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慢性脊髓损伤患者呼吸肌激活的评估：基于呼吸运动控制评估（RMCA）的方法

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DOI：

10.3791/50178

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2013年7月19日

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1Department of Neurological Surgery, University of Louisville, 2Spinal Cord Injury Laboratory, Shepherd Center, 3Department of Medicine: Division of Pulmonary, Critical Care and Sleep Disorders, University of Louisville

本文内容

摘要

本出版物旨在介绍我们采用基于向量分析的多肌肉表面肌电图方法，对慢性脊髓损伤个体的呼吸肌激活模式进行定量表征的原创性研究。

摘要

呼吸过程中，呼吸肌的激活由大脑、脑干和脊髓的整合输入共同协调。当脊髓损伤（SCI）破坏了这种协调性时，损伤平面以下所支配的呼吸肌控制功能将受到影响1,2，导致呼吸肌功能障碍及肺部并发症。这些情况是脊髓损伤患者死亡的主要原因之一3。用于评估呼吸运动功能的标准肺功能测试包括肺量计指标和最大气道压力指标：用力肺活量（FVC）、第一秒用力呼气容积（FEV1）、最大吸气压（PImax）和最大呼气压（PEmax）4,5。这些数值可间接反映呼吸肌的功能表现6。在临床实践和研究中，通过体表肌电图（sEMG）记录呼吸肌的电活动，可用于评估呼吸运动功能，并有助于诊断神经肌肉病变。然而，sEMG振幅的变异性限制了建立客观且直接的呼吸运动功能测量方法的努力6。基于一种用于表征肢体肌肉运动控制的多肌肉sEMG方法7——即自主反应指数（VRI）8，我们开发了一种分析工具，可直接从多个呼吸肌在自主呼吸任务中记录的sEMG数据中表征呼吸运动控制。我们将此方法命名为呼吸运动控制评估（RMCA）9。该向量分析方法可量化肌肉间的活动程度与分布，并以指数形式呈现，反映受试者sEMG输出与一组健康（无损伤）对照个体之间的相似程度。已有研究表明，该指数具有良好的表面效度、敏感性和特异性9-11。我们先前的研究9显示，RMCA的结果与脊髓损伤程度及肺功能指标显著相关。本文旨在介绍一种定量比较脊髓损伤后多呼吸肌激活模式与健康个体之间差异的方法。

方案

1. 设置

  1. 将表面电极放置于左侧（L）和右侧（R）呼吸肌的肌腹处：胸锁乳突肌（SC）、斜角肌（S）、锁骨中线处上斜方肌（UT）、锁骨中线处胸大肌锁骨部（P）、胸骨旁线处膈肌（D）、第6肋间肌（IC）th 前腋线肋间（IC）、脐水平腹直肌（RA）、腋中线腹外斜肌（O）、肩胛骨中线水平下部斜方肌旁脊柱旁（LT）以及髂嵴间线旁脊柱旁（PS）6. 接地电极放置于肩峰突起处。将带有连接电极的 Motion Lab System 背包单元连接至 Motion Lab EMG 台式单元和 Powerlab 系统（图1).
  2. T型管监测回路用于记录气道压力，其组装方式如图所示 图2 并使用气管连接至低压传感器（MP45）。
  3. MP45 连接到 CD15 和 Powerlab 系统（图1 和 表1).

2. RMCA 实验方案

  1. 呼吸运动任务包括最大吸气压任务（MIPT）和最大呼气压任务（MEPT）。为执行MIPT或MEPT，要求受试者使用T型监测管路（图1和图2），从残气量位进行最大吸气努力，或从肺总量位进行最大呼气努力，持续5秒。每次操作由一个持续5秒的听觉提示音引导，并重复3次。每次努力之间至少休息1分钟。
  2. 肌电（EMG）信号以2,000倍增益放大，滤波范围为30–1,000 Hz，并以2,000 Hz采样。气道压力信号以100 cm H₂O进行校准，并以2,000 Hz采样。EMG和气道压力信号通过Powerlab采集系统，采用16位全量程ADC分辨率进行转换。气道压力、表面肌电（sEMG）和标记信号被同步记录9。

