Summary
El propósito de esta publicación es dar a conocer nuestro trabajo original en un enfoque multi-superficie electromiográfica del músculo para caracterizar cuantitativamente los patrones de activación muscular respiratoria en personas con lesión medular crónica mediante el análisis basado en vectores.
Abstract
Durante la respiración, la activación de los músculos respiratorios es coordinada por la entrada integrada desde el cerebro, tronco cerebral, y la médula espinal. Cuando esta coordinación se ve interrumpida por una lesión de la médula espinal (SCI), el control de los músculos respiratorios inervadas por debajo del nivel de la lesión se ve comprometida 1,2 conduce a la disfunción de los músculos respiratorios y las complicaciones pulmonares. Estas condiciones se encuentran entre las principales causas de muerte en los pacientes con SCI 3. Pruebas de función pulmonar estándar para evaluar la función motora respiratoria incluyen resultados spirometrical y máximo las vías respiratorias de presión: la capacidad vital forzada (FVC), volumen espiratorio forzado en el primer segundo (FEV 1), la presión inspiratoria máxima (PI máx) y presión espiratoria máxima (PE máx) 4,5. Estos valores proporcionan mediciones indirectas de rendimiento muscular respiratoria 6. En la práctica clínica y la investigación, la electromiografía de superficie (sEMG) registró a partir de los músculos respiratoriosse puede utilizar para evaluar la función respiratoria del motor y ayudar a diagnosticar patología neuromuscular. Sin embargo, la variabilidad en la amplitud sEMG inhibe los esfuerzos para desarrollar medidas objetivas y directas de la función motora respiratoria 6. Basado en un enfoque de múltiples sEMG muscular para caracterizar el control del motor de músculos de las extremidades 7, conocido como el índice de respuesta voluntaria (VRI) 8, hemos desarrollado una herramienta analítica para caracterizar el control motor respiratorio directamente de sEMG los datos registrados a partir de múltiples músculos respiratorios durante el voluntario tareas respiratorias. Hemos llamado a esta la Evaluación respiratoria Control del Motor (RMCA) 9. Este método de análisis vectorial cuantifica la cantidad y distribución de la actividad a través de los músculos y la presenta en la forma de un índice que se refiere el grado en que se asemeja a la salida sEMG dentro de un sujeto de prueba-que a partir de un grupo de (no lesionados) controles sanos. El valor del índice resultante ha demostrado tener alta validez aparente, la sensibilidady especificidad 9-11. Hemos demostrado previamente que los 9 resultados RMCA correlacionan significativamente con los niveles de SCI y medidas de función pulmonar. Estamos presentando aquí el método para comparar cuantitativamente lesiones patrones de activación de varios músculos respiratorios espinal post-columna con los de individuos sanos.
Protocol
1. Configuración
- Cabezas de electrodos de superficie se colocaron en los vientres musculares de la izquierda (L) y derecho (R) los músculos respiratorios: esternocleidomastoideo (SC), escaleno (S), trapecio superior en la línea media clavicular (UT), la porción clavicular del pectoral en la línea media clavicular (P ), el diafragma en la línea paraesternal (D), intercostal, en 6 º espacio intercostal en la línea axilar anterior (IC), recto abdominal a nivel umbilical (RA), oblicuo abdominal en la línea media axilar (O), trapecio inferior paraspinally a nivel medioescapular (LT ) y paravertebral paraspinally on line intercrestal ilíaca (PS) 6. Los electrodos de tierra se colocaron en los procesos acromion. Un sistema Lab Motion Back Unidad Pack, con electrodos conectados al mismo, se conecta a un movimiento Lab EMG sobremesa Unidad y Sistema Powerlab (Figura 1).
- Pieza en T circuito de vigilancia para registrar la presión de las vías respiratorias fue ensamblado como se muestra en la Figura 2 y conectado a la baja PRESSUTransductor de re (MP45) utilizando tubo de aire.
- MP45 se conectó a CD15 y Powerlab del sistema (Figura 1 y Tabla 1).
2. Protocolo RMCA
- Las tareas motoras respiratorias consistían en tareas presión inspiratoria máxima (teléfono inalámbrico) y el Grupo de presión espiratoria máxima (MEPT). Para realizar MIPT o MEPT, se pidió a los sujetos para producir el máximo esfuerzo inspiratorio del volumen residual o esfuerzos espiratorios de la capacidad pulmonar total durante 5 segundos utilizando un circuito de vigilancia pieza en T (Figuras 1 y 2). Cada maniobra fue con claves por un tono largo de 5 segundos audible y se repite 3 veces. Por lo menos 1 min de descanso se le permitió entre cada esfuerzo.
- De entrada EMG se amplificó con una ganancia de 2000; filtrada a 30-1,000 Hz y muestreada a 2000 Hz. Entrada de la presión de ventilación se calibró a 100 cm de agua y la muestra a 2000 Hz. Las entradas de presión EMG y las vías respiratorias fueron convertidos por el sistema de adquisición Powerlab usando 16 bits ADC escala completaresolución. Señales de presión de las vías respiratorias, sEMG y el marcador se registraron simultáneamente 9.
