Summary
本出版物的目的是呈现我们原来的工作，多肌肉表面肌电图的方法来定量表征呼吸肌肉激活模式在个人与慢性脊髓损伤采用基于矢量分析。
Abstract
在呼吸过程中，呼吸肌的激活协调的集成输入从脑，脑干和脊髓。当这种协调被打乱脊髓损伤（SCI）被攻破，呼吸肌的神经支配损伤水平以下的控制，1,2导致呼吸肌功能不全和肺并发症。这些条件是其中SCI收录3患者死亡的主要原因。呼吸运动功能进行评估的标准肺功能测试，包括气道压力spirometrical和最大成果：用力肺活量（FVC），在一秒钟用力呼气量（FEV 1），最大吸气压力（PI 最大 ），最大呼气压力（PE 最大 ） 4,5。这些值提供间接测量呼吸肌性能6。在临床实践和研究，呼吸肌的表面肌电（表面肌电）记录可以用来呼吸运动功能评估，并帮助诊断神经肌肉病变。然而，表面肌电幅度的变异抑制呼吸运动功能发展的客观和直接的措施的努力。基于多肌肉 表面肌电图的方法来表征电机控制肢体肌肉，被称为自愿响应指数（VRI）8上，我们开发了一个sEMG的记录从多个呼吸肌在自愿的数据分析工具，直接表征呼吸电机控制呼吸任务。我们称为呼吸电机控制评估（RMCA）9。这种矢量分析方法定量跨肌肉活动的数量和分布的指数的形式，在测试对象的表面肌电图的输出类似于在何种程度上涉及从健康（受伤的）控制的一组。生成的索引值已被证明具有高的表面效度，灵敏度和特异性9-11。我们发现以前RMCA成果显着水平的SCI和肺功能措施相关。我们这里提出的方法进行定量比较健康个体后脊髓损伤呼吸系统多肌肉激活模式。
Protocol
1。设置
- 表面电极头被放置在左（L），右（R）呼吸肌：胸锁乳突肌，斜角肌（S）（SC），上斜方肌在锁骨中线（UT），锁骨部分胸大肌锁骨中线（P肌腹），膈肌肋间胸骨旁线（D），在第 6肋间腋前线（IC），平脐（RA）的腹直肌，腹斜肌腋中线（O），下斜方肌paraspinally在水平midscapular（LT ）和椎旁，髂intercrestal线（PS）6 paraspinally。该接地电极被放置超过肩峰流程。 A动态实验室系统返回包单位，附有电极，连接到一个运动实验室肌电台式单位和PowerLab系统（ 图1）。
- T型管件记录的气道压力的监测电路的组装如图2所示，连接到低压力重新换能器（MP45）用空气管。
- MP45连接到CD15和PowerLab系统，系统（ 图1和表1）。
2。 RMCA协议
- 呼吸运动的任务，包括最大吸气压力任务（MIPT）和最大呼气压力任务（MEPT）。要执行MIPT MEPT，受试者产生最大残留量或呼气努力肺总容量为5秒，使用T型管件的监测电路（ 图1和图2）吸气努力。每个策略所提示声响5秒长音，反复3倍。至少有1分钟的休息时间被允许彼此之间的努力。
- EMG输入2000的增益放大，在30-1,000 Hz过滤，并在2000赫兹采样。气道压力输入校正于100厘米的水，并在2000赫兹采样。肌电图及气道压力PowerLab系统采集系统采用16位ADC满量程输入转换分辨率。气道压力，表面肌电图和标记信号，同时记录9。
3。数据分析
- 肌肉活动多分布分析窗口5秒MIPT MEPT的事件标记和记录信号的提示指令音的主题，从什么时候开始和结束任务（ 图3）气道压力测定。计算每块肌肉的表面肌电图活动使用根均方根（RMS）算法6,12（ 图4）。三个重复试验为每个任务平均每块肌肉（通道）13。
- 多肌肉 激活模式进行评估的基础上的矢量分析法被称为自愿响应指数（VRI）8（ 图4-6）使用定做的Matlab软件（MathWorks公司）。对于每一个动作，的VRI计算产生两个值，大小和相似指数（SI）（ 图5-6）。计算的幅度参数，组合表面肌电图的量在特定的时间窗口内的所有肌肉的活动，作为用于特定的任务（ 图7）的响应矢量（RV）的长度。相似度指数（SI）提供一个值，表示RV的SCI主题是多么的相似原型响应向量（PRV），从健康受试者在相同的任务。实值计算为每个任务作为SCI主题RV和PRV之间的夹角的余弦。 SI值介于0和1.0值1.0表示比较向量9（ 图8）的最佳匹配。
