Summary
このプロトコルでは、複合筋活動電位の詳細な刺激-反応曲線にモデル当てはめによる、筋運動単位の機能の数を推定する手法について説明します。それでは、迅速かつ簡単に分析を行い、優れた再現性。
Abstract
運動単位数推定 (胸)、その他のメソッドが化合物のような筋活動電位 (CMAP) スキャン胸 (MScan) は筋肉の機能のモーター単位の数を推定する非侵襲的電気生理学的手法です。胸は、神経障害と neuronopathies の評価のための重要なツールです。使用中ほとんど胸メソッドとは異なり MScan 詳細な刺激-反応曲線モデル当てはめによる、筋肉のすべての運動単位を評価するまたは CMAP をスキャンします。単位の小さなサンプルから推定することに基づいてすべての胸メソッドに固有のバイアスを回避します。' ベイズ胸、「モデルのあてはめによる MScan の分析機能から成っている別々 の振幅しきい値、およびしきい値変動と運動単位がフィッティング法とは異なり、完成したいくつかの時間ではなく、5 分内。MScan オフライン解析が 2 段階で動作します: 最初に、斜面とスキャンのポイントの分散に基づく予備的モデルが生成され、このモデルは、元のスキャン間の適合を改善するためにすべてのパラメーターを調整することによって調整し、第二とモデルによって生成されるスキャン。
この新しいメソッドは、再現性がテストされているし、2 つの盲目の医師によって二度繰り返される筋萎縮性側索硬化症 (ALS) 患者の 22 と 20 の健康的なコントロールは、各テストの時間を記録します。MScan を示した優れた内間 rater 再現性の ICC 値 > 0.98 と平均 12.3 ± 1.6% 変動係数。2 つのオブザーバーのオペレーター内再現性の違いはありませんでした。平均記録時間があった 6.27 ± 0.27 分。
このプロトコルでは、CMAP スキャンを記録する方法と MScan ソフトウェアを使用して機能の運動単位のサイズと数の推定値を派生する方法について説明します。MScan は、診断と神経筋疾患で病気の進行を監視に役立つ可能性があります高速、便利で、再現性のある方法です。
Introduction
モーター システムの動きはそれをアクティブに筋線維とともに個別運動神経線維を参照しているモーターのユニットに依存して運動単位数は前角細胞または軸索11 つの筋を支配する数。除神経と神経再生過程における健全な軸索は担保発芽で失われる軸索の役割を引き継ぐ。したがって、複合筋活動電位 (CMAP) 振幅はモーター ユニットの損失の程度について必要な情報を与えない。CMAP 振幅運動単位の 50% 以上が失われたときに開始します。同様に、異常な自発的な活動や運動単位電位 (MUP) 変更の大きさは、神経性とは関連しません。
全体的にみて、運動単位数の単純な直接の測定は、電気生理学的手法はありません。運動単位数 (胸) の推定値は下位運動ニューロンの損失2を評価するために使用されます。胸のいくつかの方法は、増分刺激胸復刻3によって 1971 年に導入された最初の方法の実施以来、開発されています。ほとんどのメソッドは、いくつかの表面に記録された運動単位電位 (sMUP) を測定し、平均 sMUP 振幅最大 CMAP を分割に基づいてされています。このようなメソッドは、増分刺激4、複数ポイント刺激 (MPS)5、スパイク発生平均6 をなど。他の胸の方法は、刺激の7,8,9,10への応答の運動単位の発火の確率論的性質に基づく統計的手法を使用しています。この変動は、CMAP の応答のサイズの変動につながる運動単位のさまざまな組み合わせを発生させることを意味します。モーター ユニット番号インデックス (Munix) はより最近 sMUP11,12の平均サイズを予測する随意収縮中に記録された干渉パターンを使用してメソッドを紹介します。
