İnsan Postural Kontrolünü İncelemek İçin Deneysel Yöntemler

Özet

Bu makale, insan postural kontrolü incelemek için deneysel/analitik bir çerçeve sunmaktadır. Protokol, ayakta deneyler yapmak, vücut kinematik ve kinetik sinyallerini ölçmek ve insan postural kontrolünün altında yatan mekanizmalar hakkında bilgi sağlamak için sonuçları analiz etmek için adım adım prosedürler sağlar.

Özet

Sinir ve kas-iskelet sistemlerinin birçok bileşeni istikrarlı, dik insan duruşu elde etmek için uyum içinde hareket. İnsan postural kontrolünde yer alan farklı alt sistemlerin rolünü anlamak için uygun matematiksel yöntemlerle birlikte kontrollü deneylere ihtiyaç vardır. Bu makalede, kas-iskelet sistemi ve insan merkezi kontrolü rolünü anlamak amacıyla, tedirgin ayakta deneyler icra etmek, deneysel veri elde etmek ve sonraki matematiksel analiz yürütmek için bir protokol açıklanır dik duruş. Bu yöntemlerle elde edilen sonuçlar önemlidir, çünkü sağlıklı denge kontrolü hakkında bilgi sağlarlar, hastalarda ve yaşlılarda bozulmuş dengenin etyolojisini anlamak için temel oluştururlar ve müdahalelerin geliştirilmesine yardımcı olurlar. postural kontrol ve stabilite. Bu yöntemler somatosensoriyel sistemin rolünü, ayak bileği ekleminin içsel sertliğini ve postural kontrolde görme sisteminin rolünü incelemek için kullanılabilir ve vestibüler sistemin rolünü araştırmak için de uzatılabilir. Yöntemler bir ayak bileği stratejisi durumunda kullanılmak üzere, vücudun öncelikle ayak bileği eklemi hakkında hareket eder ve tek bağlantı ters sarkaç olarak kabul edilir.

Giriş

İnsan postural kontrolü merkezi sinir ve kas-iskelet sistemleri arasındaki karmaşık etkileşimler ile gerçekleştirilir^1. Ayakta insan vücudu doğal olarak kararsız, iç çeşitli tabi (örneğin, solunum, kalp atışı) ve dış (örneğin, yerçekimi) tedirginlik. Stabilite merkezi, refleks ve içsel bileşenlere sahip dağıtılmış bir denetleyici ile sağlanır(Şekil 1).

Postural kontrol tarafından elde edilir: aktif bir kontrolör, merkezi sinir sistemi aracılığı (CNS) ve omurilik, kas aktivasyonunu değiştirir; ve kas aktivasyonunda değişiklik olmadan eklem hareketine direnen içsel bir sertlik kontrol örüntünü(Şekil 1). Merkezi denetleyici vücudu stabilize etmek için düzeltici kas kuvvetleri üreten azalan komutları oluşturmak için duyusal bilgileri kullanır. Duyusal bilgiler görsel, vestibüler ve somatosensoriyel sistemler tarafından aktarılır. Özellikle, somatosensoriyel sistem destek yüzeyi ve eklem açıları ile ilgili bilgi üretir; vizyon çevre ile ilgili bilgi sağlar; ve vestibüler sistem baş açısal hız, doğrusal ivme ve yerçekimi ile ilgili oryantasyon ile ilgili bilgi üretir. Merkezi, kapalı döngü denetleyicisi²kararsız olabilir uzun gecikmeler ile çalışır. Aktif denetleyicinin ikinci unsuru, kısa gecikme ile kas aktivitesi üreten ve eklem hareketine karşı direnç torküreten refleks sertliğidir.

Etkin denetleyicinin her iki bileşeniyle ilişkili bir gecikme sonu vardır; sonuç olarak, gecikmeden hareket eden eklem içsel sertliği, postural kontrolde önemli bir rol oynar³. İçsel sertlik kaslar pasif visko-elastik özellikleri tarafından oluşturulur, yumuşak dokular ve ekstremitelerin atalet özellikleri, herhangi bir eklem hareketine yanıt olarak anında direnç torkları üretir⁴. Eklem sertliği rolü (içsel ve refleks sertliği) postural kontrolde açıkça anlaşılamamıştır, çünkü kas aktivasyonu^4,5,6 ve eklem pozisyonu ile tanımlanan çalışma koşulları ile değişir ^{4.2.2 , 7.000 , 8}, her ikisi de vücut sallanıyor ile değiştirmek, ayakta doğasında.