3. Análisis de Datos
- Multi-actividad muscular distribución ventanas de análisis de 5 segundos cada uno para MIPT o MEPT se determina a partir del marcador de eventos y la presión de las vías respiratorias grabado con el tono cuing que marcó el sujeto cuando empezar y terminar la tarea (Figura 3). La actividad sEMG para cada músculo se calculó usando una raíz cuadrada (RMS) algoritmo de 6,12 (Figura 4) significa. Tres ensayos repetidos para cada tarea se promediaron 13 para cada músculo (canal).
- Se evaluaron los patrones de activación multi-musculares basado en un método de análisis vectorial conocido como el Índice de Respuesta Voluntaria (VRI) 8 (figuras 4-6) utilizando el software Matlab cliente (MathWorks). Para cada maniobra, el cálculo VRI produce dos valores, una magnitud y un índice de similitud (SI) (Figuras 5-6).El parámetro de magnitud, la cantidad de actividad sEMG combinado para todos los músculos dentro de la ventana de tiempo específica, se calculó como una longitud del vector de respuesta (RV) para la tarea específica (Figura 7). El índice de similitud (SI) proporciona un valor que expresa la similitud de la RV de SCI sujeto es el vector de respuesta a Prototipo (PRV) obtenido a partir de sujetos sanos durante la misma tarea. El valor SI se calculó para cada tarea como un coseno del ángulo entre el sujeto RV y PRV SCI. El valor SI oscila entre 0 y 1,0, donde el valor de 1,0 representa la mejor opción para los vectores en comparación 9 (Figura 8).
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Representative Results
La figura 3 representa el electromiograma y la presión de la vía aérea (en la parte superior) registrados durante el mismo tiempo MEPT de unos individuos no lesionados (izquierda) y LIC (derecha). Nota disminuyó presión de vía aérea y la ausencia de actividad en los músculos espiratorios en un sujeto SCI sEMG en comparación con un individuo no lesionados (marcado con elipses grises). Tenga en cuenta también que inicio de la tarea, como se indica en la parte inferior, se asocia con un aumento de la presión respiratoria sEMG actividad y de fondos.
Figura 4 pone de relieve las principales etapas de la construcción de la RV. El comienzo y el final de la tarea (ventana de eventos) se definen como puntos de datos (Paso 1) de acuerdo con el marcador. El Root Mean Square (RMS) de sEMG dentro de esta ventana de eventos representa la actividad media sEMG para cada músculo (Paso 2). El RV se ensambla utilizando valores RMSS para la combinación específica del músculo (Paso 3).
La figura 5 ilustra el cálculo deel PRV y su magnitud para un grupo de individuos no lesionados (sanos). Matriz de respuesta de prototipo se construyó utilizando RVs individuales (Paso 4). Cada columna de la matriz de respuesta prototipo incluye los datos de cada individuo en el grupo (n = 1,2, .., N) y cada fila representa la actividad del sEMG cuantificado (RMSS) del músculo específico de todos los individuos en el grupo. El PRV se calcula tomando el promedio de cada fila de la matriz de respuesta de prototipo (Paso 5). El valor de magnitud representa la longitud de la RV y se calculó de acuerdo a la fórmula que se muestra (Paso 6).
La Figura 6 muestra los pasos para el cálculo de la IS. El RV (Paso 7) y su magnitud (Paso 8) para el individuo en particular SCI se calcularon como también se muestra en las Figuras 4 y 5. El SI se obtuvo mediante el cálculo del producto interno de PRV y RV (Paso 9).
Las figuras 7 y 8 ilustran la construcción de los vectores y calcularciones de los resultados a partir de datos reales. Estos cálculos se pueden hacer utilizando cualquier herramienta de software adecuado como Mathlab, Excel u otros.
Tabla 1. Relación de equipos y suministros específica utilizada para la Evaluación de Control de Motores respiratoria.
Figura 1. sEMG y equipos de grabación de presión de aire utilizado para la evaluación de control de motores respiratoria. Haga clic aquí para ver más grande la figura .
Figura 2. Pieza en T Circuito de supervisión con tubo de Bancos de montaje utilizado para registrar la presión de la vía aérea durante MEPT. Tenga en cuenta que el teléfono inalámbrico, la fuga de aire parte debe dar la vuelta hacia el lado inspiratorio.
