本文介绍了一种记录和分析呼吸肌电图（EMG）信号的实验方案。该方案包括在多个呼吸肌上放置EMG电极的解剖学定位参考、从EMG信号中去除心电干扰、以及获取EMG信号的均方根（RMS）值和活动起始时间。
需要JoVE订阅才能观看此内容。 请登录或开始免费试用
本文内容
摘要
摘要
评估呼吸驱动因现有方法（如功能性磁共振成像（fMRI））具有侵入性和操作不便而面临挑战。肌电图（EMG）可作为呼吸驱动作用于肌肉的替代性指标，能够确定肌肉激活的强度和时序。强度反映肌肉激活的程度，而时序则指示肌肉活动的起始与终止时间，相对于特定事件（如吸气气流及其他肌肉的激活）而言。这些指标对于理解呼吸协调与控制至关重要，尤其是在不同负荷条件下或存在呼吸系统病理生理状态时。本研究阐述了一种在健康成人及患有呼吸系统疾病的患者中采集和分析呼吸肌EMG信号的实验方案。研究已获得伦理批准，内容包括受试者准备、电极放置、信号采集、预处理和后处理。关键步骤包括皮肤清洁、通过触诊和超声定位肌肉，以及电极安放以最大程度减少心电图（ECG）干扰。数据以高采样率和增益进行采集，并同步记录ECG和呼吸气流。预处理包括对EMG信号进行滤波和转换，后处理则涉及计算肌肉活动起始与终止时间相对于吸气气流的时间差。来自一名健康男性受试者在进行递增式吸气阈值负荷（ITL）任务时的代表性数据展示了该方案的应用。结果显示，在较高负荷下，膈外肌的激活时间提前且持续时间延长，同时伴随EMG强度的增加。该方案有助于对呼吸肌激活进行细致评估，为正常及病理生理状态下的运动控制策略提供深入见解。
引言
呼吸驱动（即呼吸中枢对呼吸肌的输出）由于评估方法具有侵入性且通常不切实际，因此难以评估，例如功能磁共振成像（fMRI）等方法。此外，位于脑干的呼吸中枢体积较小，难以精确定位，且易受生理噪声的影响1,2。呼吸驱动的测量非常重要，因为它与重要的临床结局（如呼吸困难，即呼吸窘迫的指征）密切相关 。肌电图（EMG）可作为呼吸肌呼吸驱动的替代指标3。通过肌电图信号的均方根（RMS），可利用呼吸肌EMG确定肌肉活动及其强度。此外，通过识别肌肉活动的起始和终止时间，可评估肌肉激活的时序（分别为EMG起始和EMG终止）1,2,3,4,5,6,7,8,9,<....
访问受限。请登录或开始试用以查看此内容。
方案
采用该技术的研究已获得加拿大安大略省多伦多市多伦多大学和圣迈克尔医院，以及比利时鲁汶市大学医院 Gasthuisberg 的伦理批准。本文描述了一项具体方案。有关呼吸肌的多种替代性表面肌电图（sEMG）方法的总体讨论已在其他文献中提出并报道12。
1. 受试者准备与表面肌电图电极的放置
- 为确保充分可视化，要求男性不穿衬衫，女性穿着运动文胸或单层背心。使用前开式病号服，以提供充分接触并保持受试者隐私。
- 若受试者头发较长，应将其向后扎起并用发夹固定，以便评估斜角肌和胸锁乳突肌。
- 将受试者置于坐位或半卧位。
- 若胸部或颈部毛发过多，应在表面肌电图（sEMG）电极放置区域剃除毛发。
- 为降低皮肤阻抗，需清除皮肤上的油脂和死皮。
- 使用酒精棉片擦拭皮肤，并在电极贴附前让酒精自然挥发（即风干）。
- 若皮肤较白，擦拭后可能轻微发红，但更重要的是确保电极贴附区域无明显污垢、油脂或干燥脱皮。然而，应避免过度摩擦，以防皮肤损伤。切勿将电极贴附于破损皮肤或其他皮肤病变区域。
- 通过体表标志、触诊和/或超声定位目标肌肉。
注：超声在定位肋部膈肌时可能具有辅助作用20。
访问受限。请登录或开始试用以查看此内容。
结果
提供了一名男性受试者（22岁；体重：100 kg；身高：185 cm；BMI：29 kg/m2）的数据，其肺量测定和吸气肌力量正常（FEV1：4.89 L/s [预测值的97%]；最大吸气压：151 cmH2O [预测值的136%]）。该受试者采用先前描述的方案21,22,23，进行递增式吸气阈负荷（ITL）测试直至任务失败。数据采集系统的概览见 图1。受试者舒适地坐在椅子上，佩戴鼻夹，前臂置于可调节桌面上，头部中立位支撑于头颏托架上。受试者通过连接至双向无重复呼吸阀的口器进行呼吸，该阀门连接至加热式 pneumotach 和 ITL 装置。该 ITL 装置仅在吸气时施加负荷，呼气时无负荷。ITL 测试以热身负荷（-12 cmH2O）开始，随后每2分钟增加50 g负荷，直至.......
