Name: 评价呼吸肌慢性脊髓损伤个人使用呼吸电机控制评估（RMCA） (视频) | JoVE Journal
Uploaded: 2013-07-19T12:00:00.000+00:00
Duration: 9 min 37 s
Description: 了解基于向量分析的呼吸肌表面肌电图评估方法，用于定量分析慢性脊髓损伤患者的呼吸肌激活模式，并与健康受试者的标准值进行比较，以监测呼吸运动功能。

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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。

1. 设置
<ol>
	<li>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).</li>
	<li>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）。</li>
	<li>MP45 连接到 CD15 和 Powerlab 系统（图1 和 表1).</li>
</ol>
2. RMCA 实验方案
<ol>
	<li>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。</li>
	<li>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。</li>
</ol>
3. 数据分析
<ol>
	<li>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。</li>
	<li>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）。</li>
</ol>

<ol><li>Schilero, G. J., Spungen, A. M., Bauman, W. A., Radulovic, M., Lesser, M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Pulmonary+function+and+spinal+cord+injury%5BTitle%5D)+AND+%22Respir.+Physiol.+Neurobiol%22%5BJournal%5D)">Pulmonary function and spinal cord injury.</a> Respir. Physiol. Neurobiol. 166, 129-141 (2009).</li>
<li>Winslow, C., Rozovsky, J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Effect+of+spinal+cord+injury+on+the+respiratory+system%5BTitle%5D)+AND+%22Am.+J.+Phys.+Med.+Rehabil%22%5BJournal%5D)">Effect of spinal cord injury on the respiratory system.</a> Am. J. Phys. Med. Rehabil. 82, 803-814 (2003).</li>
<li>Garshick, E., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((A+prospective+assessment+of+mortality+in+chronic+spinal+cord+injury%5BTitle%5D)+AND+%22Spinal+Cord%22%5BJournal%5D)">A prospective assessment of mortality in chronic spinal cord injury.</a> Spinal Cord. 43, 408-416 (2005).</li>
<li>Jain, N. B., Brown, R., Tun, C. G., Gagnon, D., Garshick, E. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Determinants+of+forced+expiratory+volume+in+1+second+%28FEV1%29%2C+forced+vital+capacity+%28FVC%29%2C+and+FEV1%2FFVC+in+chronic+spinal+cord+injury%5BTitle%5D)+AND+%22Arch.+Phys.+Med.+Rehabil%22%5BJournal%5D)">Determinants of forced expiratory volume in 1 second (FEV1), forced vital capacity (FVC), and FEV1/FVC in chronic spinal cord injury.</a> Arch. Phys. Med. Rehabil. 87, 1327-1333 (2006).</li>
<li>Stolzmann, K. L., Gagnon, D. R., Brown, R., Tun, C. G., Garshick, E. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Longitudinal+change+in+FEV1+and+FVC+in+chronic+spinal+cord+injury%5BTitle%5D)+AND+%22Am.+J.+Respir.+Crit.+Care+Med%22%5BJournal%5D)">Longitudinal change in FEV1 and FVC in chronic spinal cord injury.</a> Am. J. Respir. Crit. Care Med. 177, 781-786 (2008).</li>
<li><a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((American+Thoracic+Society%2FEuropean+Respiratory+Society.+ATS%2FERS+Statement+on+respiratory+muscle+testing%5BTitle%5D)+AND+%22Am.+J.+Respir.+Crit.+Care+Med%22%5BJournal%5D)">American Thoracic Society/European Respiratory Society. ATS/ERS Statement on respiratory muscle testing.</a> Am. J. Respir. Crit. Care Med. 166, 518-624 (2002).</li>
<li>Sherwood, A. M., McKay, W. B., Dimitrijevic, M. R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Motor+control+after+spinal+cord+injury%3A+assessment+using+surface+EMG%5BTitle%5D)+AND+%22Muscle+Nerve%22%5BJournal%5D)">Motor control after spinal cord injury: assessment using surface EMG.</a> Muscle Nerve. 19, 966-979 (1996).</li>
<li>Lee, D. C., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Toward+an+objective+interpretation+of+surface+EMG+patterns%3A+a+voluntary+response+index+%28VRI%29%5BTitle%5D)+AND+%22J.+Electromyogr.+Kinesiol%22%5BJournal%5D)">Toward an objective interpretation of surface EMG patterns: a voluntary response index (VRI).</a> J. Electromyogr. Kinesiol. 14, 379-388 (2004).</li>
<li>Ovechkin, A., Vitaz, T., de Paleville, D. T., Aslan, S., McKay, W. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Evaluation+of+respiratory+muscle+activation+in+individuals+with+chronic+spinal+cord+injury%5BTitle%5D)+AND+%22Respir.+Physiol.+Neurobiol%22%5BJournal%5D)">Evaluation of respiratory muscle activation in individuals with chronic spinal cord injury.</a> Respir. Physiol. Neurobiol. 173, 171-178 (2010).</li>
<li>Lim, H. K., Sherwood, A. M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Reliability+of+surface+electromyographic+measurements+from+subjects+with+spinal+cord+injury+during+voluntary+motor+tasks%5BTitle%5D)+AND+%22J.+Rehabil.+Res.+Dev%22%5BJournal%5D)">Reliability of surface electromyographic measurements from subjects with spinal cord injury during voluntary motor tasks.</a> J. Rehabil. Res. Dev. 42, 413-422 (2005).</li>
<li>Lim, H. K., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Neurophysiological+assessment+of+lower-limb+voluntary+control+in+incomplete+spinal+cord+injury%5BTitle%5D)+AND+%22Spinal+Cord%22%5BJournal%5D)">Neurophysiological assessment of lower-limb voluntary control in incomplete spinal cord injury.</a> Spinal Cord. 43, 283-290 (2005).</li>
<li>Sherwood, A. M., Graves, D. E., Priebe, M. M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Altered+motor+control+and+spasticity+after+spinal+cord+injury%3A+subjective+and+objective%5BTitle%5D)+AND+%22%22%5BJournal%5D)">Altered motor control and spasticity after spinal cord injury: subjective and objective.</a> 37, 41-52 (2000).</li>
<li>McKay, W. B., Lim, H. K., Priebe, M. M., Stokic, D. S., Sherwood, A. M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Clinical+neurophysiological+assessment+of+residual+motor+control+in+post-spinal+cord+injury+paralysis%5BTitle%5D)+AND+%22Neurorehabil.+Neural+Repair%22%5BJournal%5D)">Clinical neurophysiological assessment of residual motor control in post-spinal cord injury paralysis.</a> Neurorehabil. Neural Repair. 18, 144-153 (2004).</li>
<li>Marino, R. J., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((International+standards+for+neurological+classification+of+spinal+cord+injury%5BTitle%5D)+AND+%22J.+Spinal.+Cord.+Med%22%5BJournal%5D)">International standards for neurological classification of spinal cord injury.</a> J. Spinal. Cord. Med. 26, Suppl 1. S50-S56 (2003).</li>
<li>American Spinal Injury Association and International Spinal Cord Society. <a target="_blank" href="http://scholar.google.com/scholar?hl=en&safe=off&q=%22International+Standards+for+Neurological+Classification+of+Spinal+Cord+Injury%22">International Standards for Neurological Classification of Spinal Cord Injury</a>. , ASIA and ISCS. (2006).</li>
</ol>

