نوع مقاله : مقاله کامل پژوهشی

نویسندگان

1 فارغ‌التحصیل کارشناسی ارشد، دانشکده‌ی مهندسی مکانیک، دانشگاه صنعتی شریف، تهران، ایران

2 دانشجوی دکترا، دانشکده‌ی مهندسی صنایع و سیستم، دانشگاه روچستر، نیویورک، آمریکا

3 دانشجوی دکترا، دانشکده‌ی فیزیوتراپی، دانشگاه علوم پزشکی شیراز، شیراز، ایران

4 مربی، دانشکده‌ی مهندسی مکانیک، دانشگاه صنعتی شریف، تهران، ایران

5 استاد، دانشکده‌ی مهندسی مکانیک، دانشگاه صنعتی شریف، تهران، ایران

10.22041/ijbme.2020.114099.1522

چکیده

شانه به دلیل داشتن درجه‌های آزادی متعدد، یک مفصل پیچیده در سیستم اسکلتی عضلانی به حساب می‌آید. در این مقاله سعی شده است تا با استفاده از تئوری سینرجی‌های متغیر با زمان، مشخص شود که اعصاب مرکزی برای ایجاد حرکت در شانه چگونه بر پیچیدگی‌های کنترلی مساله فائق می‌آید. در این راستا، تمرین‌هایی در یک فضای سه‌بعدی اطراف بدن همراه با حرکت رفت و برگشتی میله‌ی منعطف در نرم‌افزار Anybody مدل‌سازی شده، سطوح فعالیت 12 عضله‌ی منتخب در کنار گشتاور آن‌ها حول مفصل به عنوان خروجی ثبت گردیده و نتایج تحت یک ماتریس کلی طبق مفهوم سینرجی‌های عمل‌کردی به عنوان ورودی به یک الگوریتم بهینه‌سازی گرادیان محور جهت تعیین بردارهای سینرجی اعمال شده است. شیفت‌های زمانی با روش matching pursuit و ضرایب بزرگی با روش non-negative least square در هر مرحله از حل به دست آمده است. با کمک معیار R2، 5 سینرجی تونیک و 5 سینرجی فازیک انتخاب شده است که توانایی بازسازی 79% از کل داده‌ها و نیز توانایی بازسازی الگوی فعالیت عضلات مربوط به یک تمرین غیر از تمرین‌های اولیه را با دقت 60%  دارند. هر یک از سینرجی‌ها همراه با عضلات فعال در آن، در بخش‌های مشخصی از فضای فعال بوده‌اند. عضله‌ی serratus در اکثر سینرجی‌ها فعال بوده که اهمیت این عضله در انجام تمرینات با میله را نشان می‌دهد. در سینرجی 1، عضلات اکستنسوری سه‌سر فعال بوده اما عضله‌ی فلکسوری-ابداکتوری دوسر در محدوده‌ی سینرجی‌های 4 و 5 در فضای بالای سر فعال شده است. شکل‌گیری ترکیب آگونستیک و آنتاگونستیک بین دو یا چند سینرجی و نیز شکل‌گیری الگوی هم‌کاری متغیر با زمان بین عضلات در هر سینرجی در طول حرکت از دیگر نتایج این تحقیق است. این تحقیق نشان داده که پیچیدگی محاسباتی یافتن شیفت‌های زمانی به دلیل یک‌سان بودن سرعت در تمام تمرین‌ها و نیز جدا کردن بخش‌های تونیک و فازیک به دلیل گشتاور کم وزن دست و میله حول مفصل، نتوانسته درک نورولوژیک جدیدی را ارائه دهد اما به کارگیری سینرجی‌های عمل‌کردی برای تحلیل‌های دقیق‌تر موثر بوده است.

کلیدواژه‌ها

موضوعات

عنوان مقاله [English]

Effect of Hand-Held Flexi-Bar on Shoulder Functional Tonic and Phasic Time-Varying Muscle Synergies

نویسندگان [English]

  • Mehrdad Davoudi 1
  • S. Mohammad Reza Shokouhyan 1
  • Mahdi Bagheri Rouchi 1
  • Masoud Abdollahi 2
  • Soha Bervis 3
  • Maryam Hoviat Talab 4
  • Mohamad Parnianpour 5

1 M.Sc., Mechanical Engineering Department, Sharif University of Technology, Tehran, Iran

2 Ph.D., Department of Industrial and Systems Engineering, Rochester Institute of Technology, Rochester, NY 14623, USA

3 Ph.D., Department of Physical Therapy, School of Rehabilitation Sciences, Shiraz University of Medical Sciences, Shiraz, Iran

