Valutazione delle vie respiratorie di attivazione muscolare Utilizzando respiratoria Motor Control Assessment (RMCA) in soggetti con lesioni spinali croniche
19 luglio 2013
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.
L'obiettivo generale di questa procedura è valutare quantitativamente i modelli di attivazione dei muscoli respiratori in soggetti con lesione del midollo spinale, confrontandoli con valori normativi ottenuti da soggetti sani. Questo viene ottenuto registrando l'attività elettromiografica (EMG) dei muscoli respiratori in soggetti con lesione del midollo spinale durante compiti respiratori. Per calcolare l'intensità di tale attività per ciascun muscolo, come secondo passaggio, viene costruito un vettore risultante, che caratterizza la distribuzione e l'intensità dell'attività attraverso questi muscoli.
Successivamente, i dati provenienti da soggetti sani durante lo stesso compito vengono utilizzati per calcolare un vettore di risposta prototipo. Può quindi essere calcolato un indice di somiglianza che indica in quale misura il vettore risultante assomiglia al vettore di risposta prototipo, consentendo un confronto tra il modello di attivazione dei muscoli respiratori nei pazienti con lesione del midollo spinale e il modello normale osservabile in un soggetto sano. Utilizzando questa tecnica, possiamo monitorare la funzione motoria respiratoria in pazienti con lesione del midollo spinale o altre patologie associate a deficit del controllo motorio respiratorio.
L'acquisizione e l'elaborazione dei dati sono molto importanti per una valutazione corretta di questo metodo. Per questo motivo, la dimostrazione visiva riveste un'importanza fondamentale e risulterà utile per illustrare la procedura. Il ricercatore Islam, il responsabile della ricerca Edward Brown e il tecnologo della ricerca Man PRI Chopra del mio laboratorio. Per iniziare, posizionare le testine degli elettrodi sulla superficie dei ventri muscolari dei muscoli respiratori sinistro e destro.
Questi includono il trapezio inferiore paravertebrale al livello della metà della scapola. I muscoli paravertebrali sulla linea intercrestale iliaca. Lo sterno-cleido-mastoideo e il trapezio superiore lungo la linea midclavicolare.
La porzione clavicolare del muscolo pettorale lungo la linea emiclaveare. Gli intercostali nello spazio intercostale sesto lungo la linea ascellare anteriore. Il diaframma lungo la linea paraspinale, il retto addominale al livello ombelicale e l'obliquo addominale lungo la linea ascellare media.
Posizionare gli elettrodi di terra sui processi acromiali. Amplificare il segnale EMG con un guadagno di 2000. Filtrare tra 30 e 1000 hertz e campionare a 2000 hertz.
Collegare un’unità zaino del sistema di laboratorio del movimento con elettrodi attaccati a un’unità desktop di laboratorio del movimento, EMG e sistema PowerLab. Come illustrato nel protocollo descritto nel testo, calibrare l’ingresso della pressione delle vie aeree. Aggiungere 120 centimetri di acqua e campionare a 2000 hertz.
Assemblare un circuito di monitoraggio a T per registrare la pressione delle vie aeree. Successivamente, collegarlo al trasduttore a bassa pressione utilizzando un tubo d'aria. Infine, collegare il trasduttore a bassa pressione al sistema CD 15 e Power Lab.
I compiti motori respiratori consistono nel test di pressione inspiratoria massima, abbreviato in MIPT, e nel test di pressione espiratoria massima, o MEPT. Eseguire il MIPT utilizzando un tono udibile per indurre il soggetto a produrre uno sforzo inspiratorio massimo a partire dal volume residuo per cinque secondi. Utilizzando un circuito di monitoraggio a T, prevedere almeno un minuto di riposo prima di ripetere la manovra per tre volte. Per eseguire il MEPT.
Utilizzare un tono udibile della durata di cinque secondi per indicare ai soggetti di compiere sforzi espiratori massimi a partire dalla capacità polmonare totale. Utilizzando il circuito di monitoraggio a T, prevedere nuovamente almeno un minuto di riposo e quindi ripetere la procedura tre volte. Convertire i segnali di EMG e di pressione delle vie aeree tramite il sistema di acquisizione Power Lab, registrando contemporaneamente con risoluzione A/D a 16 bit a scala completa la pressione delle vie aeree, l’elettromiografia superficiale e i segnali di marcatura per MIPT e MEPT, determinando finestre di analisi della distribuzione dell’attività multi-muscolare della durata di cinque secondi ciascuna a partire dal marcatore d’evento e dalla pressione delle vie aeree registrata con il tono di segnalazione che ha indicato al soggetto.