无利益冲突声明。

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...

<table><tbody><tr><td>PowerLab 系统 16/35</td><td>ADInstruments</td><td>PL3516</td><td>设备数量取决于记录通道数</td></tr><tr><td>EMG 系统 MA 300</td><td>Motion Lab Systems</td><td>MA300-XVI</td><td>设备数量取决于记录通道数</td></tr><tr><td>低压换能器 MP45</td><td>Validyne</td><td>MP45-40-871</td><td></td></tr><tr><td>基础载波解调器 CD15</td><td>Validyne</td><td>CD15-A-2-A-1</td><td></td></tr><tr><td>气压计</td><td>Boehringer</td><td>4103</td><td>用于 MP45 校准</td></tr><tr><td>事件标记器</td><td></td><td></td><td>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）</td></tr><tr><td>酒精棉片</td><td>Henry Schein</td><td>1173771</td><td>电极放置所需</td></tr><tr><td>电极凝胶</td><td>Lectron II</td><td>36-3000-25</td><td>电极放置所需</td></tr><tr><td>Tagaderm</td><td>Henry Schein</td><td>7779152</td><td>电极放置所需</td></tr><tr><td>鼻夹</td><td>Henry Schein</td><td>1089460</td><td></td></tr><tr><td>带单向阀的 T 型通气监测管路</td><td>Alleglance (Airlife)</td><td>1504</td><td></td></tr><tr><td>气管</td><td>UnoMedical</td><td>400E</td><td></td></tr><tr><td colspan="4">&lt;strong&gt;表 1.&lt;/strong&gt; 呼吸运动控制评估所用特定设备和耗材清单。</td></tr></tbody></table>

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

Evaluation of Respiratory Muscle Activation Using Respiratory Motor Control Assessment (RMCA) in Individuals with Chronic Spinal Cord Injury

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。

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...

