Summary
Der Zweck dieser Veröffentlichung ist es, unsere ursprüngliche Arbeit auf einem Multi-Muskel Oberfläche elektromyographischen Ansatz präsentieren quantitativ zu charakterisieren Atemmuskulatur Aktivierungsmuster bei Personen mit chronischen Verletzungen des Rückenmarks mit Vektor-basierte Analyse.
Abstract
Während der Atmung, wird die Aktivierung der Atemmuskulatur durch integrierte Eingabe von dem Gehirn, des Hirnstamms und des Rückenmarks koordiniert. Wenn diese Koordination wird durch Verletzungen des Rückenmarks (SCI), die Kontrolle der Atemmuskulatur unter der Schadensschwelle innerviert kompromittiert 1,2 führt zu Atemmuskulatur Dysfunktion und pulmonaler Komplikationen ist gestört. Diese Bedingungen sind zu den führenden Todesursachen bei Patienten mit SCI 3. Standard-Lungenfunktionstests, die Atemwege Motorik beurteilen sind spirometrical und maximale Atemwegsdruck Ergebnisse: Forcierte Vitalkapazität (FVC), forcierte exspiratorische Volumen in einer Sekunde (FEV 1), Maximal Inspirationsdruck (PI max) und Maximal Exspirationsdruck (PE max) 4,5. Diese Werte geben indirekte Messungen der Atemmuskulatur Leistung 6. In der klinischen Praxis und Forschung, eine Oberfläche Elektromyographie (sEMG) ab Atemmuskulatur aufgezeichnetkann verwendet werden, um die motorische Funktion der Atemwege beurteilen und helfen, neuromuskuläre Erkrankung zu diagnostizieren. Allerdings hemmt Variabilität in der Amplitude sEMG Bemühungen um objektive und direkte Maßnahmen der Atemwege Motorik 6 zu entwickeln. Basierend auf einer Multi-Muskel sEMG Ansatz zur Motorsteuerung Beinmuskeln 7, wie die freiwillige Reaktion Index (VRI) 8 bekannt zu charakterisieren, haben wir ein analytisches Werkzeug, um Atemwege Motorsteuerung direkt charakterisieren sEMG von Daten aus mehreren Atemmuskulatur während der freiwilligen aufgezeichnet Atemwege Aufgaben. Wir haben diese die Atemwege Motor Control Assessment (RMCA) 9 bezeichnet. Dieser Vektor Analyseverfahren quantifiziert die Höhe und Verteilung der Aktivität in Muskeln und präsentiert sie in Form eines Index, der den Grad der sEMG Ausgang innerhalb eines Test-Subjekt ähnelt erzählt, dass aus einer Gruppe von gesunden (nicht verletzt) Kontrollen. Die resultierende Indexwert hat sich gezeigt, hoch Augenscheinvalidität, Empfindlichkeit habenund Spezifität 9-11. Wir haben gezeigt, dass die zuvor 9 RMCA Ergebnisse korrelieren signifikant mit Ebenen der SCI und Lungenfunktion Maßnahmen. Wir präsentieren hier die Methode quantitativ zu vergleichen post-Rückenmarksverletzung Atemwege Multi-Muskel Aktivierungsmuster denen von gesunden Personen.
Protocol
1. Einstellungen
- Sternocleidomastoideus (SC), scalene (S), obere Trapezius auf Medioklavikularlinie (UT), Clavicularportion von pectoralis auf Medioklavikularlinie (P: Surface Elektrode Köpfe wurden in den Muskelbäuche der linken (L) und rechten (R) Atemmuskulatur platziert ), Membran auf Parasternallinie (D), Interkostalraum am 6. Interkostalraum am vorderen Axillarlinie (IC), Rektusabdominis am Nabel (RA), obliquus abdominis am mittleren Axillarlinie (O), untere Trapezius paraspinal bei midscapular Ebene (LT ) und paraspinalen paraspinal auf iliaca intercrestal Linie (PS) 6. Die Boden-Elektroden wurden in den acromion Prozesse gelegt. Eine Motion-Lab System Back Pack Unit mit angeschlossener Elektroden, wurde zu einer Bewegung Lab EMG Desk-Top-Einheit und Powerlab Systems (Abbildung 1).
