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Adquisición y análisis semiautomatizado de electromiografía de superficie muscular respiratoria

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DOI:

10.3791/67157

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24 de enero de 2025

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1Keenan Centre for Biomedical Research, Li Ka Shing Knowledge Institute, Unity Health Toronto, 2Interdepartmental Division of Critical Care Medicine, University of Toronto, 3Faculty of Engineering Technology, Electrical Engineering, KU Leuven, 4Department of Rehabilitation Sciences, Faculty of Movement and Rehabilitation Sciences, Research Group for Rehabilitation in Internal Disorders, KU Leuven, 5Respiratory Rehabilitation and Respiratory Division, University Hospital Leuven, 6Department of Health Sciences, Nagasaki University Graduate School of Biomedical Sciences, 7Department of Medicine, Temerty Faculty of Medicine, Division of Respirology, University of Toronto, University Health Network, 8Toronto General Hospital Research Institute, University Health Network, 9Department of Physical Therapy, University of Toronto, 10KITE, Toronto Rehabilitation Institute, University Health Network

En este artículo

Resumen

En este trabajo describimos un protocolo para registrar y analizar las señales de electromiografía respiratoria (EMG). Incluye las referencias anatómicas para colocar los electrodos EMG sobre varios músculos respiratorios, eliminar el ruido electrocardiográfico de las señales EMG y adquirir la raíz cuadrada media (RMS) de EMG y el momento de inicio de la actividad.

Resumen

La evaluación del impulso respiratorio presenta desafíos debido a la intrusión y la falta de práctica de los métodos actuales, como la resonancia magnética funcional (fMRI). La electromiografía (EMG) ofrece una medida sustitutiva del impulso respiratorio a los músculos, lo que permite determinar tanto la magnitud como el momento de la activación muscular. La magnitud refleja el nivel de activación muscular, mientras que el tiempo indica el inicio y la compensación de la actividad muscular en relación con eventos específicos, como el flujo inspiratorio y la activación de otros músculos. Estas métricas son fundamentales para comprender la coordinación y el control respiratorio, especialmente bajo cargas variables o en presencia de fisiopatología respiratoria. Este estudio describe un protocolo para adquirir y analizar las señales de EMG del músculo respiratorio en adultos sanos y pacientes con afecciones de salud respiratoria. Se obtuvo la aprobación ética para los estudios, que incluyeron la preparación de los participantes, la colocación de electrodos, la adquisición de señales, el preprocesamiento y el posprocesamiento. Los pasos clave incluyen la limpieza de la piel, la localización de los músculos a través de la palpación y el ultrasonido, y la aplicación de electrodos para minimizar la contaminación del electrocardiograma (ECG). Los datos se adquieren a una alta frecuencia de muestreo y ganancia, con registros sincronizados de ECG y flujo respiratorio. El preprocesamiento incluye el filtrado y la transformación de la señal EMG, mientras que el posprocesamiento implica el cálculo de las diferencias de inicio y desplazamiento en relación con el flujo inspiratorio. Los datos representativos de un participante masculino sano que realizó una carga incremental del umbral inspiratorio (ITL) ilustran la aplicación del protocolo. Los resultados mostraron una activación más temprana y una duración prolongada de los músculos extradiafragmáticos bajo cargas más altas, lo que se correlacionó con una mayor magnitud de EMG. Este protocolo facilita una evaluación detallada de la activación de los músculos respiratorios, proporcionando información sobre las estrategias de control motor tanto normales como fisiopatológicas.

Introducción

El impulso respiratorio (es decir, la salida de los centros respiratorios a los músculos respiratorios) es difícil de evaluar debido a la naturaleza molesta y a menudo poco práctica de los métodos de evaluación, como la resonancia magnética funcional (fMRI). Además, el pequeño tamaño de los centros respiratorios localizados en el tronco encefálico es difícil de localizar y es sensible a las alteraciones por ruido fisiológico 1,2. Las mediciones de la protuberancia respiratoria son importantes debido a su asociación con resultados clínicos importantes, como la disnea, una indicación de dificultad respiratoria. La electromiografía (EMG) es un sustituto del impulso respiratorio a los músculos respiratorios3. La EMG del músculo respiratorio permite determinar la actividad muscular y su intensidad mediante la raíz cuadrada media (RMS) de la señal EMG. Además, el momento de la activación muscular puede evaluarse identificando el inicio y el desplazamiento de su actividad (EMG, inicio y EMG, desplazamiento, respectivamente)1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11.

