Articolo metodologico

Valutazione delle vie respiratorie di attivazione muscolare Utilizzando respiratoria Motor Control Assessment (RMCA) in soggetti con lesioni spinali croniche

DOI:

10.3791/50178

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19 luglio 2013

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1Department of Neurological Surgery, University of Louisville, 2Spinal Cord Injury Laboratory, Shepherd Center, 3Department of Medicine: Division of Pulmonary, Critical Care and Sleep Disorders, University of Louisville

In questo articolo

Sommario

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Lo scopo di questa pubblicazione è quello di presentare il nostro lavoro originale su un approccio elettromiografico di superficie multi-muscolare per caratterizzare quantitativamente pattern di attivazione dei muscoli respiratori in persone con lesione cronica del midollo spinale utilizzando l'analisi su base vettoriale.

Abstract

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Durante la respirazione, l'attivazione dei muscoli respiratori è coordinato da ingresso integrato dal cervello, tronco encefalico e del midollo spinale. Quando questo coordinamento è interrotta da lesioni del midollo spinale (SCI), il controllo dei muscoli respiratori innervati di sotto del livello di lesione è compromessa 1,2 che porta alla disfunzione dei muscoli respiratori e complicanze polmonari. Queste condizioni sono tra le principali cause di morte nei pazienti con SCI 3. Standard di test di funzionalità polmonare che valutano la funzione motoria respiratoria includono respiratorie esiti spirometrical e massima pressione: Capacità Vitale Forzata (FVC), volume espiratorio forzato in un secondo (FEV1), massima pressione inspiratoria (PI max) e massima pressione espiratoria (PE max) 4,5. Questi valori forniscono misurazioni indirette di performance dei muscoli respiratori 6. Nella pratica clinica e di ricerca, una elettromiografia di superficie (sEMG) registrata da muscoli respiratoripuò essere utilizzato per valutare la funzione respiratoria motore e aiutare a diagnosticare patologia neuromuscolare. Tuttavia, la variabilità di ampiezza sEMG inibisce gli sforzi per sviluppare misure oggettive e diretto della funzione motoria respiratoria 6. Sulla base di un approccio sEMG multi-muscolare per caratterizzare il controllo motorio dei muscoli degli arti 7, noto come indice di risposta volontaria (VRI) 8, abbiamo sviluppato uno strumento analitico per caratterizzare il controllo motorio respiratorio direttamente da EMG dati registrati da più muscoli respiratori durante il volontariato compiti respiratorie. Abbiamo definito questo il respiratoria Motor Control Assessment (RMCA) 9. Questo metodo di analisi vettoriale quantifica la quantità e la distribuzione di attività fra muscoli e la presenta in forma di un indice che correla il grado in cui l'uscita sEMG all'interno di un test-soggetto assomiglia a quella di un gruppo di sani (non feriti) controlli. Il valore di indice risultante ha dimostrato di avere validità elevata viso, sensibilitàe specificità 9-11. Abbiamo dimostrato in precedenza 9 che gli esiti RMCA correlano in modo significativo con i livelli di SCI e le misure di funzionalità polmonare. Vi presentiamo qui il metodo per confrontare quantitativamente lesioni respiratorie pattern di attivazione multi-muscolare spinale post-spinale a quelli di individui sani.

Protocollo

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1. Impostazioni

  1. Teste di elettrodi di superficie sono stati collocati sopra i ventri muscolari di sinistra (L) e destro (R) muscoli respiratori: sternocleidomastoideo (SC), scaleno (S), trapezio superiore sulla linea medio-clavicolare (UT), porzione clavicolare del pettorale sulla linea medio-clavicolare (P ), diaframma sulla linea parasternale (D), intercostale, 6 ° spazio intercostale sulla linea ascellare anteriore (IC), retto addominale a livello ombelicale (RA), obliquo dell'addome sulla linea ascellare media (O), trapezio inferiore paraspinally a livello midscapular (LT ), e paraspinale paraspinally on iliaca intercrestal linea (PS) 6. Gli elettrodi di massa sono stati collocati durante i processi acromion. Un Laboratorio Motion System Back Pack Unit, con elettrodi applicati, è stato collegato a un movimento Lab EMG Desk Top Unità e Powerlab sistema (Figura 1).
  2. T-pezzo Monitoraggio circuito di registrare la pressione delle vie aeree è stato assemblato come mostrato in figura 2 e collegata alla bassa pressioneRe trasduttore (MP45) utilizzando tubo dell'aria.
  3. MP45 era collegato a CD15 e Powerlab Sistema (Figura 1 e Tabella 1).