Quando iniziare e terminare l'attività, calcolare l'attività di elettromiografia di superficie per ciascun muscolo utilizzando un algoritmo di media quadratica, noto come RMS. Mediare tre prove ripetute per ogni attività. Per ciascun muscolo, valutare i modelli di attivazione multi-muscolare sulla base di un metodo di analisi vettoriale denominato indice di risposta volontaria o VRI, utilizzando un software MATLAB appositamente realizzato. Per ciascuna manovra, calcolare il parametro di magnitudine, ovvero la quantità combinata di attività di elettromiografia di superficie per tutti i muscoli all'interno di una specifica finestra temporale, come lunghezza del vettore di risposta o RV per un'attività specifica.
Calcolare inoltre l'indice di similarità, o valore SI, per ogni compito come il coseno dell'angolo tra il vettore di risposta dei soggetti con lesione del midollo spinale e il vettore di risposta prototipico (PRV) ottenuto dai soggetti sani durante lo stesso compito. Qui viene mostrata l'elettromiografia e la pressione delle vie aeree registrate contemporaneamente durante la MEPT da un soggetto non ferito e da un soggetto con lesione del midollo spinale (SCI). Si noti la riduzione della pressione delle vie aeree e l'assenza di attività elettromiografica superficiale nei muscoli espiratori in un soggetto SCI rispetto a un individuo non ferito. Si osservi inoltre che l'inizio del compito, indicato nella parte inferiore, è associato a un aumento dell'attività elettromiografica superficiale e a un incremento della pressione delle vie aeree. I passaggi principali per la costruzione del vettore di risposta sono indicati qui.
L'inizio e la fine del compito sono stati definiti come punti dati in base al marcatore. La radice quadrata media dell'elettromiografia superficiale all'interno di questa finestra temporale rappresenta l'attività media dell'elettromiografia superficiale per ciascun muscolo. Il vettore di risposta viene assemblato utilizzando i valori RMS per la specifica combinazione muscolare illustrata.
Di seguito è riportato il calcolo del vettore di risposta prototipo e della sua entità per un gruppo di soggetti non infortunati. La matrice di risposta prototipo è stata costruita utilizzando i vettori di risposta individuali. Ogni colonna della matrice di risposta prototipo contiene i dati di un soggetto del gruppo, mentre ogni riga rappresenta l'attività elettromiografica superficiale quantificata di un muscolo specifico per tutti gli individui del gruppo.
Il vettore di risposta prototipo è stato calcolato facendo la media di ogni riga della matrice di risposta prototipo. Il valore di magnitudine rappresenta la lunghezza del vettore di risposta ed è stato calcolato secondo la formula mostrata. I passaggi mostrati qui riguardano il calcolo dell'indice di similarità.
Il vettore di risposta e la sua entità per un particolare soggetto con lesione midollare sono stati calcolati. L'indice di somiglianza è stato ottenuto calcolando il prodotto interno tra il vettore prototipo e il vettore di risposta. Una volta avviato, la fase di registrazione richiederà circa un'ora.
Sebbene l'elaborazione dei dati dipenderà dal software che verrà utilizzato successivamente a questa procedura, altre attività respiratorie come la tosse o il massimo appoggio delle vie aeree possono essere utilizzate per rispondere a domande aggiuntive.
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Panoramica
Questo studio presenta un approccio elettromiografico superficiale multimuscolare per valutare i modelli di attivazione dei muscoli respiratori in soggetti con lesione midollare cronica. Il metodo utilizza un'analisi basata su vettori per valutare quantitativamente e confrontare tali modelli con valori di riferimento ottenuti da soggetti sani.
Componenti Chiave dello Studio
Area della Scienza
- Neuroscienze
- Elettromiografia
- Fisiologia respiratoria
Sfondo
- I soggetti con lesione del midollo spinale spesso sperimentano disfunzione dei muscoli respiratori.
- L'elettromiografia (EMG) è uno strumento fondamentale per valutare l'attivazione muscolare.
- La comprensione dei modelli respiratori può aiutare nel monitoraggio della funzione motoria respiratoria.
- L'analisi comparativa con soggetti sani fornisce informazioni preziose.
Scopo dello studio
- Valutare quantitativamente l'attivazione dei muscoli respiratori in pazienti con lesione del midollo spinale.
- Stabilire un metodo per confrontare i modelli di attivazione muscolare con individui sani.
- Migliorare il monitoraggio della funzione respiratoria nei pazienti affetti.
Metodi Utilizzati
- Elektrodi di superficie posizionati sui principali muscoli respiratori per la registrazione dell'EMG.
- Acquisizione dei dati mediante un sistema Motion Lab e calibrazione della pressione delle vie aeree.
- Esecuzione di prove di pressione inspiratoria ed espiratoria massima.
- Analisi dei dati di EMG mediante algoritmo di media quadratica e analisi vettoriale.
Risultati principali
- Identificazione di schemi distinti di attivazione dei muscoli respiratori in soggetti con lesione del midollo spinale.
- Calcolo di indici di similarità per il confronto con prototipi sani.
- Dimostrazione di una ridotta attività muscolare nei soggetti con lesione del midollo spinale durante compiti respiratori.