これらの胸のメソッドは、すべては主観の存在など、1 つ以上の制限 CMAP 振幅絶対値の結果を分析するために必要な長い時間や十分なユニットをサンプルに必要な長い時間単位選択のバイアス依存性に苦しみます。新しい胸法は最近開発され、'CMAP スキャン胸'13これらの制限を克服するために (MScan)。このメソッドでは、詳細な刺激-反応曲線または CMAP スキャン14,15で測定されるように、CMAP にもすべてのユニットの貢献を考慮して単位の選択に固有の問題を回避できます。また、新しいアルゴリズム16を使用すると同様、モデル当てはめ法9,10の拡張分析時間を回避できます。最近の研究では、運動単位数推定で MScan の再現性は、MPS 胸と Munix13の 2 つのより伝統的な方法より優れていた。さらに、MScan は、MPS 胸や Munix よりも以前の段階の筋萎縮性側索硬化症 (ALS) のモーター ユニットの損失を示すことができます。MScan は、MPS 胸よりも速く、Munix13早くだった。
本稿では、MScan の方法を詳しくについて説明します。また、以前に報告されたイントラ間 rater の再現性 MScan ALS および健康な対照被験者13メソッドが計画研究のために適切であるかどうかを判断するリーダーを有効にする可能性があります患者をまとめたものです。
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Protocol
すべての科目は、試験の前に彼らの書面による同意を与える必要があります、記録プロトコルは適切なローカル倫理レビュー ボードによって承認されなければなりません。ここで説明するすべての方法は、地域の科学の倫理委員会およびデンマークのデータ保護局によって承認されました。
注意: 録音ソフトウェアの一部である"TRONDNF"記録プロトコルで作られて (材料の表を参照してください)。使用される他の装置が双極刺激、50 Hz ノイズ除去装置、アンプ、アナログ-ディジタル (A/D) ボード (筋電図 (EMG) 活動のフィードバックのためのオーディオ アンプもお勧めし、中に音を遮断するにはボックス、ミュート電気刺激)。モーター ユニット番号 MScan 法による推定は、3 つの段階を含む: 1) 準備 (神経興奮性検査)、主題の 2) CMAP スキャンを記録し、3) MScan ソフトウェアを使って結果を分析します。以下の記録手順はソフトウェアや使用楽器に固有 (材料の表を参照)。これらは、他のソフトウェアやハードウェアに合わせる必要があります。
1. 件名の準備
- 彼らが調査する疾患群以外 (特に神経障害、手根管症候群)、神経系疾患の任意の歴史を持っていないことを確認する対象を画面します。
- 件名に検査および承諾要求について詳細に指示します。
- 件名を知らせる、録音が開始されると、パワーは、段階的な減少が続く最大徐々 に増加が、検査は約 5-6 分になります。
- 件名は、手と指でくすぐり感を経験することを説明します。
- 記録中の任意の時点ですぐに電源が遮断されますの主題があまりにも多くの不快感を感じている場合に、その対象に通知します。
- きれいに件名's 手および前腕の皮膚を準備するゲルとアルコール。
- 外転筋短母指筋と参照電極 (図 1) 親指の中手指節関節の上、アクティブに記録電極を配置します。
- 手背部に接地電極を配置します。
- これらの電極を前置増幅器 (図 1) に接続します。
- ノイズや随意運動 (図 1) による工芸品をなくすに一緒に指をテープします。
- 地球温暖化ランプと 32 ° C と 36 ° C の間の皮膚温を維持します。
2. 記録 CMAP スキャン
注:下記すべてのソフトウェア操作、ソフトウェアおよび使用楽器に固有 (材料の表を参照)。これらは、他のソフトウェアやハードウェアに合わせる必要があります。
- 半自動のコンピューター化されたシステムを起動します。
- '録画プロトコルを選択' フォームから'MScan R'記録プロトコルを選択します。
- 前置増幅器および刺激のデフォルト設定を受け入れます。
- '記録パラメーターを選択' フォーム '出力ファイル' ボックスに 2 文字または 3 文字演算子プレフィックスを入力して"" [ok] ボタンをクリックします。
- プログラムには、生 EMG 入力が表示されたら、いずれかの'MScan パラメーター' (スキャン ステップ、刺激間隔と刺激幅) を手動で選択または既定パラメーターを受け入れる: 刺激幅 0.2 ms、0.2% と interstimulus のスキャン手順0.5 の間隔は s の"" [ok] をクリックしてまたは""のエスケープ キーを押します。