- T-Stück Überwachung Schaltungen, um die Atemwege Druck aufnehmen zusammengebaut wurde, wie in Abbildung 2 dargestellt und mit dem Low Pressure Transducer (MP45) mit Luftschlauch.
- MP45 wurde CD15 verbunden und Powerlab Systems (Abbildung 1 und Tabelle 1).
2. RMCA Protocol
- Die Atemwege motorische Aufgaben bestand aus Maximum Inspirationsdruck Aufgabe (MIPT) und Maximum Exspirationsdruck Aufgabe (MEPT). Um MIPT oder MEPT durchzuführen, wurden die Probanden gebeten, maximal Einatembemühung vom Restvolumen oder exspiratorische Anstrengungen totale Lungenkapazität für 5 sec mit einem T-Stück Überwachung Schaltungen (Abbildungen 1 und 2) zu erzeugen. Jedes Manöver wurde durch ein akustisches 5-sec langen Ton markiert und wiederholt 3x. Mindestens 1 min Rest wurde zwischen jeder Aufwand erlaubt.
- EMG Eingabe wurde mit einem Gewinn von 2.000 verstärkt; gefiltert 30-1000 Hz abgetastet und bei 2.000 Hz. Atemwegsdruck Eingang wurde bei 100 cm Wasser kalibriert und bei 2.000 Hz abgetastet. Die EMG und Atemwegsdruck Eingänge wurden durch die Akquisition Powerlab System mit 16-Bit-ADC umgewandelt EndwertAuflösung. Atemwegsdruck, sEMG und Marker Signale wurden gleichzeitig 9 aufgezeichnet.
3. Data Analysis
- Multi-Muskelaktivität Verteilung Analysefenstern von 5 sec jeweils MIPT oder MEPT wurden aus dem Event-Marker und Atemwegsdruck mit dem cuing Ton, der signalisiert, wenn das Thema beginnen und enden die Aufgabe (Abbildung 3) aufgezeichnet bestimmt. Die sEMG Aktivität für jeden Muskel wurde mit einem Root Mean Square (RMS) 6,12 Algorithmus (Abbildung 4). Drei wiederholten Versuchen für jede Aufgabe wurden 13 für jede Muskelgruppe (Kanal) gemittelt.
- Die Multi-Muskel Aktivierung Muster wurden auf der Grundlage eines Vektors Analysemethode als Freiwillige Reaktionszeit Index (VRI) 8 (Abbildungen 4-6) mit maßgeschneiderten Software Matlab (MathWorks) bekannt ausgewertet. Für jedes Manöver, produziert der VRI Berechnung zwei Werte, eine Größe und eine Similarity Index (SI) (Abb. 5-6).Der Größenparameter, die Menge der kombinierten sEMG Aktivität für alle Muskeln innerhalb des spezifischen Zeitfensters, als eine Länge des Antwort-Vektor (RV) für die bestimmte Aufgabe (7) berechnet. Der Similarity Index (SI) liefert einen Wert, wie ähnlich sich die RV von SCI unterliegen dem Prototype Reaktionszeit Vector (PRV) von gesunden Probanden während der gleiche Aufgabe erhalten ausdrückt. Die SI-Wert wurde für jede Aufgabe als Cosinus des Winkels zwischen dem SCI Gegenstand RV und PRV berechnet. Die SI-Wert im Bereich zwischen 0 und 1,0, wo Wert von 1,0 stellt die beste Übereinstimmung für Vektoren im Vergleich 9 (Abbildung 8).
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Representative Results
Abbildung 3 stellt das Elektromyogramm und Airway Pressure (oben) gleichzeitig während MEPT aus einer nicht-verletzten (links) und SCI (rechts) Personen erfasst. Hinweis verringert Atemwegsdruck und Abwesenheit von sEMG Aktivität in Exspirationsmuskeln in einer SCI unterliegt, wenn auf eine nicht verletzte Person (grau gekennzeichnet Ellipsen) verglichen. Beachten Sie auch, dass Anfang der Aufgabe, da auf dem Boden markiert, mit erhöhter Aktivität und sEMG Anhebung Atemwegsdruck zugeordnet ist.
