Summary
Syftet med denna publikation är att presentera vårt ursprungliga arbete på en multi-muskel ytan elektromyografi strategi att kvantitativt karakterisera andningsmönster muskelaktivering hos individer med kronisk ryggmärgsskada med vektor-baserad analys.
Abstract
Under andning, är aktivering av andningsmuskulaturen samordnas av integrerade insatser från hjärnan, hjärnstammen och ryggmärgen. När denna samordning störs av ryggmärgsskada (SCI), kontroll av andningsmuskulaturen innerverade nedanför skadenivån äventyras 1,2 leder till respiratorisk muskel dysfunktion och lungkomplikationer. Dessa villkor är bland de vanligaste dödsorsakerna i patienter med SCI 3. Standard lungfunktionstest som bedömer respiratoriskt motorik inkluderar spirometrical och maximalt utfall airway pressure: forcerad vitalkapacitet (FVC), forcerad utandningsvolym en sekund (FEV1), Maximal inandningstrycket (PI max) och maximal utandningen (PE max) 4,5. Dessa värden ger indirekta mätningar av respiratorisk muskelprestation 6. I klinisk praxis och forskning, en yta elektromyografi (sEMG) registrerades från andningsmuskulaturenkan användas för att bedöma respiratorisk motorisk funktion och hjälpa till att diagnostisera neuromuskulär patologi. Emellertid hämmar variabilitet i sEMG amplitud ansträngningar att utveckla objektiva och direkta åtgärder av respiratorisk motorik 6. Baserat på en multi-muskel sEMG tillvägagångssätt för att karakterisera motorstyrning lem muskler 7, den så kallade frivilliga svarsindexet (VRI) 8, utvecklade vi ett analytiskt verktyg för att karakterisera respiratorisk motorstyrning direkt från sEMG uppgifter som registrerats från flera respiratoriska muskler under frivilliga respiratoriska arbetsuppgifter. Vi har kallat detta den Respiratory motorstyrning Assessment (RMCA) 9. Denna vektor analysmetod kvantifierar mängden och fördelningen av aktiviteten i musklerna och presenterar det i form av ett index som avser i vilken grad sEMG produktionen inom ett test-ämne liknar det från en grupp friska (icke-skadade) kontroller. Den resulterande indexvärdet har visat sig ha hög upplevd validitet, sensitivitetoch specificitet 9-11. Vi visade tidigare 9 att RMCA utfallen signifikant korrelerar med nivåerna av SCI och pulmonary åtgärderna skall fungera. Vi presenterar här metoden för att kvantitativt jämföra efter ryggmärgsskada respiratoriska flera muskelaktivering mönster till de av sunda individer.
Protocol
Ett. Inställningar
- Ytelektrod huvuden placerades över muskeln magen på vänster (L) och höger (R) andningsmuskulaturen: sternocleidomastoideus (SC), scalene (S), övre trapezius på medioklavikularlinjen (UT), klavikulära delen av pectoralis på medioklavikularlinjen (P ), membran på parasternal linje (D), interkostal vid 6: e interkostalrummet på främre axillarlinjen (IC), rectus abdominus på navelsträngen nivå (RA), obliquus abdominis på mellersta axillarlinjen (O), lägre trapezius paraspinally på midscapular nivå (LT ), och paraspinal paraspinally på iliaca intercrestal linjen (PS) 6. De jordelektroder placerades över acromion processer. En Motion Lab System Back Pack Unit, med bifogade elektroder, anslöts till en Motion Lab EMG Desk Top Unit och Powerlab System (Figur 1).
- T-stycke övervakningskrets för att spela in luftvägstryck sattes ihop såsom visas i fig. 2 och ansluts till Låg pressure Transducer (MP45) med användning av luftröret.
- MP45 anslöts till CD15 och Powerlab System (figur 1 och tabell 1).
2. RMCA Protokoll
- De respiratoriska motoriska uppgifter bestod av Max inandningstrycket Task (MIPT) och Maximum utandningstryck Task (MEPT). För att utföra MIPT eller MEPT fick försökspersonerna ombedda att ge maximal inandningsansträngning från kvarvarande volym eller exspiratoriska insatser från total lungkapacitet för 5 sekunder med hjälp av ett T-stycke Monitoring Circuit (figur 1 och 2). Varje manöver cued med en hörbar 5-sek lång ton och upprepade 3x. Minst 1 min vila tilläts mellan varje försök.
- EMG-ingång förstärktes med en vinst på 2.000, filtreras vid 30-1,000 Hz och samplad vid 2000 Hz. Luftvägstrycket ingång kalibrerades vid 100 cm vatten och samplas vid 2000 Hz. EMG och luftvägar tryckingångar konverterades av Powerlab förvärvet som använder 16-bitars full skala ADCupplösning. Airway pressure, sEMG och markör signaler spelades in samtidigt 9.