注: 既定のパラメーターは、この研究では受け入れられました。フィルターの設定が 3 Hz-3 kHz。 - 最小のしきい値のサイトを見つけるための手首で正中神経に変え双極刺激電極を配置します。"刺激を開始する" [ok] をクリックします。
- 次の表示は、刺激 (当初 15% 最大出力) と筋電図の応答;最小しきい値(最大応答)のサイトを見つけるための電極位置を調整します。CMAP の形ができればダイフェーズ単一ピークを持つことを確認する必要な場合は、記録電極の位置を調整します。必要に応じて、調整''挿入刺激強度と''削除キー。".を続行する" [ok] をクリックします。
- マゼンタ水平線で示される、応答は測定される、'ウィンドウ' と '更新' の応答が表示されます。(ベースラインを示します) ウィンドウの前に短い緑の線は刺激アーチファクトと応答の平坦な線であることを確認します。必要に応じて、マウスの右ボタンを押すことによってウィンドウの開始を設定されている場合は、右にカーソルをドラッグし、ウィンドウの最後のボタンを離します。
注: CMAP ピーク高さは、ウィンドウ内で上昇のピークにベースラインから測定し、青色の縦線で示されます。
""を続行する [ok] をクリックします。 - カソード電極を刺激非分極性接着剤を変え電極を交換し、アノード近位正中神経; に沿って 2 cm の場所ボトム トレースは今高利得筋を示しています。自発活動を最小限に抑えるために彼らの手の最もリラックスした位置を見つけるために対象をお勧めします。""を続行する [ok] をクリックします。
- 現在の刺激は CMAP; の最大振幅のレベルの上まで""キーを押すことによって手動で刺激強度を増加しなさいまず、増加 3% ずつ刺激強度の微調整し 1% の使用手順。
- CMAP のスキャンを開始する"" [ok] ボタンをクリックする前にウィンドウとピークの測定をチェックします。
- 20 激刺激 (事前スキャン) に対する応答が記録された後刺激強度 20 概念地図のさらに設定し、認識できるような運動反応がされなくなるまで激刺激から、小さなステップで自動的に減少したことに注意してください。(後スキャン) が記録されます。
注: データは' 'CMAP スキャンまたは x 軸の y 軸と刺激の強さの運動反応の振幅と詳細な刺激応答曲線としてプロットされます。、健常者にこれは ALS、ようにモーター単位の数が減少患者における曲線開発ステップの外観 (図 2) に対し、S 字カーブを作成します。 - ミュート ボックスから達成からのフィードバックだけでなく、それは主題はリラックスした場合は左側中央のパネルで確認することがわかります。(変更)、パネル左上と左下パネル、刺激強度 (しきい値) 増減 CMAP を見てください。右側の CMAP のスキャンに従ってください。
- 繰り返しスキャンが必要でない限り、 "を右下隅で OK"ボタンをクリックして、データを保存、記録を終了します。
注: 完了するとき、'伝説とスケーリング' フォームすべての疑問符を置換する必要があります。
3 MScan 解析
注:下記すべてのソフトウェア操作、ソフトウェアおよび使用楽器に固有 (材料の表を参照)。これらは、他のソフトウェアやハードウェアに合わせる必要があります。
-
CMAP スキャン モデルを当てはめ
- 記録、オフライン起動解析プログラムを分析し、 "" [ok] を選択するをクリックして、解析.の最後の録音
- "をクリックしては、 'フィット MScan QZD ファイル" "MScanFit"メニューからを選択します。
注: 1 つは代わりに"MEM ファイル"に合う MScan を選択できます。Alo CMAP スキャン、ここで使われている異なる機器で記録された場合に、 "(mA mV) dat"に合う MScan を選択することです。DAT ファイルの作成方法は後述します。 - プログラム最初予備モデルを生成し、フィットを最適化になることを確認します。'最適化' ボックスでマルチカラーの進行状況バーが完了し、 ""ストップ ボタンが灰色になるまでには、ユーザーの介入は不要です。
