do mocowania górnego; 5) czujnik momentu obrotowego i system zawieszenia z przeciwwagą; 6) blokada pionowego łożyska liniowego; 7) mocowanie zewnętrzne do pomiaru indukowanego momentu obrotowego; 8) przegub zawiasowy analogiczny do elementu 3; 9) sztywna rama; 10) diagonalne rozpory usztywniające ramę.

Rycina 2. Skręcanie zastosowane na poziomach osiowych i proksymalnych. Badani stoją na obrotowej platformie (żółta), do której przymocowano uchwyty górnej i dolnej części ciała w celu nadania skręcenia pożądanej okolicy ciała. Górny uchwyt jest połączony za pomocą systemu zawieszenia (linie zygzakowate) z czujnikiem momentu obrotowego (T), który jest nieruchomy względem obrotu wokół osi pionowej. Dolny uchwyt łączy się z obrotową platformą za pomocą przegubu zawiasowego (czarne koło), który umożliwia obrót w płaszczyźnie strzałkowej badanego. A: Skręcanie szyi uzyskuje się poprzez przymocowanie kasku do czujnika momentu obrotowego, a barków do platformy. B: Skręcanie tułowia uzyskuje się poprzez przymocowanie barków do czujnika momentu obrotowego, a miednicy do platformy. C: Skręcanie bioder uzyskuje się poprzez przymocowanie miednicy do czujnika momentu obrotowego.

Rysunek 3. Różne profile skręcania. Do badania konkretnych aspektów kontroli tonicznej można wykorzystać różne profile. Wyjście enkodera optycznego określające rotację platformy przedstawiono w woltach. Odchylenie w górę odpowiada rotacji platformy przeciwnie do ruchu wskazówek zegara przy patrzeniu z góry. 1) Profil trójkątny: w tym przypadku określone są prędkość rotacji, maksymalne wychylenie oraz liczba cykli. Przedstawiono dwa cykle o wartości 12°. 2) Przerwany profil skokowy: określone są amplituda, prędkość oraz czas utrzymania stopnia. Przedstawiono dwa cykle rotacji o 12°, składające się z czterech skoków o 3°. 3) Fale trójkątne o zwiększającej się amplitudzie: przedstawiono dwa cykle rotacji dla każdej z wartości 3°, 6° i 9°. W tym przykładzie szybkość rotacji platformy jest stała dla wszystkich warunków.

Rycina 4. Zdjęcie urządzenia Twister z widoku bocznego. A: Konfiguracja do rotacji tułowia z następująco oznakowanymi elementami: 1) platforma obrotowa; 2) zespół silnika i serwosterowania; 3) przegub zawiasowy między dolną wysuwaną szyną a platformą obrotową; 4) dolna fiksacja i orteza miednicy; 5) górna fiksacja i uprząż naramienna; 6) pręt łączący zawieszenie z górną fiksacją; 7) czujnik momentu obrotowego i system zawieszenia z przeciwwagą; 8) zewnętrzna fiksacja do pomiaru wywołanego momentu obrotowego; 9) sztywna rama. B: Zbliżenie czujnika momentu obrotowego i systemu zawieszenia oznakowane następująco: 1) czujnik momentu obrotowego; 2-5) lekkie aluminiowe płyty zawiasowe. Zawias między płytami 2 i 3 obraca się wokół osi przednio-tylnej, natomiast zawias między płytami 4 i 5 jest zorientowany wokół osi przyśrodkowo-bocznej. 8) blokujący pionowy łożysko liniowe; 9) lekki kask i mocowanie górne. C: Konfiguracja do rotacji tułowia z pomiarem efektu skrętnego w obrębie szyi. W tej konfiguracji miednica jest przymocowana do platformy obrotowej (1), a ramiona są połączone z zewnętrzną fiksacją (2), co zapobiega rotacji ramion, szyi i głowy, ograniczając skręcanie do tułowia. Głowa jest również przymocowana do górnej fiksacji (3), dzięki czemu każdy wywołany moment obrotowy szyi jest przekazywany do czujnika momentu obrotowego.

Rysunek 5. Opór skrętny tułowia. A) Przebiegi momentu obrotowego z pojedynczych prób u różnych osób badanych. Wykorzystano trzy cykle fal trójkątnych o amplitudzie 10° i częstotliwości 1°/s. Osoby badane wykazują spójne zachowanie momentu obrotowego w obrębie cykli, przy jednoczesnej dużej zmienności oporu między osobnikami. Przebiegi z najwyższym oporem są typowe dla zachowania niemodulowanego, natomiast przebiegi z najniższym oporem są typowe dla wysokiej modulacji. B) Powtarzalność międzyosobnicza oporu skrętnego w czasie. Dwa pomiary u 7 osób badanych, oddzielone odstępem jednego miesiąca. Moment obrotowy tułowia mierzony od szczytu do szczytu wykazuje spójne zachowanie wewnątrzpodmiotowe pomiędzy sesjami testowymi, ale szeroką zmienność międzyosobniczą.

Rysunek 6. Moment oporowy z różnych poziomów osiowych. Moment oporowy dla fal trójkątnych 10°, 1°/s dla poziomów szyi, tułowia i biodra. Przedstawiono pojedyncze próby u reprezentatywnego badanego. Należy zwrócić uwagę na różną wielkość i przebieg czasowy na poszczególnych poziomach.

Rycina 7. Schemat serwosterowania. Pętla sprzężenia zwrotnego składa się z regulatora PID (proporcjonalno-całkująco-różniczkującego), który otrzymuje sygnał z enkodera optycznego zamocowanego do wału platformy. Regulator określa prąd sterujący silnikiem. Dedykowane oprogramowanie uruchomione na komputerze PC służy do wyboru pożądanej trajektorii platformy, a następnie przekazuje te informacje do regulatora.