Merkezi denetleyicinin ve eklem sertliğinin postural kontroldeki rollerinin belirlenmesi önemlidir, çünkü denge bozukluklarının etiyolojisinin tanısı; hastalar için hedefli müdahalelerin tasarımı; düşme riskinin değerlendirilmesi; yaşlılarda sonbahar önleme stratejilerinin geliştirilmesi; ve ortez ve protez gibi yardımcı cihazların tasarımı. Ancak, farklı alt sistemler birlikte hareket ve sadece genel sonuç vücut kinematik, eklem torkları ve kas elektromiyografi si ölçülebilir çünkü, zordur.

Bu nedenle, her alt sistemin katkısını değerlendirmek için ölçülebilir postural değişkenleri kullanan deneysel ve analitik yöntemler geliştirmek esastır. Teknik bir zorluk, postural değişkenlerin ölçümükapalı döngü içinde yapılır. Sonuç olarak, giriş ve çıktılar (neden-sonuç) birbiriyle ilişkilidir. Sonuç olarak, gerekli olan: a) dış pertürbasyonlar uygulamak (girdiler olarak) yanıtlarda postural reaksiyonlar uyandırmak için (çıktıolarak), ve b) sistem modelleri ve disentangle neden-sonuç tanımlamak için özel matematiksel yöntemler istihdam⁹.

Bu makalede bir ayak bileği stratejisi kullanıldığında postural kontrol üzerinde duruluyor, yani, hareketler öncelikle ayak bileği eklemi hakkında meydana geldiğinde. Bu durumda, üst vücut ve alt ekstremitebirlikte hareket, sonuç olarak, vücut sagittal düzlemde tek bağlantı ters sarkaç olarak modellenebilir¹⁰. Destek yüzeyi sağlam ve pertürbations küçük^1,11olduğunda ayak bileği stratejisi kullanılır.

Uygun mekanik (proprioseptif) ve görsel duyusal tedirginlikleri uygulayabilen ve vücut kinematiği, kinetik ve kas aktivitelerini kaydedebilen ayakta duran bir cihaz laboratuarımızda geliştirilmiştir¹². Cihaz, görsel veya/ve somatosensoriyel uyaranları kullanarak postural yanıtlar üreterek ayak bileği sertliğinin, merkezi kontrol mekanizmalarının ve etkileşimlerinin rolünü incelemek için gereken deneysel ortamı sağlar. Ayrıca mastoid süreçlerine doğrudan elektriksel stimülasyon uygulaması ile vestibüler sistemin rolünü incelemek için cihaz genişletmek mümkündür, bu kafa hızı hissi oluşturabilir ve postural tepkiler uyandırmak¹²,¹³ .

Diğerleri de insan postural kontrol çalışması için benzer cihazlar geliştirdik, doğrusal piezo elektrik aktüatörler¹¹, döner elektrik motorları^14,15, ve lineer elektrik motorları^{16,17 , 18} ayakta ayak bileği mekanik pertürbasyonları uygulamak için kullanılmıştır. Daha karmaşık cihazlar da aynı anda ayak bileği ve kalça eklemlerine birden fazla tedirginlik uygulamak mümkün olduğuçok segmentli postural kontrol çalışması için geliştirilmiştir ,²⁰.

Ayakta aparat

İki servo kontrollü elektrohidrolik döner aktüatör, ayak bileği pozisyonunun kontrollü tedirginliklerini uygulamak için iki pedal hareket ettirin. Aktüatörler postural kontrol için gerekli olan büyük torklar (>500 Nm) üretebilir; bu özellikle ileri yalın gibi durumlarda önemlidir, vücudun kütle merkezi uzak olduğu (ön) rotasyon ayak bileği ekseninden, postural kontrol için ayak bileği tork büyük değerlere neden.