Abbildung 4 zeigt die wichtigsten Schritte für den Bau des RV. Der Anfang und das Ende der Aufgabe (Ereignis-Fenster) als Datenpunkte (Schritt 1) nach der Markierung definiert ist. Der Root Mean Square (RMS) von sEMG innerhalb dieser Veranstaltung Fenster repräsentiert Mittelwert sEMG Aktivität für jede Muskelgruppe (Schritt 2). Der RV wird unter Verwendung RMSS Werte für die spezifische Muskel Kombination (Schritt 3).
Abbildung 5 zeigt die Berechnung vondie PRV und seine Größe für eine Gruppe von nicht-verletzten (gesunden) Individuen. Prototype Reaktion Matrix wurde unter Verwendung von einzelnen Wohnmobile (Schritt 4). Jede Spalte in der Matrix Prototyp Antwort enthält Daten für jeden einzelnen in der Gruppe (n = 1,2, .., N) und jede Zeile quantifiziert sEMG Aktivität (RMSS) bestimmter Muskel von den Einzelnen in der Gruppe. Das PRV wurde, indem der Mittelwert von jeder Reihe der Matrix Prototypantwort (Schritt 5) berechnet. Die Magnitude Wert stellt die Länge der RV und wurde gemäß der Formel (Schritt 6) berechnet.
6 zeigt die Schritte für die SV-Berechnung. Die RV (Schritt 7) und die Magnitude (Schritt 8) für bestimmte SCI einzelnen wurden berechnet als auch auf die Fig. 4 und 5 gezeigt. Die SI wurde durch Berechnung des inneren Produkts von PRV und RV (Schritt 9) erhalten.
7 und 8 zeigen den Aufbau der Vektoren und Berechnungschriften der Ergebnisse mit realen Daten. Diese Berechnungen können durch Verwendung einer geeigneten Software-Tool wie Mathlab, Excel oder andere gemacht werden.
Tabelle 1. Liste der speziellen Ausrüstung und Zubehör für die Atemwege Motor Control herangezogen.
Abbildung 1. sEMG und Atemwegsdruck Kontrollgerät für die Atemwege Motor Control herangezogen. Klicke hier, um eine größere Abbildung anzuzeigen .
Abbildung 2. T-Stück Überwachung Schaltungen mit Luftschlauch Zusammensetzen verwendet, um den Atemwegsdruck d aufzeichnenährend MEPT. Beachten Sie, dass für die MIPT, die Luft austritt Teil der inspiratorischen Seite sollte umgedreht werden.
Abbildung 3. sEMG Aktivität während Maximum Exspirationsdruck Aufgabe (MEPT) in einer nicht-verletzten Person und einem Thema mit Spinal Cord Injury (SCI). Luftdruck entwickelt ist auf der Oberseite (Druck) gezeigt und gleichzeitig aufgezeichnet sEMG Aktivität mit Event Markierung (Marker) auf die unten. Vertikale grauen Linien stellen die 5-sec-Analyse-Fenster für VRI Berechnungen. Hinweis verringert Atemwegsdruck und Abwesenheit von Aktivität in Exspirationsmuskeln: rechts (R) und links (L) Intercostal (IC), Rektusabdominis (RA) und Oblique Abdominus (O) in einem SCI unterliegen im Vergleich zu einer nicht-verletzten Person ( grau gekennzeichnet Ellipsen). Andere Muskeln gezeigt: Right (R) und links (L) Ster nocleidomastoid (SC), Scalene (S);. Oberer Trapezius (UT), Brustmuskel (P), Membran (D), Niederösterreich Trapezius (LT) und paraspinalen (PS) Klicke hier, um eine größere Abbildung anzuzeigen .
Abbildung 4. Schritte für die Berechnung der Reaktionszeit Vector (RV). Beachten Sie, dass die RV während der spezifischen Aufgabe zusammengebaut wurde mit Root Mean Square (RMS)-Werte für bestimmte Muskeln berechnet.
Abbildung 5. Schritte für die Berechnung des Prototype-Vektor (PVR). Beachten Sie, dass der RV von jedem gesunden Individuum in der Gruppe verwendet wurde, um die PVR erstellen und berechnen seine Magnitude.0178/50178fig5large.jpg "target =" _blank "> Klicken Sie hier, um eine größere Abbildung anzuzeigen.