4 Faculty-Instructor, Mechanical Engineering Department, Sharif University of Technology, Tehran, Iran

5 Professor, Mechanical Engineering Department, Sharif University of Technology, Tehran, Iran

چکیده [English]

An open research question is how the central nervous system (CNS) to find a solution for the problem of redundancy or degree of freedom in the human shoulder motion control. We used time-varying synergy theory in which assumed that the relative activation between muscles is time-varying, to investigate the combination of activation patterns of muscles in twelve 3-D hand-held exercises by Flexi-Bar using Anybody Technology software (A/S, Aalborg, Denmark). Using activation of 12 muscles and the moment across the joint as an input matrix for the optimization procedure to extract functional time-varying synergies, time delays and amplitude coefficients, the achieved 5 tonic and phasic synergies explained 79% of the data variation. Matching pursuit procedure and non-negative least square used to find timing shifts and amplitude coefficients respectively. Considering a new exercise out of the primary database, 60% of the activation patterns reconstructed using time-varying synergies. Although the extracted synergies seem to be directionally tuned, the results show that due to the same velocity in all exercises and also because the torque which that was applied due to the weight of the bar and arm on the joint is not significant, both timing shifts and separation phasic-tonic parts of the activation patterns provide no further explanation on CNS behavior and finding them causes unnecessary computational cost. Future study can focus on the comparison of synergies between two or more groups of exercises by the Flexi-Bar such as holding the bar vertically or horizontally with swinging it up and down or back and forth.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Time-Varying Synergies
  • Phasic and Tonic Synergies
  • functional synergies
  • shoulder
[1]   Bateman, J.E., 1962. Athletic injuries about the shoulder in throwing and body-contact sports. Clinical Orthopaedics and Related Research®, 23, pp.75-83.
[2]   Bernstein, N., 1966. The co-ordination and regulation of movements. The co-ordination and regulation of movements.
[3]   Giszter, S., Patil, V. and Hart, C., 2007. Primitives, premotor drives, and pattern generation: a combined computational and neuroethological perspective. Progress in brain research, 165, pp.323-346.
[4]   Chhabra, M. and Jacobs, R.A., 2006. Properties of synergies arising from a theory of optimal motor behavior. Neural computation, 18(10), pp.2320-2342.
[5]   Todorov, E. and Jordan, M.I., 2002. Optimal feedback control as a theory of motor coordination. Nature neuroscience, 5(11), p.1226.
[6]   Scholz, J.P. and Schöner, G., 1999. The uncontrolled manifold concept: identifying control variables for a functional task. Experimental brain research, 126(3), pp.289-306.
[7]   Moghadam, M.N., Aminian, K., Asghari, M. and Parnianpour, M., 2013. How well do the muscular synergies extracted via non-negative matrix factorisation explain the variation of torque at shoulder joint?. Computer methods in biomechanics and biomedical engineering, 16(3), pp.291-301.
[8]   Eskandari, A.H., Sedaghat-Nejad, E., Rashedi, E., Sedighi, A., Arjmand, N. and Parnianpour, M., 2016. The effect of parameters of equilibrium-based 3-D biomechanical models on extracted muscle synergies during isometric lumbar exertion. Journal of biomechanics, 49(6), pp.967-973.
[9]   Sedaghat-Nejad, E., Mousavi, S.J., Hadizadeh, M., Narimani, R., Khalaf, K., Campbell-Kyureghyan, N. and Parnianpour, M., 2015. Is there a reliable and invariant set of muscle synergy during isometric biaxial trunk exertion in the sagittal and transverse planes by healthy subjects? Journal of biomechanics, 48(12), pp.3234-3241.
[10]Eskandari, A.H., Sedaghat-Nejad, E., Mousavi, S.J., Asghari, M. and Parnianpour, M., 2011. Employing muscular and stability synergies to perform a desired task. Iran. J. Biomed. Eng, 5, pp.257-274.
[11]Tresch, M.C., Cheung, V.C. and d'Avella, A., 2006. Matrix factorization algorithms for the identification of muscle synergies: evaluation on simulated and experimental data sets. Journal of neurophysiology, 95(4), pp.2199-2212.
[12]d'Avella, A. and Tresch, M.C., 2002. Modularity in the motor system: decomposition of muscle patterns as combinations of time-varying synergies. In Advances in neural information processing systems (pp. 141-148).