3. 数据分析

  1. 用于MIPT或MEPT的多肌肉活动分布分析时间窗各为5秒，由提示音信号标记的事件起止点及气道压力记录确定，提示音用于告知受试者何时开始和结束任务（图3）。各肌肉的表面肌电（sEMG）活动通过均方根（RMS）算法6,12计算得出（图4）。每项任务重复进行三次试验，各肌肉（通道）的sEMG数据取平均值13。
  2. 多肌肉激活模式采用一种称为自主反应指数（Voluntary Response Index, VRI）的向量分析方法进行评估8（图4-6），分析使用自行开发的Matlab软件（MathWorks）完成。对于每一项动作，VRI计算生成两个参数：幅度（Magnitude）和相似性指数（Similarity Index, SI）（图5-6）。幅度参数表示在特定时间窗口内所有肌肉综合sEMG活动的总量，其值为特定任务下反应向量（Response Vector, RV）的长度（图7）。相似性指数（SI）则反映脊髓损伤（SCI）受试者的RV与健康受试者在相同任务中获得的原型反应向量（Prototype Response Vector, PRV）之间的相似程度。SI值通过计算SCI受试者RV与PRV之间夹角的余弦值得出，取值范围为0至1.0，其中1.0表示两个向量完全匹配9（图8）。

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结果

图3展示了在非损伤个体（左侧）和脊髓损伤（SCI）个体（右侧）中进行最大呼气压测试（MEPT）期间同步记录的肌电图和气道压力（上方）。请注意，与非损伤个体相比，SCI个体的气道压力降低，且呼气肌的表面肌电图（sEMG）活动缺失（以灰色椭圆标记）。还请注意，如底部所示，任务开始时伴随sEMG活动增加和气道压力升高。

图4 突出了构建参考值（RV）的主要步骤。根据标记确定任务的起始和结束（事件窗口），将其定义为数据点（步骤1）。该事件窗口内表面肌电信号（sEMG）的均方根（RMS）代表每块肌肉的平均sEMG活动（步骤2）。通过特定肌肉组合的RMS值构建RV（步骤3）。

图5展示了非损伤（健康）个体组别中PRV及其幅值的计算方法。通过个体反应向量（RV）构建原型反应矩阵（步骤4）。原型反应矩阵中的每一列包含该组中每个个体的数据（n=1,2,..,N），每一行代表该组所有个体特定肌肉的量化sEMG活动（RMS值）。PRV通过计算原型反...

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讨论

评估脊髓损伤（SCI）及其他疾病后呼吸运动功能的标准临床测试包括肺功能测试和美国脊髓损伤协会损伤分级（AIS）评估14,15。然而，这些工具并非用于对躯干及呼吸运动控制进行定量评估。在我们先前发表的研究9中，已证明呼吸运动控制分析（RMCA）是一种可对受SCI影响的呼吸运动功能进行定量评估的有效方法。我们还证实，尽管存在测试间-测试内以及受试者间EMG振幅的变异性，该方法仍可适用。

为了量化受试个体（RV）与标准向量（PRV）在多肌肉分布模式上的差异程度（SI），可以针对任意组合的肌肉构建PRV和RV。运动任务可以变化，具体取决于研究设计以及所选肌肉列表。与SI不同，表征整体sEMG活动的幅值（Magnitude）值可能受到受试者用力程度、代偿性肌肉活动以及身体组织物理特性的影响。

SI 虽然能够提供多肌肉激活模式与标准模式接近程度的定量度量，但并未描述该模式在哪些方面存在差异。因此，对激活模式及单个肌肉激活变化进行定性描述至关重要。此外，还需进一步研究，以检验表面肌电信号（sE...

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致谢

本工作由 Christopher 和 Dana Reeve 基金会（资助号 CDRF OA2-0802-2）、肯塔基脊髓与头部损伤研究信托基金（资助号 9-10A - KSCHIRT）、Craig H. Neilsen 基金会（资助号 1000056824 - HN000PCG）以及美国国立卫生研究院：国家心脏、肺和血液研究所（资助号 1R01HL103750-01A1）提供支持。

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材料

本文使用的材料清单
姓名公司目录编号评论
PowerLab 系统 16/35ADInstrumentsPL3516设备数量取决于记录通道数
EMG 系统 MA 300Motion Lab SystemsMA300-XVI设备数量取决于记录通道数
低压换能器 MP45ValidyneMP45-40-871
基础载波解调器 CD15ValidyneCD15-A-2-A-1
气压计Boehringer4103用于 MP45 校准
事件标记器手持开关，按下时产生直流电压和声音输出（包括持续 5 秒的标记）
酒精棉片Henry Schein1173771电极放置所需
电极凝胶Lectron II36-3000-25电极放置所需
TagadermHenry Schein7779152电极放置所需
鼻夹Henry Schein1089460
带单向阀的 T 型通气监测管路Alleglance (Airlife)1504
气管UnoMedical400E
表 1. 呼吸运动控制评估所用特定设备和耗材清单。

参考文献

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