Ocena aktywacji mięśni oddechowych za pomocą oceny kontroli motorycznej oddechu (RMCA) u osób z przewlekłym uszkodzeniem rdzenia kręgowego
19 lipca 2013
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.
Ogólnym celem niniejszej procedury jest ilościowa ocena wzorców aktywacji mięśni oddechowych u osób z urazami rdzenia kręgowego poprzez porównanie ich z wartościami normatywnymi uzyskanymi od zdrowych osób. Osiąga się to poprzez rejestrację aktywności elektromiograficznej (EMG) mięśni oddechowych u osób z urazami rdzenia kręgowego podczas wykonywania zadań oddechowych. W drugim kroku, w celu obliczenia poziomu aktywności każdego mięśnia, konstruuje się wektor wypadkowy, który charakteryzuje rozkład i stopień aktywności tych mięśni.
Następnie dane od zdrowych osób podczas wykonywania tego samego zadania są wykorzystywane do obliczenia prototypowego wektora odpowiedzi. Można wówczas obliczyć indeks podobieństwa, który określa stopień, w jakim wektor wynikowy przypomina prototypowy wektor odpowiedzi, co pozwala na porównanie wzorca aktywacji mięśni oddechowych u pacjentów z urazem rdzenia kręgowego ze wzorcem prawidłowym, obserwowanym u zdrowej osoby. Stosując tę technikę, możemy monitorować funkcje motoryczne układu oddechowego u pacjentów z urazem rdzenia kręgowego lub innymi zaburzeniami związanymi z deficytami kontroli motorycznej oddychania.
Pozyskiwanie i przetwarzanie danych jest bardzo ważne dla pomyślnej oceny tej metody. Dlatego istotna jest demonstracja wizualna, która posłuży do przedstawienia procedury. Naukowiec Islam, kierownik badań Edward Brown oraz technolog badawczy PRI Chopra z mojego laboratorium. Na początek należy umieścić elektrody powierzchniowe nad brzuścami lewego i prawego mięśnia oddechowego.
Obejmują one dolny mięsień czworoboczny i mięśnie przykręgosłupowe na poziomie środka łopatki. Mięśnie przykręgosłupowe wzdłuż linii grzebieniowej kości biodrowej. Mięsień mostkowo-obojczykowo-sutkowy, mięsień skalenowy oraz górny mięsień czworoboczny w linii środkowobojczykowatej.
Obojczykowa część mięśnia piersiowego większego na linii środkowej obojczyka. Mięsień międzyżebrowy w szóstej przestrzeni międzyżebrowej na przedniej linii pachowej. Przepona na linii przymostkowej, mięsień prosty brzucha na poziomie pępka oraz mięsień skośny brzucha na linii środkowej pachowej.
Umieść elektrody uziemiające nad wyrostkami barkowymi. Wzmocnij sygnał EMG przy wzmocnieniu 2000. Zastosuj filtrację w zakresie od 30 do 1000 hertz i próbkowanie z częstotliwością 2000 hertz.
Podłącz plecakowy moduł systemu motion lab z przytwierdzonymi elektrodami do stacjonarnej jednostki motion lab EMG oraz systemu power lab. Zgodnie z treścią protokołu, skalibruj wejście ciśnienia w drogach oddechowych. Dodaj 120 cm H₂O i wykonaj próbkowanie z częstotliwością 2000 Hz.
Zmontuj obwód monitorujący w kształcie litery T do rejestracji ciśnienia w drogach oddechowych. Następnie podłącz go do przetwornika niskiego ciśnienia za pomocą rurki powietrznej. Na koniec podłącz przetwornik niskiego ciśnienia do CD 15 oraz systemu PowerLab.
Zadania motoryczne układu oddechowego obejmują badanie maksymalnego ciśnienia wdechowego (MIPT) oraz badanie maksymalnego ciśnienia wydechowego (MEPT). W celu wykonania MIPT należy użyć sygnału dźwiękowego, aby poprosić badanego o wykonanie maksymalnego wdechu z objętości zalegającej przez pięć sekund. Korzystając z obwodu monitorującego z elementem w kształcie litery T, należy zapewnić co najmniej jedną minutę odpoczynku przed trzykrotnym powtórzeniem procesu. Aby wykonać MEPT.
