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JoVE Journal Bioengineering
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Bioengineering

Métodos experimentais para estudar o controle postural humano

Published: September 11, 2019 doi: 10.3791/60078
Automatic Translation
1, 1, 1
1Department of Biomedical Engineering, McGill University

Summary

Este artigo apresenta um quadro experimental/analítico para o estudo do controle postural humano. O protocolo fornece procedimentos passo-a-passo para a realização de experimentos permanentes, medindo cinemática corporal e sinais de cinética, e analisando os resultados para fornecer insights sobre os mecanismos subjacentes ao controle postural humano.

Abstract

Muitos componentes dos sistemas nervoso e musculoesquelético atuam em concerto para alcançar a postura humana estável e vertical. Experimentos controlados acompanhados de métodos matemáticos apropriados são necessários para compreender o papel dos diferentes subsistemas envolvidos no controle postural humano. Este artigo descreve um protocolo para a realização de experimentos permanentes perturbados, adquirindo dados experimentais e realizando a subsequente análise matemática, com o objetivo de compreender o papel do sistema musculoesquelético e do controle central em humanos postura vertical. Os resultados gerados por esses métodos são importantes, pois fornecem insights sobre o controle do equilíbrio saudável, formam a base para a compreensão da etiologia do comprometimento do equilíbrio em pacientes e idosos, e auxiliam na elaboração de intervenções para melhorar controle postural e estabilidade. Esses métodos podem ser utilizados para estudar o papel do sistema somatossensorial, rigidez intrínseca da articulação do tornozelo e sistema visual no controle postural, podendo também ser estendido para investigar o papel do sistema vestibular. Os métodos são para ser usado no caso de uma estratégia de tornozelo, onde o corpo se move principalmente sobre a articulação do tornozelo e é considerado um único link-pêndulo invertido.

Introduction

O controle postural humano é realizado através de interações complexas entre os sistemas nervoso central e músculo-esqueléticos1. O corpo humano em pé é inerentemente instável, sujeito a uma variedade de perturbações internas (por exemplo, respiração, batimento cardíaco) e externas (por exemplo, gravidade). A estabilidade é alcançada por um controlador distribuído com componentes centrais, reflexos e intrínsecos (Figura 1).

O controle postural é conseguido por: um controlador ativo, mediado pelo sistema nervoso central (CNS) e pela medula espinal, que muda a ativação do músculo; e um controlador de rigidez intrínseca que resiste à movimentação articular sem alteração na ativação muscular (Figura 1). O controlador central usa informações sensoriais para gerar comandos descendentes que produzem forças musculares corretivas para estabilizar o corpo. A informação sensorial é transada pelos sistemas Visual, vestibular e somatossensorial. Especificamente, o sistema somatossensorial gera informações sobre a superfície de suporte e os ângulos articulares; visão fornece informações sobre o meio ambiente; e o sistema vestibular gera informações sobre a velocidade angular da cabeça, aceleração linear e orientação em relação à gravidade. O controlador de circuito fechado central opera com longos atrasos que podem ser desestabilizadores2. O segundo elemento do controlador ativo é a rigidez reflexa, que gera atividade muscular com latência curta e produz torques resistentes ao movimento articular.

Há uma latência associada a ambos os componentes do controlador ativo; Consequentemente, a rigidez intrínseca articular, que atua sem demora, desempenha um papel importante no controle postural3. A rigidez intrínseca é gerada por Propriedades visco-elásticas passivas de músculos contratantes, tecidos moles e propriedades inerciais dos membros, o que gera torques resistivos instantaneamente em resposta a qualquer movimento articular4. O papel da rigidez articular (rigidez intrínseca e reflexa) no controle postural não é claramente compreendido, uma vez que se modifica com as condições de operação, definidas pela ativação muscular4,5,6 e posição articular 4. º , 7 anos de , 8, ambos os quais mudam com a oscilação do corpo, inerente à posição.

Identificar os papéis do controlador central e a rigidez articular no controle postural é importante, pois fornece a base para: diagnosticar a etiologia das deficiências de equilíbrio; a conceção de intervenções orientadas para os doentes; avaliação do risco de quedas; o desenvolvimento de estratégias de prevenção de quedas em idosos; e o design de dispositivos assistivos, como Ortopedia e próteses. Entretanto, é difícil, porque os subsistemas diferentes actuam junto e somente a cinemática resultante total do corpo, os torques da junção, e a electromiografia do músculo podem ser medidos.

Portanto, é imprescindível o desenvolvimento de métodos experimentais e analíticos que utilizem as variáveis posturais mensuráveis para avaliar a contribuição de cada subsistema. Uma dificuldade técnica é que a mensuração das variáveis posturais é feita em circuito fechado. Como resultado, as entradas e saídas (causa e efeito) estão inter-relacionadas. Conseqüentemente, é necessário: a) aplicar perturbações externas (como insumos) para evocar reações posturais em respostas (como saídas), e b) empregar métodos matemáticos especializados para identificar modelos de sistema e desentangular causa e efeito9.

O presente artigo centra-se no controle postural quando uma estratégia de tornozelo é usada, ou seja, quando os movimentos ocorrem principalmente sobre a articulação do tornozelo. Nesta condição, o corpo superior e os membros inferiores movem-se juntos, conseqüentemente, o corpo pode ser modelado como um pêndulo invertido de ligação única no plano sagital10. A estratégia do tornozelo é usada quando a superfície de suporte é firme e as perturbações são pequenas1,11.

Um instrumento ereto capaz de aplicar as perturbações sensoriais mecânicas (proprioceptive) e visuais apropriadas e registrar a cinemática do corpo, a cinética, e as atividades do músculo foram desenvolvidas em nosso laboratório12. O dispositivo fornece o ambiente experimental necessário para estudar o papel da rigidez do tornozelo, mecanismos de controle central e suas interações, gerando respostas posturais usando estímulos visuais ou/e somatossensoriais. Também é possível estender o dispositivo para estudar o papel do sistema vestibular pela aplicação da estimulação elétrica direta aos processos mastoides, que podem gerar uma sensação de velocidade da cabeça e evocar respostas posturais12,13 .