[13]Krouchev, N., Kalaska, J.F. and Drew, T., 2006. Sequential activation of muscle synergies during locomotion in the intact cat as revealed by cluster analysis and direct decomposition. Journal of neurophysiology, 96(4), pp.1991-2010.
[14]Berniker, M., Jarc, A., Bizzi, E. and Tresch, M.C., 2009. Simplified and effective motor control based on muscle synergies to exploit musculoskeletal dynamics. Proceedings of the National Academy of Sciences, pp.pnas-0901512106.
[15]d'Avella, A. and Bizzi, E., 2005. Shared and specific muscle synergies in natural motor behaviors. Proceedings of the National Academy of Sciences, 102(8), pp.3076-3081.
[16]d'Avella, A., Fernandez, L., Portone, A. and Lacquaniti, F., 2008. Modulation of phasic and tonic muscle synergies with reaching direction and speed. Journal of neurophysiology, 100(3), pp.1433-1454.
[17]d'Avella, A., Portone, A., Fernandez, L. and Lacquaniti, F., 2006. Control of fast-reaching movements by muscle synergy combinations. Journal of Neuroscience, 26(30), pp.7791-7810.
[18]d'Avella, A., Saltiel, P. and Bizzi, E., 2003. Combinations of muscle synergies in the construction of a natural motor behavior. Nature neuroscience, 6(3), p.300.
[19]Flanders, M.A.R.T.H.A. and Herrmann, U., 1992. Two components of muscle activation: scaling with the speed of arm movement. Journal of neurophysiology, 67(4), pp.931-943.
[20]Buneo, C.A., Soechting, J.F. and Flanders, M.A.R.T.H.A., 1994. Muscle activation patterns for reaching: the representation of distance and time. Journal of Neurophysiology, 71(4), pp.1546-1558.
[21]Bagheri Rouchi, M., 2013. ‘Evaluation of Trunk Movement System Strategies through the Concept of Muscle Synergies’, M.Sc Thesis, Department of Mechanical Engineering Sharif University of Technology, Tehran, Iran.
[22]Abdollahi, M., Nikkhoo, M., Ashouri, S., Asghari, M., Parnianpour, M. and Khalaf, K., 2016. A model for flexi-bar to evaluate intervertebral disc and muscle forces in exercises. Medical engineering & physics, 38(10), pp.1076-1082.
[23]Khalaf, K., Abdollahi, M., Nikkhoo, M., Hoviattalab, M., Asghari, M., Ashouri, S., Nikpour, S., Kahrizi, S. and Parnianpour, M., 2015, August. A Mechanical model for flexible exercise bars to study the influence of the initial position of the bar on lumbar discs and muscles forces. In Engineering in Medicine and Biology Society (EMBC), 2015 37th Annual International Conference of the IEEE (pp. 3917-3920). IEEE.
[24]Anders, C., Wenzel, B. and Scholle, H.C., 2008. Activation characteristics of trunk muscles during cyclic upper-body perturbations caused by an oscillating pole. Archives of physical medicine and rehabilitation, 89(7), pp.1314-1322.
[25]Gonçalves, M., Marques, N.R., Hallal, C.Z. and van Dieen, J.H., 2011. Electromyographic activity of trunk muscles during exercises with flexible and non-flexible poles. Journal of Back and Musculoskeletal Rehabilitation, 24(4), pp.209-214.
[26]Hallal, C.Z., Marques, N.R. and Gonçalves, M., 2011. Electromyographic ratio of shoulder stabilizer muscles during performance of exercises with oscillatory poles. Revista Brasileira de Medicina do Esporte, 17(1), pp.31-35.
[27]Ting, L.H. and Macpherson, J.M., 2005. A limited set of muscle synergies for force control during a postural task. Journal of neurophysiology, 93(1), pp.609-613.
[28]Chang, Y.W., Su, F.C., Wu, H.W. and An, K.N., 1999. Optimum length of muscle contraction. Clinical Biomechanics, 14(8), pp.537-542.
[29]Tresch, M.C., Saltiel, P. and Bizzi, E., 1999. The construction of movement by the spinal cord. Nature neuroscience, 2(2), p.162.
[30]Ivanenko, Y.P., Poppele, R.E. and Lacquaniti, F., 2004. Five basic muscle activation patterns account for muscle activity during human locomotion. The Journal of physiology, 556(1), pp.267-282.
[31]Gottlieb, G.L., Song, Q., Almeida, G.L., Hong, D.A. and Corcos, D., 1997. Directional control of planar human arm movement. Journal of Neurophysiology, 78(6), pp.2985-2998.
[32]Wood, J.E., Meek, S.G. and Jacobsen, S.C., 1989. Quantitation of human shoulder anatomy for prosthetic arm control—II. Anatomy matrices. Journal of biomechanics, 22(4), pp.309-325.
[33]Van der Helm, F.C., 1994. Analysis of the kinematic and dynamic behavior of the shoulder mechanism. Journal of biomechanics, 27(5), pp.527-550.
[34]Buneo, C.A., Soechting, J.F. and Flanders, M., 1997. Postural dependence of muscle actions: implications for neural control. Journal of Neuroscience, 17(6), pp.2128-2142.