Użyj sygnału dźwiękowego o długości pięciu sekund, aby zasygnalizować badanym wykonanie maksymalnego wysiłku wydechowego z całkowitej pojemności płuc. Korzystając z obwodu monitorującego z łącznikiem w kształcie litery T, ponownie zapewnij co najmniej jedną minutę odpoczynku, a następnie powtórz ten proces trzy razy. Przetwórz sygnały wejściowe EMG i ciśnienia w drogach oddechowych za pomocą systemu akwizycji PowerLab, stosując 16-bitową rozdzielczość pełnej skali A DC; zarejestruj jednocześnie ciśnienie w drogach oddechowych, powierzchniową elektromiografię oraz sygnały markerów dla MIPT i MEPT, a następnie wyznacz okna analizy rozkładu aktywności wielu mięśni o długości pięciu sekund każde, bazując na markerze zdarzeń i ciśnieniu w drogach oddechowych zarejestrowanym wraz z sygnałem dźwiękowym, który został podany badanemu.
Po określeniu momentu rozpoczęcia i zakończenia zadania, oblicz aktywność powierzchniowej elektromiografii dla każdego mięśnia, stosując algorytm pierwiastka średniej kwadratów (RMS). Wyciągnij średnią z trzech powtórzeń dla każdego zadania. Dla każdego mięśnia oceń wzorce aktywacji wielomięśniowej w oparciu o metodę analizy wektorowej, znaną jako wskaźnik odpowiedzi dobrowolnej (VRI), przy użyciu dedykowanego oprogramowania MATLAB. Dla każdego manewru oblicz parametr wielkości, czyli sumaryczną aktywność powierzchniowej elektromiografii wszystkich mięśni w określonym oknie czasowym, jako długość wektora odpowiedzi (RV) dla konkretnego zadania.
Należy również obliczyć wskaźnik podobieństwa lub wartość SI dla każdego zadania jako cosinus kąta pomiędzy wektorem odpowiedzi (RV) osób z urazem rdzenia kręgowego a prototypowym wektorem odpowiedzi (PRV) uzyskanym od zdrowych osób podczas tego samego zadania; przedstawione tutaj są elektromiogram i ciśnienie w drogach oddechowych rejestrowane jednocześnie podczas MEPT u osoby zdrowej oraz osoby z urazem rdzenia kręgowego (SCI). Zwrócono uwagę na obniżone ciśnienie w drogach oddechowych i brak aktywności w powierzchniowym elektromiogramie mięśni wydechowych u osoby z SCI w porównaniu z osobą zdrową. Należy również zauważyć, że rozpoczęcie zadania, oznaczone na dole, wiąże się ze zwiększoną aktywnością w powierzchniowym elektromiogramie i wzrostem ciśnienia w drogach oddechowych. Główne etapy konstruowania wektora odpowiedzi przedstawiono poniżej.
Początek i koniec zadania zostały zdefiniowane jako punkty danych zgodnie z markerem. Średnia kwadratowa (RMS) powierzchniowej elektromiografii w tym oknie zdarzeń reprezentuje średnią aktywność powierzchniowej elektromiografii dla każdego mięśnia. Wektor odpowiedzi jest tworzony z wartości RMS dla przedstawionej kombinacji konkretnych mięśni.
Poniżej przedstawiono obliczenia wektora odpowiedzi prototypowej oraz jego wielkości dla grupy osób zdrowych. Macierz odpowiedzi prototypowej została zbudowana z indywidualnych wektorów odpowiedzi. Każda kolumna w macierzy odpowiedzi prototypowej zawiera dane dla jednej osoby z grupy, a każdy wiersz reprezentuje ilościową aktywność elektromiografii powierzchniowej konkretnego mięśnia dla wszystkich osób w grupie.
Prototypowy wektor odpowiedzi obliczono, wyciągając średnią z każdego wiersza prototypowej macierzy odpowiedzi. Wartość magnitudy reprezentuje długość wektora odpowiedzi i została obliczona zgodnie z przedstawionym wzorem. Kroki pokazane tutaj służą do obliczenia indeksu podobieństwa.