2. RMCA protocollo

  1. I compiti motori respiratorie consistevano di massima Task Pressione inspiratoria (MIPT) e Massimo Task pressione espiratoria (MEPT). Per eseguire MIPT o MEPT, soggetti è stato chiesto di produrre il massimo sforzo inspiratorio da volume residuo o sforzi espiratori dalla capacità polmonare totale per 5 secondi utilizzando un circuito di monitoraggio a T (figure 1 e 2). Ogni manovra è stata provocata da un udibile suono lungo 5 sec e ripetuto 3 volte. Almeno 1 min di riposo è stato consentito tra ogni sforzo.
  2. Ingresso EMG è stato amplificato con un guadagno di 2.000; filtrata a 30-1,000 Hz e campionato a 2000 Hz. Ingresso pressione delle vie aeree è stato tarato a 100 cm di acqua e di campionato a 2000 Hz. Gli ingressi di pressione EMG e delle vie aeree sono stati convertiti dal sistema di acquisizione Powerlab usando 16 bit di fondo scala ADCrisoluzione. Segnali di pressione delle vie aeree, sEMG e indicatore sono stati registrati simultaneamente 9.

3. Analisi dei dati

  1. Multi-muscolo attività di distribuzione analisi finestre di 5 secondi ciascuno per MIPT o MEPT sono stati determinati dal marcatore di evento e pressione delle vie aeree registrate con il tono cuing che segnalava il soggetto quando iniziare e terminare l'attività (Figura 3). L'attività EMG per ciascun muscolo è stata calcolata usando una radice quadrata (RMS) algoritmo 6,12 (Figura 4) media. Tre prove ripetute per ogni attività sono stati in media 13 per ogni muscolo (canale).
  2. I pattern di attivazione di multi-muscolari sono stati valutati sulla base di un metodo di analisi vettoriale noto come indice di risposta volontaria (VRI) 8 (figure 4-6) utilizzando su misura software Matlab (MathWorks). Per ogni manovra, il calcolo VRI produce due valori, una grandezza e un indice di somiglianza (SI) (Figure 5-6).Il parametro Entità, la quantità di attività sEMG combinato per tutti i muscoli all'interno della finestra temporale specifica, è stata calcolata come lunghezza del vettore di risposta (RV) per un'attività specifica (Figura 7). L'indice di similarità (SI) fornisce un valore che esprime quanto simile la RV di SCI soggetto è al vettore di risposta Prototype (PRV), prelevati da soggetti sani durante la stessa operazione. Il valore SI è stato calcolato per ogni operazione come coseno dell'angolo tra il soggetto e RV PRV SCI. Il valore SI varia tra 0 e 1,0 dove valore 1.0 rappresenta la migliore corrispondenza per vettori confrontati 9 (Figura 8).

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Risultati

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La figura 3 rappresenta la elettromiografia e la pressione delle vie aeree (in alto) contemporaneamente registrato durante MEPT da un non-danneggiati (a sinistra) e SIC (a destra) individui. Nota diminuita pressione delle vie aeree e l'assenza di attività EMG in muscoli espiratori in un soggetto SCI rispetto ad un individuo non feriti (contrassegnati con ellissi di grigio). Si noti inoltre che all'inizio del compito, come indicato sul lato inferiore, è associata ad un aumento EMG attività e aume...