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Representative Results
图3表示的肌电图及气道正压通气（顶部），同时记录期间MEPT从非受伤（左）和的SCI（右）的个人。注意降低气道压力和不存在时相比，非受损害的个人（标有灰色的椭圆）在SCI主题呼气肌表面肌活动。还要注意的是在任务开始，标记在底部，sEMG的活动和提高增加气道压力有关。
图4突出建设RV的主要步骤。被定义为数据点（步骤1）根据标记的开始和结束的任务（活动窗口）。的根表面肌电信号此事件窗口内的平均广场（RMS）表示平均表面肌电活动（步骤2）每块肌肉。 RV被组装使用RMSS值的组合（步骤3）为特定的肌肉。
图5示出了计算PRV和震级为一组非受伤的人士（健康）。构建原型响应矩阵，使用个人休闲车（步骤4）。原型响应矩阵中的每一列包含数据组中的每一个人组（n = 1,2，...，N），每一行代表量化的表面肌电活动（RMSS），的特定肌肉组中的所有个人。 PRV的计算采取的原型响应矩阵的每一行（步骤5）的平均。幅度值表示的RV的长度，并按照所示的公式（步骤6）进行了计算。
图6示出的步骤计算的SI。特别是SCI个人的RV（步骤7）和幅度（步骤8），计算也显示在图4和图5。该SI得到PRV和RV（步骤9）的内积计算。
图7和图8示出向量和计算的建设王贤明使用真实数据的成果。这些计算可以使用像MATHLAB，Excel或其他任何适当的软件工具。
表1列出呼吸电机控制评估用于特定设备及用品。
图1。表面肌电图及气道压力的录音设备，用于呼吸的电机控制评估。 点击这里查看大图 。
图2。 T-一块监控电路与空气管组装用来记录的气道压力during MEPT的注意MIPT，空气泄漏部位应翻转到吸气侧。
图3。 sEMG的空气压力显示在顶部（压力），同时记录事件标志（标记）上的表面肌电活动在最大呼气压力的任务（MEPT）在非损伤脊髓损伤（SCI）的个人和主题活动。底部。灰色垂直线表示5秒的分析窗口来计算VRI。呼气肌肉注气道压力下降和缺乏活动：右（R），左（L）肋间（IC），腹直肌（RA），腹斜非受伤的人相比，在SCI主题（O）（灰色椭圆标记）。其他肌肉显示：右（R），左（L）STER nocleidomastoid（SC），斜角肌（S）;上斜方肌（UT），胸大肌（P），的隔膜（D），下斜方肌（LT），椎旁（PS）。 点击这里查看大图 。
图4。响应矢量的计算（RV）的步骤。请注意，在特定的任务的RV组装使用根均方（RMS）值，计算出为特定的肌肉。
图5。计算步骤为原型响应向量机（PVR）。注意从每一个健康个体在群体中的RV被用来创建PVR和计算其大小。0178/50178fig5large.jpg“目标=”_blank“>点击这里查看大图。
图6。步骤计算的相似度指标（SI）和幅度。请注意，使用PRV和SCI的主题（SRV），得到的RV计算的SI。还要注意的是幅度计算的长度SRV。 点击这里查看大图 。
图7。例如的PRV计算获得的在最大呼气的任务（MEPT）的数据，在17个非个人受伤。 点击这里查看更大的fIGURE。
图8。 VRI使用过程中获得健康的的最大呼气任务（MEPT）（无伤）和SCI个人数据的计算范例。注意，在非受害主体，缺乏对比和呼气肌活动减少（IC，RA，和O SCI个人）相似指数（SI）值下降。另外请注意下整体肌肉活动在SCI个别与降低幅度值相关联。 点击这里查看大图 。
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Discussion
标准的临床测试，以评估后呼吸运动功能SCI和其他疾病包括肺功能测试和美国脊髓损伤协会减值量表（AIS）的评价14,15。然而，这些工具是不适合的躯干和呼吸电机控制的定量评价。我们已经表明，在我们以前发表的作品，RMCA是一个有效的方法，定量地评价被SCI影响呼吸运动功能。我们已经证明，尽管这种方法可以用来测试再测试和主体与主体的肌电图振幅变异。
为了量化所产生的对规范性载体（PRV）测试的个人（RV）在多肌肉分布模式的差异程度（SI），PRV和RV可以构建肌肉的任意组合。电机任务可以有所不同，取决于研究设计，以及肌肉的列表。合作ntrast到SI，幅度值，占整体的表面肌电图活动，可以进行修改，话题的努力，代偿性的肌肉活动，身体组织的物理性质的。
