Summary
Formålet med denne publikation er at præsentere vores oprindelige arbejde på en multi-muscle overflade elektromyografisk tilgang til kvantitativt karakterisere respiratoriske muskel aktivering mønstre hos personer med kronisk rygmarvsskade hjælp vektor-baseret analyse.
Abstract
Under vejrtrækning, er aktiveringen af respiratoriske muskler koordineres af integreret input fra hjernen, hjernestammen, og rygmarven. Når denne samordning er forstyrret af rygmarvsskade (SCI), kontrol af respiratoriske muskler innerveret under skadestærsklen er kompromitteret 1,2 fører til respiratorisk muskel dysfunktion og pulmonale komplikationer. Disse betingelser er blandt de førende dødsårsager i patienter med SCI 3.. Standard test af lungefunktionen, der vurderer respiratorisk motorisk funktion omfatter spirometrical og maksimum luftvejstryk resultater: forced vital capacity (FVC), forceret ekspirationsvolumen på et sekund (FEV 1), maksimal indåndingstryk (PI max) og maksimal sluteksspirationstryk (PE max) 4,5. Disse værdier giver indirekte målinger af respiratorisk muskel ydeevne 6.. I klinisk praksis og forskning, indspillet en overflade elektromyografi (sEMG) fra respirationsmusklernekan bruges til at vurdere respiratorisk motorisk funktion og bidrage til at diagnosticere neuromuskulære patologi. Men variabilitet i sEMG amplitude hæmmer bestræbelserne på at udvikle objektive og direkte foranstaltninger af respiratorisk motorisk funktion 6.. Baseret på en multi-muscle sEMG tilgang til at karakterisere motorstyring af lemmer muskler 7, kendt som den frivillige reaktion indeks (VRI) 8 udviklede vi et analytisk værktøj til at karakterisere respiratorisk motorstyring direkte fra sEMG data optaget fra flere respiratoriske musklerne under den frivillige respiratoriske opgaver. Vi har kaldt dette Respiratory Motor Control Assessment (RMCA) 9.. Denne vektor analysemetode kvantificerer mængden og fordelingen af aktivitet på tværs af muskler og præsenterer det i form af et indeks, der vedrører i hvilken grad sEMG output inden for en test-emne ligner fra en gruppe af raske (ikke-skadede) kontroller. Resultatindeksværdien har vist sig at have høj ansigt gyldighed, følsomhedog specificitet 9-11. Vi viste tidligere 9 at RMCA resultater signifikant korrelerer med niveauet af SCI og lungefunktionen foranstaltninger. Vi præsenterer her den metode til kvantitativt at sammenligne post-rygmarvsskader respiratoriske multi-muskel aktivering mønstre hos raske individer.
Protocol
1.. Indstillinger
- Overflade elektrode hoveder blev placeret over musklen maver venstre (L) og højre (R) respirationsmusklerne: sternocleidomastoideus (SC), scalene (S), øvre trapezius på medioklavikulærlinje (UT), clavicular del af pectoralis på medioklavikulærlinje (P ), membran på parasternale linje (D), intercostal ved 6 th interkostalrum på forreste aksillær linje (IC), rectus abdominus på navlestrengen niveau (RA), obliquus abdominis på midtaksillærlinien (O), lavere trapezius paraspinally på midscapular niveau (LT ), og paraspinale paraspinally på iliaca intercrestal linje (PS) 6. De jordelektroder blev placeret over acromion processer. En Motion Lab System Back Pack Unit, med påsatte elektroder, var forbundet til en Motion Lab EMG Desk Top enhed og Powerlab System (figur 1).
- T-stykke Monitoring Circuit at optage luftvejstryk blev samlet som vist i figur 2 og forbundet til lav belastre Transducer (MP45) med luft rør.
- MP45 blev forbundet til CD15 og Powerlab System (figur 1 og tabel 1).
2.. RMCA Protocol
- De respiratoriske motoriske opgaver bestod af Maximum inspiratorisk tryk Task (MIPT) og maksimal sluteksspirationstryk Task (MEPT). For at udføre MIPT eller MEPT, blev forsøgspersonerne bedt om at producere maksimal inspiratorisk indsats fra residual volumen eller ekspiratoriske indsats fra den samlede lungekapacitet i 5 sek ved hjælp af et T-stykke Monitoring Circuit (figur 1 og 2). Hver manøvre blev cued af en hørbar 5 sek lang tone og gentagne 3x. Mindst 1 min hvile var tilladt mellem hver indsats.