La magnitud de la señal EMG se refiere al potencial eléctrico generado por las células musculares cuando se contraen, lo que indica su nivel de activación muscular12. La magnitud de la señal EMG puede variar dependiendo de factores como la intensidad de la contracción muscular, el número de unidades motoras reclutadas, la colocación de los electrodos, el movimiento del músculo y de los tejidos subcutáneos, y las características específicas del músculo que se está midiendo12.

La temporización de la señal EMG se refiere al momento en que se produce la actividad eléctrica en relación con un evento o acción específica (por ejemplo, en relación con el flujo inspiratorio para la respiración)13. El tiempo de inicio indica cuándo comienza la activación muscular, mientras que el tiempo de compensación indica cuándo la actividad muscular disminuye, cesa o se encuentra en la fase de relajación13. El tiempo entre la activación de varios músculos respiratorios facilitará la comprensión de los mecanismos de coordinación y control durante la respiración. La evaluación de la consistencia o variabilidad de los patrones de tiempo a lo largo del tiempo o en los individuos puede ayudar a identificar estrategias de control motor fisiológico y fisiopatológico asociadas con la insuficiencia ventilatoria aguda o crónica.

Tanto la magnitud como el momento de la EMG del músculo respiratorio se han asociado con resultados clínicos importantes 12,13,14. El diafragma genera la mayor parte de la ventilación en reposo15. Cuando la demanda respiratoria aumenta, como durante el ejercicio o el aumento de la carga inspiratoria asociada con enfermedades pulmonares (p. ej., enfermedad pulmonar obstructiva crónica, enfermedad pulmonar intersticial o síndrome de dificultad respiratoria aguda), los músculos respiratorios extradiafragmáticos estimulan la ventilación, lo que puede aumentar o compensar los requisitos contráctiles del diafragma15. Por lo tanto, además de la magnitud creciente de la EMG del diafragma, también aumentará la magnitud de la EMG del músculo extradiafragmático.

La activación de los músculos respiratorios extradiafragmáticos puede proteger el diafragma del desarrollo de fatiga16. Sin embargo, la activación precoz (inicio) y la activación prolongada se han asociado con insuficiencia ventilatoria aguda y crónica 14,17,18. El objetivo aquí es describir un protocolo para adquirir y analizar tanto el tiempo como la magnitud de las señales de EMG del músculo respiratorio tanto en adultos sanos como en pacientes con fisiopatología respiratoria sospechada o confirmada. Este protocolo incluye pasos previamente validados desde la adquisición de datos para cuantificar el momento y la magnitud de la actividad EMG13,19.

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Protocolo

Los estudios que emplean esta técnica han recibido la aprobación ética de la Universidad de Toronto y el Hospital St. Michael's ubicado en Toronto, Canadá, y el Hospital Universitario de Gasthuisberg, Lovaina, Bélgica. Aquí se describe un protocolo específico. Se ha propuesto una discusión general sobre varios enfoques alternativos de EMG de superficie (sEMG) para los músculos respiratorios y se informa en otra parte12.