Tre. Data Analysis
- Multi-muskelaktivitet fördelningsanalys fönstren av 5 sekunder vardera för MIPT eller MEPT bestämdes från händelsen markör och luftvägstryck registreras med cuing tonen som signalerade motivet när man ska börja och avsluta uppgiften (Figur 3). Den sEMG aktivitet för varje muskel beräknades med en root mean square (RMS) algoritm 6,12 (Figur 4). Tre upprepade försök för varje uppgift var i genomsnitt 13 för varje muskelgrupp (kanal).
- Multi-muskelaktivering mönster utvärderades utifrån en vektor analysmetod som kallas frivillig Response Index (VRI) 8 (fig 4-6) med skräddarsydd Matlab programvara (MathWorks). För varje manöver, producerar VRI beräknas två värden, en storlek och ett Likhet Index (SI) (figur 5-6).Omfattningen parametern mängden kombinerad sEMG aktivitet för alla muskler i den specifika tid, beräknades som en längd svarsvektorn (RV) för specifik uppgift (Figur 7). Likheten Index (SI) ger ett värde som uttrycker hur lika RV av SCI motivet är att Prototype svarsvektorn (PRV) som erhållits från friska individer under samma uppgift. SI-värdet beräknas för varje uppgift som en cosinus av vinkeln mellan SCI ämne RV och PRV. SI Värdet ligger mellan 0 och 1.0 där värdet av 1,0 representerar den bästa matchningen för jämförelse vektorer 9 (Figur 8).
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
Figur 3 representerar elektromyogram och airway pressure (överst) samtidigt registreras under MEPT från en icke-skadade (till vänster) och SCI (höger) individer. Obs minskade luftvägstryck och frånvaro av sEMG aktivitet i expiratoriska musklerna i en SCI motivet när jämfört med en icke-skadad individ (markerade med grå ellipser). Notera också att starten av uppgiften, enligt märkning på botten, är förenad med ökad sEMG aktivitet och öka airway pressure.
Figur 4 belyser de viktigaste stegen att konstruera RV. Början och slutet av uppgiften (händelsen fönster) definierades som datapunkter (steg 1) enligt markeringen. Den Root Mean Square (RMS) i sEMG inom denna händelse fönstret representerar medelvärdet sEMG aktivitet för varje muskelgrupp (steg 2). RV monteras med RMSs värden för den specifika muskeln kombinationen (steg 3).
Figur 5 illustrerar beräkning avPRV och dess storlek för en grupp av icke-skadade (friska) individer. Prototype respons matris konstruerades med användning av individuella RVs (Steg 4). Varje kolumn i prototypen svar matrisen innehåller data för varje individ i gruppen (n = 1,2, .., N) och varje rad representerar kvantifieras sEMG aktivitet (RMSs) av specifika muskler från alla individer i gruppen. Den PRV beräknades genom att ta genomsnittet av varje rad av prototypen svaret matrisen (steg 5). Storleksvärdet representerar längden av RV och beräknades enligt formeln visad (Steg 6).
Figur 6 visar steg för SI beräkningen. RV (steg 7) och dess omfattning (steg 8) för särskilt SCI individ beräknades såsom också visas på fig. 4 och 5. SI erhölls genom att beräkna den inre produkten av PRV och RV (steg 9).
Figurerna 7 och 8 illustrerar konstruktionen av vektorerna och beräkningar av resultaten med verkliga data. Dessa beräkningar kan göras med hjälp av någon lämplig programvara verktyg som Mathlab, Excel eller andra.
Tabell 1. Förteckning över särskild utrustning och förnödenheter som används för Respiratory motorstyrning Assessment.
Figur 1. sEMG och airway pressure färdskrivare som används för Respiratory motorstyrning Assessment. Klicka här för att visa en större bild .
Figur 2. T-stycke övervakningskrets med luftrör montering används för att registrera d luftvägstrycknder MEPT. Notera att för MIPT, bör luften läcker delen vändas till inspiratoriska sidan.