Outros também desenvolveram dispositivos semelhantes para estudar o controle postural humano, onde atuadores elétricos piezo lineares11, motores elétricos rotativos14,15e motores elétricos lineares16,17 , 18 foram utilizados para aplicar perturbações mecânicas ao tornozelo em pé. Dispositivos mais complexos também foram desenvolvidos para estudar o controle postural multisegmento, onde é possível aplicar múltiplas perturbações às articulações do tornozelo e quadril simultaneamente19,20.

Aparelho permanente

Dois atuadores rotativos eletrohidráulicos servo-controlados movem dois pedais para aplicar perturbações controladas da posição do tornozelo. Os atuadores podem gerar grandes torques (> 500 nanômetro) necessários para o controle postural; Isso é especialmente importante em casos como Lean Forward, onde o centro de massa do corpo é muito (anterior) do eixo do tornozelo de rotação, resultando em grandes valores de torque do tornozelo para controle postural.

Cada atuador giratório é controlado por uma válvula servo proporcional separada, usando o gabarito da posição do pedal, medido por um potenciómetro de capacidade elevada no eixo do atuador (tabela dos materiais). O controlador é implementado usando um sistema de processamento de sinal digital em tempo real baseado em MATLAB xPC. O atuador/servo-válvula juntos têm uma largura de banda de mais de 40 Hz, muito maior do que a largura de banda do sistema de controle postural global, rigidez da articulação do tornozelo, e o controlador central21.

Dispositivo de realidade virtual e ambiente

Um headset de realidade virtual (VR) (tabela de materiais) é usado para perturbar a visão. O auricular contém uma tela LCD (Dual AMOLED 3,6 ' ' tela com uma resolução de 1080 x 1200 pixels por olho) que fornece ao usuário uma visão estereoscópica dos meios de comunicação enviados para o dispositivo, oferecendo a percepção de profundidade tridimensional. A taxa de atualização é 90 Hz, suficiente para fornecer um sentido virtual sólido para os usuários22. O campo de visão da tela é 110 °, o suficiente para gerar perturbações visuais semelhantes às situações do mundo real.

O headset rastreia a rotação da cabeça do usuário e altera a exibição virtual de acordo para que o usuário esteja totalmente imerso no ambiente virtual; Conseqüentemente, pode fornecer o gabarito visual normal; e também pode perturbar a visão girando o campo visual no plano sagital.

Medições cinéticas

A força de reação vertical é medida por quatro células de carga, imprensadas entre duas placas abaixo do pé (tabela de materiais). O torque do tornozelo é medido diretamente por transdutores de torque com uma capacidade de 565 nm e uma rigidez torcional de 104 kNm/RAD; Ele também pode ser medido indiretamente a partir das forças verticais transcorridas pelas células de carga, usando suas distâncias para o eixo do tornozelo de rotação23, assumindo que as forças horizontais aplicadas aos pés em pé são pequenas2,24. O centro de pressão (COP) é medido no plano sagital dividindo o torque do tornozelo pela força vertical total, medida pelas células de carga23.

Medições cinemáticas

O ângulo do pé é o mesmo que o ângulo do pedal, porque quando uma estratégia do tornozelo é usada, o pé do assunto move-se com o pedal. O ângulo da pata com respeito ao vertical é obtido indiretamente do deslocamento linear do Shank, medido por um inventor da escala do laser (tabela dos materiais) com uma definição do μm 50 e da largura de faixa de 750 Hertz25. O ângulo do tornozelo é a soma dos ângulos do pé e da pata. O ângulo do corpo em relação ao vertical é obtido indiretamente do deslocamento linear do ponto médio entre as espinhas ilíacas superiores esquerdas e direitas (PSIS), medidos usando um localizador de laser (tabela de materiais) com uma resolução de 100 μm e largura de banda de 750 Hz23. A posição e a rotação da cabeça são medidas em relação ao sistema de coordenadas global do ambiente VR pelas estações base do sistema VR que emitem pulsos infravermelhos (IR) cronometrados em 60 pulsos por segundo que são captado pelos sensores de infravermelho do headset com submilímetro Precisão.

Aquisição de dados

Todos os sinais são filtrados com um filtro anti-aliasing com uma frequência de canto de 486,3 e, em seguida, amostrados em 1000 Hz com alto desempenho de 24 bits/8 canais, amostragem simultânea, cartões de aquisição de sinal dinâmico (tabela de materiais) com uma dinâmica intervalo de 20 V.

Mecanismos de segurança

Seis mecanismos de segurança foram incorporados no aparelho de pé para evitar lesões em indivíduos; os pedais são controlados separadamente e nunca interferem uns com os outros. (1) o eixo do atuador tem uma came, que ative mecanicamente uma válvula que desconecta a pressão hidráulica se a rotação do eixo excede ± 20 ° de sua posição horizontal. (2) duas paradas mecânicas ajustáveis limitam a amplitude de movimento do atuador; Estes são ajustados à escala de cada assunto do movimento antes de cada experimentação. (3) tanto o assunto eo experimentador segurar um botão de pânico; pressionando o botão desliga a energia hidráulica dos atuadores e faz com que eles fiquem soltos, para que eles possam ser movidos manualmente. (4) os corrimão situados em cada lado do assunto estão disponíveis para fornecer o apoio em caso da instabilidade. (5) o sujeito usa um arnês de corpo inteiro (tabela de materiais), anexado a barras transversais rígidas no teto para apoiá-los em caso de queda. O arnês é frouxo e não interfere com a posição normal, a menos que o sujeito se torne instável, onde o arnês impede que o sujeito caia. No caso de queda, os movimentos do pedal serão interrompidos manualmente quer pelo sujeito, usando o botão de pânico ou pelo experimentador. (6) as servo-válvulas param a rotação dos atuadores usando mecanismos à prova de falhas em caso da interrupção elétrica da fonte.

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Protocol

Todos os métodos experimentais foram aprovados pelo Conselho de ética em pesquisa da Universidade McGill e os sujeitos assinam consenditos informados antes de participarem.

1. experiências

Observação: cada experimento envolve as seguintes etapas.