1. Preparación de los participantes y colocación de electrodos sEMG

  1. Para garantizar una visualización adecuada, pida a los hombres que no usen una camisa y a las mujeres que usen un sostén deportivo o una camiseta sin mangas. Use una bata de hospital con una abertura frontal para proporcionar un acceso adecuado y mantener la modestia.
  2. Si el participante tiene el cabello largo, hágalo atar hacia atrás y sujetarlo fuera de su lugar para que se puedan evaluar el escaleno y el esternocleidomastoideo.
  3. Coloque al participante en posición sentada o medio acostada.
  4. Si se encuentra exceso de vello en el pecho o el cuello, afeite el área para la colocación de electrodos para sEMG.
  5. Para reducir la impedancia de la piel, limpie la piel de grasa y piel muerta.
    1. Haga esto frotando con una toallita con alcohol y dejando que el alcohol se evapore (es decir, se seque al aire) antes de aplicar el electrodo.
    2. Si la piel es más clara, puede parecer ligeramente roja, pero lo que es más importante, asegúrese de que no haya suciedad, grasa o piel seca evidentes en el lugar donde se colocarán los electrodos. Sin embargo, evite frotar en exceso para evitar daños en la piel. Evite la aplicación de electrodos en áreas de piel agrietada u otras lesiones cutáneas.
  6. Localizar los músculos de interés mediante puntos de referencia, palpación y/o ecografía.
    NOTA: La ecografía puede ser útil para marcar el diafragma costal20. La Figura 1 muestra ejemplos de lugares donde se pueden colocar electrodos para la sEMG de los músculos respiratorios.
  7. Coloque electrodos de sEMG en el lado derecho del tórax, más lejos del corazón, para disminuir la amplitud de la señal de ECG y minimizar su contaminación.
  8. Aplique electrodos EMG emparejados con una distancia entre electrodos de 2 cm en el centro del vientre muscular a lo largo de la alineación longitudinal de las fibras musculares.
    1. Para el diafragma costal/intercostales, marque la línea axilar anterior y la línea medioclavicular y coloque los electrodos emparejados verticalmente entre estas dos líneas al nivel del séptimo u octavo espacio intercostal.
    2. Para el escaleno, marque el triángulo posterior del cuello y coloque los electrodos emparejados a lo largo del eje longitudinal del músculo al nivel de la apófisis cricoidea.
    3. Para los intercostales paraesternales, marque el segundo espacio intercostal 1-2 cm lateral al lado derecho del esternón y coloque los electrodos emparejados a lo largo del eje longitudinal del músculo.
    4. Para el esternocleidomastoideo, señale la escotadura supraesternal y la apófisis mastoides. Acentúe el vientre del músculo esternocleidomastoideo derecho colocando la mano del operador en el lado izquierdo de la barbilla del participante y pidiéndole al participante que realice suavemente una rotación isométrica a la izquierda contra la mano. Coloque los electrodos emparejados en el punto medio del vientre muscular a lo largo de su eje longitudinal.
  9. Algunos sistemas EMG pueden requerir un sensor de tierra. Si es necesario, coloque el sensor de tierra sobre una estructura ósea cerca de los músculos respiratorios (p. ej., clavícula, apófisis espinosa cervical C7).
  10. Conecte los clips del sensor EMG a los electrodos EMG. Asegúrese de que los cables de los sensores EMG de dos músculos diferentes (incluso si son inalámbricos) no se superpongan ni contaminen ni proporcionen diafonía entre los dos músculos.
    NOTA: Los cables del mismo sensor pueden superponerse, pero los cables de dos sensores diferentes no.
  11. Aplique una mayor fijación de los electrodos y sensores EMG mediante el uso de cintas de doble cara que aseguran la parte inferior del sensor a la piel.
  12. Aplique cinta hipoalergénica de grado médico sobre la parte superior de los sensores para asegurar aún más cada sensor a la piel. Evite aplicar una presión excesiva y, como se mencionó anteriormente, asegúrese de que los cables de los diferentes sensores no se superpongan.

2. Adquisición de señales

  1. Seleccione la plantilla preestablecida en el software de adquisición de datos y pulse Abrir. La plantilla tendrá los siguientes parámetros preestablecidos: Un filtro de paso alto (0,5-20 Hz) en la señal EMG para reducir los artefactos de baja frecuencia y facilitar la visualización en tiempo real.
  2. Ajuste la frecuencia de muestreo de la señal EMG de al menos 1 kHz.
  3. Establezca la ganancia de la señal EMG en 1000.
  4. Configure la plantilla para adquirir un registro sincronizado del ECG y el flujo respiratorio.
  5. Adquirir datos de sEMG y ECG de acuerdo con el protocolo, por ejemplo, durante una prueba de respiración espontánea en un paciente con ventilación mecánica.
  6. Una vez completado el protocolo, detenga la grabación y guarde el archivo de datos.
    NOTA: La Figura 2 muestra capturas de pantalla del software que muestran el filtrado aplicado.