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Discussione

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Test clinici standard per valutare la funzione respiratoria del motore dopo SCI e altri disturbi includono le prove di funzionalità respiratoria e l'American Spinal Injury Association Impairment Scale (AIS) di valutazione 14,15. Tuttavia, questi strumenti non sono progettati per la valutazione quantitativa del tronco e controllo motorio respiratorio. Nel nostro lavoro precedentemente pubblicata 9, abbiamo dimostrato che la RMCA è un metodo valido per valutare quantitativamente la funzione motor...

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Dichiarazioni

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Nessun conflitto di interesse da dichiarare.

Ringraziamenti

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Questo lavoro è stato sostenuto da Christopher e Dana Reeve Foundation (Grant CDRF OA2-0802-2), Kentucky Spinal Cord e Head Injury Research Trust (Grant 9-10A - KSCHIRT), Craig H. Nielsen Foundation (Grant 1000056824 - HN000PCG) e nazionale Institutes of Health: National Heart Lung and Blood Institute (Grant 1R01HL103750-01A1).

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Materiali

Elenco dei materiali utilizzati in questo articolo
NomeAziendaNumero di catalogoCommenti
PowerLab System 16/35ADInstrumentsPL3516Il numero di unità dipende dal numero di canali registrati
EMG System MA 300Motion Lab SystemsMA300-XVIIl numero di unità dipende dal numero di canali registrati
Trasduttore di bassa pressione MP45ValidyneMP45-40-871
Basic Carrier Demodulator CD15ValidyneCD15-A-2-A-1
Manometro della pressione dell'ariaBoehringer4103Necessario per la calibrazione MP45
Marcatoredi eventi Interruttore portatile che, se premuto, fornisce una tensione CC e un'uscita sonora (incluso un segno lungo 5 secondi)
Salviette imbevute di alcolHenry Schein1173771Necessario per il posizionamento degli elettrodi
Gel per elettrodiLectron II36-3000-25Necessario per il posizionamento degli elettrodi
EtichettaadermHenry Schein7779152Necessario per il posizionamento degli elettrodi
Noseclip Henry Schein1089460
Circuito di monitoraggio del ventilatore con raccordo a T con valvole unidirezionali Alleglance (Airlife)1504
Tubo dell'aria UnoMedical400E
Tabella 1. Elenco delle attrezzature e delle forniture specifiche utilizzate per la valutazione del controllo motorio respiratorio.

Riferimenti

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  1. Schilero, G. J., Spungen, A. M., Bauman, W. A., Radulovic, M., Lesser, M. Pulmonary function and spinal cord injury. Respir. Physiol. Neurobiol. 166, 129-141 (2009).
  2. Winslow, C., Rozovsky, J. Effect of spinal cord injury on the respiratory system. Am. J. Phys. Med. Rehabil. 82, 803-814 (2003).
  3. Garshick, E., et al. A prospective assessment of mortality in chronic spinal cord injury. Spinal Cord. 43, 408-416 (2005).
  4. Jain, N. B., Brown, R., Tun, C. G., Gagnon, D., Garshick, E. Determinants of forced expiratory volume in 1 second (FEV1), forced vital capacity (FVC), and FEV1/FVC in chronic spinal cord injury. Arch. Phys. Med. Rehabil. 87, 1327-1333 (2006).
  5. Stolzmann, K. L., Gagnon, D. R., Brown, R., Tun, C. G., Garshick, E. Longitudinal change in FEV1 and FVC in chronic spinal cord injury. Am. J. Respir. Crit. Care Med. 177, 781-786 (2008).
  6. American Thoracic Society/European Respiratory Society. ATS/ERS Statement on respiratory muscle testing. Am. J. Respir. Crit. Care Med. 166, 518-624 (2002).
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  15. American Spinal Injury Association and International Spinal Cord Society. International Standards for Neurological Classification of Spinal Cord Injury. , ASIA and ISCS. (2006).

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Elettromiografia di superficieMetodo di analisi vettorialePressione inspiratoria massimaPressione espiratoria massimaVettore di risposta prototipoCalcolo dell indice di similaritTask respiratori

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