  1. Pré-teste
    1. Prepare um contorno definitivo de todos os ensaios a serem realizados e faça uma lista de verificação para a coleta de dados.
    2. Fornecer o assunto com um formulário de consentimento com todas as informações necessárias, pedir-lhes para lê-lo completamente, responder a quaisquer perguntas, e depois tê-los assinar o formulário.
    3. Registre o peso, a altura e a idade do sujeito.
  2. Preparação do assunto
    1. Medição de eletromiografia
      1. Use eletrodos diferenciais únicos (tabela de materiais) com uma distância entre eletrodos de 1 cm para a medição da eletromiografia (EMG) dos músculos do tornozelo.
      2. Use um amplificador (tabela de materiais) com um ganho total de 1000 e uma largura de banda de 20 − 2000 Hz.
      3. Para garantir uma alta relação sinal/ruído (SNR) e mínima conversa cruzada, localize e marque as áreas de fixação do eletrodo de acordo com as diretrizes fornecidas pelo projeto seniam26, como abaixo: (1) para o gastrocnêmio medial (mg), a protuberância mais proeminente do muscular (2) para o gastrocnêmio lateral (LG), 1/3 da linha entre a cabeça da fíbula e o calcanhar; (3) para o sóleo (SOL), 2/3 da linha entre os côndilos mediais do fêmur e o maléolo medial; (4) para tibial anterior (ta), 1/3 da linha entre a ponta da fíbula e a ponta do maléolo medial.
      4. Raspar as áreas marcadas com uma navalha e limpar a pele com álcool. Deixe a pele secar completamente.
      5. Raspar uma área óssea na patela para o eletrodo de referência, e limpar com álcool.
      6. Tenha o assunto deitado em uma posição supina relaxado.
      7. Coloque o eletrodo de referência na área raspada da patela.
      8. Anexar os eletrodos um por um para as áreas raspadas dos músculos, usando fita dupla face, tendo o cuidado de garantir que os eletrodos são fixados para a pele de forma segura.
      9. Depois de colocar cada eletrodo, peça ao sujeito que realize uma contração plantarflexing/dorsiflexing contra a resistência e examine as formas de onda em um osciloscópio para garantir que o sinal EMG tenha um SNR alto. Se o sinal SNR é pobre, mova os elétrodos até que uma posição com um SNR elevado esteja encontrada.
      10. Certifique-se de que os movimentos do sujeito não são prejudicado pelos cabos EMG.
    2. Medições cinemáticas
      1. Prenda um marcador reflexivo à haste com uma cinta, para ser usado para a medida do ângulo da pata.
        Nota: Coloque o marcador da haste tão alto quanto possível na haste para gerar o maior deslocamento linear possível para uma determinada rotação, portanto, melhorando a resolução angular.
      2. Tenha o assunto põr sobre o chicote de fios do corpo.
      3. Anexar um marcador de reflexão para a cintura do sujeito com uma cinta, para ser usado para a medição do ângulo do corpo superior. Assegure-se de que o marcador reflexivo da cintura esteja coloc no mid-point entre os PSISs esquerdos e direito e que a roupa do assunto não cobre a superfície reflexiva da cintura.
      4. Tenha o assunto começ no instrumento ereto.
      5. Ajuste a posição do pé do sujeito para alinhar os maléolos laterais e medial de cada perna ao eixo de rotação do pedal.
      6. Delinear as posições do pé do sujeito com um marcador e instruí-los a manter os pés nos mesmos locais durante os experimentos. Isso garante que os eixos de rotação dos tornozelos e atuadores permaneçam alinhados ao longo dos experimentos.
      7. Ajuste a posição vertical dos Finders da escala do laser para apontar ao centro dos marcadores reflexivos. Ajuste a distância horizontal entre o inventor da escala do laser e os marcadores reflexivos, de modo que os Finders da escala trabalhem em seu mid-range e não saturar durante a posição quieta.
      8. Tenha o assunto inclinar-se para a frente e para trás sobre o tornozelo e assegurar-se de que os lasers permaneçam dentro de sua escala de trabalho.
      9. Meça a altura dos Finders da escala do laser com respeito ao eixo de rotação do tornozelo.
        Observação: essas alturas são usadas para converter deslocamentos lineares em ângulos.
    3. Protocolos experimentais
      1. Informe o assunto do que esperar para cada condição experimental.
      2. Instrua o assunto a permanecer quietamente com as mãos no lado ao olhar para a frente, e para manter seu contrapeso como fazem, quando enfrentado as perturbações do mundo real.
      3. Para julgamentos perturbados, iniciar a perturbação e permitir que o sujeito se adaptar a ele.
      4. Iniciar a aquisição de dados uma vez que o assunto estabeleceu um comportamento estável.
      5. Forneça o assunto com período de descanso suficiente após cada experimentação para evitar a fatiga. Comunique-se com eles para ver se eles precisam de mais tempo.
      6. Realize as seguintes tentativas.
        1. Para o teste do instrumento, realize um teste de 2 min para examinar os dados do sensor 2 h antes da chegada do sujeito. Procure ruídos ou deslocamentos irregularmente grandes nos dados gravados do sensor. Se houver problemas, resolvê-los antes que o assunto chegue.
        2. Para a posição quieta, realize um teste ereto quieto de 2 min sem perturbações.
          Nota: esta avaliação fornece uma referência, necessária para determinar se/como as variáveis posturais mudam em resposta a perturbações.
        3. Para experimentos perturbados, execute a perturbação e adquira dados por 2 − 3 min. Aplique perturbações do pedal se o objetivo é investigar o papel da rigidez do sistema somatosensorial/tornozelo na posição. Aplicar perturbações visuais se o objetivo é examinar o papel da visão no controle postural. Aplique perturbações visuais e de pedal simultaneamente se o objetivo é examinar a interação dos dois sistemas no controle postural.
          Nota: as perturbações do pedal são aplicadas como a rotação dos pedais do dispositivo ereto. Da mesma forma, as perturbações visuais são aplicadas girando o campo visual virtual, usando o headset VR. O ângulo do pedal/campo visual segue um sinal, selecionado de acordo com os objetivos do estudo. A seção de discussão fornece detalhes sobre os tipos de perturbação, utilizados para o estudo do controle postural e os méritos de cada perturbação.
      7. Realize um mínimo de 3 ensaios para cada perturbação específica.
        Observação: vários testes são feitos para garantir a confiabilidade dos modelos ao executar a análise nos dados coletados; por exemplo, é possível cruzar validar os modelos.
      8. Realize os ensaios em uma ordem aleatória para garantir que os sujeitos não aprendam a reagir a uma perturbação específica; Isso também torna possível verificar o comportamento de variação de tempo.
      9. Verifique os dados visualmente após cada teste para garantir que os sinais adquiridos são de alta qualidade.

