Artykuł metodologiczny

Ocena aktywacji mięśni oddechowych za pomocą oceny kontroli motorycznej oddechu (RMCA) u osób z przewlekłym uszkodzeniem rdzenia kręgowego

DOI:

10.3791/50178

⸱

19 lipca 2013

 ,  ,  ,  , 
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

W tym artykule

Podsumowanie

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Celem tej publikacji jest przedstawienie naszej oryginalnej pracy nad wielomięśniowym powierzchniowym podejściem elektromiograficznym do ilościowego charakteryzowania wzorców aktywacji mięśni oddechowych u osób z przewlekłym uszkodzeniem rdzenia kręgowego za pomocą analizy wektorowej.

Streszczenie

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Podczas oddychania, aktywacja mięśni oddechowych jest koordynowana przez zintegrowane dane wejściowe z mózgu, pnia mózgu i rdzenia kręgowego. Gdy ta koordynacja zostaje zakłócona przez uraz rdzenia kręgowego (SCI), kontrola mięśni oddechowych unerwionych poniżej poziomu urazu jest zagrożona1,2, co prowadzi do dysfunkcji mięśni oddechowych i powikłań płucnych. Stany te są jedną z głównych przyczyn zgonów u pacjentów z SCI3. Standardowe testy czynnościowe płuc, które oceniają funkcję motoryczną układu oddechowego, obejmują wyniki spirometryczne i maksymalne ciśnienie w drogach oddechowych: natężona pojemność życiowa (FVC), natężona objętość wydechowa w ciągu jednej sekundy (FEV1), maksymalne ciśnienie wdechowe (PImax) i maksymalne ciśnienie wydechowe (PEmax)4,5. Wartości te zapewniają pośrednie pomiary wydolności mięśni oddechowych6. W praktyce klinicznej i badaniach elektromiografia powierzchniowa (sEMG) zarejestrowana z mięśni oddechowych może być stosowana do oceny funkcji motorycznych układu oddechowego i pomocy w diagnozowaniu patologii nerwowo-mięśniowej. Jednak zmienność amplitudy sEMG hamuje wysiłki zmierzające do opracowania obiektywnych i bezpośrednich pomiarów funkcji motorycznych układu oddechowego6. Opierając się na wielomięśniowym podejściu sEMG w celu scharakteryzowania kontroli motorycznej mięśni kończyn7, znanym jako wskaźnik dobrowolnej odpowiedzi (VRI)8, opracowaliśmy narzędzie analityczne do charakteryzowania kontroli motorycznej oddechu bezpośrednio na podstawie danych sEMG zarejestrowanych z wielu mięśni oddechowych podczas dobrowolnych zadań oddechowych. Nazwaliśmy to Oceną Kontroli Motorycznej Układu Oddechowego (RMCA)9. Ta metoda analizy wektorowej określa ilościowo ilość i rozkład aktywności w mięśniach i przedstawia ją w postaci wskaźnika, który odnosi się do stopnia, w jakim wyjście sEMG u osoby badanej przypomina tę z grupy zdrowych (nierannych) osób kontrolnych. Wykazano, że uzyskana wartość indeksu ma wysoką trafność, czułość i swoistość9-11. Wykazaliśmy wcześniej9, że wyniki RMCA istotnie korelują z poziomami SCI i pomiarami czynności płuc. Przedstawiamy tutaj metodę ilościowego porównywania wzorców aktywacji wielomięśniowej układu oddechowego po urazie rdzenia kręgowego z wzorcami aktywacji wielu mięśni oddechowych u osób zdrowych.

Protokół

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

1. Ustawienia

  1. Głowice elektrod powierzchniowych umieszczono nad brzuchami mięśni oddechowych lewego (L) i prawego (R): mostkowo-obojczykowo-sutkowego (SC), scalenowego (S), górnego czworobocznego na linii śródobojczykowej (UT), obojczykowej części piersiowej na linii środkowej obojczyka (P), przepony na linii przymostkowej (D), międzyżebrowej w 6przestrzeni międzyżebrowej na przedniej linii pachowej (IC), prostego brzucha na poziomie pępka (RZS), skośny brzuch na linii śródpachowej (O), dolny czworoboczny przykręgosłupowo na poziomie środkowej łopatki (LT) i przykręgosłupowy przykręgosłupowo na linii międzywyrostkowej biodrowej (PS)6. Elektrody uziemiające umieszczono nad procesami akromionowymi. Jednostka Motion Lab System Back Pack z dołączonymi elektrodami została podłączona do jednostki biurkowej Motion Lab EMG i systemu Powerlab (ilustracja 1).
  2. Obwód monitorujący trójnik do rejestrowania ciśnienia w drogach oddechowych został zmontowany, jak pokazano na rysunku 2 i podłączony do przetwornika niskiego ciśnienia (MP45) za pomocą rurki powietrznej.
  3. MP45 był podłączony do CD15 i systemu Powerlab (Rysunek 1 i Tabela 1).