访问受限。请登录或开始试用以查看此内容。
讨论
由于心电信号与肌电信号的频带存在重叠，从肌电（EMG）信号中去除心脏活动伪迹较为复杂。EMG信号的大部分频率范围在20至250 Hz之间，而心电（ECG）信号的频率范围为0 Hz至100 Hz。在某些分析中（例如时序分析），为确保EMG信号幅值和时序的准确性与可解释性，必须获得无ECG干扰的纯净EMG信号。最小均方（LMS）自适应滤波算法通过利用频率特征识别模式，在本应用中用于从ECG与EMG的混合信号中去除ECG的频率成分。研究确定，滤波器长度为70、步长为0.01时，可提供最小误差并获得最佳整体效果24。与EMG同步记录的ECG信号被用于持续调节有限冲激响应（FIR）滤波器的系数，从而使去除过程极为精确，并能适应测试过程中可能出现的心律变化。ECG滤波算法已预先设定，系统可自动识别ECG通道。双向滤波可最小化EMG信号起始时间检测中的时间偏移，用于消除相位失真，而相位失真在标准（单向）滤波方法中较为常见。
计算每块肌肉肌电图均方根（EMG RMS）的一阶导数函数。导数为正值或负值分别表示肌电图均方根值在增加或减少。通过应用导数函数.......
访问受限。请登录或开始试用以查看此内容。
披露
作者声明不存在任何需要披露的利益冲突。
致谢
AR 由加拿大卫生研究院（CIHR）博士后奖学金（#187900）资助，UM 由Mitacs（IT178-9 -FR101644）资助。
....访问受限。请登录或开始试用以查看此内容。
材料
| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| 可调节桌 | 亚马逊 | VIVO 电动高度可调 102 厘米 x 61 厘米站立式办公桌 | 可实现躯干和咬嘴位置的精细调节 |
| 空气过滤器 | 主要 | https://cardinalfilters.com/ | |
| 模拟输出电缆 | A-Tech Instruments Ltd. | 25针D型母头转16xBNC公头；16xRG-174 - 16根3英尺电缆 | 连接肌电图设备（Noroxan）至数据采集系统（PowerLab） |
| ECG 生物放大器 | ADInstruments | ML138 | |
| 台式机或笔记本电脑 | N/A | N/A | 数据采集系统的 EMG 信号采集能力 |
| 用于 EMG 探头的双棒电极 | Noraxon | https://shop.noraxon.com/products/dual-emg-electrodes | |
| 肌电图 | Noraxon | Noraxon Ultium Myomuscle，配备8通道智能导联。https://www.noraxon.com/our-products/ultium-emg/ | |
| EMG电极 | 双极电极 | N/A | |
| 气体分析仪 | ADInstruments | ML206 | |
| 手套 | Medline | https://www.medline.com/jump/category/x/cat1790003 | |
| 用于消毒阀门的消毒剂或操作规程 &和口件 | 医学文摘数据库 | https://www.medline.com/product/MetriCide-28-Disinfectant/Disinfectants/Z05-PF27961?question=metricide | |
| 血氧仪探头 | ADInstruments | ML320/F | https://www.adinstruments.com/products/oximeter-pods |
