Dit artikel is een samenvatting van het proefschrift “Quantifying balance control during stance: A multivariate system identification approach”. Vallen in het dagelijks leven is niet ongewoon; als kinderen leren staan of lopen gaat dat letterlijk met vallen en opstaan. Echter naar mate we ouder worden, neemt het risico op vallen toe. Ongeveer één op de drie thuiswonende ouderen valt één of meerdere keren per jaar, vaak met serieuze gevolgen. Naast botbreuken, is de angst om opnieuw te vallen van grote invloed op dagelijkse activiteiten. Er is grote vraag naar vernieuwde diagnostische technieken om de onderliggende oorzaak van een val vast te stellen en op basis hiervan een doelgerichte behandeling op te kunnen stellen om het valrisico te verminderen.
Introductie
Het houden van balans is geen bewuste bezigheid. We doen dat de hele dag onder verschillende omstandigheden, maar toch is het minder makkelijk dan het lijkt. Omdat de zwaartekracht voortdurend invloed uitoefent op ons lichaam, ontstaat er een constante instabiele situatie en zonder een goed regelmechanisme zouden we niet rechtop kunnen blijven staan. Bij balanshandhaving zijn meerdere onderliggende systemen betrokken, zoals de sensorische systemen, de spieren en het zenuwstelsel. Deze systemen vormen samen het complexe regelmechanisme dat het lichaam rechtop houdt. Dit wordt de neuromusculaire regelaar genoemd. Door het verouderingsproces kunnen de onderliggende systemen van de neuromusculaire regelaar in kwaliteit achteruit gaan: het sensorische systeem kan bijvoorbeeld aangetast worden door polyneuropathie of staar, de spierkracht vermindert met ouderdom en de coördinatie van bewegingen wordt bemoeilijkt door afgenomen geleiding van signalen in het zenuwstelsel. Eén of een combinatie van deze factoren verhoogt het risico op vallen [1].
Het effect van de huidige klinische balans testen op het verminderen van valrisico is twijfelachtig. De testen bekijken weliswaar of een patiënt in staat is rechtop te blijven staan onder verschillende omstandigheden, maar er wordt geen onderscheid gemaakt in de kwaliteit en bijdrage van de afzonderlijke systemen in de neuromusculaire regelaar. Deze testen hebben dan ook weinig tot geen invloed op het voorschrijven van een doelgerichte behandeling. Het is voornamelijk moeilijk om problemen met de balanshandhaving in een vroeg stadium te detecteren, omdat ouderen vaak compensatiestrategieën gebruiken om rechtop te blijven staan. Daardoor zijn oorzaak en gevolg niet duidelijk. Er zijn daarom nieuwe onderzoekmethodes nodig die zowel de kwaliteit van de onderliggende systemen als de aanwezige compensatiestrategieën kunnen kwantificeren [2].
Methoden
Technieken uit het vakgebied van de systeem- en regeltechniek kunnen hierin een oplossing bieden. De zogeheten systeemidentificatie technieken (Figuur 1) in combinatie met extern aangebrachte verstoringen, kunnen de mogelijkheid bieden om oorzaak-en-gevolg relaties bij balanshandhaving te ontrafelen. Door het menselijk balanssysteem op verschillende plaatsen te verstoren met een uniek signaal, ontstaat er een causale relatie tussen deze extern aangebrachte verstoringen en de menselijke reacties. Het is nu, met de juiste analysemethodes, mogelijk het gedrag van de neuromusculaire regelaar te identificeren. Dit resulteert in zogeheten Frequentie Responsie Functies (FRFs). Vervolgens kan er een wiskundig model van de balans handhaving afgestemd worden op de verkregen FRFs. Deze fysiologische relevante parameters kunnen dan vergeleken worden tussen groepen, individuen of experimentele condities [3].
Om de verstoringen aan te kunnen brengen die nodig zijn voor de toepassing van de systeemidentificatie technieken, is er een nieuw apparaat ontwikkeld, genaamd de ‘Balance Test Room’ of afgekort de ‘BalRoom’ (Figuur 2). De BalRoom bestaat uit drie modules, die elk een onderliggend systeem van de neuromusculaire regelaar verstoren. Allereerst staat de proefpersoon op een roterende ondergrond, waarmee de proprioceptieve informatie vanuit de benen gemanipuleerd kan worden. Daarnaast kijkt de proefpersoon naar een roterend scherm, waarmee de volledige visuele informatie verstoord wordt. Met de combinatie van de twee sensorische verstoringen kan de relatieve bijdrage van de sensorische informatie in de balanshandhaving bepaald worden. Verschillen tussen jongeren en ouderen komen vaak beter naar voren als er gekeken wordt naar de coördinatie tussen het enkel- en heupgewricht, ofwel multi-segmentale balanshandhaving. Daarom bevat de derde module van de BalRoom een apparaat dat krachtverstoringen kan aanbieden op de heup en tussen de schouderbladen. Naast deze externe mechanische verstoringen, kan het apparaat ook krachtvelden aanbieden, waarmee het mogelijk is om het aanpassingsvermogen van multi-segmentale balanshandhaving te onderzoeken [4].