- Sviluppo di un vettore di risposta prototipico per il confronto normativo.
Conclusioni
- Lo studio fornisce un metodo solido per valutare la funzione respiratoria in pazienti con lesione del midollo spinale.
- L'analisi basata su vettori offre un approccio quantitativo per valutare l'attivazione muscolare.
- I risultati possono orientare le strategie di riabilitazione per i deficit del controllo respiratorio.
Domande frequenti
Rilevanza Industriale del Progetto
La disfunzione dei muscoli respiratori nella lesione midollare cronica contribuisce a complicanze polmonari e alla mortalità, creando la necessità di biomarcatori oggettivi nella ricerca preclinica e traslazionale. La valutazione del controllo motorio respiratorio (Respiratory Motor Control Assessment, RMCA) fornisce un metodo quantitativo basato su vettori per analizzare i modelli di attivazione multi-muscolare, consentendo un confronto diretto con soggetti sani. Questo approccio supporta la riduzione del rischio meccanicistico nella validazione degli obiettivi terapeutici e nello sviluppo di saggi, offrendo un parametro riproducibile e validato per la sensibilità dell'integrità del controllo motorio.
Applicazioni Strategiche nella Ricerca e Sviluppo in Biopharma
Scoperta Precoce e Validazione del Target
- Valore scientifico: Consente l'analisi di ipotesi terapeutiche quantificando i deficit del controllo motorio respiratorio in modelli di malattia.
- Valore operativo: Fornisce un indice la cui sensibilità è stata validata, per valutare l'interazione con il bersaglio e la modulazione del percorso in studi preclinici.
Sviluppo di screening e saggi
- Valore scientifico: Genera profili quantitativi di attivazione multi-muscolare adatti alla standardizzazione dei saggi e allo screening ad alto contenuto informativo.
- Valore operativo: Supporta lo sviluppo di saggi elettrofisiologici riproducibili con soglie definite di indice di similarità per la valutazione dei composti.
Ricerca Translazionale e Preclinica
- Valore scientifico: Facilita l'allineamento traslazionale dei biomarcatori correlando gli esiti della RMCA con la gravità della lesione e la funzione polmonare.
- Valore operativo: Consente decisioni di avanzamento corrette per il rischio mediante il monitoraggio oggettivo della continuità motoria respiratoria dalla scoperta alla validazione preclinica.
Integrazione di Pipeline e Flusso di Lavoro
Il metodo RMCA si integra nei flussi di lavoro di scoperta fornendo un'uscita elettrofisiologica quantitativa che collega la valutazione meccanicistica e la validazione funzionale nella ricerca neuromuscolare e respiratoria.
- Biologia della scoperta: Supporta la verifica delle ipotesi e la chiarificazione dei percorsi biologici mediante la quantificazione dei modelli di attivazione muscolare in diverse condizioni sperimentali.
- Screening: Fornisce uscite standardizzate pronte per i saggi (ampiezza del vettore di risposta e indice di similarità) per uno screening affidabile di composti.
- Analisi: Offre misurazioni dell'indice di similarità e dell'ampiezza del vettore che consentono il confronto tra diverse condizioni e la quantificazione dell'entità dell'effetto.
- Ricerca traslazionale: Si collega alla continuità preclinica attraverso una correlazione validata con misure cliniche polmonari e livelli di danno.
- Riutilizzo aziendale: Stabilisce una piattaforma elettrofisiologica riutilizzabile applicabile in modelli di malattie respiratorie e neuromuscolari.
Impatto Operativo ed Aziendale
- Valore scientifico: Affidabilità predittiva nella validazione degli obiettivi attraverso una valutazione diretta e quantitativa dell'integrità del controllo motorio.
- Valore operativo: Standardizzazione e riproducibilità grazie a un posizionamento definito degli elettrodi, all'elaborazione del segnale e al calcolo dell'indice di similarità.
- Valore strategico: Miglioramento delle decisioni di avanzamento o interruzione basate sulla riduzione dell'ambiguità meccanicistica nei modelli di disfunzione respiratoria.
- Impatto sul portafoglio: Prioritizzazione aggiustata per il rischio basata su biomarcatori oggettivi e trasferibili della funzione motoria.
Considerazioni sull'implementazione
- Competenze nell'acquisizione e nell'elaborazione del segnale di elettromiografia superficiale.
- Strumentazione in grado di registrare, amplificare (guadagno 2000), filtrare (30–1000 Hz) e campionare (2000 Hz) segnali EMG multicanale.
- Standardizzazione dell'esecuzione del compito respiratorio (MIPT/MEPT) e degli intervalli di riposo per garantire coerenza tra laboratori.
- Considerazioni adattative per diversi sistemi modello o livelli di lesione che influenzano i pattern di innervazione muscolare.
- Dipendenza da vettori prototipo di soggetti sani per il calcolo dell'indice di similarità, che richiede dati normativi specifici per il gruppo di studio.
