$$\rightleftharpoonup{xx}$$
$$\longleftharp{xx}$$,
$$\longrightharp{xx}$$,
Kontrola postawy człowieka jest realizowana poprzez złożone interakcje między ośrodkowym układem nerwowym i mięśniowo-szkieletowym1. Ciało ludzkie w pozycji stojącej jest z natury niestabilne, podlega różnorodnym zaburzeniom wewnętrznym (np. oddychanie, bicie serca) i zewnętrznym (np. grawitacja). Stabilność jest osiągana przez rozproszony sterownik z komponentami centralnymi, refleksyjnymi i wewnętrznymi (Rysunek 1).
Kontrola postawy jest osiągana przez: aktywny kontroler, w którym pośredniczy ośrodkowy układ nerwowy (OUN) i rdzeń kręgowy, który zmienia aktywację mięśni; oraz wewnętrzny kontroler sztywności, który opiera się ruchom stawów bez zmiany aktywacji mięśni (Rysunek 1). Centralny sterownik wykorzystuje informacje sensoryczne do generowania poleceń opadających, które wytwarzają korekcyjne siły mięśniowe w celu ustabilizowania ciała. Informacje sensoryczne są przekazywane przez układ wzrokowy, przedsionkowy i somatosensoryczny. W szczególności system somatosensoryczny generuje informacje dotyczące powierzchni podparcia i kątów stawów; wizja dostarcza informacji dotyczących środowiska; A układ przedsionkowy generuje informacje dotyczące prędkości kątowej głowy, przyspieszenia liniowego i orientacji względem grawitacji. Centralny kontroler z zamkniętą pętlą działa z dużymi opóźnieniami, które mogą być destabilizujące2. Drugim elementem aktywnego kontrolera jest sztywność odruchowa, która generuje aktywność mięśni z krótkim opóźnieniem i wytwarza momenty obrotowe opierające się ruchom stawów.
Istnieje opóźnienie związane z obydwoma komponentami aktywnego kontrolera; w związku z tym, wewnętrzna sztywność stawu, która działa bez opóźnień, odgrywa ważną rolę w kontroli postawy3. Sztywność wewnętrzna jest generowana przez pasywne właściwości lepkosprężyste mięśni kurczących się, tkanek miękkich i właściwości bezwładności kończyn, które generują momenty oporu natychmiast w odpowiedzi na dowolny ruch stawu4. Rola sztywności stawów (sztywności wewnętrznej i odruchowej) w kontroli postawy nie jest do końca zrozumiała, ponieważ zmienia się ona wraz z warunkami operacyjnymi, zdefiniowanymi przez aktywację mięśni4,5,6 i pozycja stawu4,7,8, z których oba zmieniają się wraz z kołysaniem ciała, nieodłącznie związanym ze staniem.
Identyfikacja ról centralnego kontrolera i sztywności stawów w kontroli postawy jest ważna, ponieważ stanowi podstawę do: diagnozowania etiologii zaburzeń równowagi; projektowania ukierunkowanych interwencji dla pacjentów; oceny ryzyka upadków; opracowywania strategii zapobiegania upadkom u osób starszych; oraz projektowania urządzeń wspomagających, takich jak ortezy i protezy. Jest to jednak trudne, ponieważ różne podsystemy działają razem i można zmierzyć tylko ogólną wynikową kinematykę ciała, momenty obrotowe stawów i elektromiografię mięśni.
Dlatego ważne jest opracowanie metod eksperymentalnych i analitycznych, które wykorzystują mierzalne zmienne posturalne do oceny wkładu każdego podsystemu. Trudność techniczna polega na tym, że pomiar zmiennych posturalnych odbywa się w pętli zamkniętej. W rezultacie dane wejściowe i wyjściowe (przyczyna i skutek) są ze sobą powiązane. W związku z tym konieczne jest: a) zastosowanie zewnętrznych perturbacji (jako danych wejściowych) w celu wywołania reakcji posturalnych w odpowiedziach (jako wyjścia) oraz b) zastosowanie specjalistycznych metod matematycznych do identyfikacji modeli systemowych i rozplątania przyczyny i skutku9.
