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Methodenartikel

Koordinaten Mapping von Hyolaryngeal Mechanik in Schlucken

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DOI:

10.3791/51476

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6. Mai 2014

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1Medical College of Georgia, Georgia Regents University, 2Department of Communicative Sciences and Disorders, New York University, 3Department of Cellular Biology & Anatomy, Georgia Regents University, 4Department of Otolaryngology, Georgia Regents University

In diesem Artikel

Zusammenfassung

Koordinatenabbildung ist ein Verfahren zur Dokumentation von hervorstechenden Eigenschaften hyolaryngeal Biomechanik im Rachenschluckphase. Diese Methode nutzt die Bildanalyse-Software, um die Koordinaten von anatomischen Landmarken aufzeichnen. Diese Koordinaten werden in einer Excel-Makro importiert und in die kinematischen Größen von Interesse, die in der Forschung Dysphagie übersetzt.

Zusammenfassung

Charakterisierung hyolaryngeal Bewegung ist wichtig, Dysphagie Forschung. Frühere Verfahren erfordern mehrere Messungen auf eine kinematische Messung wohin erhalten Koordinatenabbildung von hyolaryngeal Mechanik mit modifizierten Barium-Schwalbe (MBS) verwendet einen Satz von Koordinaten, um mehrere Variablen von Interesse zu berechnen. Zu Demonstrationszwecken wurden zehn kinematischen Messungen von einem Satz von Koordinaten erzeugt werden, um Unterschiede in der Schluck zwei verschiedene Arten Bolus zu bestimmen. Berechnungen der Zungen Auslenkung gegen die Wirbel-und Unterkiefer korreliert werden, um die Bedeutung der Bezugsachsen zu bestimmen.

Um zu demonstrieren, koordinieren Mapping Methode wurden 40 Studien MBS zufällig ohne bekannte Schluck Beeinträchtigung, die aus einem Datensatz von gesunden Normalpersonen. Eine 5 ml dünnflüssig Bolus und eine 5 ml-Pudding Schwalben wurden von jedem Probanden gemessen. Neun-Koordinaten, die Abbildung der Schädelbasis, Unterkiefer, Wirbel und Elemente der hyoLarynx-Komplexes wurden in den Rahmen der minimalen und maximalen Auslenkung hyolaryngeal aufgezeichnet. Koordinaten wurden mathematisch in zehn Variablen hyolaryngeal Mechanik umgewandelt.

Inter-Reliabilität wurde von Intrakorrelationskoeffizienten (ICC) ausgewertet. Zweiseitigen t-Tests wurden verwendet, um Unterschiede in der Kinematik durch Bolus Viskosität auszuwerten. Zungen Ausflug Messungen gegen verschiedene Bezugsachsen wurden korreliert. Inter-Reliabilität zwischen sechs Rater für die 18 Koordinaten reichten von ICC = 0,90-0,97. Ein Schiefer von zehn kinematischen Messungen wurde von Subjekt zwischen den sechs Rater verglichen. Ein Ausreißer wurde abgelehnt, und der Mittelwert der übrigen Zuverlässigkeit Partituren war ICC = 0,91, von 0,84 bis 0,96, 95% CI. Zweiseitigen t-Tests mit Bonferroni-Korrekturen Vergleich zehn kinematischen Größen (5 ml dünnflüssig vs 5 ml Pudding Schwalben) zeigte statistisch signifikante Unterschiede in Zungen Ausflug, überlegene Kehlkopfbewegung und Rachen shortening (p <0,005). Pearson-Korrelationen der Zungen Ausflug Messungen aus zwei verschiedenen Bezugsachsen waren: r = 0,62, r 2 = 0,38, (dünnflüssig); r = 0,52, r 2 = 0,27, (Pudding).

Beziehen Koordinaten Wahrzeichen ist eine zuverlässige Methode, um mehrere kinematischen Größen aus Videodurchleuchtungsbilder nützlich Dysphagie Forschung zu generieren.