3. Preprocesamiento después de la adquisición de datos

  1. Abra el software y confirme los parámetros que se utilizarán para el análisis de la señal EMG (un filtro de paso alto bidireccional de 5 Hz, el filtro adaptativo de cuadrado mínimo medio (LMS) para eliminar la contaminación del ECG, transformación de raíz cuadrada media con una ventana móvil durante 0,02 s) y presione Continuar.
  2. Seleccione el archivo a analizar y pulse OK.
  3. Defina el intervalo de tiempo a analizar (si se va a analizar la duración total del archivo, será de 0 s a tiempo máximo), presione Seleccionar el rango y continuar, y luego presione Acondicionamiento.
  4. Pulse el botón Analizar para aplicar los parámetros preseleccionados (consulte el paso 3.1). Visualice la señal EMG analizada. Presione el botón Reescalado en 1 para mostrar la señal EMG normalizada por su valor máximo durante el período grabado.
  5. Presione el botón Continuar para calcular en apagado . Basándose en la función derivada de la señal EMG, detectará el momento de inicio de la actividad EMG. Presione el botón de encendido y apagado .
  6. Seleccione la señal EMG del músculo que se debe visualizar. La visualización se puede alternar entre los músculos para permitir la inspección visual de todas las señales EMG registradas. Presione el botón DEJAR de mirar e Ir a guardar . Presione Guardar.
  7. Seleccione los datos que desea guardar. Es posible reducir las señales antes de guardar (por ejemplo, de 1000 Hz a 100 Hz). Presione Guardar datos procesados, seleccione la carpeta de la computadora en la que se guardará el archivo y asígnele un nombre. Pulse Guardar de nuevo para confirmar.

4. Posprocesamiento

  1. Abra el archivo guardado con un software que proporcione la capacidad de calcular (por ejemplo, Excel, R, Phyton, Matlab). Determine cada respiración por el tiempo de encendido y apagado de la señal de flujo y calcule el RMS pico de EMG y el RMS medio de EMG para cada respiración.
  2. Para el inicio de EMG, calcule la diferencia absoluta (en milisegundos) entre el inicio de EMG y el inicio del flujo inspiratorio (INSP, inicio):
    figure-protocol-1
  3. Para el desplazamiento de EMG, calcule la diferencia absoluta (en milisegundos) entre el desplazamiento de EMG y el final del flujo inspiratorio (INSP, desplazamiento)
    figure-protocol-2
  4. Para el inicio de EMG en relación con la duración del tiempo inspiratorio, calcule la diferencia relativa (a la duración de Ti) entre el inicio de EMG y el inicio de INSP:
    figure-protocol-3
  5. Para el desplazamiento de EMG en relación con la duración del tiempo inspiratorio, calcule la diferencia relativa (con respecto a la duración de Ti) entre el desplazamiento de EMG y el desplazamiento INSP, desplazamiento:
    figure-protocol-4
    donde dP es la diferencia de tiempo entre el EMG, el inicio y el inicio del flujo inspiratorio (INSP, inicio) o entre el EMG, el desplazamiento y el desplazamiento del flujo inspiratorio (INSP, compensación).

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Resultados

Los datos se proporcionan para un participante masculino (22 años; peso: 100 kg; altura: 185 cm; IMC: 29 kg/m2) con espirometría y fuerza muscular inspiratoria normales (FEV1: 4,89 L/s [97% de lo previsto]; presión inspiratoria máxima: 151 cmH2O [136% de lo previsto]). Realizó una carga de umbral inspiratorio incremental (ITL) hasta el fallo de la tarea utilizando un protocolo previamente descrito 21,22,23.