- EMG-indgang blev forstærket med en gevinst på 2.000, filtreret ved 30-1,000 Hz og samplet ved 2.000 Hz. Luftvejstryk input blev kalibreret ved 100 cm vand og stikprøven ved 2.000 Hz. EMG og Luftvejstryk inputs blev konverteret af Powerlab købet systemet ved hjælp af 16-bit fuld skala ADCopløsning. Luftvejstryk, sEMG og markør signaler blev optaget samtidigt 9..
3.. Dataanalyse
- Multi-muskel aktivitet fordeling analyse vinduer i 5 sek hver til MIPT eller MEPT blev bestemt fra begivenheden markør og luftvejstryk optaget med cuing tone, der signalerede emnet, når at begynde og slutte opgaven (Figur 3). Den sEMG aktivitet for hver muskel blev beregnet ved hjælp af en geometriske middelværdi (RMS) algoritmen 6,12 (Figur 4). Tre gentagne forsøg for hver opgave blev gennemsnit 13 for hver muskel (kanal).
- Den multi-muskel aktivering mønstre blev evalueret baseret på en vektor analyse metode, som kaldes den frivillige reaktion Index (VRI) 8 (figur 4-6) ved hjælp af custom-made Matlab software (MathWorks). For hver manøvre, producerer VRI beregning to værdier, en størrelse og en Similarity Index (SI) (figur 5-6).Omfanget parameter mængden af kombineret sEMG aktivitet for alle muskler inden for det enkelte tidsvindue, blev beregnet som en længde Response Vector (RV) til specifik opgave (figur 7). Ligheden Index (SI) giver en værdi, der udtrykker, hvordan lignende RV af SCI emne er at Prototype Respons Vector (PRV) fra raske forsøgspersoner i samme opgave. Den SI-værdien blev beregnet for hver opgave som en cosinus af vinklen mellem SCI emne RV og PRV. Den SI-værdien svinger mellem 0 og 1,0, hvor værdien på 1,0 repræsenterer det bedste match for sammenlignet vektorer 9 (figur 8).
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
Figur 3 repræsenterer electromyogram og luftvejs-tryk (på toppen) samtidig optaget under MEPT fra en ikke-tilskadekomne (til venstre) og SCI (til højre) individer. Bemærk faldt luftvejstryk og fravær af sEMG aktivitet i udåndingsslagene muskler i en SCI emnet, når sammenlignet med en ikke-skadede individ (markeret med grå ellipser). Bemærk også, at opgavens start, som markeret på bunden, er forbundet med øget sEMG aktivitet og hæve luftvejstryk.
Figur 4 fremhæver de vigtigste trin i konstruere RV. Starten og slutningen af opgaven (begivenhed vindue) blev defineret som datapunkter (Trin 1) ifølge markøren. The Root Mean Square (RMS) i sEMG inden denne begivenhed vindue repræsenterer middelværdien sEMG aktivitet for hver muskel (trin 2). RV samles med RMSs værdier for den specifikke muskel kombination (trin 3).
5 illustrerer beregningen afPRV og dens Magnitude for en gruppe af ikke-tilskadekomne (sunde) individer. Prototype respons matrix blev bygget ved hjælp af individuelle autocampere (trin 4). Hver kolonne i prototypen respons matrix omfatter data for hver enkelt i gruppen (n = 1,2, .., N), og hver række repræsenterer kvantificeret sEMG aktivitet (RMSs) specifik muskel fra alle individer i gruppen. PRV blev beregnet ved at tage gennemsnittet af hver række af prototypen respons matricen (Trin 5). Størrelsen værdi repræsenterer længden af RV og blev beregnet i overensstemmelse med formlen vist (Trin 6).
Figur 6 viser trin for SI beregning. RV (Trin 7) og dens omfang (trin 8) for især SCI individ blev beregnet som også vist på figur 4 og 5. SI blev opnået ved beregning af den indre produkt af PRV og RV (Trin 9).
Figurerne 7 og 8 illustrerer konstruktionen af vektorerne og beregnerne i resultaterne ved hjælp af reelle data. Disse beregninger kan gøres ved hjælp af en passende software værktøj som Mathlab, Excel eller andre.
Tabel 1.. Liste over specifikke udstyr og forsyninger, der anvendes til Respiratory Motor Control Assessment.