Einleitung

Die Rachenphase des Schluckens ist ein komplexer Prozess, der über zwanzig Muskeln und mehrere Skelettelemente, einen Bolus aus der Mundhöhle in die Speiseröhre zu übertragen, während der Schutz der Atemwege. Vorhergehende Rachenverengung, Elemente der hyolaryngeal Komplex (Zungenbein, Kehlkopf, und die damit verbundenen Strukturen, einschließlich des oberen Ösophagussphinkters) werden verschoben, um eine Atemschutzleitung in einem Verdauungstrakt zu konvertieren. Der Kehlkopf wieder entfernt vorn weg von der Flugbahn eines ankommenden Bolus und die obere Ösophagussphinkter offen gedehnt. Kinematische Messungen von Videodurchleuchtungs Schlucken Studien (auch als bekannt oder MBS modifizierte Bariumverschluckungsuntersuchungen) genommen sind die primären Forschungsmethoden für die Quantifizierung der mehrere Bewegungen des hyolaryngeal Komplex 1.

Während quantitative Videodurchleuchtungs Messungen sind nützlich für die Messung Schluckfunktion, verschiedene Achsen von ReferenzSkalare und des Messergebnisses in Erkenntnisse, die bei den verschiedenen Methoden der kinematischen Messungen 2 kompatibel sind. Die Bewegung des Patienten und Kliniker Fluoroskop unter manueller Kontrolle verwechselt auch die Genauigkeit der Messung dieser komplexen physiologischen Prozess. Noch wichtiger ist, kinematische Messungen nicht unbedingt Struktur-Funktions-Beziehungen wichtig für die Bewertung ungeordneten Schlucken. Kinematik des Zungen insbesondere wurden entwickelt, um eine Bewegung in einer Vorwärts oder überlegen in Bezug auf die Richtung einer anatomischen Ebene mit dem Wirbel ausgerichtet zu verfolgen. Allerdings ist diese Konfiguration nicht unbedingt die Wirkungslinie der Muskeln, die das Zungen auszusetzen.

Ein Zwei-Sling Mechanismus der hyolaryngeal Erhebung im Rachenphase des Schluckens wurde identifiziert (Abbildung 1) 3,4. Die suprahyoidalen Muskeln umfassen die vorderen Muskelschlinge und die langen Rachenmuskeln umfassen die posterior Muskelschlinge. Diese Muskeln heben verschiedenen Elemente der hyolaryngeal Komplex einschließlich des Zungen, Kehlkopf, und Strukturen, die den oberen Speiseröhrenschließmuskel zu bilden.

Koordinaten Abbildung von hyolaryngeal Mechanik nutzt neun leicht identifizierbaren anatomischen Landmarken zu drei Hebel und Skelettmerkmale der hyolaryngeal komplexer darstellt Befestigungspunkte der vorderen und hinteren Muskelschlingen (Abbildung 2) abzubilden. Während des Schluckens ist jeder Skeletthebel und Merkmal der hyolaryngeal Komplex in Bewegung. Durch das Sammeln von Koordinaten, kann das System in einem beliebigen Zeitrahmen erfasst werden. Trigonometrische Umwandlung von Koordinaten können mehrere kinematische Messungen der hyolaryngeal Bewegung beim Schlucken zu erzeugen. Variablen können zum Vergleich mit den Ergebnissen in der Literatur berichtet berechnet werden oder verwendet werden, um neue Messungen, die Struktur-Funktions-Beziehungen von Interesse.