Her döner aktüatör ayrı bir orantılı servo vana tarafından kontrol edilir, pedal konumu geribildirim kullanılarak, aktüatör şaft üzerinde yüksek performanslı bir potansiyometre ile ölçülen(Malzeme Tablosu). Denetleyici, MATLAB tabanlı xPC tabanlı gerçek zamanlı, dijital sinyal işleme sistemi kullanılarak uygulanır. Aktüatör / servo-valf birlikte fazla 40 Hz bir bant genişliği var, çok genel postural kontrol sisteminin bant genişliği daha büyük, ayak bileği eklem sertliği, ve merkezi denetleyici²¹.

Sanal gerçeklik cihazı ve çevre

Bir sanal gerçeklik (VR) kulaklık(Tablo Malzemeler)görme tedirgin etmek için kullanılır. Kulaklık, kullanıcıya cihaza gönderilen ortamın stereoskopik görünümünü sağlayan ve üç boyutlu derinlik algısı sunan bir LCD ekran (çift AMOLED 3.6'' ekran ve göz başına 1080 x 1200 piksel çözünürlüğe sahip ekran içerir. Yenileme oranı 90 Hz, kullanıcılara sağlam bir sanal anlamda sağlamak için yeterli²². Ekranın görüş alanı 110°' dir ve gerçek dünyadaki durumlara benzer görsel tedirginlikler oluşturmaya yeterlidir.

Kulaklık, kullanıcının kafasının dönüşünü izler ve kullanıcının sanal ortama tamamen daldırılabilmek için sanal görünümü buna göre değiştirir; bu nedenle, normal görsel geribildirim sağlayabilir; ve aynı zamanda sagital düzlemde görme alanı döndürerek görme perturb olabilir.

Kinetik ölçümler

Dikey reaksiyon kuvveti dört yük hücresi ile ölçülür, ayak altında iki plaka arasında sıkışmış(Malzeme Tablosu). Ayak bileği torku, 565 Nm kapasiteli tork transdüserleri ve 104 kNm/rad ton sertliği ile doğrudan ölçülür; aynı zamanda yük hücreleri tarafından aktarılan dikey kuvvetlerden dolaylı olarak ölçülebilir, dönüş ayak bileği eksenine olan mesafeleri kullanılarak²³, ayakta ayaklara uygulanan yatay kuvvetler küçük olduğunu varsayarak^2,24. Basınç merkezi (COP) sagital düzlemde ayak bileği torku toplam dikey kuvvet, yük hücreleri²³tarafından ölçülen bölünerek ölçülür.

Kinematik ölçümler

Ayak açısı pedal açısı ile aynıdır, çünkü ayak bileği stratejisi kullanıldığında, deneğin ayağı pedalla hareket eder. Dikey olarak sap açısı, 50 μm çözünürlüğe ve 750 Hz²⁵bant genişliğine sahip bir lazer aralığı bulucu(Malzeme Tablosu)ile ölçülen sapın doğrusal yerinden dolaylı olarak elde edilir. Ayak bileği açısı ayak ve sap açılarının toplamıdır. Dikey egöre gövde açısı, sol ve sağ arka superior iliak dikenler (PSIS) arasındaki orta noktanın doğrusal yerinden dolaylı olarak elde edilir ve bir lazer aralık bulucu(Malzeme Tablosu)ile ölçülür. 100 μm ve bant genişliği 750 Hz²³. Baş pozisyonu ve rotasyonu, vr ortamının küresel koordinat sistemine göre, milimetrenin altında olan kulaklık IR sensörleri tarafından alınan saniyede 60 darbeyle zamanlanmış kızılötesi (IR) darbeleri yayan VR sistem baz istasyonları tarafından ölçülür. Hassas.

Veri toplama

Tüm sinyaller 486,3 köşe frekansına sahip bir takma ad filtresi ile filtrelenir ve daha sonra 1000 Hz'de yüksek performanslı 24 bit/8 kanallı, eşzamanlı örnekleme, dinamik sinyal edinme kartları(Tablo)dinamik bir 20 V aralığındadır.