Figura 3. sEMG actividad en tareas de presión espiratoria máxima (MEPT) en una persona no lesionada y un sujeto con lesión de la médula espinal (SCI). Presión de aire desarrollado se muestra en la parte superior (presión) y grabar simultáneamente la actividad sEMG con marca de evento (MARKER) en el parte inferior. Líneas grises verticales representan el sec 5 ventanas de análisis para los cálculos VRI. Nota disminuyó la presión de aire y la ausencia de la actividad de los músculos espiratorios: derecha (R) e izquierda (L) intercostal (IC), Recto Abdominal (RA), y Abdominal Oblique (O) en un sujeto SCI en comparación con una persona no lesionada ( marcado con elipses grises). Otros músculos mostrados: derecha (R) e izquierda (L) Ster nocleidomastoid (SC), escaleno (S). trapecio superior (UT), pectoral (P), diafragma (D), trapecio inferior (LT) y paraespinal (PS) Haga clic aquí para ver más grande la figura .
La Figura 4. Los pasos para el cálculo del vector de respuesta (RV). Tenga en cuenta que la RV durante la tarea específica fue montado usando Root Mean Square (RMS) valores calculados para los músculos específicos.
Figura 5. Pasos para el cálculo del Prototipo vector de respuesta (PVR). Tenga en cuenta que la RV de cada individuo sano en el grupo se utilizó para crear el PVR y calcular su magnitud.0178/50178fig5large.jpg "target =" _blank "> Haga clic aquí para ver más grande la figura.
La Figura 6. Pasos para el cálculo del índice de similitud (SI) y magnitud. Tenga en cuenta que la SI se calculó utilizando PRV y la RV obtenido de SCI sujeto (SRV). Tenga en cuenta también que la magnitud fue calculada como la longitud de la SRV. Haz clic aquí para ver más grande la figura .
Figura 7. Ejemplo de cálculos PRV utilizando datos obtenidos durante tareas espiratorio máximo (MEPT) en 17 individuos no lesionados. Haz clic aquí para ver más grande fIGURA.
Figura 8. Ejemplo de los cálculos VRI utilizando los datos obtenidos durante Tarea espiratorio máximo (MEPT) en sanos (no lesionado) y los individuos SCI. Tenga en cuenta que en contraste con el sujeto no lesionados, la ausencia y la disminución de la actividad músculos espiratorio (IC, RA, y O ) en el individuo SCI disminuyó el valor de índice de similitud (SI). También tenga en cuenta la actividad muscular total más bajo en un individuo SCI asociado con el valor de magnitud inferior. Haz clic aquí para ver más grande la figura .
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Discussion
Pruebas clínicas estándar para evaluar la función motora respiratoria después de SCI y otros trastornos incluyen las pruebas de función pulmonar y de la Escala de Deterioro Spinal Injury Association estadounidense (AIS) Evaluación 14,15. Sin embargo, estas herramientas no están diseñadas para la evaluación cuantitativa del tronco y el control motor respiratorio. En nuestro trabajo previamente publicado 9, hemos demostrado que la RMCA es un método válido para evaluar cuantitativamente la función motora respiratoria afectada por SCI. Hemos demostrado que este método se puede utilizar a pesar de prueba-repetición de la prueba y de sujeto a sujeto variabilidad amplitud EMG.
Con el fin de cuantificar el grado de diferencia (SI) en los patrones de distribución de múltiples musculares producidos por un individuo probado (RV) contra el vector normativo (PRV), el PRV y RV pueden construirse para cualquier combinación de los músculos. Las tareas motoras pueden variar y dependerá del diseño del estudio, así como la lista de los músculos. En contrast a la SI, los valores de magnitud, lo que representa la actividad global sEMG, pueden ser modificados por el esfuerzo sujeto, la actividad muscular compensatoria, y las propiedades físicas de los tejidos del cuerpo.
El SI, mientras que proporciona la medida cuantitativa de lo cerca que el patrón de activación de múltiples muscular es el patrón normativo, no describe de qué manera el patrón puede ser diferente. Por esta razón, es esencial para describir cualitativamente los cambios en el patrón y la activación de los músculos individuales. Además, se necesitan más estudios para examinar señales sEMG para los parámetros adicionales con los que caracterizan multilaterales y un solo músculo propiedades de activación.
El método que aquí se presenta ofrece una forma sistemática para evaluar el control motor de los músculos del tronco se utilizan para realizar tareas motoras respiratorias en comparación con las medidas estándares normativos. Además de una evaluación sEMG descriptiva para investigar de qué manera el patrón de activación muscular se alteraed, los cálculos VRI proporcionan los valores del índice unificado de la cual la gravedad de los trastornos se pueden comparar entre los individuos y los cambios a través del tiempo se puede controlar. Este método permite la evaluación de la situación de control motor respiratorio y los efectos de las intervenciones existentes y nuevos en el control motor respiratoria alterada en las personas con lesión medular y otros trastornos.
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Disclosures
No hay conflicto de intereses que declarar.
Acknowledgments
Este trabajo fue apoyado por Fundación Christopher y Dana Reeve (Grant CDRF OA2-0802-2), Kentucky Spinal Cord Research Trust y Jefe de Lesiones (Grant 9-10A - KSCHIRT), Craig H. Neilsen Fundación (Grant 1000056824 - HN000PCG) y Nacional Institutos de Salud: Nacional del Corazón Pulmón y la Sangre (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
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