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Discusión

La eliminación de los artefactos de actividad cardíaca de la señal EMG es compleja debido a la superposición de sus espectros de ancho de banda. La mayor parte del espectro de frecuencia EMG está entre 20 y 250 Hz, mientras que el espectro de frecuencia ECG está entre 0 Hz y 100 Hz. Para algunos análisis (es decir, la temporización), es esencial derivar la señal EMG sin contaminación del ECG para lograr la precisión e interpretabilidad de la magnitud y el tiempo del EMG. El filtro adapta...

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Divulgaciones

Los autores declaran que no tienen ningún conflicto de intereses que revelar.

Agradecimientos

AR cuenta con el apoyo de una beca de los Institutos Canadienses de Investigación en Salud (CIHR) (#187900) y UM fue financiado por Mitacs (IT178-9 -FR101644).

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Materiales

Lista de materiales utilizados en este artículo
NombreEmpresaNúmero de catálogoComentarios
Mesa ajustable AmazonVIVO Electric Altura ajustable 102 cm x 61 cm Stand Up DeskPermite un ajuste fino de la posición del maletero y la boquilla
Filtros de aireCardinalhttps://cardinalfilters.com/
cable de salida analógica A-Tech Instruments Ltd.25 pines D-sub hembra a 16xBNC macho; 16xRG-174 -16 x cable de 3 piesPara conectar EMG (Noroxan) al sistema de adquisición de datos (PowerLab)
Bioamp para ECGADInstrumentsML138
Desktop or Laptop N/AN/ACapacidad para el sistema de adquisición de datos, incluido EMG 
Varillas dobles para sondas EMGNoraxonhttps://shop.noraxon.com/products/dual-emg-electrodes
ElectromiografíaNoraxon NoraxonUltium Myomuscle con 8 cables inteligentes. https://www.noraxon.com/our-products/ultium-emg/
Electrodos EMGDuotrodeN/A
Analizador de gasADInstrumentsML206
GuantesMedlinehttps://www.medline.com/jump/category/x/cat1790003
Metricide o protocolo para desinfectar válvulas y boquillasMedlinehttps://www.medline.com/product/MetriCide-28-Disinfectant/Disinfectants/Z05-PF27961?question=metricide
Oximetro podADInstrumentsML320/Fhttps://www.adinstruments.com/products/oximeter-pods
PneumotachADInstrumentsMLT3813H-Vhttps://www.adinstruments.com/products/heated-pneumotach-800-l-heater-controller
Powerlab y Labchart Data Acquisition SystemADInstruments, Inc.https://m-cdn.adinstruments.com/brochures/Research_PowerLab
_Brochure_V2-1.pdf		Adquiere presión de boca, ECG, CO2 al final de la espiración, flujo (para derivar la frecuencia respiratoria, el volumen corriente, el minuto ventilación) y EMG.
Transductor de presión con demodulador de uno o dos canalesValidyne.comWww.Validyne.Com/Product/Dp45_Low_Pressure_
Variable_Reluctance_Sensor/		Rango depende de la población que se esté analizando, es decir, pacientes o pacientes sanos (Www.Validyne.Com/Product/Cd280_Multi_Channel_Carrier_
Demodulador/; www.Validyne.Com/Product/Cd15_General_Purpose_Basic
_Carrier_Demodulator/)
Boquillas de siliconaHans Rudolph  https://www.rudolphkc.com/Tamaño de bocado pequeño
Mentonera modelo de mesaSacor Inc.Modelo 600700https://sacor.ca/products/head-chin-rest-table-model-with-white-chin-rest-cup
Válvula de no reinhalación de dos vías con orificio de muestreoHans Rudolph1410 Ultrasonido pequeño
   GE Cuidado de la salud Sistema cardíaco Vivid i BT12 con respiración y transductor de matriz lineal 12L-RSRequiere resolución para los músculos respiratorios emblemáticos, incluida la región aposicional del diafragma

Referencias

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