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。

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

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。当这种协调……

本实验的总体目标是通过与健康受试者获得的正常参考值进行比较，定量评估脊髓损伤个体的呼吸肌激活模式。该目标通过记录脊髓损伤个体在呼吸任务期间呼吸肌的肌电图（EMG）活动来实现。为了计算每块肌肉的活动量，第二步是构建一个合向量，用以表征这些肌肉间活动的分布情况及强度。接下来，利用健康受试者在相同任务中的数据计算出一个原型反应向量。随后可计算一个相似性指数，用于反映所得向量与原型反应向量的相似程度，从而实现脊髓损伤患者的呼吸肌激活模式与健康受试者正常模式之间的比较。通过该技术，我们可以监测脊髓损伤或其他与呼吸运动控制功能障碍相关疾病患者的呼吸运动功能。数据采集与处理对于该方法的成功评估至关重要。因此，可视化演示非常重要，可直观展示操作流程。来自我实验室的伊斯兰研究科学家Edward Brown、研究主管以及PRI Chopra研究技术员。首先，将表面电极放置于左右呼吸肌的肌腹部位。这些部位包括肩胛骨中点水平的下斜方肌旁肌、髂嵴间线水平的竖脊肌，以及锁骨中线的胸锁乳突肌和上斜方肌。胸大肌的锁骨部位于锁骨中线上。第六肋间隙的肋间肌位于腋前线。膈肌位于胸骨旁线，腹直肌位于脐水平，腹外斜肌位于腋中线。将接地电极放置在肩峰突起处。以2000倍的增益放大肌电图输入信号，滤波频率设置为30至1000赫兹，采样频率设置为2000赫兹。将带有连接电极的运动实验室系统背包单元连接至运动实验室、肌电图（EMG）台式单元和Power Lab系统。按照文本方案中的图示，校准气道压力输入，加入120厘米水柱，并以2000赫兹进行采样。组装一个T型管监测回路以记录气道压力。然后使用气管连接至低压换能器。最后，将低压换能器连接至CD 15和Power Lab系统。呼吸运动任务包括最大吸气压任务（简称 MIPT）和最大呼气压任务（MEPT）。通过使用可听音调引导受试者从残气量开始产生最大吸气努力，持续五秒钟来完成 MIPT。使用 T 型监测管路，每次操作后至少休息一分钟，重复该过程三次。进行 MEPT 时。使用持续五秒的可听提示音，提示受试者从肺总量位置开始进行最大呼气努力。再次使用T型管监测回路，至少休息一分钟，然后重复该过程三次。通过PowerLab采集系统，以16位全量程A/D分辨率，同步记录气道压力、体表肌电图和标记信号，用于测量最大吸气口腔压（MIPT）和最大呼气口腔压（MEPT）；根据提示受试者的提示音所对应的事件标记和记录的气道压力，确定每个持续五秒的多肌肉活动分布分析时间窗。确定任务的开始与结束时间，使用均方根（RMS）算法计算每块肌肉的表面肌电活动。对每个任务，取三次重复试验的平均值。针对每块肌肉，基于一种称为自主反应指数（VRI）的向量分析方法，使用定制的MATLAB软件评估多肌肉激活模式。对于每个动作，计算幅度参数，即在特定时间窗口内所有肌肉表面肌电活动总和，表示为特定任务下反应向量（RV）的长度。同时计算每项任务的相似性指数（SI值），即脊髓损伤受试者的反应向量（RV）与健康受试者在相同任务中获得的原型反应向量（PRV）之间夹角的余弦值。此处显示的是在最大呼气末压测试（MEPT）期间，非损伤个体和脊髓损伤（SCI）个体同步记录的肌电图和气道压力。注意，与非损伤个体相比，SCI个体表现出气道压力降低，且呼气肌的表面肌电活动缺失。同时注意，如底部标记所示，任务开始时伴随表面肌电活动增强和气道压力上升。构建反应向量的主要步骤在此列出。根据标记，任务的开始和结束被定义为数据点。在此事件时间窗内，表面肌电图的均方根值代表每块肌肉的平均表面肌电活动。响应向量通过使用所示特定肌肉组合的均方根值构建而成。以下是针对一组未受伤个体的原型反应向量及其幅值的计算方法。原型反应矩阵是利用各个个体的反应向量构建而成。原型反应矩阵中的每一列包含该组中某个个体的数据，每一行则代表该组所有个体特定肌肉的定量表面肌电图活动。通过计算原型响应矩阵每一行的平均值，得到原型响应向量。幅值表示响应向量的长度，其计算方法如公式所示。此处所示步骤用于相似性指数的计算。针对特定脊髓损伤个体，计算了其反应向量及其模长。通过计算原型向量与反应向量的内积，得到相似性指数。一旦掌握操作，记录过程将在约一小时内完成。尽管数据处理将取决于本流程后续所使用的软件，但其他呼吸任务（如咳嗽、最大气道压等）可用于回答额外的科学问题。

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