2. Protokół RMCA

  1. Zadania motoryczne oddechowe składały się z zadania maksymalnego ciśnienia wdechowego (MIPT) i zadania maksymalnego ciśnienia wydechowego (MEPT). Aby wykonać MIPT lub MEPT, badani zostali poproszeni o wytworzenie maksymalnego wysiłku wdechowego z objętości resztkowej lub wysiłku wydechowego z całkowitej pojemności płuc przez 5 sekund za pomocą obwodu monitorowania trójnika (ryc. 1 i 2). Każdy manewr był sygnalizowany słyszalnym 5-sekundowym dźwiękiem i powtarzany 3 razy. Pomiędzy każdym wysiłkiem przewidziano co najmniej 1 minutę odpoczynku
    2. .
  2. Wejście EMG zostało wzmocnione z wzmocnieniem 2000; przefiltrowane z częstotliwością 30-1000 Hz i pobrane próbki z częstotliwością 2000 Hz. Ciśnienie wejściowe w drogach oddechowych zostało skalibrowane na 100 cm wody i pobrane z częstotliwością 2000 Hz. Dane wejściowe EMG i ciśnienia w drogach oddechowych zostały przekonwertowane przez system akwizycji Powerlab przy użyciu 16-bitowej rozdzielczości ADC w pełnej skali. Ciśnienie w drogach oddechowych, sygnały sEMG i markera rejestrowano jednocześnie9.

3. Analiza danych

  1. Okna analizy rozkładu aktywności wielu mięśni wynoszące 5 sekund każde dla MIPT lub MEPT określono na podstawie markera zdarzenia i ciśnienia w drogach oddechowych zarejestrowanych za pomocą sygnału wskazującego, który sygnalizował badanemu, kiedy rozpocząć i zakończyć zadanie (ryc. 3). Aktywność sEMG dla każdego mięśnia obliczono przy użyciu algorytmu średniej kwadratowej (RMS)6,12 (ryc. 4). Trzy powtórzone próby dla każdego zadania wykazały średnio13 dla każdego mięśnia (kanału).
  2. Wzorce aktywacji wielu mięśni oceniono w oparciu o metodę analizy wektorowej znaną jako Wskaźnik Dobrowolnej Odpowiedzi (VRI)8 (Ryc. 4-6) przy użyciu specjalnie przygotowanego oprogramowania Matlab (MathWorks). Dla każdego manewru obliczenia VRI dają dwie wartości: wielkość i wskaźnik podobieństwa (SI) (rysunki 5-6). Parametr wielkości, czyli wielkość połączonej aktywności sEMG dla wszystkich mięśni w określonym oknie czasowym, został obliczony jako długość wektora odpowiedzi (RV) dla określonego zadania (ryc. 7). Indeks podobieństwa (SI) zapewnia wartość, która wyraża, jak podobny jest RV podmiotu SCI do prototypowego wektora odpowiedzi (PRV) uzyskanego od zdrowych osób podczas tego samego zadania. Wartość SI została obliczona dla każdego zadania jako cosinus kąta między obiektem SCI RV a PRV. Wartość SI mieści się w zakresie od 0 do 1,0, gdzie wartość 1,0 oznacza najlepsze dopasowanie dla porównywanych wektorów9 (Rysunek 8) .

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Wyniki

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Rysunek 3 przedstawia elektromiogram i ciśnienie w drogach oddechowych (na górze) zarejestrowane jednocześnie podczas MEPT u osoby zdrowej (lewo) oraz osoby z SCI (prawo). Zwróć uwagę na obniżone ciśnienie w drogach oddechowych i brak aktywności sEMG w mięśniach wydechowych u badanego z SCI w porównaniu z osobą zdrową (oznaczone szarymi elipsami). Zauważ również, że rozpoczęcie zadania, zaznaczone na dole, wiąże się ze zwiększoną aktywnością sEMG i wzrostem ciśnienia w drogach oddechowych.