Figuur 1: De toepassing van systeemidentificatie technieken om de onderliggende mechanismen van de neuromusculaire regelaar te detecteren
Resultaten
Binnen een populatie van gezonde jongeren en gezonde ouderen, zijn veranderingen door leeftijd in de multi-segmentale balanshandhaving onderzocht. Het aanpassingsvermogen werd bestudeerd met behulp van externe krachtvelden (een externe stijfheid op de heup), die de balans stabiliseerde, of destabiliseerde. FRFs gaven de relatie weer tussen de corrigerende gewrichtsmomenten als een reactie op lichaamsbewegingen, wat resulteerde in een identificatie van de dynamica van de neuromusculaire regelaar. Ouderen hadden een hogere FRF magnitude vergeleken met jongeren, wat suggereert dat ouderen stijver zijn. Wanneer er een stabiliserend of destabiliserend krachtveld werd aangeboden op de heup, pasten zowel de jongeren als de ouderen hun balanshandhaving hierop aan. De neuromusculaire regelaar acties rond de enkel werden verhoogd/verlaagd, wat te zien was in de verandering van FRF magnitude. Echter pasten ouderen zich minder aan op de krachtvelden dan de jongeren. Model fits op de FRF lieten zien dat ouderen vergelijkbare reflexieve eigenschappen hadden vergeleken met de jongeren, maar dat zij deze minder aanpasten. Daarnaast hadden ouderen een hogere intrinsieke stijfheid van spieren rond de enkel en hogere tijdsvertraging. Deze veranderingen in het aanpassingsvermogen van multi-segmentale balanshandhaving als gevolg van leeftijd, kunnen ten grondslag liggen aan het toegenomen valrisico bij ouderen [5].
Ook zijn er verschillen gevonden tussen ouderen met specifieke leeftijdsgebonden aandoeningen, zoals staar, polyneuropathie en ouderen met algehele balansproblemen [6].
Voordat een klinische toepassing van de deze technieken bewerkstelligd kan worden, moet de validiteit aangetoond worden. De betrouwbaarheid de BalRoom metingen is onderzocht in een populatie van gezonde ouderen, op basis van twee metingen op drie dagen. De betrouwbaarheid werd vergeleken met een parameter die vaak als klinische maat gebruikt wordt, namelijk de hoeveelheid lichaamszwaai. De balansparameters bevatten een systematische fout, er is namelijk een verschil in de uitkomsten tussen de eerste en tweede meting op een dag. De balansparameters zijn wel betrouwbaar, wat betekent dat de uitkomsten vrij zijn van toevallige fouten. Met de BalRoom kunnen dus verschillen binnen de proefpersoon gedetecteerd kunnen worden (bijvoorbeeld het effect van interventies of verschillende experimentele condities). Om systematische fouten te voorkomen, kan een gewenningsmeting worden uitgevoerd aan het begin van een dag [7].
Conclusie
Het gebruik van systeemidentificatie technieken, in combinatie met externe verstoringen geeft meer inzicht in de onderliggende fysiologie van balanshandhaving en de verschillen die kunnen ontstaan door ouderdom. Het gebruik van de BalRoom met bijbehorende systeemidentificatie technieken als een diagnostisch middel, kan helpen om verminderde balanshandhaving te detecteren en uiteindelijk de gevolgen van vallen te verkleinen.
Referenties
[1] J.H. Pasma, D. Engelhart, A.C. Schouten, H. van der Kooij, A.B. Maier, C.G.M. Meskers. Impaired standing balance: The clinical need for closing the loop. Neuroscience 267 (2014) 157-165
[2] Denise Engelhart, Jantsje H. Pasma, Alfred C. Schouten, Carel G.M. Meskers, Andrea B. Maier, Thomas Mergner, Herman van der Kooij. Impaired Standing Balance in Elderly: A New Engineering Method Helps to Unravel Causes and Effects. JAMDA 15 (2014) 227.e1-227.e6
[3] D. Engelhart, T.A. Boonstra, R.G.K.M. Aarts, A.C. Schouten and H. van der Kooij. Comparison of closed loop system identification methods to quantify multi-joint human balance control. Annual Reviews in Control (in press)
[4] D. Engelhart, A.C. Schouten, R.G.K.M. Aarts, H. van der Kooij. Assessment of multi-joint coordination and adaptation in standing balance: a novel device and system identification technique. IEEE TNSRE (2015) 23: 973–982.
[5] D. Engelhart, J.H. Pasma, A.C. Schouten, R.G.K.M. Aarts, C.G.M. Meskers, A.B. Maier, H. van der Kooij. Adaptation of multi-joint coordination during standing balance in healthy young and healthy old individuals. Journal of Neurophysiology (in press)
[6] J.H. Pasma, D. Engelhart, A.B. Maier, A.C. Schouten, H. van der Kooij, C.G.M. Meskers. Changes in sensory weighting and reweighting of proprioceptive information during standing balance with age and disease. Journal of Neurophysiology (in press)
[7] J.H. Pasma*, D. Engelhart*, A.C. Schouten, R.G.K.M. Aarts, C.G.M. Meskers, A.B. Maier, H. van der Kooij. Reliability of system identification techniques to assess standing balance in healthy elderly. PLOS ONE (in press) *both authors contributed equally