该SI，同时提供多肌肉的激活模式是如何接近规范模式的定量测量，不描述以何种方式，图案可以是不同的。出于这个原因，它是必不可少的定性描述变化的模式和个人肌肉活化。此外，还需要进一步研究额外的参数，用以表征多单肌肉激活属性检查肌电信号。
这里介绍的方法提供了一种系统的方法来评估电机控制用来进行呼吸运动的任务，比较规范的标准措施的躯干肌肉。除了一个描述性的表面肌电信号评估，以何种方式进行调查的肌肉激活模式改变海关，的VRI计算提供统一的索引值，从中断的严重程度，可以比较不同的个体和随时间的变化可以监控。这种方法允许评估呼吸电机控制状态和现有的和新的干预措施，对受损的呼吸运动控制在SCI和其他障碍的人的影响。
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Disclosures
没有要申报利益冲突。
Acknowledgments
这项工作是由克里斯托弗和达纳里夫的基金（批准CDRF OA2-0802-2），肯塔基州脊髓和颅脑损伤研究信托基金（格兰特9 10A - KSCHIRT的的），克雷格·尼尔森基金会（批准1000056824 - HN000PCG的）和国家支持卫生研究院国家心肺和血液研究所（格兰特1R01HL103750-01A1）。
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| PowerLab System 16/35 | ADInstruments | PL3516 | Number of units depends on number of channels recorded |
| EMG System MA 300 | Motion Lab Systems | MA300-XVI | Number of units depends on number of channels recorded |
| Low Pressure Transducer MP45 | Validyne | MP45-40-871 | |
| Basic Carrier Demodulator CD15 | Validyne | CD15-A-2-A-1 | |
| Air Pressure Manometer | Boehringer | 4103 | Needed for MP45 calibration |
| Event Marker | Hand held switch that when pressed gives a DC voltage and sound output (including 5-sec long mark) | ||
| Alcohol Wipes | Henry Schein | 1173771 | Needed for electrodes placement |
| Electrode Gel | Lectron II | 36-3000-25 | Needed for electrodes placement |
| Tagaderm | Henry Schein | 7779152 | Needed for electrodes placement |
| Noseclip | Henry Schein | 1089460 | |
| T-piece Ventilator Monitoring Circuit with One-way Valves | Alleglance (Airlife) | 1504 | |
| Air Tube | UnoMedical | 400E | |
| Table 1. List of specific equipment and supplies used for the Respiratory Motor Control Assessment. | |||
References
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