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 quello di valutare quantitativamente i pattern di attivazione dei muscoli respiratori in individui con lesione del midollo spinale attraverso il confronto con i valori normativi ottenuti da soggetti sani. Ciò si ottiene registrando l'attività elettromiografica o EMG dei muscoli respiratori in individui con lesione del midollo spinale durante le attività respiratorie. Per calcolare la quantità di tale attività per ciascun muscolo come secondo passo, viene costruito un vettore risultante, che caratterizza la distribuzione e la quantità di attività tra questi muscoli.
Successivamente, i dati di soggetti sani durante lo stesso compito vengono utilizzati per calcolare un prototipo di vettore di risposta. È quindi possibile calcolare un indice di somiglianza che mette in relazione il grado in cui il vettore risultante assomiglia al vettore di risposta prototipo, consentendo un confronto tra il pattern di attivazione dei muscoli respiratori nei pazienti con lesione del midollo spinale e il pattern normale che si osserverebbe in un soggetto sano. Utilizzando questa tecnica, possiamo monitorare la funzione motoria respiratoria in pazienti con lesione del midollo spinale o altri disturbi associati a deficit del controllo motorio respiratorio.
L'acquisizione e l'elaborazione dei dati è molto importante per una valutazione di successo di questo metodo. Ecco perché la dimostrazione visiva è importante, dimostrando che la procedura sarà servita. Lo scienziato ricercatore dell'Islam, Edward Brown, il responsabile della ricerca e l'uomo PRI Chopra tecnologo di ricerca dal mio laboratorio Per iniziare a posizionare le teste degli elettrodi di superficie sul ventre muscolare dei muscoli respiratori sinistro e destro.
Questi includono il trapezio paraspinale inferiore a livello scapolare medio. I muscoli paraspinali paraspinali sulla linea intercrestale iliaca. Lo sterno cleo mastoideo la squama del trapezio superiore sulla linea medioclavicolare.
La porzione clavicolare del pettorale sulla linea medioclavicolare. L'intercostale al sesto spazio intercostale sulla linea ascellare anteriore. Il diaframma sulla linea para sternale, il retto addominale a livello ombelicale e l'addome obliquo sulla linea ascellare media.
Posizionare gli elettrodi di terra sui processi acromion. Amplifica l'ingresso EMG con un guadagno di 2000. Filtrare da 30 a 1000 hertz e campionare a 2000 hertz.
Collega un'unità a zaino del sistema motion lab con elettrodi collegati a un motion lab, un'unità desktop EMG e un sistema power lab. Come illustrato nel protocollo di testo, calibrare l'ingresso della pressione delle vie aeree. Aggiungere 120 centimetri di acqua e campionare a 2000 hertz.
Assemblare un circuito di monitoraggio del raccordo a T per registrare la pressione delle vie aeree. Quindi collegare al trasduttore di bassa pressione utilizzando un tubo dell'aria. Infine, collegare il trasduttore di bassa pressione al CD 15 e al sistema di alimentazione del laboratorio.
I compiti motori respiratori consistono nel compito di massima pressione inspiratoria, abbreviato MIPT e nel compito di massima pressione espiratoria o MEPT eseguire MIPT utilizzando un tono udibile a Q soggetto per produrre il massimo sforzo inspiratorio dal volume residuo per cinque secondi. Utilizzando un circuito di monitoraggio del raccordo a T, attendere almeno un minuto di riposo prima di ripetere il processo tre volte. Per eseguire MEPT.
Utilizzare un tono udibile di cinque secondi per indicare ai soggetti di produrre il massimo sforzo espiratorio dalla capacità polmonare totale. Utilizzando nuovamente il circuito di monitoraggio del pezzo a T, attendere almeno un minuto di riposo e poi ripetere il processo tre volte. Converti gli input EMG e di pressione delle vie aeree dal sistema di acquisizione del laboratorio di alimentazione utilizzando la registrazione con risoluzione CC A a fondo scala a 16 bit, la pressione delle vie aeree, l'elettromiografia di superficie e i segnali marker contemporaneamente per MIPT e MEPT, determina le finestre di analisi della distribuzione dell'attività muscolare multimuscolare di cinque secondi ciascuna dal marcatore dell'evento e dalla pressione delle vie aeree registrate con il tono di coda che ha segnalato il soggetto.
Quando iniziare e terminare l'attività, calcolare l'attività dell'elettromiografia di superficie per ciascun muscolo utilizzando un algoritmo di radice media quadrata o RMS. Media di tre prove ripetute per ogni attività Per ogni muscolo, valutare i modelli di attivazione multimuscolare basati su un metodo di analisi vettoriale noto come indice di risposta volontaria o VRI utilizzando un software MATLAB personalizzato. Per ogni manovra, calcolare il parametro di magnitudine, la quantità di attività combinata dell'elettromiografia di superficie per tutti i muscoli all'interno della finestra temporale specifica, come lunghezza del vettore di risposta o RV per un compito specifico.
Calcola anche l'indice di somiglianza o il valore SI per ogni compito come co-segno dell'angolo tra i soggetti con lesione del midollo spinale RV e il prototipo di vettore di risposta o PRV ottenuto da soggetti sani durante lo stesso compito mostrato qui è l'elettromiogramma e la pressione delle vie aeree registrati contemporaneamente durante MEPT da una lesione non ferita e una lesione del midollo spinale, o SCI individuale Nota, diminuzione della pressione delle vie aeree e assenza di attività elettromiografica di superficie nei muscoli espiratori in un soggetto con lesione midollare rispetto a un individuo non ferito. Si noti inoltre che l'inizio dell'attività, come indicato sul fondo, è associato a un aumento dell'attività dell'elettromiografia superficiale e all'aumento della pressione delle vie aeree. I passaggi principali della costruzione del vettore di risposta sono riportati qui.
L'inizio e la fine dell'attività sono stati definiti come punti dati in base al marcatore. Il quadrato medio dell'elettromiografia di superficie all'interno di questa finestra di eventi rappresenta l'attività media dell'elettromiografia di superficie per ciascun muscolo. Il vettore di risposta viene assemblato utilizzando i valori RMS per la specifica combinazione muscolare illustrata.
Ecco il calcolo del vettore di risposta prototipo e la sua grandezza per un gruppo di individui non feriti. La matrice di risposta del prototipo è stata costruita utilizzando vettori di risposta individuali. Ogni colonna della matrice di risposta del prototipo include i dati per un individuo del gruppo e ogni riga rappresenta l'attività di elettromiografia di superficie quantificata di un muscolo specifico di tutti gli individui del gruppo.
Il vettore di risposta del prototipo è stato calcolato prendendo la media di ciascuna riga della matrice di risposta del prototipo. Il valore di magnitudine rappresenta la lunghezza del vettore di risposta ed è stato calcolato secondo la formula mostrata. I passaggi illustrati di seguito sono per il calcolo dell'indice di somiglianza.
Sono stati calcolati il vettore di risposta e la sua entità per un particolare individuo con lesione midollare. L'indice di somiglianza è stato ottenuto calcolando il prodotto interno del vettore prototipo e del vettore di risposta. Una volta masterizzata, la parte di registrazione sarà completata in circa un'ora.
Mentre il trattamento dei dati dipenderà da quale software verrà utilizzato seguendo questa procedura. Altre attività respiratorie come la tosse, il pavimento massimo delle vie aeree possono essere utilizzate per rispondere a ulteriori domande.
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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.