Güvenlik mekanizmaları

Deneklerin yaralanmasını önlemek için ayakta duran cihaza altı güvenlik mekanizması dahil edilmiştir; pedallar ayrı ayrı kontrol edilir ve birbirine asla müdahale edilmez. (1) Aktüatör şaftında, şaft dönüşü ± 20° yatay konumundan geçerse hidrolik basıncı kesen bir valfi mekanik olarak çalıştıran bir kam vardır. (2) İki ayarlanabilir mekanik durak aktüatörün hareket aralığını sınırlar; bunlar, her deneğin her denemeden önceki hareket aralığına göre ayarlanır. (3) Hem denek hem de deneyci panik düğmesine basılıtutar; düğmeye basıldığında hidrolik güç aktüatörlerden kesilir ve gevşemelerine neden olur, böylece elle hareket ettirilebilirler. (4) Konunun her iki tarafında bulunan korkuluklar, istikrarsızlık durumunda destek sağlamak için kullanılabilir. (5) Denek, düşme durumunda onları desteklemek için tavandaki sert çapraz çubuklara bağlı tam vücut koşum takımı(Malzeme Tablosu)giyer. Koşum gevşektir ve nesne kararsız olmadığı sürece normal duruşu engellemez, koşum nesnesinin düşmesini önler. Düşme durumunda pedal hareketleri, panik düğmesi veya deneyci tarafından konu tarafından manuel olarak durdurulur. (6) Servo-valfler elektrik beslemesinin kesintiye uğraması durumunda aktüatörlerin dönüşlerini arıza emniyetli mekanizmalar kullanarak durdurur.

Protokol

Tüm deneysel yöntemler McGill Üniversitesi Araştırma Etik Kurulu tarafından onaylanmıştır ve denekler katılmadan önce bilgilendirilmiş onayları imzalarlar.

1. Deneyler

NOT: Her deneme aşağıdaki adımları içerir.