Das primäre Ziel dieser Arbeit ist es, ein Verfahren zur Erzeugung von mehreren kinematischen Messungen aus einem einzigen Satz von Koordinaten aus anatomischen Wahrzeichen Geändert Barium-Schwalbe (MBS) Studien gesammelt wurden demonstrieren. Wir dokumentieren die Zuverlässigkeit dieser Methode unter Verwendung von Intrakorrelationskoeffizienten, um die inter-Reliabilität von 6 verschiedenen Forschern auch ein Experte, drei Rater mit Erfahrung, und zwei Novizen zu bestimmen. Aus den kinematischen Ergebnisse werden Unterschiede beim Schlucken Mechanik durch Bolus Konsistenz beurteilt. Schließlich ist die Frage, die Molefenter und Steele vorgeschlagen über die Bedeutung der Achse des Referenz in Messzungenbewegung verwendet gerichtet. Um diese Frage, die wir vergleichen Messungen der Zungen Ausflug in Bezug auf die Wirbel und in Bezug auf den Unterkiefer aus dem gleichen Satz von Koordinaten für beide Bolustypen berechnet nähern. Wenn diese beiden Methoden zur Messung der Zungenbewegung repräsentieren die gleiche Struktur, die Beziehungen funktionierenHüfte, dann sollten die Ergebnisse stark korreliert werden.

Für diese Studie wurden 40 Seitenansicht MBS Studien zufällig aus einer Sammlung von 139 normalen Studium bei einer von der Universität Georgia Regents Institutional Review Board und in Forschungskooperation mit dem Institut für Evelyn Trammell Stimme genehmigt und Schlucken an der Medizinischen Universität von Forschungsprotokoll South Carolina. Um die Nützlichkeit dieses Verfahrens zu demonstrieren, wurden zehn charakterisierenden Größen hyolaryngeal Kinematik aus dem gleichen Satz von Koordinatendaten (Tabelle 1) berechnet. Sieben dieser Messungen berechnet wurden bisher in der Literatur verwendet wurde, einschließlich: vordere und obere Zungenentfernungsmessungen in Bezug auf die Wirbelkörper 5; vordere und obere Zungen Verschiebung im Verhältnis von C2-4 Länge, auch in Bezug auf den Wirbeln 6; legene Bewegung des Kehlkopfes in Bezug auf den Wirbel 7; hyolaryngeal approximatIonen-1; und maximale Zungen Ausflug in Bezug auf die Wirbel ein. Darüber hinaus wurden drei neue Messungen berechnet: Rachen Verkürzung Angleichung der Anhänge der palatopharyngeus Muskel-, Kehlkopf-Höhen folgenden eine Reihe von Maßnahmen, die die stylopharyngeus und Zungen Ausflug Angleichung der Anhänge der suprahyoidalen Muskeln 4,8.

Ein Experte Kopf-Hals-Anatom (WP), drei Ermittler mit wenig Erfahrung Messungen (CJ, SR, TT) und zwei unerfahrene Ermittler (RS, JT) erhaltenen Koordinaten Mapping-Daten mit der unten beschriebenen Protokoll. Der Experte (WP) trainiert die drei Rater mit Erfahrung, und diese wiederum trainiert die beiden Anfänger Rater. Inter-Reliabilität von Koordinatendaten und Ergebnisse aus Koordinaten berechnet Thema wurde von Intrakorrelationskoeffizienten 9 bestimmt. Zwei seitigen t-Tests wurden durchgeführt, um die einzelnen Variablen bestimmen statistically signifikanten Unterschiede in Bolus-Typen. Ein Korrelationskoeffizienten nach Pearson und eine Bestimmungskoeffizient wurden verwendet, um Ergebnisse der Vereinbarung zwischen Zungen Ausflug mit den Wirbeln als Bezugsachse gegenüber Zungen Ausflug mit dem Unterkiefer als Bezugsachse für die 5 ml dünnflüssigen Schwalbe und 5 ml berechnet bewerten Pudding Schluck.

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Protokoll

1. Konfigurieren eines Computers

  1. Für Macintosh, laden Sie die folgenden Open-Source-oder Freeware-Software: ImageJ, MacX Video Converter Free Edition (Mac) und Quicktime (siehe Tabelle Material / Ausrüstung).
  2. Für einen PC, laden Sie die folgenden Open-Source-oder Freeware-Software: ImageJ, MPEG Streamclip (PC) und Quicktime (siehe Tabelle Material / Ausrüstung).

