הערכה של הפעלת שרירים נשימה בעזרת נשימה בקרת מנוע הערכה (RMCA) אצל אנשים עם פגיעה בחוט השדרה כרונית
19 ביולי 2013
מטרתו של פרסום זה היא להציג את העבודה המקורית שלנו על גישת electromyographic משטח רב שריר לאפיין דפוסי הפעלת שרירים בדרכי הנשימה כמותית באנשים עם פגיעה בחוט השדרה כרונית באמצעות ניתוח המבוסס על הווקטור.
המטרה הכללית של הליך זה היא להעריך כמותית את דפוסי הפעלת שרירי הנשימה אצל אנשים עם פגיעה בחוט השדרה, באמצעות השוואה לערכים נורמטיביים שהתקבלו מנבדקים בריאים. דבר זה מושג על ידי הקלטה של פעילות אלקטרומיוגרפית, או EMG, של שרירי הנשימה אצל אנשים עם פגיעה בחוט השדרה במהלך משימות נשימה. כדי לחשב את כמות הפעילות עבור כל שריר כשלב שני, נבנה וקטור תוצאה, המאפיין את ההפצה ואת כמות הפעילות ברחבי שרירים אלה.
בשלב הבא, נתונים מנבדקים בריאים במהלך אותה משימה משמשים לחישוב וקטור תגובה פרוטוטיפי. לאחר מכן ניתן לחשב מדד דמיון המתייחס למידה שבה הווקטור שהתקבל דומה לוקטור התגובה הפרוטוטיפי, מה שמאפשר השוואה בין דפוס הפעלת שרירי הנשימה בחולים עם פגיעה בחוט השדרה לדפוס הנורמלי שייראה בנבדק בריא. באמצעות טכניקה זו, אנו יכולים לנטר את התפקוד המוטורי הנשימתי בחולים עם פגיעה בחוט השדרה או הפרעות אחרות הקשורות לליקויים בבקרה המוטורית של הנשימה.
רכישת נתונים ועיבודם חשובים מאוד להערכה מוצלחת של שיטה זו. זו הסיבה שההדגמה החזותית היא חשובה, שכן היא תספק הדגמה של הפרוצדורה. מדען המחקר איסלאם, מנהל המחקר אדוארד בראון וטכנולוג המחקר מן פרי צ'ופרה מהמעבדה שלי. כדי להתחיל, מקמו אלקטרודות שטח מעל הבטנים השריריות של שרירי הנשימה השמאליים והימניים.
אלה כוללים את השריר הטרפציוס התחתון (lower trapezius) והשרירים הפאראספינליים בגובה השכמה. השרירים הפאראספינליים על קו הרכב האילי (iliac inter crestal line). השריר הסטרנוקליידומסטואיד (Sterno Cleo mastoid), השריר הסקאלנוס (scaling) והשריר הטרפציוס העליון על הקו המדיוקלביקולרי (midclavicular line).
החלק הבדיקולרי של שריר החזה (pectoralis) על הקו המדי-בדיקולרי. השריר הבין-צלעי במרווח הבין-צלעי השישי על הקו הבתי המקדי. הסרעפת על הקו הפרסטרנלי, שריר הבטן הישר בגובה הטבור ושריר הבטן האלכסוני על הקו המדי-בתי.
מקם את אלקטרודות ההארקה מעל תהליכי האקרומיון (acromion processes). הגבר את קלט ה-EMG עם הגבר של 2000. סנן בתדר של 30 עד 1000 hertz ודגום ב-2000 hertz.
חברו יחידת גב של מערכת motion lab עם אלקטרודות מחוברות ליחידת שולחן של motion lab, EMG ולמערכת power lab. כפי שמוצג בפרוטוקול הטקסט, בצעו כיול לכניסת לחץ נתיבי האוויר. הוסיפו 120 centimeters of water ודגמו בתדר של 2000 hertz.
הרכיבו מעגל ניטור בצורת T להקלטת לחץ דרכי הנשימה. לאחר מכן, חברו למתמר לחץ נמוך באמצעות צינור אוויר. לבסוף, חברו את מתמר הלחץ הנמוך למערכות ה-CD 15 וה-PowerLab.