- 予備のモデルは、モデルに由来する斜面と分散スキャンの連続の部分上の最初の推測を提供します。(黒) の元のスキャンと (マゼンタ) モデルから生成されたスキャンを左右に並べてプロット可能性がありますに注意してください。テキスト表示とディスプレイの代替モデルとモデルの改善に従ってください。
注: ディスプレイの代替は、いつでも選択します。 'としてプロット振幅'、および '印刷タイプ' ボックス 'プロットするデータ」のオプションに従って時間。 - シリアル調整シミュレーション信号や記録の CMAP スキャン16の違いを最小限にすることによって記録された CMAP にフィットを向上するための最適化を実行します。
注: 詳細15で前述したように、予備のモデルから始まる連続でいくつかの最適化が実行されます。最適化は、単位数を増加する場合、スキャンをフィッティングの次の試みを開始より多くのユニットを使用してモデルを生成することによって最初の最適化は、単位の数を減少する場合 2 番目の試みから始まります少ない単位でモデルに対し。すべてがうまくいけば場合、最適化プロシージャのスキャンに合わせてユニットの最適な数のゼロします。 - 最適化の手順を実行すると、最適化パネルもマルチカラー プログレス バーが表示に注意してください。
- "プロット タイプ"箱、すなわち等高線、エラー v N ユニット、モデルの単位、累積的な振幅で異なるプロット オプションを使用して、最適化プロセスに従ってください。
注: 最適化処理中にモデルの変更は継続的に最新のモデルによると更新し、異なるプロット オプションとテキスト表示のモデルで改善が続くことがあります。- 等高線図
- ぼかしポイントと15x と y の分布の違いに基づくエラー スコアを生成するモデルの精度を評価するために等高線図を利用します。記録とモデルとの違いを表示する Diff 選択""と""等高線表示 CMAP を等高線地図としてスキャンします。最適化プロセスは、最小限にしようとするこれらの違いです。
注: '等高線図' 与えられた刺激を与えられた応答を得ることの確率密度ができます。エラー スコア元とモデルのコンター マップの違いに依存してこれはプロット型パネルで'トップ'の差分オプション パネルと輪郭のプロット' 'を選択して視覚化できます。赤の線は、元のスキャンでポイントの高い密度があったし、緑の線を示すモデルのスキャンでより多くのポイントを示します。上部に差分プロットは、最大エラーが見つかりました、刺激強度を示します。
- ぼかしポイントと15x と y の分布の違いに基づくエラー スコアを生成するモデルの精度を評価するために等高線図を利用します。記録とモデルとの違いを表示する Diff 選択""と""等高線表示 CMAP を等高線地図としてスキャンします。最適化プロセスは、最小限にしようとするこれらの違いです。
- エラー v N ユニット
- ログ'エラー v N ユニット'プロットを選択して最適化手順に従います。最適化の手順の各段階は、 ''の最適化パネル内のバーに対応する、別の色でプロットされます。
- モデルの単位
- これを使用して、モデルの異なる軸索の採用によって平均 CMAP 振幅がどのように構成は上の部分は、ピーク振幅と個々 の運動単位のしきい値分布を示しています。
- 累積的な振幅
- 単位はしきい値ではなく、サイズを増やすの順序でプロットされますに注意してください。黒い曲線は、赤色の曲線は、累積的な振幅を表示中に累積ユニット数がプロットされます。
- 等高線図
- 最適化プロセスが完了したら、MScanFit テキスト ディスプレイの分析の結果を表示します。利用可能な MScan パラメーター、すなわち単位、平均振幅、最大単位数は、テキストの表示に表示されます。
- "をさらに解析の MEM ファイルにモデルを保存する 'フィットを MEM ファイルに保存' ボックスで OK"ボタンをクリックします。
4. CMAP は胸を使用してスキャンします。DAT ファイル
注: ソフトウェアの代替、無料版 CMAP スキャン他の装置によって記録の分析が可能。 にします。