2. Vorbereitung Videoclips

  1. Datei-Konvertierung. Konvertieren von RAW-Video-Dateien in. Mov für die Datenerfassung in ImageJ. Hinweis: nutzbare Videos sollten den Unterkiefer, Gaumen, hart, C1-C4-Wirbel-, Kehlkopf-und Rachenraum in das Blickfeld sind. ImageJ Bearbeitungswerkzeuge können die Bildqualität Fragen zu verbessern.
    1. Mit einem PC verwenden MPEG Streamclip, laden Sie die roh. AVI-Video-Datei über Datei >> Öffnen von Dateien und die Auswahl des gewünschten Clip. Wählen Sie Datei >> Export in Quicktime.
    2. Mit einem Mac verwenden MacX Video Converter, klicken Sie auf "Datei hinzufügen" und wählen Sie Video (s) für die ZusammenarbeitnVersion. Mehrere Videos auf einmal mit dieser Anwendung überführt werden.
    3. Im Abschnitt Ausgabe-Einstellungen, klicken Sie auf die Schaltfläche Durchsuchen und wählen Sie den gewünschten Speicherort für die konvertierte Datei speichern.
    4. Klicken Sie auf der Registerkarte "MOV". Stellen Sie sicher, dass das Ausgabeformat unter dem Abschnitt "Video-Einstellungen" ist MOV. Klicken Sie auf Start.
  2. Bearbeiten von Cliplänge. Der Speicher wird mit ImageJ begrenzt. Es wird empfohlen, dass eine Datei von jedem schlucken werden.
    1. Offene MOV. Video-Datei in Schritt erstellt mit Quicktime 2.1 (PC oder Mac).
    2. Identifizieren 5 ml dünnflüssig und Pudding Schwalben von Audio-Warteschlangen oder Schwalbe Sequenz durch die MBS-Protokoll bei der Datensammlung verwendet skizziert.
    3. Wählen Sie Bearbeiten >> Trim und stellen Sie die Trimmleiste, so dass die gesamten 5 ml Thin Flüssigkeit schlucken wird visualisiert. Klicken Sie trimmen.
    4. Wählen Sie Datei >> Export und erstellen Sie einen Dateinamen ein, die zum Thema Daten (Geschlecht, Alter, Ätiologie, Bolus-Typ) zu verknüpfen coo werdenrdinate Kartierungsergebnisse.
    5. Wiederholen Sie für den Pudding Schwalbe (oder aus einem anderen Bolus von Interesse).

3. De-Identifizierung Bilder

  1. Wenn eine Datei enthält keine persönlichen Gesundheitsinformationen (PHI) und muss de-identifiziert werden können, laden Sie die Datei mit Image J (Siehe 4,1-4,2).
  2. Verwenden Sie das Rechteck-Werkzeug, um das Schlucken Studie PHI ausschließen Rahmen. Wählen Sie Bild >> Crop. Dann wählen Sie Datei >> Speichern unter >> Quicktime-Film.
  3. Konfigurieren Sie den Dialog wie folgt: Kompression >> Sorenson 3; Qualität >> Maximum, geben Sie die entsprechende Bildrate (in der Regel 30 fps).

4. Messvorbereitung

  1. Offene ImageJ. Klicken Sie auf den ">>"-Symbol in der Symbolleiste. Wählen Sie >> Pfeil Labeling Tools.
  2. Hochladen von Bildern. Klicken Sie auf Quicktime-Symbol. Wählen Sie "Öffnen Film als Stapel" aus dem Dropdown-Menü und suchen Sie bearbeitete Quicktime-Clips. Image J wird die gesamte Schwalbe-Studie nicht öffnen aufgrund von Speichergrenzen (siehe Schritt 2.2). Der Speicher kann minimal über Bearbeiten erweitert werden >> Optionen >> Memory & Themen.
  3. Verarbeitung von Bildern, die Bildqualität zu verbessern. Wählen Sie Prozess >> Mathematik >> hinzufügen. Überprüfen Sie die Vorschau-Box und stellen Zahlen, um die gewünschte Bildqualität. Antwort Ja, die gesamte Stapel von Bildern zu verarbeiten.
  4. Set-Messungen. Wählen Analysieren >> Set Maße von der ImageJ-Menü. Im Dialogfeld Marke "Stack Position" und "Invert Y-Koordinaten". Markierungen alles andere.
  5. Wählen Sie die Multipoint-Werkzeug aus der Werkzeugleiste. Klicken Sie auf anatomischen Landmarken in der Reihenfolge (siehe 5.0)
  6. Mit der Multipoint-Tool.
    1. Nehmen Sie eine Messung aller Punkte, indem Sie Analysieren >> Messen Sie von der Menü-oder Tastaturbefehl + M (Kontrolle + M für PCs).
    2. Entfernen Sie alle Punkte mit Befehl + A (Kontrolle + A für PCs).
    3. Entfernen Sie einzelne Punkte durch schwebt over einen Punkt, dann halten Sie die Befehlstasten-Option und klicken Sie auf den Punkt, zu entfernen.
    4. Bewegen Sie einzelne Punkte, indem Sie über einen Punkt, Klicken, Ziehen und Fallenlassen einen Punkt, um eine neue Position.
    5. Verschieben Sie alle Punkte zusammen mit den Pfeiltasten.