2. identificação do controle postural humano

  1. Identificação não-paramétrica da relação dinâmica do ângulo do corpo com as perturbações visuais
    1. Experiência
      1. Adquira testes visualmente perturbados por 2 min de acordo com as etapas nas seções 1,1 e 1,2.
      2. Use um sinal trapezoidal (TrapZ) com uma amplitude Peak-to-Peak de 0, 87 RAD e uma velocidade de 0,105 rad/s.
      3. Segure a posição do pedal constante no ângulo zero.
    2. Análise
      Nota: a análise dos dados nas secções 2.1.2 e 2.2.2 é efectuada utilizando o MATLAB.
      1. Dizate o ângulo do corpo cru e os sinais de perturbação Visual (de tal forma que a maior frequência observável é de 10 Hz), utilizando os seguintes comandos:
        Equation 1
        Equation 2
        Onde
        Equation 3
        Equation 4
        Equation 5
        Nota: para uma taxa de amostragem de 1 kHz, a razão de decimação deve ser 50 para ter uma frequência mais alta de 10 Hz.
      2. Escolha a menor frequência de juros, que determinará o comprimento da janela para estimativa de potência.
        Nota: aqui, uma frequência mínima de 0,1 Hz é escolhida, de modo que o comprimento da janela para estimativa de potência é 1/0.1 Hz = 10 s. A resolução de frequência é a mesma que a frequência mínima e, portanto, os cálculos são feitos para 0,1, 0,2, 0,3,..., 10 Hz.
      3. Escolha o tipo de janela e o grau de sobreposição para encontrar os espectros de potência.
        Nota: para um período experimental de 120 s, 10 s janelas Hanning com 50% sobreposição resulta em média de 23 segmentos para estimativa de espectro de potência. Uma vez que dizimos os dados para 20 Hz, uma janela de 10 s tem um comprimento de 200 amostras.
      4. Use a Equation 6 função para encontrar a resposta de frequência (FR) do sistema:
        Equation 7
        Onde
        Equation 8
        Equation 9
        Equation 10
        Equation 11
        Nota: a função Equation 6 apresentada calcula o espectro cruzado entre a perturbação de VR dizreada e o ângulo do corpo nas frequências especificadas por Equation 12 , usando uma janela de Hanning com o comprimento especificado Equation 13 e o número de sobreposições igual a Equation 14 (ou seja, 50% de sobreposição). Da mesma forma, ele calcula o espectro automático da entrada VR. Em seguida, usando o espectro cruzado e o espectro automático estimados, ele calcula o FR do sistema.
      5. Encontre o ganho e a fase do FR estimado na etapa 2.1.2.4, usando os seguintes comandos:
        Equation 15
        Equation 16
        Onde
        Equation 17
        Equation 18
      6. Calcule a função de coerência utilizando o seguinte comando:
        Equation 19
        Onde
        Equation 20
        Nota: Equation 21 a função segue um procedimento semelhante Equation 22 a encontrar a coerência entre Equation 23 e Equation 24 .
      7. Plotar o ganho, a fase e a coerência em função da frequência.
        Equation 25
        Equation 26
        Equation 27
        Nota: o método apresentado pode ser estendido para o caso em que as perturbações visuais e mecânicas são aplicadas, onde um método de identificação de múltiplas entradas e múltiplas saídas (MIMO) FR deve ser usado9. A identificação também pode ser feita usando o método subespacial (que inerentemente lida com sistemas MIMO)27 ou usando métodos de função de transferência paramétrica, como mimo Box-Jenkins28. Tanto o subespaço quanto o Box-Jenkins (e outros métodos) são implementados na caixa de ferramentas de identificação do sistema MATLAB.
  2. Identificação paramétrica da rigidez intrínseca do tornozelo em pé
    1. Experiência
      1. Realize ensaios mecanicamente perturbados por 2 min. Use uma perturbação pseudoaleatória de sequências binárias (PRBS) com uma amplitude de pico a pico de 0, 2 RAD e um intervalo de comutação de 200 ms. Assegure-se de que o ângulo médio do pedal seja zero.
    2. Análise
      1. Diferencie o sinal do pé uma vez para obterEquation 28a velocidade do pé (, duasEquation 29 vezes para obter a aceleração do pé (Equation 30 e três vezes para obter seu empurrão (similarmente diferencie o torque para obter sua velocidade e aceleração, usando o seguinte Comando:
        Equation 31
        Onde
        Equation 32
        Equation 33
        Equation 34
      2. Calcule a localização dos máximos locais e mínimos locais da velocidade do pé para localizar pulsos, usando o seguinte comando:
        Equation 35
        Equation 36
        Onde
        Equation 37
        Equation 38
        Equation 39
        Equation 40
        Nota: Equation 41 a função encontra todos os máximos locais (velocidade positiva do pé) e seus locais. Para encontrar a minima local, a mesma função é usada, mas o sinal da velocidade do ângulo do pé deve ser revertido.
      3. Projetar um 8ª ordem Butterworth filtro passa-baixa com uma frequência de canto de 50 Hz, usando o seguinte comando:
        Equation 42
        Equation 43
        Equation 44
        Equation 45
        Equation 46
      4. Filtre todos os sinais com deslocamento de fase zero usando o filtro Butterworth:
        Equation 47
        Equation 48
        Equation 49
        Nota: a função "filtfilt" não causa qualquer deslocamento no sinal filtrado. Não use o "filtro" função, porque ele gera uma mudança.
      5. Plotar a velocidade do pé, e visualmente encontrar uma estimativa do período de tempo entre a extrema da velocidade do pé e o início do pulso (que é o primeiro ponto com a velocidade do pé zero antes da velocidade de pico). Para a perturbação neste estudo, este ponto ocorreu 25 MS antes da velocidade extrema encontrada na etapa 2.2.2.2.
      6. Para cada pulso, calcule o torque de fundo do tornozelo como a média do torque do tornozelo de 25 MS antes do início do pulso, ou seja, a média do torque no segmento a partir de 50 MS até 25 MS antes da velocidade extrema. Faça isso para o pulso kth com uma velocidade positiva usando o seguinte comando:
        Equation 50
        Equation 51
        Equation 52
        Nota: isto é feito para velocidades máximas e mínimas (velocidade negativa do pé) encontradas na etapa 2.2.2.2.
      7. Encontre o mínimo e o máximo de todos os torques de fundo para todos os pulsos, usando o seguinte comando:
        Equation 53
        Equation 54
      8. Para cada pulso, extraia os dados do torque de 65 MS após o começo do pulso (como o segmento intrínseco do torque), usando o seguinte comando:
        Equation 55
        Equation 56
        Nota: isto também é feito para o primeiro e segundo derivado do torque do tornozelo (para fornecer o primeiro e segundo derivados do torque intrínseco), bem como, o ângulo do pé, a velocidade do pé, pé de aceleração, e pé empurrão.
      9. Calcule a alteração no segmento de torque intrínseco do kth de seu valor inicial, usando o seguinte comando:
        Equation 57
        Nota: isto é feito similarmente para que o ânguloEquation 58do pé obtenha.
      10. Divida a faixa de torque (obtida na etapa 2.2.2.7) em 3 escaninhos de largura nm e encontre os pulsos com torque de fundo em cada compartimento.
        Observação: isso é feito usando a função "Find" e a indexação. Supõe-se que a rigidez intrínseca é constante em cada escaninho, desde que o torque do fundo do tornozelo não muda significativamente.
      11. Estimar os parâmetros de rigidez intrínseca do modelo intrínseco estendido (EIM)29, para o jth bin usando os pulsos no grupo jEquation 59().
        1. Concatenar todas as respostas de torque intrínsecas na bin jth para formar o Equation 60 vetor:
          Equation 61
          onde Equation 62 está a resposta de torqueEquation 63intrínseco ith () no grupo j.
          Nota: similarmente, concatenar o ângulo do pé, a velocidade, e a aceleração, e os primeiros e segundos derivados do torque intrínseco do grupo do jth a ser usados na etapa 2.2.2.11.2.
        2. Coloque o ângulo do pé, velocidade, aceleração e empurrão, bem como a primeira e segunda derivada do torque do grupo j juntos para formar a matriz regressor:
          Equation 64
        3. Encontre os parâmetros de rigidez intrínseca para ogrupo j usando o operador de barra invertida (\):
          Equation 65
        4. Extraia o quarto elemento de Equation 66 como a rigidezEquation 67intrínseca de baixa frequência.
      12. Execute as etapas na seção 2.2.2.11 para todos os grupos (Bins) e estimar a rigidez intrínseca de baixa frequência correspondente.
      13. Divida todos os valores estimados da rigidez da baixa freqüência pela rigidez crítica do assunto:
        Equation 68
        onde m é a massa do sujeito, g é a aceleração gravitacional, Equation 69 e é a altura do centro de massa do corpo acima do eixo de rotação do tornozelo, derivado dos dados antropométricos30. Isto dá a rigidez normalizadaEquation 70().
      14. Converta o torque do fundo do tornozelo no fundo do tornozeloEquation 71posição Cop () dividindo os torques de fundo do tornozelo com as forças verticais medidas correspondentes.
      15. Plotar Equation 72 como uma função do centro de pressão.
        Equation 73
        Onde
        Equation 74
        Equation 75