Niniejszy artykuł skupia się na kontroli postawy, gdy stosowana jest strategia stawu skokowego, to znaczy, gdy ruchy dotyczą głównie stawu skokowego. W tym stanie górna część ciała i kończyny dolne poruszają się razem, w związku z czym ciało można modelować jako odwrócone wahadło z pojedynczym ogniwem w płaszczyźnie strzałkowej10. Strategia kostki jest stosowana, gdy powierzchnia podparcia jest twarda, a zakłócenia są niewielkie1,11.
W naszym laboratorium opracowano stały aparat zdolny do stosowania odpowiednich mechanicznych (proprioceptywnych) i wzrokowych zaburzeń sensorycznych oraz rejestrowania kinematyki, kinetyki i aktywności mięśni ciała12. Urządzenie zapewnia środowisko eksperymentalne potrzebne do zbadania roli sztywności stawu skokowego, centralnych mechanizmów kontrolnych i ich interakcji poprzez generowanie odpowiedzi posturalnych za pomocą bodźców wzrokowych i/lub somatosensorycznych. Możliwe jest również rozszerzenie urządzenia o badanie roli układu przedsionkowego poprzez zastosowanie bezpośredniej stymulacji elektrycznej do wyrostków sutkowatych, które mogą generować wrażenie prędkości głowy i wywoływać reakcje posturalne12,13.
Inni również opracowali podobne urządzenia do badania kontroli postawy człowieka, gdzie liniowe siłowniki piezoelektryczne11, obrotowe silniki elektryczne14,15, oraz liniowe silniki elektryczne16,17,18 służyły do wykonywania mechanicznych perturbacji stawu skokowego w pozycji stojącej. Opracowano również bardziej złożone urządzenia do badania wielosegmentowej kontroli postawy, w której możliwe jest jednoczesne zastosowanie wielu zaburzeń w stawach skokowych i biodrowych19,20.
Aparat stojący
Dwa elektrohydrauliczne siłowniki obrotowe sterowane serwomechanizmem poruszają dwoma pedałami, aby wprowadzić kontrolowane zakłócenia pozycji kostki. Siłowniki mogą generować duże momenty obrotowe (>500 Nm) potrzebne do kontroli postawy; Jest to szczególnie ważne w przypadkach takich jak pochylenie do przodu, gdzie środek ciężkości ciała znajduje się daleko (do przodu) od osi obrotu kostki, co skutkuje dużymi wartościami momentu obrotowego kostki dla kontroli postawy.
Każdy siłownik obrotowy jest sterowany przez oddzielny proporcjonalny serwozawor, wykorzystujący sprzężenie zwrotne położenia pedału, mierzone przez potencjometr o wysokiej wydajności na wale siłownika (Tabela materiałów). Sterownik jest realizowany przy użyciu opartego na MATLAB systemu cyfrowego przetwarzania sygnałów xPC w czasie rzeczywistym. Siłownik/serwozawór razem mają szerokość pasma ponad 40 Hz, znacznie większą niż szerokość pasma ogólnego systemu kontroli postawy, sztywności stawu skokowego i centralnego sterownika21.
Urządzenie i środowisko wirtualnej rzeczywistości
Gogle wirtualnej rzeczywistości (VR) (Tabela materiałów) są używane do zakłócania widzenia. Zestaw słuchawkowy zawiera ekran LCD (podwójny ekran AMOLED 3,6'' o rozdzielczości 1080 x 1200 pikseli na oko), który zapewnia użytkownikowi stereoskopowy widok multimediów wysyłanych do urządzenia, oferując trójwymiarową percepcję głębi. Częstotliwość odświeżania wynosi 90 Hz, co wystarcza, aby zapewnić użytkownikom solidny wirtualny sens22. Pole widzenia ekranu wynosi 110°, co wystarcza do generowania perturbacji wizualnych podobnych do rzeczywistych sytuacji.
Zestaw słuchawkowy śledzi obrót głowy użytkownika i odpowiednio zmienia wirtualny widok, tak że użytkownik jest w pełni zanurzony w wirtualnym środowisku; dlatego może zapewnić normalne wizualne sprzężenie zwrotne; i może również zakłócać widzenie, obracając pole widzenia w płaszczyźnie strzałkowej.