- 分析する CMAP スキャンを含む a.DAT ファイルを生成します。
注: これは mA で 1 つの列と別の列の mV で CMAP 振幅で刺激強度と標準的な 2 列の形式でテキスト ファイルをする必要があります。 - 適切なを生成します。DAT ファイルをテキスト編集ソフトウェア、スプレッドシート ファイルから 2 つの列にコピーし、として、拡張子を指定します。DAT よりもむしろ。TXT。
- スタンドアロン プログラムを起動し、選択した後、前述したように MScan 分析の他のすべての手順を実行します。DAT ファイル。
- 大学大学ロンドン FTP サイトでフリーウェア プログラム、マニュアル、および標本データを検索する (ホスト: 144.82.46.62、ユーザー名: QtracW、パスワード: Hg32wK5e)。
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Representative Results
最近の研究では、MScan メソッドが 2 つの確立された手法と比較した次の結果を得た: 複数のポイント刺激胸 (MPS) とモーター ユニット番号インデックス (Munix)13。結果はこのプロトコルで記述されている技術、優れた再現性と一貫性のある結果を達成することができます。メソッドは、CMAP より病気の早い段階で健常者から ALS 患者を区別できる、迅速かつ簡単に使用13です。これは、メソッドを臨床使用に適して可能性があることを示唆しています。
健常者と患者:168 MScan 録音の合計は、22 人の患者と各科目の 2 つの異なる観測者によって 2 つの録音と、20、健常者で行われました。運動単位数の中央値は健常者より有意に低かった (32.4、範囲ユニット: 1 - 123.5) 患者 (111.1、範囲: 71.75 166.8)、 p = 1.2 × 10-6。
の再現性:オペレーター内の可変性の MScan 胸値 (平均 ± SE) の変動 (CV) 係数 1.6%、8.6 ± であったし、評価者間の可変性を 9.7 ± 1.3% であった。オペレーター内変動 2 つのオブザーバー間類似していた。患者と健常者が個別に分析されると、患者の CV 値は 14.7 ± 2.7%、健常者の 9.6 ± 1.3%、患者および複合コントロールのそれだった 12.3 ± 1.6%。
内相相関係数 (ICC): ICC 値は両方の観測者のための優秀なオペレーター内一致を示した。オブザーバー 1 のオペレーター内 ICC 値に違いはなかった (0.983、信頼区間: 0.968 - 0.991) とオブザーバー 2 (0.985、信頼区間: 0.972 - 0.992)、および ICC 値も示した優れた評価者間契約 (0.993、自信を持って間隔: 0.987 - 0.996)。
感度と MScan と CMAP の特異性:図 3は、どのように MScan と CMAP 振幅が 20 健常者から 22 の ALS 患者を区別できます ROC 曲線で示します。MScan 胸が健常者と患者との間を区別するため値最高のカットオフは 75.5 だったこれには、92.5% の感度と 80.7% の特異性が得られました。MScan 胸は対応する CMAP 振幅と比較し、どれだけ彼らは患者と健常者を区別することができたの対策として (AUC) 曲線下面積で評価。MScan あった AUC (0.903) CMAP 振幅 (0.845) より有意に高かった。
回の記録:患者のためのすべてのレコーディングの平均記録時間 (平均 ± SE) は 6.08 ± 0.28 分健常者だった 6.48 ± 0.29 分患者とコントロールの組み合わせだった 6.27 ± 0.20 分。
図 1: CMAP スキャン胸 (MScan) セットアップの写真。この図の拡大版を表示するのにはここをクリックしてください。
図 2: MScan 録音の例:(A) 健康的な主題、通常 MScan (B)、ALS 患者、運動単位の中程度の損失 (C)、ALS 患者およびモーター ユニットしてくださいの深刻な損失 (D)、ALS 患者この図の拡大版を表示するのにはここをクリックして.