משימות המוטוריקה הנשימתית כוללות את משימת לחץ השאיפה המקסימלי (MIPT) ומשימת לחץ הנשיפה המקסימלי (MEPT). כדי לבצע MIPT, השתמשו בטון שמיע כדי להנחות את הנבדק להפעיל מאמץ שאיפה מקסימלי מנפח שארית למשך חמישה שניות. באמצעות מעגל ניטור מסוג T, אפשרו לפחות דקה אחת של מנוחה לפני חזרה על התהליך שלוש פעמים. כדי לבצע MEPT.
השתמשו בצליל שמיע באורך חמש שניות כדי להנחות את הנבדקים לבצע מאמצי נשיפה מקסימליים מנפח ריאות כולל. באמצעות מעגל הניטור של T piece, אפשרו שוב לפחות דקה אחת של מנוחה ואז חזרו על התהליך שלוש פעמים. המירו את קלטי ה-EMG ולחץ נתיבי האוויר באמצעות מערכת הרכישה של ה-power lab תוך שימוש ברזולוציית הקלטה של 16 bit full scale A DC; הקליטו בו-זמנית את לחץ נתיבי האוויר, אלקטרומיוגרפיה שטחית ואותיות סימון עבור MIPT ו-MEPT. קבעו את חלונות ניתוח התפלגות הפעילות של מספר שרירים, באורך חמש שניות כל אחד, על בסיס סימון האירוע ולחץ נתיבי האוויר שהוקלטו עם צליל ההנחיה שנתן סימן לנבדק.
כדי לקבוע מתי להתחיל ולסיים את המשימה, חשבו את פעילות האלקטרומיוגרפיה השטחית עבור כל שריר באמצעות אלגוריתם של שורש ממוצע הריבועים (RMS). בצעו ממוצע של שלושה ניסיונות חוזרים עבור כל משימה. עבור כל שריר, העריכו את דפוסי ההפעלה הרב-שרירית על בסיס שיטת ניתוח וקטורית המכונה מדד תגובה רצונית (VRI), באמצעות תוכנת MATLAB בהתאמה אישית. עבור כל תמרון, חשבו את פרמטר העוצמה — כמות פעילות האלקטרומיוגרפיה השטחית המשולבת של כל השרירים בתוך חלון הזמן הספציפי — כאורך של וקטור התגובה (RV) עבור משימה ספציפית.
חשבו גם את מדד הדמיון או את ערך ה-SI עבור כל משימה כקוסינוס של הזווית בין וקטור התגובה (RV) של נבדקים עם פגיעה בחוט השדרה לבין וקטור התגובה הפרוטוטיפי (PRV) שהתקבל מנבדקים בריאים במהלך אותה משימה; המוצג כאן הוא האלקטרומיוגרם ולחץ דרכי הנשימה שהוקלטו בו-זמנית במהלך MEPT מאדם ללא פגיעה ומאדם עם פגיעה בחוט השדרה (SCI). שימו לב לירידה בלחץ דרכי הנשימה ולהיעדר פעילות אלקטרומיוגרפית שטחית בשרירי הנשיפה בנבדק עם SCI בהשוואה לאדם ללא פגיעה. שימו לב גם כי תחילת המשימה, כפי שמסומן למטה, קשורה לעלייה בפעילות האלקטרומיוגרפית השטחית ולעלייה בלחץ דרכי הנשימה. השלבים העיקריים של בניית וקטור התגובה מפורטים כאן.
תחילתו וסיומה של המשימה הוגדרו כנקודות נתונים בהתאם לסמן. השורש הממוצע של הריבועים (RMS) של אלקטרומיוגרפיה שטחית בתוך חלון אירוע זה מייצג את הפעילות הממוצעת של האלקטרומיוגרפיה השטחית עבור כל שריר. וקטור התגובה מורכב מערכי RMS עבור השילוב הספציפי של השרירים המוצג.
להלן החישוב של וקטור תגובת הפרוטוטייפ והגודל שלו עבור קבוצה של אנשים שאינם פגועים. מטריצת תגובת הפרוטוטייפ נבנתה באמצעות וקטורי תגובה אישיים. כל עמודה במטריצת תגובת הפרוטוטייפ כוללת נתונים עבור אדם אחד בקבוצה, וכל שורה מייצגת פעילות אלקטרומיוגרפיה שטחית כמותית של שריר ספציפי מכלל האנשים בקבוצה.
וקטור התגובה המייצג חושב על ידי חישוב הממוצע של כל שורה במטריצת התגובה המייצגת. ערך הגודל (magnitude) מייצג את אורכו של וקטור התגובה וחושב לפי הנוסחה המוצגת. השלבים המוצגים כאן הם עבור חישוב מדד הדמיון.