5. Mapping Sehenswürdigkeiten

  1. Beginnen Sie am ersten Frame und vorab zu einem klaren Rahmen in der Pre-oralen Phase. Beachten Position des Bolus an der vorderen, Oberrand der Zunge vor dem Beginn der oralen Transport des Schluck. Nutzen Sie diesen Rahmen, um die ersten neun Koordinaten gesetzt.
  2. Verwenden Sie die ImageJ Mehrpunkt-Werkzeug, um die ersten neun Koordinaten an den folgenden anatomischen Landmarken zuordnen (siehe Abb. 3a und 3b)
  3. Nehmen ersten neun Koordinaten mit dem Befehl + M-Tasten (Steuer + M für PCs).
  4. Vorausrahmen bis Zungenbein Maximalposition in vorderen und oberen Richtungen erreicht hat. Bestätigen Sie mit der maximalen Förderung Rahmen, um insAbbildung Abstieg des Zungen beginnt am folgenden Rahmen.
  5. Umzugs Punkte 1-5 zu ihren neuen Positionen. Diese neuen Positionen werden als Koordinaten aufgezeichnet werden 10 - 14.
  6. Umzugs Punkt 9, die wiederum koordinieren wird 18 Hinweis:. Rahmen werden wahrscheinlich variieren für die nächsten zwei Schritten.
  7. Suchen Rahmen Darstellung maximale Kehlkopf-Höhe. Stellen Sie den Nummern 7 und 8, die dazu dienen, als Koordinaten 16 und 17.
  8. Finden Rahmen (s), die die maximale Auslenkung der UES Nummer 6 (Koordinaten 15). Von maximal Zungen Rahmen, Rahmen lokalisieren, wo der Bolus wird durch die UES im Hypopharynx behindert. Stellen Koordinatenpunkt für UES von Mindestrahmen zu vertreten UES maximal 18 koordinieren.
  9. Nehmen zweiten neun Koordinaten mit dem Befehl + M-Tasten (Steuer + M für PCs).
  10. Für Koordinaten 19 und 20 markieren die Ränder des skalaren (Pfennig oder 1,9 cm Ring) an der Achse, die die längste Durchmesser des röntgendichten Markers.
  11. Rekord Skalar-Koordinaten mit der Befehlstaste + Ms (Kontrolle + M für PCs).

6. Transkoordinatendaten in kinematischen Messungen von Interesse mit einem Makro aktiviert Excel-Datei (die Anleitung für dieses Makro auf der Datei enthalten)

Hinweis: trigonometrische Berechnungen in den Makros eingebettet berechnen kinematische Messungen (Abbildung 4).