1. Ön test
   1. Gerçekleştirilecek tüm denemelerin kesin bir anahatını hazırlayın ve veri toplama için bir denetim listesi hazırlayın.
   2. Gerekli tüm bilgileri içeren bir onay formu verin, iyice okumalarını, sorularınızı yanıtlamalarını isteyin ve sonra formu imzalamalarını isteyin.
   3. Deneğin ağırlığını, boyunu ve yaşını kaydedin.
2. Konu hazırlığı
   1. Elektromiyografi ölçümü
      1. Ayak bileği kaslarının elektromiyografisinin (EMG) ölçümü için 1 cm'lik elektrot mesafesi olan tek diferansiyel elektrotlar(Malzeme Tablosu)kullanın.
      2. Toplam 1000 kazanç ve 20−2000 Hz bant genişliğine sahip bir amplifikatör(Malzeme Tablosu)kullanın.
      3. Gürültü oranına (SNR) ve minimal çapraz konuşma için yüksek bir sinyal sağlamak için, elektrot eki alanlarını Seniam projesi²⁶tarafından sağlanan yönergelere göre bulun ve işaretleyin: (1) medial gastroknemius (MG) için, en belirgin şişkinlik kas; (2) lateral gastroknemius için (LG), fibula başı ve topuk arasındaki çizginin 1/3; (3) soleus (SOL) için, femur medial kondiles ve medial malleolus arasındaki hattın 2/3; (4) tibialis anterior için (TA), fibula ucu ve medial malleolus ucu arasındaki çizginin 1/3.
      4. İşaretli bölgeleri jiletle tıraş edin ve cildi alkolle temizleyin. Cildin iyice kurumasını bekleyin.
      5. Referans elektrot için patella üzerinde kemikli bir alan tıraş ve alkol ile temizleyin.
      6. Denek rahat bir supine pozisyonda yalan var.
      7. Referans elektrot'u patellanın tıraşlı alanına yerleştirin.
      8. Elektrotları kasların tıraşlı bölgelerine tek tek takın, çift taraflı bant kullanarak, elektrotların cilde güvenli bir şekilde sabitolmasını sağlamaya özen.
      9. Her elektrot yerleştirdikten sonra, deneğe direnç karşısında plantarflexing/dorsiflexing kontraksiyonu yapmasını isteyin ve EMG sinyalinin yüksek Bir SNR'ye sahip olduğundan emin olmak için bir osiloskoptaki dalga formlarını inceleyin. Sinyal SNR zayıfsa, elektrotları yüksek SNR'li bir konuma gelene kadar hareket ettirin.
      10. Nesnenin hareketlerinin EMG kabloları tarafından engellenmediğinden emin olun.
   2. Kinematik ölçümler
      1. Sap açısı ölçümü için kullanılacak bir kayışile sapa yansıtıcı bir işarettintin.
         NOT: Belirli bir dönüş için mümkün olan en büyük doğrusal yer değiştirmeoluşturmak için sap işaretçisini mümkün olduğunca yüksek bir yere yerleştirin, bu nedenle açısal çözünürlüğü geliştirin.
      2. Denek vücut koşumuna tak.
      3. Üst gövde açısı ölçümü için kullanılacak bir kayış ile deneğin beline yansıtıcı bir işarettintakın. Bel yansıtıcı belirteci sol ve sağ PSIss arasında orta noktada yerleştirilir ve konunun giyim bel yansıtıcı yüzeyi kaplamaz emin olun.
      4. Denek ayakta ki aparata binsin.
      5. Deneğin ayak pozisyonunu, her bacağın lateral ve medial malleollerini pedalın dönüş eksenine hizalamak için ayarlayın.
      6. Bir işaretleyici ile deneğin ayak konumlarını ana hatlarını ve deneyler sırasında aynı yerlerde ayaklarını tutmak için talimat. Bu, ayak bileklerinin ve aktüatörlerin dönme eksenlerinin deneyler boyunca hizalı kalmasını sağlar.
      7. Yansıtıcı belirteçlerin merkezine işaret edecek şekilde lazer aralık bulucularının dikey konumunu ayarlayın. Lazer aralık bulucu sularını ve yansıtıcı işaretleri arasındaki yatay mesafeyi ayarlayın, böylece aralık bulucuları orta aralıklarında çalışır ve sessiz duruş sırasında doygunluk yapmayın.
      8. Konu ayak bileği hakkında ileri ve geri eğilin ve lazerler kendi çalışma aralığı içinde kalmasını sağlamak.
      9. Rotasyon ayak bileği eksenine göre lazer aralığı bulucuların yüksekliğini ölçün.
         NOT: Bu yükseklikler, doğrusal yer değiştirmeleri açılara dönüştürmek için kullanılır.
   3. Deneysel protokoller
      1. Her deneme koşulu için ne beklemesi gerektiğini konuyu bildirin.
      2. Deneğe, ileriye bakarken elleri yanında sessizce durmasını ve gerçek dünyadaki tedirginliklerle karşılaştığında dengelerini koruduklarını öğretin.
      3. Tedirgin denemeler için, tedirginlik başlayın ve konu uyum sağlar.
      4. Özne kararlı bir davranış oluşturduktan sonra veri toplamayı başlatın.
      5. Yorgunluğu önlemek için her denemeden sonra yeterli dinlenme süresi ile konu sağlayın. Daha fazla zamana ihtiyaçları olup olmadığını görmek için onlarla iletişim kurun.
      6. Aşağıdaki denemeleri gerçekleştirin.
         1. Cihaz testi için, nesnenin gelişinden önce sensör verilerini 2 saat incelemek için 2 dakika lık bir test yapın. Kaydedilen sensör verilerinde düzensiz büyük seslere veya uzaklıklara bakın. Sorun varsa, konu gelmeden önce bunları çözün.
         2. Sessiz bir duruş için, hiçbir tedirginlik ile 2 dakika sessiz ayakta deneme gerçekleştirin.
            NOT: Bu deneme, pertürbations yanıt olarak postural değişkenler değiştirmek olup olmadığını / nasıl belirlemek için gerekli bir başvuru sağlar.
         3. Tedirgin deneyler için, tedirginliği çalıştırın ve 2−3 dk. Amaç somatosensoriyel sistemin/ayak bileği sertliğinin ayaktaki rolünü araştırmaksa pedal pertürbasyonları uygulayın. Amaç postural kontrolde görmenin rolünü incelemekse görsel tedirginlikler uygulayın. Amaç postural kontrolde iki sistem etkileşimini incelemek ise aynı anda görsel ve pedal perturbations uygulayın.
            NOT: Pedal tedirginlikleri duran cihazın pedallarının dönüşü olarak uygulanır. Benzer şekilde, sanal görsel alanın VR kulaklığı kullanılarak döndürülerek görsel tedirginlikler uygulanır. Pedal/görme alanının açısı, çalışmanın hedeflerine bağlı olarak seçilen bir sinyali izler. Tartışma bölümünde, postural kontrolün incelenmesinde kullanılan tedirginlik türleri ve her bir tedirginliğin yararları ile ilgili ayrıntılar verilmektedir.
      7. Her belirli bir tedirginlik için en az 3 deneme gerçekleştirin.
         NOT: Toplanan veriler üzerinde analiz yapılırken modellerin güvenilirliğini sağlamak için birden çok deneme yapılır; örneğin, modelleri doğrulamak çapraz mümkündür.
      8. Deneklerin belirli bir tedirginlik tepki meyi öğrenmediğinden emin olmak için denemeleri rasgele sırayla gerçekleştirin; bu da zaman değişen davranışı denetlemek mümkün kılar.
      9. Edinilen sinyallerin yüksek kalitede olduğundan emin olmak için her denemeden sonra verileri görsel olarak kontrol edin.