חושבו וקטור התגובה והגודל שלו עבור פרט SCI מסוים. מדד הדמיון התקבל על ידי חישוב המכפלה הפנימית של וקטור הפרוטוטיפ ווקטור התגובה. לאחר השליטה בטכניקה, חלק ההקלטה יסתיים תוך כשעה.
בעוד שעיבוד הנתונים יהיה תלוי בתוכנה שבה ייעשה שימוש לאחר הליך זה, ניתן להשתמש במטלות נשימה אחרות, כגון שיעול וזרימה מקסימלית של דרכי הנשימה, כדי לענות על שאלות נוספות.
צפו בתמליל המלא וקבלו גישה לאלפי סרטונים מדעיים
סקירה כללית
מחקר זה מציג גישה של אלקטרומיוגרפיה שטחית של מספר שרירים להערכת דפוסי הפעלה של שרירי הנשימה בקרב אנשים עם פגיעה כרונית בחוט השדרה. השיטה משתמשת בניתוח מבוסס וקטורים כדי להעריך כמותית דפוסים אלו ולהשוואתם לערכי נורמה של נבדקים בריאים.
מרכיבי מפתח של המחקר
תחום מדעי
- מדעי המוח
- אלקטרומיוגרפיה
- פיזיולוגיה של הנשימה
רקע
- אנשים עם פגיעה בחוט השדרה סובלים לעיתים קרובות מדיספונקציה של שרירי הנשימה.
- אלקטרומיוגרפיה (EMG) היא כלי מרכזי להערכת הפעלת שרירים.
- הבנת דפוסי נשימה יכולה לסייע בניטור התפקוד המוטורי של הנשימה.
- ניתוח השוואתי מול נבדקים בריאים מספק תובנות בעלות ערך.
מטרת המחקר
- להערכה כמותית של הפעלת שרירי הנשימה בחולים עם פגיעה בחוט השדרה.
- לביסוס שיטה להשוואת דפוסי הפעלת שרירים מול אנשים בריאים.
- לשיפור הניטור של תפקודי הנשימה בחולים שנפגעו.
שיטות שנעשה בהן שימוש
- הנחת אלקטרודות שטח על שרירי נשימה מרכזיים להקלטת EMG.
- איסוף נתונים באמצעות מערכת מעבדה לתנועה וכיול של לחץ דרכי הנשימה.
- ביצוע משימות של לחץ נשימה פנימה (אינספיratorי) ולחץ נשימה החוצה (אקספיטורי) מקסימליים.
- ניתוח נתוני EMG באמצעות אלגוריתם שורש ממוצע ריבועי (root mean square) וניתוח וקטורי.
תוצאות עיקריות
- זיהוי דפוסי הפעלה מובחנים של שרירי הנשימה בקרב נבדקים עם פגיעה בחוט השדרה.
- חישוב מדדי דמיון להשוואה מול דגמים נורמטיביים של אנשים בריאים.
- הדגמה של ירידה בפעילות השרירים בקרב אנשים עם SCI במהלך מטלות נשימה.
- פיתוח וקטור תגובה של דגם להשוואה נורמטיבית.
מסקנות
- המחקר מספק שיטה חסונה להערכת תפקוד נשימתי בחולים עם פגיעה בחוט השדרה.
- ניתוח מבוסס וקטורים מציע גישה כמותית להערכת הפעלת שרירים.
- הממצאים יכולים להנחות אסטרטגיות שיקום עבור ליקויי בקרה נשימתית.
שאלות נפוצות
רלוונטיות תעשייתית למסמך סיכום
תפקוד לקוי של שרירי הנשימה בפגיעות כרוניות בחוט השדרה תורם לסיבוכים ריאתיים ולתמותה, מה שיוצר צורך בסממנים ביולוגיים אובייקטיביים במחקרים פרה-קליניים וטרנסלציונליים. הערכת הבקרה המוטורית הנשימתית (RMCA) מספקת שיטה כמותית מבוססת וקטורים להערכת דפוסי הפעלה של מספר שרירים, המאפשרת השוואה ישירה לקבוצות ביקורת בריאות. דבר זה תומך בהפחתת סיכונים מכניסטיים בתהליכי תיקוף מטרות ופיתוח בדיקות עבור תרופות נוירו-מוסקולריות ונשימתיות, על ידי מתן תוצאה ניתנת לשחזור ומתוקפת מבחינת רגישות לשמירה על שלמות הבקרה המוטורית.