  1. Download "CoordinateMapping.xlsm" aus dem JoVE Artikelseite.
  2. Folgen Sie den Anweisungen auf dem Arbeitsblatt, um die Datei zu initialisieren. Ergebnisse, Daten und Eingabeblatt: Die Initialisierung Makro drei Blätter darunter erstellen. Hinweis: Macintosh-Benutzer müssen Entwicklertools in Excel ermöglichen, Makros ausführen.
  3. Copy-Koordinaten aus dem ImageJ Ergebnisfenster und Einfügen in die bezeichnete Zelle in der "Eingabeblatt". Führen Sie den "datacaptureline" Makro.
  4. Die Ergebnisse werden auf der "Ergebnisse" Blatt erscheinen. Die Linien der Koordinatendaten werden auf der "Daten"-Blatt erscheinen.

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Ergebnisse

Intrakorrelationskoeffizienten (ICC) von Koordinaten von sechs Ermittler, die unabhängig voneinander analysiert 80 Videodurchleuchtungs Dateien (zwei Bolus-Studie von 40 Patienten) gesammelt reichten von ICC = 0,90 bis 0,97. Eine Aufschlüsselung der ICC von Koordinaten durch Gruppe ist wie folgt: Koordinaten # 1-5 (Skelettelemente bei minimalen hyolaryngeal Ausflug) Durchschnitt = 0,93, 0,91 bis 0,95, 95% CI; koordiniert # 6 - 9 (hyolaryngeal Komplex bei Mindest hyolaryngeal Ausflug) Mittelwert = 0,94, 092 bis 0,96, 95%...

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Diskussion

Diese Studie demonstriert die Nützlichkeit eines Verfahrens unter Verwendung von Koordinatendaten von anatomischen Landmarken, um mehrere Messungen der kinematischen Bewegung hyolaryngeal Schluck berechnen. Inter-Reliabilität von sechs Rater, darunter zwei Neulinge Rater, für Koordinaten und berechneten Größen stark war (ICC> 0,90). Repräsentative Ergebnisse aus einer Stichprobe von gesunden nicht-dysphagic Erwachsenen zeigten Unterschiede in mehrere kinematische Größen in Reaktion auf zwei Arten Bolus. Wir fanden au...

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Offenlegungen

Die Autoren erklären, dass sie keine finanziellen Interessen konkurrieren.

Danksagungen

Die Autoren danken Kendrea Focht, CSCD, CCC-SLP und die Evelyn Trammell Institut für Sprach-und Schluck an der Medizinischen Universität von South Carolina, für den Austausch von MBS Bilddateien verwendet, diese Methode zu demonstrieren. Vom National Center for Advancing Translational Sciences und Grant Number 1K24DC12801 (PI: Martin-Harris): Diese Daten wurden durch MBS extramuralen Betreuung durch Grant Number TL1TR000061 (Focht PI) finanziert gesammelt aus dem National Institute on Taubheit und andere Communication Disorders, und intra-Unterstützung von Mark und Evelyn Trammell Trust. Diese Methoden wurden ursprünglich von der Hauptforscher entwickelt, während von Grant Number F31DC011705 aus dem National Institute on Taubheit und andere Communication Disorders unterstützt. Der Inhalt ist ausschließlich der Verantwortung der Autoren und nicht notwendigerweise die offizielle Meinung des National Institute on Taubheit und andere Communication Disorders oder den National Institutesder Gesundheit.

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Materialien

Liste der in diesem Artikel verwendeten Materialien
NameUnternehmenKatalognummerKommentare
BildJ   NIHhttp://rsbweb.nih.gov/ij/download.htmlfür Macintosh
MacX Video Converter Free Edition (Mac)Digiartyhttp://www.macxdvd.com/mac-video-converter-free/Für Macintosh
QuickTime Applehttp://support.apple.com/downloads/#QuickTimefür Macintosh
ImageJ   NIHhttp://rsbweb.nih.gov/ij/download.htmlFür einen PC
MPEG Streamclip (PC) Quadratisch 5http://www.squared5.comfür einen PC
QuickTimeApplehttp://support.apple.com/downloads/#QuickTimefür einen PC

Referenzen

  1. Leonard, R. J., Kendall, K. A., McKenzie, S., Gonçalves, M. I., Walker, A. Structural Displacements in Normal Swallowing: A Videofluoroscopic Study. Dysphagia. 15, 146-152 (2000).
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