Obliczono wektor odpowiedzi oraz jego wartość dla konkretnej osoby z SCI. Wskaźnik podobieństwa uzyskano poprzez obliczenie iloczynu skalarnego wektora prototypu i wektora odpowiedzi. Po opanowaniu techniki, część nagraniowa zajmie około jednej godziny.
Sposób przetwarzania danych będzie zależał od oprogramowania wykorzystanego po wykonaniu tej procedury. Do odpowiedzi na dodatkowe pytania można wykorzystać inne zadania oddechowe, takie jak kaszel czy maksymalny przepływ przez drogi oddechowe.
Wyświetl pełny transkrypt i uzyskaj dostęp do tysięcy filmów naukowych
Przegląd
Niniejsze badanie przedstawia podejście oparte na powierzchniowej elektromiografii wielu mięśni w celu oceny wzorców aktywacji mięśni oddechowych u osób z przewlekłym uszkodzeniem rdzenia kręgowego. Metoda ta wykorzystuje analizę wektorową do ilościowej oceny i porównania tych wzorców z wartościami normatywnymi uzyskanymi od zdrowych osób.
Kluczowe elementy badania
Dziedzina nauki
- Neuronauka
- Elektromiografia
- Fizjologia układu oddechowego
Wstęp
- Osoby z urazem rdzenia kręgowego często doświadczają dysfunkcji mięśni oddechowych.
- Elektromiografia (EMG) jest kluczowym narzędziem do oceny aktywacji mięśni.
- Zrozumienie wzorców oddechowych może pomóc w monitorowaniu funkcji motorycznych układu oddechowego.
- Analiza porównawcza z udziałem zdrowych osób dostarcza cennych informacji.
Cel badania
- Ilościowa ocena aktywacji mięśni oddechowych u pacjentów z urazami rdzenia kręgowego.
- Opracowanie metody porównywania wzorców aktywacji mięśni z wynikami uzyskanymi u osób zdrowych.
- Udoskonalenie monitorowania funkcji oddechowych u dotkniętych tym schorzeniem pacjentów.
Zastosowane Metody
- Umieszczenie elektrod powierzchniowych na kluczowych mięśniach oddechowych do zapisu EMG.
- Akwizycja danych przy użyciu systemu laboratorium ruchu oraz kalibracja ciśnienia w drogach oddechowych.
- Wykonanie prób maksymalnego ciśnienia wdechowego i wydechowego.
- Analiza danych EMG z wykorzystaniem algorytmu pierwiastka średniej kwadratów oraz analizy wektorowej.
Główne wyniki
- Identyfikacja odrębnych wzorców aktywacji mięśni oddechowych u osób z urazem rdzenia kręgowego.
- Obliczenie wskaźników podobieństwa w celu porównania z prototypami osób zdrowych.
- Wykazanie zmniejszonej aktywności mięśniowej u osób z SCI podczas zadań oddechowych.
- Opracowanie prototypowego wektora odpowiedzi do porównań normatywnych.
Wnioski
- Badanie dostarcza solidnej metody oceny funkcji oddechowych u pacjentów z urazami rdzenia kręgowego.
- Analiza wektorowa oferuje ilościowe podejście do oceny aktywacji mięśni.
- Wyniki mogą służyć do opracowania strategii rehabilitacji w przypadku deficytów kontroli oddechowej.
Często zadawane pytania
Znaczenie dla przemysłu
Dysfunkcja mięśni oddechowych w przebiegu przewlekłego uszkodzenia rdzenia kręgowego przyczynia się do powikłań płucnych oraz zwiększonej śmiertelności, co stwarza potrzebę opracowania obiektywnych biomarkerów w badaniach przedklinicznych i translacyjnych. Ocena Kontroli Motorycznej Oddechu (Respiratory Motor Control Assessment, RMCA) zapewnia ilościową, opartą na wektorach metodę oceny wzorców aktywacji wielu mięśni, umożliwiając bezpośrednie porównanie z grupami kontrolnymi zdrowych osobników. Wspiera to proces ograniczania ryzyka mechanistycznego w walidacji celów oraz opracowywaniu testów dla terapii nerwowo-mięśniowych i oddechowych, oferując powtarzalny i zwalidowany pod kątem czułości odczyt integralności kontroli motorycznej.