Figur 3. sEMG aktivitet under Maximalt utandningstryck Task (MEPT) i en icke-skadad person och ett ämne med ryggmärgsskada (SCI). Lufttrycket utvecklad visas på toppen (TRYCK) och samtidigt registreras sEMG aktivitet med händelsemärke (MARKER) på botten. Vertikala grå linjerna representerar 5-sek-analys fönster för VRI beräkningar. Obs minskade luftvägstryck och frånvaro av aktivitet i exspiratoriska muskler: Höger (R) och vänster (L) Interkostal (IC), Rectus abdominus (RA), och Oblique abdominus (O) i en SCI ämne jämfört med en icke-skadade individen ( markerade med grå ellipser). Andra muskler som visas: Höger (R) och vänster (L) Ster nocleidomastoid (SC), Scalene (S),. Övre trapezius (UT), pectoralis (P), membran (D), nedre trapezius (LT), och paraspinal (PS) Klicka här för att visa en större bild .
Figur 4. Steg för beräkningen av Response Vector (RV). Observera att RV under den specifika uppgiften har sammanställts med hjälp Root Mean Square (RMS) som beräknats för specifika muskler.
Figur 5. Steg för beräkning av Prototype svarsvektorn (PVR). Observera att RV från varje frisk individ i gruppen används för att skapa PVR och beräkna dess storlek.0178/50178fig5large.jpg "target =" _blank "> Klicka här för att visa en större bild.
Figur 6. Steg för beräkning av likheten Index (SI) och storlek. Observera att SI har beräknats med PRV och RV erhållits från SCI ämne (SRV). Notera också att storleken beräknades som längden på SRV. Klicka här för att visa en större bild .
Figur 7. Exempel på PRV beräkningar med hjälp av data som erhållits under Maximum Expiratory Task (MEPT) i 17 icke-skadade individer. Klicka här för att visa en större figure.
Figur 8. Exempel av VRI beräkningar med hjälp av data som erhållits under Maximum Expiratory Task (MEPT) i friska (icke-skadade) och SCI individer. Observera att i motsats till den icke-skadade ämne, frånvaro och minskad expiratorisk muskler aktivitet (IC, RA, och O ) i SCI individen minskade Likhet Index (SI) värde. Observera även lägre total muskelaktivitet i en SCI individ associerad med lägre storleksvärde. Klicka här för att visa en större bild .
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
Standard kliniska tester för att utvärdera respiratorisk motorisk funktion efter SCI och andra störningar inkluderar lungfunktionstest och American Spinal Injury Association Nedskrivning Scale (AIS) utvärdering 14,15. Emellertid är dessa verktyg inte konstruerade för kvantitativ utvärdering av bålen och respiratoriska motorstyrning. I vårt tidigare publicerade arbeten 9, har vi visat att RMCA är en giltig metod för att kvantitativt utvärdera den respiratoriska motorik påverkas av SCI. Vi har visat att denna metod kan användas trots testet-omprov och föremål och motiv EMG amplituden variabilitet.
För att kvantifiera graden av skillnad (SI) i de multi-muskel spridningsmönster som produceras av en testad individ (RV) mot normativa vektorn (PRV), kan PRV och RV konstrueras för någon kombination av muskler. De motoriska uppgifter kan variera och beror på studiedesign samt en förteckning över de musklerna. I samarbetentrast till SI, kan Magnitud värden, som representerar det totala sEMG aktivitet, modifieras efter ämne ansträngning, kompenserande muskelaktivitet, och fysikaliska egenskaper hos kroppens vävnader.
SI och samtidigt ombesörja det kvantitativt mått på hur nära den av flera muskelaktivering mönster är att den normativa mönster, inte beskriver på vilket sätt mönstret kan vara olika. Av denna anledning är det viktigt att kvalitativt beskriva förändringar i mönstret och individuella muskel aktivering. Dessutom är ytterligare studier krävs för att undersöka sEMG signaler för ytterligare parametrar som man kan karakterisera multi-och single-muskel aktiveringsegenskaper.
Den metod som presenteras här ger ett systematiskt sätt att utvärdera motorstyrning bålmusklerna används för att utföra respiratoriska motoriska uppgifter i jämförelse med åtgärder normativa standard. Utöver en beskrivande sEMG utvärdering att undersöka på vilket sätt muskelaktivering mönstret förändraed, VRI beräkningarna ge enhetliga indexvärden som svårighetsgraden av störningar kan jämföras mellan individer och förändringar över tiden kan följas. Denna metod gör det möjligt att utvärdera den respiratoriska motorstyrning status och effekterna av befintliga och nya insatser för nedsatt andningsfunktion motorstyrning hos personer med SCI och annan sjukdom.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
Ingen intressekonflikt att deklarera.
Acknowledgments
Detta arbete stöddes av Christopher och Dana Reeve Foundation (Grant CDRF OA2-0802-2), Kentucky Ryggmärgen och Head Injury Research (Grant 9-10A - KSCHIRT) Trust, Craig H. Neilsen Foundation (Grant 1000056824 - HN000PCG) och National Institutes of Health: National Heart Lung and 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).