Figur 1. sEMG og luftvejstryk kontrolapparat, der anvendes til Respiratory Motor Control Assessment. Klik her for at se større figur .
Figur 2. T-stykke Monitoring Circuit med luftslangen SAMMENBYGNING anvendes til at registrere luftvejstryk dnder MEPT. Bemærk at for MIPT bør luft utæt del vendes til den inspiratoriske side.
Figur 3. sEMG aktivitet under Maximum sluteksspirationstryk Task (MEPT) i en ikke-skadede Individuel og et emne med Rygmarvsskader (SCI). Luft udviklet tryk aflæses på toppen (tryk) og samtidig indspillet sEMG aktivitet hændelsesmærke (MARKER) på bund. Lodrette grå linjer repræsenterer den 5-sec analyse vinduer for VRI beregninger. Bemærk faldt luftvejstryk og fravær af aktivitet i udåndingsslagene muskler: Højre (R) og venstre (L) Intercostalmusklerne (IC), Rectus abdominus (RA), og Oblique abdominus (O) i en SCI emne i forhold til en ikke-skadede individ ( markeret med grå ellipser). Andre muskler vist: Right (R) og venstre (L) Ster nocleidomastoid (SC), Scalene (S). Upper Trapezius (UT), Pectoralis (P), Membran (D), Lower Trapezius (LT) og paraspinal (PS) Klik her for at se større figur .
Figur 4.. Trin for beregningen af Response Vector (RV). Bemærk, at RV under den særlige opgave blev samlet ved hjælp Root Mean Square (RMS) beregnet for specifikke muskler.
Figur 5. Trin for beregning af Prototype Respons Vector (PVR). Bemærk at RV fra hver sund person i gruppen blev brugt til at oprette PVR og beregne dens størrelse.0178/50178fig5large.jpg "target =" _blank "> Klik her for at se større figur.
Figur 6.. Trin for beregning af Similarity Index (SI) og størrelse. Bemærk, at SI blev beregnet ved hjælp PRV og RV opnået fra SCI emne (SRV). Bemærk også, at Magnitude blev beregnet som længden af SRV. Klik her for at se større figur .
Figur 7. Eksempel på PRV beregninger ved hjælp af data opnået under Maximum Expiratory Task (MEPT) i 17 ikke-skadede individer. Klik her for at se større fIGUR.
Figur 8. Eksempel på VRI beregninger ved hjælp af data opnået under Maximum Expiratory Task (MEPT) i raske (ikke-tilskadekomne) og SCI individer. Bemærk at i modsætning til den ikke-skadede emne, fravær og nedsat eksspiratorisk muskler aktivitet (IC, RA, og O ) i SCI enkelte faldt Similarity Index (SI) værdi. Bemærk også lavere samlet muskel aktivitet i et SCI individ forbundet med lavere Magnitude værdi. Klik her for at se større figur .
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
Standard kliniske undersøgelser for at vurdere respiratorisk motorisk funktion efter SCI og andre lidelser omfatter test af lungefunktionen og American Spinal Injury Association Nedskrivning Scale (AIS) evaluering 14,15. Imidlertid er disse værktøjer ikke designet til kvantitativ evaluering af stammen og respiratoriske motorstyring. I vores tidligere offentliggjorte arbejde 9 har vi vist, at RMCA er en gyldig metode til at kvantitativt vurdere respiratoriske motorisk funktion påvirkes af SCI. Vi har vist, at denne metode kan anvendes på trods af test-re-test, og med forbehold til motiv EMG amplitude variation.
For at kvantificere graden af forskel (SI) i multi-muskel spredningsbilleder produceret af en testperson (RV) mod normative vektor (PRV), kan PRV og RV være konstrueret til enhver kombination af muskler. De motoriske opgaver kan variere og afhænger af studie design samt listen over musklerne. I samarbejdentrast til SI, kan Magnitude værdier, som repræsenterer den samlede sEMG aktivitet ændres efter emne indsats kompenserende muskel aktivitet og fysiske egenskaber af kroppens væv.
SI og samtidig give kvantitative mål for, hvor tæt den multi-muskelaktivering mønster er for det normative mønster, beskriver ikke på hvilken måde kan mønsteret være anderledes. Af denne grund er det vigtigt at kvalitativt beskrive ændringer i mønsteret og individuelle muskel aktivering. Desuden er yderligere undersøgelse nødvendige for at undersøge sEMG signaler til yderligere parametre, som til at karakterisere multi-og enkelt-muskel aktivering egenskaber.