Pomiary kinetyczne
Pionowa siła reakcji jest mierzona przez cztery ogniwa obciążnikowe, umieszczone pomiędzy dwiema płytami pod stopą (Tabela materiałów). Moment obrotowy kostki jest mierzony bezpośrednio przez przetworniki momentu obrotowego o nośności 565 Nm i sztywności skrętnej 104 kNm/rad; Można go również zmierzyć pośrednio na podstawie sił pionowych przenoszonych przez ogniwa obciążnikowe, wykorzystując ich odległości do osi obrotu kostki23, zakładając, że siły poziome działające na stopy w pozycji stojącej są małe2,24. Środek nacisku (COP) jest mierzony w płaszczyźnie strzałkowej, dzieląc moment obrotowy kostki przez całkowitą siłę pionową, mierzoną przez ogniwa obciążnikowe23.
Pomiary kinematyczne
Kąt stopy jest taki sam jak kąt pedału, ponieważ gdy używana jest strategia kostki, stopa podmiotu porusza się wraz z pedałem. Kąt chwytu w stosunku do pionu uzyskuje się pośrednio z liniowego przemieszczenia trzpienia, mierzonego dalmierzem laserowym (Tabela materiałów) z rozdzielczością 50 μm i szerokością pasma 750 Hz25. Kąt kostki to suma kątów stopy i podudzia. Kąt ciała względem pionu uzyskuje się pośrednio z liniowego przemieszczenia punktu środkowego między lewym a prawym tylnym górnym kolcem biodrowym (PSIS), mierzonego za pomocą dalmierza laserowego (Tabela materiałów) z rozdzielczością 100 μm i szerokością pasma 750 Hz23. Pozycja i obrót głowy są mierzone w odniesieniu do globalnego układu współrzędnych środowiska VR przez stacje bazowe systemu VR, które emitują impulsy podczerwone (IR) z prędkością 60 impulsów na sekundę, które są odbierane przez czujniki podczerwieni zestawu słuchawkowego z precyzją submilimetrową.
Akwizycja danych
Wszystkie sygnały są filtrowane za pomocą filtra antyaliasingowego o częstotliwości narożnej 486,3, a następnie próbkowane z częstotliwością 1000 Hz za pomocą wysokowydajnych 24-bitowych/8-kanałowych, symultanicznie próbkowanych, dynamicznych kart akwizycji sygnałów (Tabela materiałów) o zakresie dynamiki 20 V.
Mechanizmy bezpieczeństwa
Sześć mechanizmów bezpieczeństwa zostało włączonych do aparatu stojącego, aby zapobiec obrażeniom podmiotów; pedały są sterowane oddzielnie i nigdy nie kolidują ze sobą. (1) Wał siłownika ma krzywkę, która mechanicznie aktywuje zawór, który odłącza ciśnienie hydrauliczne, jeśli obrót wału przekracza ± 20° od pozycji poziomej. (2) Dwa regulowane ograniczniki mechaniczne ograniczają zakres ruchu siłownika; Są one ustawiane na zakres ruchu każdego badanego przed każdym eksperymentem. (3) Zarówno badany, jak i eksperymentator trzymają przycisk paniki; Naciśnięcie przycisku odłącza zasilanie hydrauliczne od siłowników i powoduje ich poluzowanie, dzięki czemu można je przesuwać ręcznie. (4) Dostępne są poręcze umieszczone po obu stronach przedmiotu, aby zapewnić podparcie w przypadku niestabilności. (5) Tester nosi uprząż na całe ciało (Tabela Materiałów), przymocowaną do sztywnych poprzeczek w suficie, aby podtrzymać ją w przypadku upadku. Uprząż jest luźna i nie przeszkadza w normalnym staniu, chyba że obiekt stanie się niestabilny, gdzie uprząż zapobiega upadkowi obiektu. W przypadku upadku, ruchy pedału zostaną zatrzymane ręcznie albo przez badanego, za pomocą przycisku napadowego, albo przez eksperymentatora. (6) Serwozawory zatrzymują obrót siłowników za pomocą mechanizmów zabezpieczających przed awarią w przypadku przerwy w dostawie prądu.