Abbildung 6. Schritte für die Berechnung des Similarity Index (SI) und Magnitude. Beachten Sie, dass die SI berechnet wurde mit PRV und der RV von SCI Thema (SRV) erhalten. Beachten Sie auch, dass die Größenordnung der Länge der sRV berechnet wurde. Klicken Sie hier, um eine größere Abbildung anzuzeigen .
Abbildung 7. Beispiel PRV Berechnungen mit Daten während Maximum Expiratory Aufgabe (MEPT) in 17 nicht-verletzten Personen erhalten. Klicken Sie hier, um größere f ansehenBBILDUNG.
Abbildung 8. Beispiel der VRI Berechnungen mit Daten während Maximum Expiratory Aufgabe (MEPT) bei gesunden (nicht verletzt) und SCI Individuen erhalten. Beachten Sie, dass im Gegensatz zu den nicht-verletzten Thema, Abwesenheit und verringert Exspirationsmuskeln Aktivität (IC, RA, und O ) in der SCI einzelnen sank die Similarity Index (SI)-Wert. Beachten Sie auch insgesamt niedrigere Muskelaktivität in einem SCI Individuum mit geringer Magnitude Wert zugeordnet ist. Klicken Sie hier, um eine größere Abbildung anzuzeigen .
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Discussion
Standard-klinischen Tests der Atemwege Motorik nach SCI und anderen Erkrankungen zu bewerten sind die Lungenfunktionstests und die amerikanische Spinal Injury Association Impairment Scale (AIS) Auswertung 14,15. Allerdings sind diese Instrumente nicht zur quantitativen Auswertung des Rumpfes und der Atemwege Motorsteuerung gestaltet. In unserem bereits veröffentlichten Arbeit 9, haben wir gezeigt, dass die RMCA eine gültige Methode zur quantitativen Bewertung der Atemwege Motorik von SCI betroffen ist. Wir haben gezeigt, dass diese Methode trotz Test-Re-Test und unter-Motiv EMG Amplitudenvariabilität verwendet werden.
Um den Grad der Differenz (SI) in der multi-Muskel Verteilungsmuster von einem einzelnen getestet (RV) gegen die normative Vektor (PRV) produziert quantifizieren kann der PRV und RV für jede Kombination von Muskeln aufgebaut werden. Die motorische Aufgaben können variieren und sind abhängig von Studiendesigns sowie der Liste der Muskeln. In Zusammenarbeitntrast der SI kann Magnitude Werte, die die gesamte sEMG Aktivität nach Fächergruppen Aufwand kompensatorische Muskelaktivität und die physikalischen Eigenschaften von Körpergewebe verändert werden.
Der SI, während die Bereitstellung der quantitative Maß dafür, wie nahe die Multi-Muskelaktivität Muster der normativen Muster, nicht beschrieben, auf welche Weise das Muster unterschiedlich sein. Aus diesem Grund ist es wichtig, qualitativ beschreiben Veränderungen in der Struktur und individuelle Muskelaktivität. Darüber hinaus sind weitere Studien erforderlich sEMG Signale für zusätzliche Parameter, mit dem Multi-und Single-Muskelaktivität charakterisieren zu prüfen.
Die hier vorgestellte Methode bietet einen systematischen Weg zur Motorsteuerung Rumpfmuskulatur zur respiratorischen motorische Aufgaben im Vergleich zu Standard-normative Maßnahmen durchführen zu bewerten. Neben einem beschreibenden sEMG Auswertung zu untersuchen, in welcher Weise die Muskelaktivität Muster veränderned stellen die VRI Berechnungen die einheitliche Übersicht, aus denen der Schwere der Störung zwischen Individuen und Änderungen über die Zeit verglichen werden, überwacht werden kann. Diese Methode ermöglicht die Auswertung der Atemwege Motorsteuerung Status und die Auswirkungen der bestehenden und neuen Interventionen auf gestörte respiratorische Motorsteuerung bei Personen mit SCI und andere Erkrankung.
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Disclosures
Kein Interessenkonflikt zu erklären.
Acknowledgments
, Craig H. Neilsen Foundation (Grants 1000056824 - HN000PCG) und National - Diese Arbeit wurde von Christopher und Dana Reeve Foundation (Grants CDRF OA2-0802-2), Kentucky Rückenmark und Head Injury Research Trust (KSCHIRT Zuschuss 9-10A) unterstützt Institutes of Health: National Heart Lung and Blood Institute (Zuschuss 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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