Metoden præsenteres her giver en systematisk måde at evaluere motorisk kontrol af stammen muskler, der bruges til at udføre respiratoriske motoriske opgaver i forhold til normative standardmål. Ud over en beskrivende sEMG evaluering at undersøge, på hvilken måde muskelaktivering mønster ændrered de VRI beregningerne give unified indeksværdier hvorfra sværhedsgraden af forstyrrelser kan sammenlignes på tværs af individer og ændringer over tid kan overvåges. Denne metode giver en vurdering af den respiratoriske motorstyring status og virkningerne af eksisterende og nye interventioner på nedsat respiratorisk motorstyring hos personer med SCI og andre lidelse.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
Ingen interessekonflikt til at erklære.
Acknowledgments
Dette arbejde blev støttet af Christopher og Dana Reeve Foundation (Grant CDRF OA2-0802-2), Kentucky Spinal Cord og chef Injury Research Trust (Grant 9-10A - KSCHIRT), Craig H. Neilsen Foundation (Grant 1000056824 - HN000PCG) og National Institutes of Health: National Heart Lung og Blood Institute (Grant 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
- Schilero, G. J., Spungen, A. M., Bauman, W. A., Radulovic, M., Lesser, M. Pulmonary function and spinal cord injury. Respir. Physiol. Neurobiol. 166, 129-141 (2009).
- Winslow, C., Rozovsky, J. Effect of spinal cord injury on the respiratory system. Am. J. Phys. Med. Rehabil. 82, 803-814 (2003).
- Garshick, E., et al. A prospective assessment of mortality in chronic spinal cord injury. Spinal Cord. 43, 408-416 (2005).
- Jain, N. B., Brown, R., Tun, C. G., Gagnon, D., Garshick, E. Determinants of forced expiratory volume in 1 second (FEV1), forced vital capacity (FVC), and FEV1/FVC in chronic spinal cord injury. Arch. Phys. Med. Rehabil. 87, 1327-1333 (2006).
- Stolzmann, K. L., Gagnon, D. R., Brown, R., Tun, C. G., Garshick, E. Longitudinal change in FEV1 and FVC in chronic spinal cord injury. Am. J. Respir. Crit. Care Med. 177, 781-786 (2008).
- American Thoracic Society/European Respiratory Society. ATS/ERS Statement on respiratory muscle testing. Am. J. Respir. Crit. Care Med. 166, 518-624 (2002).
- Sherwood, A. M., McKay, W. B., Dimitrijevic, M. R. Motor control after spinal cord injury: assessment using surface EMG. Muscle Nerve. 19, 966-979 (1996).
- Lee, D. C., et al. Toward an objective interpretation of surface EMG patterns: a voluntary response index (VRI). J. Electromyogr. Kinesiol. 14, 379-388 (2004).
- Ovechkin, A., Vitaz, T., de Paleville, D. T., Aslan, S., McKay, W. Evaluation of respiratory muscle activation in individuals with chronic spinal cord injury. Respir. Physiol. Neurobiol. 173, 171-178 (2010).
- Lim, H. K., Sherwood, A. M. Reliability of surface electromyographic measurements from subjects with spinal cord injury during voluntary motor tasks. J. Rehabil. Res. Dev. 42, 413-422 (2005).
- Lim, H. K., et al. Neurophysiological assessment of lower-limb voluntary control in incomplete spinal cord injury. Spinal Cord. 43, 283-290 (2005).
- Sherwood, A. M., Graves, D. E., Priebe, M. M. Altered motor control and spasticity after spinal cord injury: subjective and objective. 37, 41-52 (2000).
- McKay, W. B., Lim, H. K., Priebe, M. M., Stokic, D. S., Sherwood, A. M. Clinical neurophysiological assessment of residual motor control in post-spinal cord injury paralysis. Neurorehabil. Neural Repair. 18, 144-153 (2004).
- Marino, R. J., et al. International standards for neurological classification of spinal cord injury. J. Spinal. Cord. Med. 26, Suppl 1. S50-S56 (2003).
- American Spinal Injury Association and International Spinal Cord Society. International Standards for Neurological Classification of Spinal Cord Injury. , ASIA and ISCS. (2006).