図 3: (AUC) の曲線下面積を比較する MScan と CMAP 振幅の ROC 曲線です。2 つの方法は、解析に使用されました。両方のメソッドは同じ科目が各テスト.に使用されたという事実を利用しました。Pa 私はデロング17らの方法を指します。Pb はハンリーとマクニール18のメソッドを指します。この図の拡大版を表示するのにはここをクリックしてください。
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Discussion
プロトコルの中で重要なステップ:MScan は非常に自動化されたプロシージャが、一貫性のある結果を得るための注意 EMG のすべてのメソッドとする必要があります。準備段階では、CMAP のスキャン中に自発活動または動き工芸品、CMAP のスプリアスの差異を紹介し、予備モデルの生成以来、緩和を達成するために重要です。
変更とトラブルシューティング:最高の肢の位置を見つけるために EMG フィードバックの指使いのテーピングがいくつかの分散を避けるために役立つことがわかった。
技術の制限:CMAP スキャンのポイントの有限な数と確率応答と模倣性、1 つは同じ記録の各分析の後の単位の同じ数を見つけるため期待できません。理想的な録音にも胸値で約 7% の絶対誤差は避けられない16です。使用簡単なフィッティング処理では、この結果の不確実性は避けられないです。MScan の別の制限は、それ、近位筋肉大腿四頭筋など日本語に向いていないことです。これまでのところ、のみ、外転筋短母指筋が使用13,19をされているが、他の遠位筋の上部と下部、前脛骨筋を含む四肢と考えています MScan の両方が正しく適用されることができます。いくつか激刺激が不快になることがありますが、試験を完了できなかった被験者を経験していません。
さらに制限は用途を以下のように記録方式が特化したソフトウェアと神経興奮性検査装置を関連付けられている、現時点では 100 未満部門で利用可能な世界。ただし、フリーウェアのプログラムを他の機器で生成された CMAP スキャンに適用することが可能です。リニアの CMAP のスキャンを使用する場合は、ステップ サイズが私たちの録音で使用 0.2% を超えていないことをお勧めします。運動単位のしきい値がある変動係数の約 2%、0.2% と手順が各ユニットに関する適切な情報を提供するために必要です。
メソッドによって既存の意義:MScan を考慮するメソッドは、他の胸の方法で発見されている制限のほとんど。優秀なイントラ間 rater 再現性がわかったし、オペレーター内の再現性は経験豊富な非経験オブザーバー間差はなかった。13、上に引用した、私たちの最近の研究で同じ科目から別録音で全体的な CV MScan は、MPS 胸の 24.7% 21.5 %munix の CVs と遜色のない 12.3% であった。この再現性は改善が測定値の変動の二乗で増加すると予想を検出するために必要な患者数から ALS などの神経変性疾患の治療の可能性を評価する上で重要な可能性があります。受信機オペレーター (中華民国) の特性曲線を用いた健常者から ALS 患者を区別するに MScan は少し差別より、すなわち曲線の下でわずかに高い地域があった (AUC = 0.930) MPS 胸 (0.899) と両方よりも差別 Munix (0.831) と CMAP 振幅 (0.831) よりも大幅に向上。また、MScan は、レコーディング (~ 6 分) を実行する簡単な方法です。分析は、高速も、5 分未満かかります。
今後のアプリケーション: 結論としては、MScan は診断と ALS などの神経筋疾患の経過観察のためにクリニックで実装する可能性があるとしました。他の患者グループと大規模なグループ研究を更に、保証されます。別の筋肉で MScan の応用に関する研究も実施しなければなりません。
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Disclosures
利害の対立: HB は本研究で使用される彼の Qtrac ソフトウェアの売り上げ高は UCL からロイヤリティを受け取る。他の著者は利害対立の可能性があります。すべての著者は、最後の記事を承認しました。
Acknowledgments
この研究は、ルンドベック財団によって主に財政的に支えられました。
また、クヌート og エディス Eriksens Mindefond、Søster og ヴェルナー ・ Lipperts が好き、Fonden Lægevidenskabens Fremme とオーエラムスセン og ゴマ Johanne ルイ ハンセンが好きこの研究サポートします。
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| QtracW software | Digitimer Ltd (copyright Institute of Neurology, University College, London) | QtracW | |
| MScanFit | Digitimer Ltd (copyright Institute of Neurology, University College, London) | QtracW | |
| DS5 bipolar stimulator | Digitimer Ltd | DS5 | |
| D440 amplifier | Digitimer Ltd | D440-2 (2 channel) or D440-4 (4 channel) | |
| HumBug Noise Eliminator | Digitimer Ltd | Humbug | |
| Analogue-to-digital (A/D) board | National Instruments | NI-6221 |
References
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