יישומים אסטרטגיים במחקר ופיתוח בביופארמה
גילוי מוקדם ותיקוף מטרה
- ערך מדעי: מאפשר בחינה של השערות טיפוליות באמצעות כימות של ליקויים בבקרה המוטורית הנשימתית במודלים של מחלות.
- ערך תפעולי: מספק מדד בעל רגישות מתוקפת להערכת מעורבות המטרה (target engagement) ומודולציה של מסלולים במחקרים פרה-קליניים.
סריקה ופיתוח בדיקות (Assay)
- ערך מדעי: מייצר פרופילים כמותיים של הפעלת שרירים מרובים המתאימים לסטנדרטיזציה של בדיקות ולסריקה בעלת תוכן גבוה (high-content screening).
- ערך תפעולי: תומך בפיתוח של בדיקות אלקטרופיזיולוגיות הניתנות לשחזור, עם ספי מדד דמיון מוגדרים להערכת תרכובות.
מחקר תרגומי ופרה-קליני
- ערך מדעי: מקדם התאמה של ביומרקרים תרגומיים על ידי מתאם בין תוצאות RMCA לבין חומרת הפגיעה ותפקוד ריאתי.
- ערך תפעולי: מאפשר קבלת החלטות על התקדמות מותאמת סיכונים באמצעות ניטור אובייקטיבי של רציפות מוטורית נשימתית, משלב הגילוי ועד לתיקוף פרה-קליני.
שילוב תהליכי עבודה וצנרת עיבוד (Pipeline)
שיטת ה-RMCA משתלבת בתהליכי גילוי על ידי אספקת קריאה אלקטרופיזיולוגית כמותית המגשרת בין הערכה מכניסטית לתיקוף תפקודי במחקר נוירו-שרירי ונשימתי.
- ביולוגיה של תגליות: תומך בבדיקת היפותזות ובבירור מסלולים על ידי כימות דפוסי הפעלת שרירים בתנאים ניסיוניים שונים.
- סריקה: מספק פלטיים סטנדרטיים ומוכנים לבדיקה (גודל וקטור התגובה ומדד דמיון) לסריקה אמינה של תרכובות.
- אנליטיקה: מספק מדידות של מדד דמיון וגודל וקטור המאפשרות השוואה בין תנאים וכימות של גודל האפקט.
- מחקר תרגומי: מקשר לרצף פרה-קליני באמצעות קורלציה מתוקפת עם מדדים ריאתיים קליניים ורמות פגיעה.
- שימוש חוזר ארגוני: מבסס פלטפורמה אלקטרופיזיולוגית רב-שימושית שניתן להחיל על מודלים של מחלות נשימתיות ונוירו-שריריות.
השפעה תפעולית וארגונית
- ערך מדעי: ביטחון חזוי בתיקוף המטרה באמצעות הערכה כמותית וישירה של שלמות הבקרה המוטורית.
- ערך תפעולי: סטנדרטיזציה ויכולת שחזור באמצעות מיקום אלקטרודות מוגדר, עיבוד אותות וחישוב מדד דמיון.
- ערך אסטרטגי: שיפור בקבלת החלטות go/no-go על ידי הפחתת עמימות מכניסטית במודלים של תפקוד נשימתי לקוי.
- השפעה על הפורטפוליו: תעדוף מותאם סיכונים המבוסס על ביומרקרים אובייקטיביים וניתנים לתרגום של תפקוד מוטורי.
שיקולי יישום
- מומחיות ברכישה ועיבוד של אותות אלקטרומיוגרפיה שטחית (surface electromyography).
- מכשור המסוגל לבצע הקלטת EMG רב-ערוצית, הגברה (gain 2000), סינון (30–1000 Hz) ודגימה (2000 Hz).
- סטנדרטיזציה של ביצוע מטלות נשימה (MIPT/MEPT) ומרווחי מנוחה לצורך עקביות בין מעבדות שונות.
- שיקולי התאמה עבור מערכות מודלים שונות או רמות פגיעה המשפיעות על דפוסי העצב של השריר.
- תלות בווקטורים של פרוטוטיפים של נבדקים בריאים לצורך חישוב מדד דמיון, מה שדורש נתונים נורמטיביים ספציפיים לקוהורט.
