University概要この記事では、人間の姿勢制御を研究するための実験的/分析的枠組みを紹介する。このプロトコルは、立ち実験を行い、ボディキネマティクスと運動信号を測定し、結果を分析して、人間の姿勢制御の基礎となるメカニズムに関する洞察を提供するためのステップバイステップの手順を提供します。Abstract神経および筋骨格系の多くの構成要素は、安定した直立した人間の姿勢を達成するために協調して作用する。適切な数学的方法を伴う制御実験は、人間の姿勢制御に関与する異なるサブシステムの役割を理解するために必要とされる。本稿では、人間における筋骨格系と中央制御の役割を理解することを目的として、摂動した立ち実験を行い、実験データを取得し、その後の数学的解析を行うためのプロトコルについて説明する。これらの方法によって生成された結果は、健康的なバランス制御に関する洞察を提供し、患者と高齢者のバランスの低下の病因を理解するための基礎を形成し、改善するための介入の設計を支援するので、重要です。これらの方法は、身体感覚システムの役割、足首関節の本質的な剛性、および姿勢制御における視覚系の役割を研究するために使用することができ、また、前庭系の役割を調査するために拡張されてもよい。この方法は、足首の戦略の場合に使用され、体は主に足首関節を中心に移動し、シングルリンク反転振り子と見なされます。Introduction人間の姿勢制御は、中枢神経系と筋骨格系1との複雑な相互作用を通じて実現される。立っている人体は本質的に不安定であり、様々な内部(例えば、呼吸、心拍)および外部(例えば、重力)摂動を受ける。姿勢制御は、中枢神経系(CNS)と脊髄によって媒介されるアクティブコントローラによって達成され、筋肉の活性化を変化させる。筋肉の活性化に変化なく関節の動きに抵抗する固有の剛性コントローラー(図1)。中央コントローラは、感覚情報を使用して、身体を安定させるために矯正筋力を生成する降下コマンドを生成します。感覚情報は、視覚、前庭、および身体感覚システムによって変換されます。具体的には、身体感覚システムは、支持面と関節角度に関する情報を生成します。ビジョンは、環境に関する情報を提供します。方向に関する情報を生成します。中央の閉ループコントローラは、2を不安定にする可能性のある長い遅延で動作します。アクティブコントローラの2番目の要素は反射剛性で、短い待ち時間で筋肉活動を発生させ、関節の動きに抵抗するトルクを生み出します。コントローラの両方のコンポーネントに関連付けられている待機時間があります。その結果、遅延なく作用する関節固有の剛性は、姿勢制御3において重要な役割を果たす。本質的な剛性は、収縮する筋肉、軟部組織および四肢の慣性特性の受動的粘性特性によって生成され、任意の関節運動に応答して瞬時に抵抗トルクを発生する4。姿勢制御における関節剛性(本質的および反射剛性)の役割は、筋肉活性化4、5、6および関節位置によって定義される動作条件によって変化するため、明確に理解されていない4,7,8は、いずれも体の揺れで変化し、立ち上がりに固有の。中央コントローラの役割と姿勢制御における関節剛性の識別は、バランス障害の病因を診断するための基礎を提供するため、重要です。患者のための標的介入の設計;落下のリスクの評価;高齢者の転倒防止戦略の策定矯正や人工装具などの補助装置の設計。異なるサブシステムが一緒に作用し、全体的な結果として生じる身体運動学、関節トルク、筋肉筋電学のみが測定できるため、困難です。したがって、測定可能な姿勢変数を使用して各サブシステムの寄与度を評価する実験的および分析的手法を開発することが不可欠です。技術的な問題は、姿勢変数の測定がクローズドループで行われることです。したがって、a)応答(出力として)の姿勢反応を呼び起こすために外部摂動(入力として)を適用し、b)システムモデルとディセンタングラングル原因と効果9を識別するために特殊な数学的方法を採用する必要があります。本稿では、足首戦略を使用する場合、すなわち、主に足首関節に関する動きが起こる場合の姿勢制御に焦点を当てています。この状態では、上半身と下肢が一緒に移動し、その結果、体は矢状面10における単一リンク反転振り子としてモデル化することができる。筋肉活動を記録することができる立体装置が我々の実験室12で開発された。その相互作用の役割を研究するために必要な実験環境を提供します。頭部速度の感覚を生成し、姿勢応答を呼び起こすことができるマストイドプロセスへの直接電気刺激の適用によって前庭系の役割を研究するために装置を拡張することも可能である12,13.他の人はまた、リニアピエゾ電気アクチュエータ11、回転電気モーター14、15、および線形電気モーター16、17を研究するために、人間の姿勢制御を研究するために同様のデバイスを開発しました,18は、立っている足首に機械的摂動を適用するために使用された。複雑なデバイスはまた、足首と股関節に同時に複数の摂動を適用することが可能であるマルチセグメント姿勢制御を研究するために開発されました19,20.