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Representative Results

Pseudo seqüência ternária aleatória (PRTS) e sinais TrapZ

A Figura 2a mostra um sinal de PRTs, que é gerado integrando um perfil pseudo da velocidade aleatória. Para cada tempo Equation 76 de amostragem, a velocidade do sinal pode ser igual a zero, ou adquirir um valor positivo ou negativo pré-definido Equation 77 . Controlando Equation 77 e Equation 78 , as entradas de PRTs com uma largura de banda espectral larga podem ser geradas e escaladas às amplitudes Peak-to-Peak diferentes. Além disso, o PRTS é periódico, mas imprevisível, o que é desejável para o estudo do controle postural. O leitor é referido o seguinte artigo para a explanação detalhada do sinal31de PRTs.

A Figura 2b mostra um sinal Trapz. Começa em um valor zero e após um período Equation 79 aleatório (cujo o mínimo é Equation 80 ), o sinal rampas acima aleatòria a sua amplitudeEquation 81máxima () com Equation 82 uma velocidade ou rampas para baixo a suaEquation 83amplitude mínima () Equation 84 com uma velocidade. O sinal permanece no seu máximo ou mínimo por um período aleatório, Equation 85 (mínimo de Equation 80 ) e, em seguida, retorna para Equation 82 zero Equation 84 com velocidade ou. O loop começa novamente de zero. É evidente que, diferentemente do PRTS, o TrapZ é um sinal de média zero e, portanto, não causa não-estacionaridade na resposta postural. Além disso, é imprevisível, já que o tempo de mudança do valor do sinal e a direção da mudança (ou seja, velocidade positiva ou negativa) são aleatórios.

Identificação do ângulo do corpo ao sistema de perturbações visuais

A Figura 3 mostra os sinais de uma avaliação permanente típica com perturbações visuais do Trapz. A Figura 3a mostra a perturbação da VR, onde o campo de visão gira de 0 a ± 0, 87 RAD (5 °) no plano sagital. A Figura 3C, e mostra os ângulos do tornozelo e do corpo, que são muito similares, desde que o ângulo do pé é zero, e o Shank e o corpo superior movem junto. A Figura 3G mostra o torque do tornozelo, que está correlacionado com os ângulos da haste e do corpo. Figura 3B , D, F, H mostra o EMGs dos músculos do tornozelo. É evidente que SOL e LG são continuamente ativos, MG periodicamente gera grandes explosões de atividades com oscilação do corpo, e TA é silencioso.