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Dyskusja

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Standardowe testy kliniczne oceniające funkcję motoryczną układu oddechowego po SCI i innych zaburzeniach obejmują testy czynnościowe płuc oraz ocenę Skali Upośledzenia Amerykańskiego Towarzystwa Urazów Kręgosłupa (AIS)14,15. Jednak narzędzia te nie są przeznaczone do ilościowej oceny kontroli motorycznej tułowia i układu oddechowego. W naszej wcześniej opublikowanej pracy9 wykazaliśmy, że RMCA jest ważną metodą ilościowej oceny funkcji motorycznej układu oddechowego, na którą wpływa SCI. Wykazaliśm...

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Oświadczenia

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Brak konfliktu interesów, który można by zadeklarować.

Podziękowania

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Ta praca była wspierana przez Christopher and Dana Reeve Foundation (Grant CDRF OA2-0802-2), Kentucky Spinal Cord and Head Injury Research Trust (Grant 9-10A - KSCHIRT), Craig H. Neilsen Foundation (Grant 1000056824 - HN000PCG) oraz National Institutes of Health: National Heart Lung and Blood Institute (Grant 1R01HL103750-01A1).

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Materiały

Lista materiałów użytych w tym artykule
NazwaFirmaNumer katalogowyKomentarze
Urządzenia PowerLab System 16/35PL3516Ilość jednostek zależy od ilości nagrywanych kanałów
EMG System MA 300Motion Lab SystemsMA300-XVILiczba jednostek zależy od ilości nagrywanych kanałów
Przetwornik niskiego ciśnienia MP45ValidyneMP45-40-871
Podstawowy demodulator nośnej CD15ValidyneCD15-A-2-A-1
Manometr ciśnienia powietrzaBoehringer4103Potrzebny do kalibracji MP45
ZnacznikRęczny przełącznik, który po naciśnięciu daje napięcie stałe i wyjście dźwięku (w tym 5-sekundowy znak)
Chusteczki nasączone alkoholemHenry Schein1173771Potrzebne do umieszczenia elektrod
Elektroda żelowaLectron II36-3000-25Potrzebna do umieszczenia elektrod
TagadermHenry Schein7779152Potrzebny do umieszczenia elektrod
Klips na nos Henry Schein1089460
Trójnik Obwód monitorowania respiratora z zaworami jednokierunkowymi Alleglance (Airlife)1504
Rura powietrzna UnoMedical400E
Tabela 1. Wykaz specjalistycznego sprzętu i materiałów wykorzystywanych do oceny kontroli motorycznej układu oddechowego.
zdarzenia

Bibliografia

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,
  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).
  7. Sherwood, A. M., McKay, W. B., Dimitrijevic, M. R. Motor control after spinal cord injury: assessment using surface EMG. Muscle Nerve. 19, 966-979 (1996).
  8. Lee, D. C., et al. Toward an objective interpretation of surface EMG patterns: a voluntary response index (VRI). J. Electromyogr. Kinesiol. 14, 379-388 (2004).
  9. Ovechkin, A., Vitaz, T., de Paleville, D. T., Aslan, S., McKay, W. Evaluation of respiratory muscle activation in individuals with chronic spinal cord injury. Respir. Physiol. Neurobiol. 173, 171-178 (2010).
  10. Lim, H. K., Sherwood, A. M. Reliability of surface electromyographic measurements from subjects with spinal cord injury during voluntary motor tasks. J. Rehabil. Res. Dev. 42, 413-422 (2005).
  11. Lim, H. K., et al. Neurophysiological assessment of lower-limb voluntary control in incomplete spinal cord injury. Spinal Cord. 43, 283-290 (2005).
  12. Sherwood, A. M., Graves, D. E., Priebe, M. M. Altered motor control and spasticity after spinal cord injury: subjective and objective. 37, 41-52 (2000).
  13. McKay, W. B., Lim, H. K., Priebe, M. M., Stokic, D. S., Sherwood, A. M. Clinical neurophysiological assessment of residual motor control in post-spinal cord injury paralysis. Neurorehabil. Neural Repair. 18, 144-153 (2004).
  14. Marino, R. J., et al. International standards for neurological classification of spinal cord injury. J. Spinal. Cord. Med. 26, Suppl 1. S50-S56 (2003).
  15. American Spinal Injury Association and International Spinal Cord Society. International Standards for Neurological Classification of Spinal Cord Injury. , ASIA and ISCS. (2006).

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Przedruki i uprawnienia

Poproś o pozwolenie na ponowne wykorzystanie tekstu lub ilustracji tego artykułu JoVE

Poproś o pozwolenie

Tagi

Powierzchniowa elektromiografiametoda analizy wektorowejmaksymalne ci nienie wdechowemaksymalne ci nienie wydechoweprototypowy wektor odpowiedziobliczanie indeksu podobie stwazadania oddechowe

Powiązane artykuły