立ち装置2つのサーボ制御された電気油圧回転式アクチュエータは足首の位置の制御された摂動を適用するために2つのペダルを動かす。Nm)を生成できます。これは、体の質量の中心が足首の回転軸から遠く(前方)離れているフォワードリーンなどの場合に特に重要であり、姿勢制御のための足首トルクの値が大きくなります。各回転アクチュエータは、アクセルシャフト(材料の表)上の高性能ポテンショメータによって測定されるペダル位置フィードバックを使用して、別々の比例サーボバルブによって制御されます。コントローラは、MATLABベースのxPCリアルタイムのデジタル信号処理システムを使用して実装されています。中央コントローラ21よりもはるかに大きい。バーチャルリアリティデバイスと環境バーチャルリアリティ(VR)ヘッドセット(材料の表)は、ビジョンを乱すために使用されます。次元の深度知覚を提供します。Hzであり、ユーザに固体仮想感覚を提供するのに十分な22.画面の視野は110°であり、現実世界の状況に似た視覚摂動を生成するのに十分です。ヘッドセットは、ユーザーの頭の回転を追跡し、ユーザーが仮想環境に完全に浸漬できるように、それに応じて仮想ビューを変更します。したがって、通常の視覚的フィードバックを提供できます。矢状面で視野を回転させることで視力を乱すこともあります。垂直反力は、足の下の2つのプレートの間に挟まれた4つのロードセルによって測定されます(材料の表)。kNm/radのねじり剛性のトルクのトランスデューサーによって直接測定される;また、荷重セルによって導出された垂直力から間接的に測定することができ、その距離を使用して回転23の足首軸を使用し、立っている足に適用される水平力が小さい2、24であると仮定する。圧力の中心(COP)は、足首のトルクを全垂直力で割ることによって矢状面で測定され、負荷セル23によって測定される。足首の戦略を使用すると、被写体の足がペダルと一緒に動くので、足角はペダル角度と同じです。Hz25の帯域幅を持つレーザーレンジファインダー(材料の表)によって測定される。足首の角度は、足とシャンク角度の合計です。垂直に対するボディ角度は、左右後部優れた腸骨脊椎(PSIS)間の中間点の線形変位から間接的に得られ、レーザー距離ファインダー(材料の表)を用いて測定した。.ヘッドの位置と回転は、VR環境のグローバル座標系に対して、時間指定赤外線(IR)パルスを毎秒60パルスで放出するVRシステムベースステーションによって測定され、ヘッドセットIRセンサによってサブミリメートルでピックアップされます。Hzでサンプリングされます。傷害を防ぐために、6つの安全機構が立ち装置に組み込まれている。ペダルは別々に制御され、互いに干渉することはありません。(1)アクチュエータシャフトにはカムがあり、シャフトの回転が水平位置から±20°を超えると油圧を切断するバルブを機械的に作動させます。(2)2つの調節可能な機械停止はアクチュエータの動きの範囲を制限する;これらは、各実験の前に各被験者の動きの範囲に設定されます。被験者と実験者の両方がパニックボタンを押す。ボタンを押すと、アクチュエータから油圧パワーが切断され、ゆるくなるので、手動で移動できます。(4)被写体の両側にある手すりは、不安定な場合にサポートを提供するために利用可能です。(5)被写体は、天井の硬いクロスバーに取り付けられた全身ハーネス(材料表)を装着し、落下時に支えます。ハーネスはたるみであり、被験者が不安定にならない限り、通常の立ち位置に干渉しません。落下の場合、ペダルの動きは、パニックボタンを使用するか、実験者によって、被験者によって手動で停止されます。サーボバルブは、電気供給の中断時にフェイルセーフ機構を使用してアクチュエータの回転を停止します。よって承認されており、被験者は参加する前にインフォームドコンセントに署名します。各実験には、次の手順が含まれます。実行するすべての試行の明確な概要を準備し、データ収集のチェックリストを作成します。図2Aは、擬似ランダム速度プロファイルを統合することによって生成されるPRTS信号を示す。各サンプル時間について、信号速度はゼロに等しいか、または事前に定義された正または負の値...Discussionいくつかのステップは、人間の姿勢制御を研究するためにこれらの実験を行う上で重要です。これらのステップは、信号の正しい測定に関連付けられており、含まれています:1)足首のトルクの正しい測定のために、ペダルの回転のシャンク足首軸の正しい位置合わせ。2)レンジファインダーの正しいセットアップは、彼らがその範囲内で動作し、実験中に飽和していないことを確認します。disclose.Acknowledgementsこの記事は、カナダ保健研究所のカタール国立研究とMOP助成金#81280からNPRP助成金#6-463-2-189によって可能になりました。reserved×-1::1。