2. İnsan postural kontrolünün belirlenmesi

1. Vücut açısının görsel tedirginliklerle dinamik ilişkisinin parametrik olmayan tanımlaması
   1. Deney
      1. Bölüm 1.1 ve 1.2'deki adımlara göre 2 dakika boyunca görsel olarak tedirgin denemeler elde edin.
      2. 0,087 rad ve 0,105 rad/s hıza sahip bir yamuk sinyal (TrapZ) kullanın.
      3. Pedal konumunu sıfır açıyla sabit tutun.
   2. Analysis
      NOT: 2.1.2 ve 2.2.2 bölümlerindeki veri analizi MATLAB kullanılarak gerçekleştirilir.
      1. Aşağıdaki komutları kullanarak ham gövde açısını ve görsel tedirginlik sinyallerini (en yüksek gözlemlenebilir frekans 10 Hz olacak şekilde) yok edin:
         
         
         Nerede
         
         
         
         NOT: 1 kHz'lik bir örnekleme oranı için, en yüksek frekans10 Hz'e sahip olmak için yoklama oranı 50 olmalıdır.
      2. Güç tahmini için pencere uzunluğunu belirleyecek en düşük ilgi sıklığını seçin.
         NOT: Burada minimum 0,1 Hz frekansı seçilir, bu nedenle güç tahmini için pencere uzunluğu 1/0.1 Hz = 10 s'dir. Frekans çözünürlüğü minimum frekansla aynıdır ve bu nedenle hesaplamalar 0,1, 0,2, 0,3, ..., 10 Hz için yapılır.
      3. Güç spektrumunu bulmak için pencere türünü ve çakışma derecesini seçin.
         NOT: 120 s'lik bir deneme uzunluğu için, P çakışan 10 s Hanning pencereleri, güç spektrumu tahmini için ortalama 23 segmentin intihanı sağlar. Verileri 20 Hz'e döktükettiğimizden beri, 10'luk bir pencerenin uzunluğu 200 örnek.
      4. Sistemin frekans yanıtını (FR) bulmak için işlevi kullanın:
         
         Nerede
         
         
         
         
         NOT: Sunulan fonksiyon, belirtilen frekanslarda yok edilmiş VR pertürbasyonu ile gövde açısı arasındaki çapraz spektrumu, belirtilen uzunluğa sahip bir Hanning penceresi ve çakışma sayısının (yani, 50% örtüşme). Benzer şekilde, VR girişinin otomatik spektrumu hesaplar. Daha sonra, tahmini çapraz spektrum ve otomatik spektrum kullanarak, sistemin FR'sini hesaplar.
      5. Aşağıdaki komutları kullanarak, adım 2.1.2.4'te tahmini FR'nin kazancını ve aşamasını bulun:
         
         
         Nerede
         
         
      6. Aşağıdaki komutu kullanarak tutarlılık işlevini hesaplayın:
         
         Nerede
         
         NOT: fonksiyon arasında tutarlılık bulmak için benzer bir yordam izler .
      7. Sıklığın bir fonksiyonu olarak kazancı, aşamayı ve tutarlılığı çizin.
         