| pneumotach | ADInstruments | MLT3813H-V | https://www.adinstruments.com/products/heated-pneumotach-800-l-heater-controller |
| Powerlab 和 Labchart 数据采集系统 | ADInstruments公司 | https://m-cdn.adinstruments.com/brochures/Research_PowerLab _Brochure_V2-1.pdf | 采集口腔压力、心电图（ECG）、呼气末二氧化碳2、气流（用于计算呼吸频率、潮气量、每分通气量）以及肌电图。 |
| 单通道或双通道解调器的压力传感器 | Validyne.com | Www.Validyne.Com/Product/Dp45_Low_Pressure_<呼吸驱动的评估因现有方法（如功能性磁共振成像，fMRI）具有侵入性和操作不便而面临挑战。肌电图（EMG）可作为呼吸肌驱动的替代性测量手段，用于确定肌肉激活的强度和时序。其中，强度反映肌肉激活的程度，而时序则指示肌肉活动的起始与终止时间相对于特定事件（如吸气流速及其他肌肉激活）的关系。这些指标对于理解呼吸协调与控制至关重要，尤其在不同负荷条件下或存在呼吸系统病理生理状态时。本研究介绍了一种在健康成人及患有呼吸系统疾病的患者中采集与分析呼吸肌EMG信号的实验方案。研究已获得伦理批准，内容包括受试者准备、电极放置、信号采集、预处理与后处理。关键步骤包括皮肤清洁、通过触诊和超声定位肌肉，以及电极安放以最大限度减少心电图（ECG）干扰。数据以高采样率和增益进行采集，并同步记录ECG和呼吸流速信号。预处理包括对EMG信号进行滤波和转换，后处理则涉及计算肌肉活动起始与终止时间相对于吸气流速的差异。来自一名健康男性受试者在进行递增式吸气阈值负荷（ITL）测试时的代表性数据显示，在较高负荷下，膈外肌的激活时间提前且持续时间延长，同时伴随EMG强度的增加。该方案可实现对呼吸肌激活的精细评估，有助于深入理解正常及病理生理状态下的运动控制策略。> 变磁阻传感器 | 范围取决于被测人群，即患者或健康人（Www.Validyne.Com/Product/Cd280_Multi_Channel_Carrier_ Demodulator/；www.Validyne.com/Product/CD15_General_Purpose_Basic _Carrier_Demodulator/) |
| 硅胶口件 | Hans Rudolph | https://www.rudolphkc.com/ | 小口进食 |
| 表模型颏托 | Sacor Inc. | Model 600700 | https://sacor.ca/products/head-chin-rest-table-model-with-white-chin-rest-cup |
| 带采样口的双向T型无重复呼吸阀 | Hans Rudolph | 1410 小型 | |
| 超声 | GE Healthcare | Vivid i BT12 心脏系统，配备呼吸功能和 12L-RS 线阵探头 | 需要定位膈肌的附着区域等呼吸肌的解剖标志 |
参考文献
- Vaporidi, K., et al. Respiratory drive in critically ill patients. Pathophysiology and clinical implications. Am J Respir Crit Care Med. 201 (1), 20-32 (2020).
- Ciumas, C., Rheims, S., Ryvlin, P. fMRI studies evaluating central respiratory....
访问受限。请登录或开始试用以查看此内容。
重印与许可