A Figura 4 mostra o fr da função de transferência relacionando a entrada visual ao ângulo do corpo para os dados na Figura 3. O primeiro passo é examinar a coerência, porque o ganho e a fase são significativos apenas quando a coerência é elevada (quando a coerência é 1, existe uma relação linear sem ruído entre a entrada e a saída; uma coerência inferior a 1 acontece quando a saída de entrada relação é não linear ou os dados são barulhentos). A coerência é a mais alta em baixa frequência, entre 0,1 − 1 Hz e cai significativamente em frequências mais elevadas. O ganho aumenta inicialmente de 0,1 Hz para 0,2 Hz e, em seguida, diminui até 1 Hz, mostrando o comportamento esperado de passagem baixa devido à alta inércia do corpo. A fase também começa em zero e diminui quase linearmente com a frequência, indicando que a saída está atrasada em relação à entrada.

Identificação dos parâmetros de rigidez intrínseca do tornozelo

A Figura 5 mostra os sinais medidos para um teste de pé perturbado típico. A Figura 5a mostra a perturbação do pedal ― um PRBS com uma amplitude Peak-to-peak de 0, 2 RAD e um intervalo de comutação de 200 ms. a posição do pedal alterna entre dois valores (-0, 1 e 0, 1) em múltiplos inteiros do intervalo de comutação. Figura 5C mostra o ângulo do tornozelo, onde as mudanças rápidas são devido ao movimento do pé, enquanto as outras mudanças são o resultado do movimento da pata com oscilação. A Figura 5E mostra o ângulo do corpo em resposta à perturbação com um movimento de pico a pico de cerca de 0, 4 Rad. Figura 5g mostra o torque medido do tornozelo; dois componentes são evidentes: a modulação do torque com oscilação do corpo, e grandes picos descendentes, mostrando a resposta do torque reflexo do estiramento (que acontece geralmente após um pulso o). Figura 5b , D, F, H mostra o sol, mg, LG e ta EMGs. É evidente que os músculos TS estão continuamente ativos e exibem grandes rajadas de atividade devido às respostas de reflexos de estiramento. TA é principalmente silenciosa, exceto por alguns picos, que parecem ser conversa cruzada de músculos TS, porque eles ocorrem simultaneamente com a atividade reflexo de estiramento dos músculos TS.

A Figura 6 mostra uma perturbação típica da posição do pulso, sua velocidade e a resposta do sol EMG e do torque correspondentes. A resposta intrínseca começa 25 MS antes e duram até 40 MS após a velocidade máxima do pé; o pico do SOL EMG mostra a presença de uma resposta reflexa. O segmento de pré-resposta, iniciando 50 ms antes da velocidade de pico é usado para encontrar o torque de fundo.

A Figura 7 mostra a rigidez intrínseca como uma função da posição COP para os lados esquerdo e direito do sujeito mostrado na Figura 5; a rigidez foi estimada utilizando-se o método de análise apresentado. É evidente que a rigidez intrínseca não é constante, mas muda significativamente com a oscilação postural. Estas mudanças parecem funcionalmente apropriadas, porque a rigidez aumenta à medida que a COP se move mais longe do eixo de rotação do tornozelo, onde há maior possibilidade de queda23.

Figure 1
Figura 1: modelo de controle postural: o corpo é inerentemente instável e sujeito a torque gravitacional desestabilizante (Equation 87) e distúrbios. A postura ereta estável é mantida por forças corretivas do músculo, geradas por um controlador central, por reflexos espinais do estiramento, e por rigidez mecânica intrínseca da junção. A ativação do músculo devido ao reflexo do estiramento e às contribuições centrais é evidente na atividade do EMG. Somente os sinais em vermelho podem ser medidos, enquanto os sinais pretos não podem ser medidos. Por favor clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Figure 2
Figura 2: geração de sinais de PRTS e TrapZ. (A) sinal de PRTs. Um estímulo é criado a partir de uma seqüência de 242-Length PRTS, que inclui valores de 0, 1 e 2, correspondendo a velocidades fixas de 0, + v e-v para uma duração fixa de Equation 88 . A velocidade é integrada para gerar a posição, que é usada como o sinal de perturbação. O período do sinal de perturbação é igual a Equation 89 , onde m é o número do estágio do registrador de turno, determinando a sequência da velocidade. (B) sinal Trapz. O sinal começa em zero; Depois de um intervalo de tempoEquation 79aleatório (), ele aumenta ou desce até seu valorEquation 81máximo () ou mínimoEquation 90 (com uma velocidade constante; o sinal volta a zero após um intervalo de tempo aleatórioEquation 85() e o loop inteiro é iniciado novamente. Por favor clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Figure 3
Figura 3: ensaio experimental típico com perturbação visual de TrapZ; a amplitude de perturbação de pico a pico é 0,174 RAD, e a velocidade é 0,105 rad/s. (A) ângulo de perturbação VR, mostrando a rotação do campo de visão no plano sagital. (C) ângulo do tornozelo, que é o mesmo que o ângulo da pata, como o pé não se move. (E) ângulo do corpo. (G) torque do tornozelo. (B, D, F, H) EMG retificado cru do SOL, do magnésio, do LG, e do TA; SOL e LG são continuamente ativos, enquanto MG mostra explosão de atividade associada com oscilação do corpo, e TA é silencioso. Por favor clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Figure 4
Figura 4: resposta de frequência da relação dinâmica do ângulo do corpo à perturbação Visual estimada a partir dos dados apresentados na Figura 3. O ganho (painel superior) mostra a relação da amplitude da saída à entrada em função da freqüência; Ele mostra um comportamento de passagem baixa. A fase (painel médio) mostra a diferença entre a fase de entrada e saída em função da frequência. A coerência (painel inferior) fornece um índice que mede quanto do poder da saída é linearmente relacionado à potência de entrada em cada freqüência. Uma coerência de 1 mostra o relacionamento linear perfeito da entrada-saída; no entanto, a presença de ruído ou não-linearidade reduz. Por favor clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Figure 5
Figura 5: teste de perturbação da posição típica do PRBS; a amplitude de perturbação Peak-to-Peak é 0, 2 RAD, e o intervalo de comutação é 200 ms. (A) o ângulo do pé, que é o mesmo que as perturbações da posição desde que o pé se move com o pedal. (C) ângulo do tornozelo; as mudanças aleatórias são devidas ao movimento da pata com oscilação. (E) ângulo do corpo, obtido assumindo que o corpo atua como um pêndulo invertido. (G) torque do tornozelo medido forma as células de carga de dados. (B, D, F, H) EMG cru do SOL, do magnésio, do LG, e do TA; os músculos TS são todos continuamente ativos, enquanto os grandes picos refletem a atividade reflexo do estiramento; TA é principalmente silencioso. Por favor clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Figure 6
Figura 6: um pulso individual do experimento mostrado na Figura 5, em uma escala de tempo expandida. (A) ângulo do pé, (B) velocidade do pé, (C) sol EMG, e (D) torque do tornozelo. As linhas pontilhadas verticais separam a resposta na pré-resposta (25 MS), resposta intrínseca (65 MS) e resposta reflexa (300 MS); o torque e os ângulos positivos correspondem ao dorsiflexão. Os dados para este número são retirados de Amiri e Kearney23. Por favor clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Figure 7
Figura 7: rigidez intrínseca normalizada estimada em função da posição da COP para o lado esquerdo e direito de um sujeito típico, obtida a partir dos dados mostrados na Figura 5. As barras indicam os intervalos de confiança de 95% dos valores de rigidez. Os dados para este número são retirados de Amiri e Kearney23. Por favor clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