         
         
         NOT: Sunulan yöntem, hem görsel hem de mekanik tedirginliklerin uygulandığı, çoklu girişli, çoklu çıkışlı (MIMO) FR tanımlama yönteminin kullanılması gereken duruma genişletilebilir⁹. Tanımlama aynı zamanda altuzay yöntemi (doğal olarak MIMO sistemleri ile ilgilidir)²⁷ veya MIMO Box-Jenkins²⁸gibi parametrik transfer fonksiyonu yöntemleri kullanılarak da yapılabilir. MATLAB sistem tanımlama araç kutusunda hem altuzay hem de Box-Jenkins (ve diğer yöntemler) uygulanmaktadır.
2. Ayakta ayak bileği içsel sertliğinin parametrik tanımlaması
   1. Deney
      1. 2 dakika boyunca mekanik olarak tedirgin denemeler yapın. 0,02 rad tepeden tırnağa genlik ve 200 ms'lik bir anahtar aralığı yla sözde rastgele ikili diziler (PRBS) perturbasyonu kullanın.
   2. Analysis
      1. Ayak hızını elde etmek içinayak sinyalini bir kez ayırt etmek ( , ayak ivmesi elde etmek için iki kez ( ve onun elde etmek için üç kez ( Benzer şekilde hız ve ivme elde etmek için tork ayırt, aşağıdaki kullanarak Komut:
         
         Nerede
         
         
         
      2. Aşağıdaki komutu kullanarak darbeleri bulmak için ayak hızının yerel maxima ve yerel minima konumunu hesaplayın:
         
         
         Nerede
         
         
         
         
         NOT: fonksiyon tüm yerel maxima (pozitif ayak hızı) ve konumlarını bulur. Yerel minima bulmak için, aynı fonksiyon kullanılır, ancak ayak açısı hızı işareti ters olmalıdır.
      3. Aşağıdaki komutu kullanarak, 50 Hz köşe frekansı ile⁸ sıra Butterworth düşük geçişli filtre tasarlayın:
         
         
         
         
         
      4. Butterworth filtresini kullanarak sıfır faz kayması ile tüm sinyalleri filtreleyin:
         
         
         
         NOT: "filtfilt" fonksiyonu filtrelenmiş sinyalde herhangi bir değişiklik yapmaz. Bir kayma oluşturduğundan "filtre" işlevinikullanmayın.
      5. Ayak hızını çizin ve görsel olarak ayak hızının ekstremisi ile darbenin başlangıcı arasındaki zaman diliminin tahminini bulun (en yüksek hızdan önce sıfır ayak hızına sahip ilk noktadır). Bu çalışmada pertürbasyon için, bu nokta 2.2.2.2 adımda bulunan hız ekstremaönce 25 ms oluştu.
      6. Her darbe için, darbe başlamadan önce 25 ms ayak bileği tork ortalaması olarak ayak bileği arka tork hesaplamak, yani, hız ekstrema önce 25 ms kadar 50 ms başlayan segmentinde tork ortalaması. Aşağıdaki komutu kullanarak pozitif bir hız ile k^th darbe için bunu yapın:
         
         
         
         NOT: Bu adım 2.2.2.2 bulunan maksimum ve minimum hızları (negatif ayak hızı) için yapılır.
      7. Aşağıdaki komutu kullanarak tüm darbeler için en az ve maksimum arka plan torklarını bulun:
         
         
      8. Her darbe için, aşağıdaki komutu kullanarak, darbe başladıktan sonra (içsel tork segmenti olarak) 65 ms tork verilerini ayıklayın:
         
         
         NOT: Bu da ayak bileği tork birinci ve ikinci türevi için yapılır (içsel tork birinci ve ikinci türevi sağlamak için), yanı sıra, ayak açısı, ayak hızı, ayak ivme, ve ayak.
      9. K^th intrinsic tork segmentindeki değişimi aşağıdaki komutu kullanarak ilk değerinden hesapla:
         
         NOT: Bu elde etmek için ayakaçısı için benzer şekilde yapılır.
      10. Tork aralığını (adım 2.2.2.7'de elde edilen) 3 Nm genişliğindeki kutulara bölün ve her bir kutuda arka plan torku olan darbeleri bulun.
          NOT: Bu"bul" fonksiyonu ve dizinleme kullanılarak yapılır. Ayak bileği arka plan torku önemli ölçüde değişmez beri içsel sertlik, her kutu sabit olduğu varsayılır.
      11. Genişletilmiş içsel modelin (EIM)^29'uniçsel sertlik parametrelerini tahmin edin , j grubundaki darbeleri kullanarak j^th bin için ( ).
          1. Vektörü oluşturmak için j^th kutusundaki tüm içsel tork yanıtlarını biraraya getirmek:
             
             j grubunda i^th ( ) içsel tork tepkisi nerededir.
             NOT: Benzer şekilde, adım 2.2.2.11.2'de kullanılacak j^grubu içsel tork birinci ve ikinci türevleri ve kontakt ayak açısı, hız ve ivme.
          2. Gerici matrisoluşturmak için ayak açısı, hız, ivme ve yanı sıra grup j tork birinci ve ikinci türevi birlikte yerleştirin:
             
