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

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。