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Discussion

Várias etapas são críticas na realização desses experimentos para estudar o controle postural humano. Estas etapas são associadas com a medida correta dos sinais e incluem: 1) alinhamento correto do eixo do tornozelo da pata da rotação àquele dos pedais, para a medida correta de torques do tornozelo. 2) ajuste correto dos Finders da escala para assegurar-se de que trabalhem em sua escala e não sejam saturados durante os experimentos. 3) medida do EMG com boa qualidade e conversa transversal mínima. 4) aplicação de perturbações apropriadas, que evocam respostas suficientes, mas não interrompem o controle postural normal. 5) seleção de um comprimento experimental apropriado, baseado na análise pretendida, ao evitar o deslocamento do corpo e a fatiga. Além dos experimentos, a análise também deve ser feita com cuidado. Para a estimativa da rigidez intrínseca dos dados adquiridos na posição mecanicamente perturbada, é fundamental selecionar o comprimento da resposta intrínseca de uma forma que assegure nenhum torque reflexo (que começa logo após uma explosão de atividade nos músculos TS) é Incluído. Alémdisso, emboramuitos estudos tenham assumido que a rigidez intrínseca não se altera em pé11,14,15, umestudo recente mostrou que é importante dar conta da modulação da rigidez com alterações no torque do tornozelo associadas à oscilação postural23,32. Para determinar o FR da relação dinâmica de qualquer entrada para a saída, o passo mais importante é estimar corretamente o espectro de espectro e potência selecionando o comprimento da janela e sobreposição, apropriado para o comprimento do registro.

O projeto das perturbações é um passo importante em experimentos de pé humano. Diferentes tipos de perturbações mecânicas e visuais têm sido utilizados para o estudo do controle postural, dado como o ângulo da superfície de suporte ou o ângulo do campo visual. Estes incluem o multi-seno, ruído filtrado da baixo-passagem, seqüência ternário pseudo-random (PRTs) e outro3,9,10,12,18,24,31 ,33,34. No entanto, o uso de uma seqüência binária pseudoaleatória (PRBS) é vantajoso para perturbações mecânicas, porque: 1) para uma determinada amplitude de pico a pico, ele fornece o maior poder sobre uma ampla gama de frequências, que pode ser controlada selecionando o taxa de comutação3; 2) é imprevisível, ainda repetível, tornando possível reduzir o ruído pela média; 3) uma entrada de PRBS com baixa velocidade média absoluta gera respostas reflexas, permitindo a quantificação de reflexos de estiramento em pé. Para o sistema visual, os pulsos da etapa não evocam nenhuma resposta postural significativa, porque o sistema visual não pode seguir mudanças rápidas do campo visual. Além disso, entradas previsíveis, como sinusóides com uma frequência, podem gerar comportamento antecipatória. Os sinais de multi-seno não são eficazes para o estudo de respostas visuais, porque suas mudanças rápidas e contínuas são difíceis de seguir e podem fazer com que os assuntos se tornem doentes do movimento. Os sinais de PRTS foram usados extensivamente para estudar o sistema visual na posição, porque é uma entrada informativa; os movimentos do campo visual são discretos em vez de contínuos e sua velocidade pode ser controlada para gerar respostas visuais coerentes. Embora, o PRTS se realize bem, é um sinal de média não-zero, que pode causar não-stationarities no controle postural e torna a identificação difícil. Portanto, o TrapZ foi projetado para abordar esse problema, que é imprevisível, discreto, e tem uma média zero (Figura 2b). Outra consideração importante na concepção dos experimentos é a amplitude de perturbação. Geralmente, as perturbações com baixas amplitudes devem ser usadas quando o objetivo é executar a análise linear e não se desviar de uma estratégia do tornozelo. A validade da estratégia do tornozelo pode ser verificada analiticamente35, e se houver grandes desvios, que podem ser gerados por amplitudes de perturbação maiores, métodos de análise não-lineares, acompanhados por modelos multissegmentados de corpo em pé, podem ser necessário36.

Outra consideração para o design de perturbação é o comprimento experimental, que deve ser longo o suficiente para permitir estimativas confiáveis dos parâmetros do modelo. No entanto, ensaios muito longos são indesejáveis, porque eles podem resultar no assunto mudando a orientação do corpo, resultando em uma não-stationarity que torna a modelagem do sistema e identificação difícil. Um comprimento experimental entre 2 e 3 minutos é ideal. Este comprimento experimental geralmente não resulta em fadiga, desde que seja aplicado um período de repouso suficiente entre os ensaios. O método de análise também influencia o comprimento experimental exigido. Se uma análise linear usando FR ou função de resposta de impulso for usada, então a menor frequência de juros determinará o comprimento do registro. O inverso do comprimento da janela é igual à frequência mínima, portanto, se as frequências inferiores forem examinadas, as janelas mais longas devem ser usadas. Além disso, o teste deve ser longo o suficiente para fornecer média suficiente para produzir estimativas espectrais robustas. A análise não linear exigirá, em geral, registros de dados ainda mais longos, pois os modelos não lineares geralmente têm mais parâmetros do que os modelos lineares.