          3. Backslash (\) işleci kullanarak j^grubu için içsel sertlik parametrelerini bulun:
             
          4. Düşük frekanslı içsel sertlikolarak dördüncü elemanı ayıklayın.
      12. Tüm gruplar (kutular) için bölüm 2.2.2.11'deki adımları gerçekleştirin ve buna karşılık gelen düşük frekanslı içsel sertliği tahmin edin.
      13. Tüm tahmini düşük frekanssertlik değerlerini öznenin kritik sertliğine göre bölün:
          
          m öznenin kütlesi, g yerçekimi ivme, ve dönme ayak bileği ekseni üzerinde kütle nin vücut merkezinin yüksekliği, antropometrik veri elde³⁰. Bu normalleştirilmiş sertlikverir ( ).
      14. Ayak bileği arka plan torkuarka plan COP pozisyonuna dönüştürün ( ) ilgili ölçülen dikey kuvvetler ile ayak bileği arka torkbölerek.
      15. Baskı merkezinin bir fonksiyonu olarak çizim.
          
          Nerede
          
          

Sonuçlar

Sözde rastgele üçüncül dizi (PRTS) ve TrapZ sinyalleri

Şekil 2A, sözde rastgele hız profilinin entegre edilmesiyle oluşturulan bir PRTS sinyalini gösterir. Her örneklem zamanı için, sinyal hızı sıfıra eşit olabilir veya önceden tanımlanmış pozitif v...

Tartışma

İnsan postural kontrolünü incelemek için bu deneylerin icrasında birkaç adım çok önemlidir. Bu adımlar sinyallerin doğru ölçümü ile ilişkilidir ve şunlardır: 1) ayak bileği torklarının doğru ölçümü için, pedalların dönme sapı ayak bileği ekseninin doğru hizalanması. 2) Aralık bulucularının kendi aralıklarında çalıştıklarından ve deneyler sırasında doygun olmadıklarından emin olmak için doğru kurulumu. 3) Kaliteli ve en az çapraz konuşma ile EMG ölçümü. 4) Uygun pertürbations uygulanması, hangi yeterli yanıtları uyandırma...

Malzemeler

Bu makalede kullanılan malzemelerin listesi

Ad	Şirket	Katalog numarası	Yorumlar
5K potansiyometre	Maurey	112P19502	Aktüatör mili açısını ölçer
8 kanal Bagnoli yüzey EMG amplifikatörleri ve elektrotları	Delsys		Ayak bileği kaslarının EMG'sini ölçer
AlienWare Laptop	Dell Inc.	P69F001-Rev. A02	VR'ye hazır PC dizüstü bilgisayar
Veri toplama kartı	Ulusal enstrümanlar	4472	Sensörlerden gelen analog sinyalleri örnekler
Yön valfi	REXROTH	4WMR10C3X	Aktüatör milinin açısı ±'nin ötesine geçerse akışı atlar; 20&derece;
Tam vücut emniyet kemeri	Jelco	740	Nesneleri düşmeye karşı koruyun
Lazer mesafe bulucu	Micro-epsilon 1302-100	1507307	Şaft doğrusal yer değiştirmeyi ölçer
Lazer mesafe bulucu	Micro-epsilon 1302-200	1509074	Gövde doğrusal yer değiştirmesini ölçer
Yük hücresi	Omega	LC302-100	Dikey reaksiyon kuvvetlerini ölçer
Oransal servo valf	MOOG	D681-4718	Döner aktüatörlere giden hidrolik akışı kontrol eder
Döner aktüatör	Rotac	26R21VDEISFTFLGMTG	Mekanik bozulmaları uygular
Tork dönüştürücü	Lebow	2110-5k	Ayak bileği torkunu ölçer
Sanal Ortam Hareket İzleyiciler	HTC inc.	1551984681	Kafa hareketini izler
Sanal Gerçeklik Kulaklık HTC	inc.	1551984681	Görsel bozulmalar sağlar