Zastosowania strategiczne w badaniach i rozwoju biofarmaceutycznym
Wczesne odkrywanie i walidacja celu
- Wartość naukowa: Umożliwia weryfikację hipotez terapeutycznych poprzez ilościowe określenie deficytów kontroli motorycznej oddychania w modelach chorób.
- Wartość operacyjna: Dostarcza zwalidowanego pod kątem czułości wskaźnika do oceny stopnia oddziaływania na cel oraz modulacji szlaków w badaniach przedklinicznych.
Przesiewanie i opracowywanie testów
- Wartość naukowa: Pozwala na generowanie ilościowych profili aktywacji wielu mięśni, odpowiednich do standaryzacji testów i wysokoprzepustowych badań przesiewowych (high-content screening).
- Wartość operacyjna: Wspiera opracowywanie powtarzalnych testów elektrofizjologicznych z określonymi progami indeksu podobieństwa do oceny związków.
Badania translacyjne i przedkliniczne
- Wartość naukowa: Ułatwia dopasowanie biomarkerów translacyjnych poprzez korelację wyników RMCA ze stopniem ciężkości urazu i funkcją płuc.
- Wartość operacyjna: Umożliwia podejmowanie decyzji o dalszym rozwoju projektu z uwzględnieniem ryzyka dzięki obiektywnemu monitorowaniu ciągłości motoryki oddechowej – od etapu odkrycia po walidację przedkliniczną.
Integracja potoku i przepływu pracy
Metoda RMCA integruje się z procesami badawczymi, zapewniając ilościowy odczyt elektrofizjologiczny, który łączy ocenę mechanistyczną z walidacją funkcjonalną w badaniach nad układem nerwowo-mięśniowym i oddechowym.
- Biologia odkrywcza: Wspiera testowanie hipotez i wyjaśnianie szlaków poprzez kwantyfikację wzorców aktywacji mięśni w różnych warunkach eksperymentalnych.
- Screening: Dostarcza ustandaryzowanych wyników gotowych do analizy (magnituda wektora odpowiedzi i indeks podobieństwa) w celu wiarygodnego screeningu związków.
- Analityka: Zapewnia pomiary indeksu podobieństwa i magnitudy wektora, które umożliwiają porównania między warunkami oraz kwantyfikację wielkości efektu.
- Badania translacyjne: Zapewnia ciągłość przedkliniczną dzięki zwalidowanej korelacji z klinicznymi parametrami płucnymi i stopniem uszkodzenia.
- Wykorzystanie w skali przedsiębiorstwa: Tworzy wielokrotnego użytku platformę elektrofizjologiczną, którą można zastosować w różnych modelach chorób oddechowych i nerwowo-mięśniowych.
Wpływ operacyjny i przedsiębiorczy
- Wartość naukowa: Pewność prognostyczna w walidacji celu poprzez bezpośrednią, ilościową ocenę integralności kontroli motorycznej.
- Wartość operacyjna: Standaryzacja i powtarzalność dzięki zdefiniowanemu rozmieszczeniu elektrod, przetwarzaniu sygnałów oraz obliczaniu indeksu podobieństwa.
- Wartość strategiczna: Ulepszone decyzje go/no-go poprzez ograniczenie niejednoznaczności mechanistycznej w modelach dysfunkcji oddechowych.
- Wpływ na portfolio: Priorytetyzacja skorygowana o ryzyko w oparciu o obiektywne, translacyjne biomarkery funkcji motorycznej.
Kwestie wdrożeniowe
- Wiedza specjalistyczna w zakresie akwizycji i przetwarzania sygnałów powierzchniowej elektromiografii.
- Aparatura umożliwiająca wielokanałowy zapis EMG, wzmocnienie (wzmocnienie 2000), filtrowanie (30–1000 Hz) oraz próbkowanie (2000 Hz).
- Standaryzacja wykonywania zadań oddechowych (MIPT/MEPT) oraz przerw w spoczynku w celu zapewnienia spójności między laboratoriami.
- Uwzględnienie adaptacji do różnych systemów modelowych lub stopni urazów wpływających na wzorce unerwienia mięśni.
- Zależność od wektorów prototypowych zdrowych badanych przy obliczaniu indeksu podobieństwa, co wymaga normatywnych danych specyficznych dla danej kohorty.