O estudo do controle postural humano requer a seleção de um método de identificação adequado. Métodos paramétricos e não paramétricos de identificação linear podem ser utilizados para o estudo do controle postural10,12,18,19,20,28,31 ,37,38,39,40,41, 42, 43, 44, 45 ,46,47,48,49,50, 51, 52, 53, 54 . A identificação não-paramétrica, utilizando a estimativa de fr, tem sido amplamente utilizada para o estudo do controle postural, pois é bem adequada para a identificação dos dados adquiridos na condição de contorno fechado de pé24 e requer poucos a-priori pressupostos (para os detalhes deste método ver24). O método mais comumente utilizado é estimar o FR do sistema de circuito fechado entre uma perturbação externa (mecânica/sensorial) e uma saída (por exemplo, ângulo do corpo, torque do tornozelo ou EMG muscular), que é uma combinação de controlador, planta e feedback. Para fornecer significância física e examinar cada componente separadamente, muitos estudos usaram um modelo paramétrico do sistema de circuito fechado e estimam os parâmetros que correspondem ao FR do modelo paramétrico à da sensibilidade de saída estimada10 ,18,31,37,38,39,40,41, 42,43 ,44,45,46,47,48, 49, 50,51. A identificação paramétrica, por outro lado, assume que a entrada e a saída do sistema estão relacionadas por alguma estrutura de modelo com um número limitado de parâmetros, conhecidos a-priori. O método de erro de previsão é usado para localizar os parâmetros de modelo que minimizam o erro entre a saída medida e a previsão do modelo55. Em contraste com os modelos FR, onde a perturbação externa deve ser medida e utilizada para a análise, esses métodos podem ser aplicados diretamente a quaisquer dois sinais, desde que um modelo de ruído separado, que seja adequadamente parametrizado, seja estimado em56. Isso significa que não há necessidade de medir a perturbação externa. Embora, as ordens de modelo devem ser determinadas a-priori, os modelos paramétricos geralmente têm menos parâmetros do que os modelos fr e, portanto, fornecem estimativas de parâmetro mais robustas. A principal desvantagem de um modelo paramétrico é que um modelo de ruído correto deve ser usado para obter estimativas não tendenciosas dos parâmetros.

Uma consideração importante no controle postural humano é sua adaptação notável às circunstâncias experimentais e ambientais novas. Isso é conseguido através da integração multissensorial, o que significa que o SNC combina as informações dos sistemas somatossensoriais, visuais e vestibulares, ao passo que dá um peso maior a entradas sensoriais mais precisas (e menos variáveis) em qualquer experimento condições para o controle postural. Por exemplo, quando a propriocepção é perturbada pela rotação do pé, o SNC depende mais das entradas visuais e vestibulares. Um método foi desenvolvido por Peterka31 para quantificar a integração multissensorial. Para uma experiência de pé com uma perturbação externa específica, ele identificou o FR do sistema de laço fechado e, em seguida, montado um modelo paramétrico para ele (como explicado no parágrafo anterior). O modelo paramétrico compreendeu um controle central, cujo insumo foi a soma ponderada dos insumos dos três sistemas sensoriais; os pesos foram utilizados para fornecer um meio para quantificar a importância de cada fonte sensorial para o controle postural, ou seja, quanto maior o peso, mais importante é a entrada sensorial. A aplicação deste método aos dados experimentais mostrou que o sistema sensorial perturbado tem menor peso e menor importância devido à inexatidão de sua entrada e, portanto, contribui menos para o controle postural31. Este método tem sido utilizado para mostrar como o controle postural também muda devido ao envelhecimento e doenças38,39. Uma aproximação similar pode ser usada com nosso instrumento experimental, onde a perturbação mecânica ou/e Visual é aplicada para investigar o papel e a interação dos sistemas sensoriais importantes no controle postural.

Os métodos apresentados apresentam algumas limitações, pois os métodos experimentais e analíticos são destinados ao estudo do controle postural quando se utiliza uma estratégia de tornozelo. Portanto, as perturbações devem ser projetadas para evitar o movimento excessivo do corpo. No entanto, quando as perturbações são grandes ou a superfície de suporte é compatível, uma estratégia de quadril é usada, significando que os movimentos do tornozelo e do quadril são significativos. A estratégia do quadril é caracterizada por movimento antifásico do corpo inferior e superior, que é especificamente pronunciado em frequências maiores que 1 Hz57. O estudo da estratégia do quadril requer a modelagem do corpo com pelo menos duas ligações, ou seja, um modelo de pêndulo duplo invertido.

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Disclosures

Os autores não têm nada a revelar.

Acknowledgments

Este artigo foi tornado possível pela concessão de NPRP #6-463-2-189 da pesquisa nacional de Qatar e da concessão do espanador #81280 dos institutos canadenses da pesquisa da saúde.

Materials

Name Company Catalog Number Comments
5K potentiometer Maurey 112P19502 Measures actuator shaft angle
8 channel Bagnoli surface EMG amplifiers and electrodes Delsys Measures the EMG of ankle muscles
AlienWare Laptop Dell Inc. P69F001-Rev. A02 VR-ready PC laptop
Data acquisition card National instruments 4472 Samples the analogue signals from the sensors
Directional valve REXROTH 4WMR10C3X Bypasses the flow if the angle of actuator shaft goes beyond ±20°
Full body harness Jelco 740 Protect the subjects from falling
Laser range finder Micro-epsilon 1302-100 1507307 Measures shank linear displacement
Laser range finder Micro-epsilon 1302-200 1509074 Measures body linear displacement
Load cell Omega LC302-100 Measures vertical reaction forces
Proportional servo-valve MOOG D681-4718 Controls the hydraulic flow to the rotary actuators
Rotary actuator Rotac 26R21VDEISFTFLGMTG Applies mechanical perturbations
Torque transducer Lebow 2110-5k Measures ankle torque
Virtual Environment Motion Trackers HTC inc. 1551984681 Tracks the head motion
Virtual Reality Headset HTC inc. 1551984681 Provides visual perturbations

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Métodos experimentais para estudar o controle postural humano
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Amiri, P., Mohebbi, A., Kearney, R.… More

Amiri, P., Mohebbi, A., Kearney, R. Experimental Methods to Study Human Postural Control. J. Vis. Exp. (151), e60078, doi:10.3791/60078 (2019).

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