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Aquisição e Análise Semiautomatizada de Eletromiografia de Superfície Muscular Respiratória

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DOI:

10.3791/67157

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24 de janeiro de 2025

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1Keenan Centre for Biomedical Research, Li Ka Shing Knowledge Institute, Unity Health Toronto, 2Interdepartmental Division of Critical Care Medicine, University of Toronto, 3Faculty of Engineering Technology, Electrical Engineering, KU Leuven, 4Department of Rehabilitation Sciences, Faculty of Movement and Rehabilitation Sciences, Research Group for Rehabilitation in Internal Disorders, KU Leuven, 5Respiratory Rehabilitation and Respiratory Division, University Hospital Leuven, 6Department of Health Sciences, Nagasaki University Graduate School of Biomedical Sciences, 7Department of Medicine, Temerty Faculty of Medicine, Division of Respirology, University of Toronto, University Health Network, 8Toronto General Hospital Research Institute, University Health Network, 9Department of Physical Therapy, University of Toronto, 10KITE, Toronto Rehabilitation Institute, University Health Network

Neste artigo

Resumo

Aqui, descrevemos um protocolo para registrar e analisar sinais de eletromiografia respiratória (EMG). Inclui as referências anatômicas para colocar os eletrodos EMG sobre vários músculos respiratórios, remover o ruído eletrocardiográfico dos sinais EMG e adquirir a raiz quadrada média (RMS) EMG e o tempo de início da atividade.

Resumo

A avaliação do drive respiratório apresenta desafios devido à intrusão e impraticabilidade dos métodos atuais, como a ressonância magnética funcional (fMRI). A eletromiografia (EMG) oferece uma medida substituta do impulso respiratório para os músculos, permitindo a determinação da magnitude e do tempo de ativação muscular. A magnitude reflete o nível de ativação muscular, enquanto o tempo indica o início e o deslocamento da atividade muscular em relação a eventos específicos, como fluxo inspiratório e ativação de outros músculos. Essas métricas são críticas para entender a coordenação e o controle respiratório, especialmente sob cargas variáveis ou na presença de fisiopatologia respiratória. Este estudo descreve um protocolo para aquisição e análise de sinais EMG dos músculos respiratórios em adultos saudáveis e pacientes com problemas de saúde respiratória. A aprovação ética foi obtida para os estudos, que incluíram preparação dos participantes, colocação dos eletrodos, aquisição de sinais, pré-processamento e pós-processamento. As principais etapas envolvem a limpeza da pele, a localização dos músculos por meio de palpação e ultrassom e a aplicação de eletrodos para minimizar a contaminação por eletrocardiografia (ECG). Os dados são adquiridos a uma alta taxa de amostragem e ganho, com ECG sincronizado e registros de fluxo respiratório. O pré-processamento inclui filtrar e transformar o sinal EMG, enquanto o pós-processamento envolve o cálculo das diferenças de início e deslocamento em relação ao fluxo inspiratório. Dados representativos de um participante saudável do sexo masculino realizando carga de limiar inspiratório incremental (ITL) ilustram a aplicação do protocolo. Os resultados mostraram ativação mais precoce e duração prolongada dos músculos extradiafragmáticos sob cargas mais altas, correlacionando-se com o aumento da magnitude EMG. Este protocolo facilita uma avaliação detalhada da ativação da musculatura respiratória, fornecendo informações sobre as estratégias de controle motor normal e fisiopatológico.

Introdução

O impulso respiratório (ou seja, a saída dos centros respiratórios para os músculos respiratórios) é difícil de avaliar devido à natureza intrusiva e muitas vezes impraticável dos métodos avaliativos, como a ressonância magnética funcional (fMRI). Além disso, o pequeno tamanho dos centros respiratórios localizados no tronco encefálico é difícil de localizar e sensível a alterações por ruído fisiológico 1,2. As medidas do estímulo respiratório são importantes devido à sua associação com desfechos clínicos importantes, como dispneia, uma indicação de desconforto respiratório. A eletromiografia (EMG) é um substituto do impulso respiratório para os músculos respiratórios3. A EMG do músculo respiratório permite a determinação da atividade muscular e sua intensidade por meio da raiz quadrada média (RMS) do sinal EMG. Além disso, o momento da ativação muscular pode ser avaliado identificando o início e o deslocamento de sua atividade (EMG, onset e EMG, offset, respectivamente)1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11.

A magnitude do sinal EMG refere-se ao potencial elétrico gerado pelas células musculares quando elas se contraem, indicando seu nível de ativação muscular12. A magnitude do sinal EMG pode variar dependendo de fatores como a intensidade da contração muscular, o número de unidades motoras recrutadas, a colocação do eletrodo, o movimento dos tecidos muscular e subcutâneo e as características específicas do músculo que está sendo medido12.

O tempo do sinal EMG refere-se a quando a atividade elétrica ocorre em relação a um evento ou ação específica (por exemplo, em relação ao fluxo inspiratório para a respiração)13. O tempo de início indica quando a ativação muscular começa, enquanto o tempo de deslocamento indica quando a atividade muscular diminui, cessa ou está na fase de relaxamento13. O tempo entre a ativação de vários músculos respiratórios facilitará a compreensão dos mecanismos de coordenação e controle durante a respiração. Avaliar a consistência ou variabilidade dos padrões de tempo ao longo do tempo ou em indivíduos pode ajudar a identificar estratégias fisiológicas e fisiopatológicas de controle motor associadas à insuficiência ventilatória aguda ou crônica.

Tanto a magnitude quanto o momento da EMG do músculo respiratório têm sido associados a importantes desfechos clínicos 12,13,14. O diafragma gera a maior parte da ventilação em repouso15. Quando a demanda respiratória aumenta, como durante o exercício ou aumento da carga inspiratória associada a doenças pulmonares (por exemplo, doença pulmonar obstrutiva crônica, doença pulmonar intersticial ou síndrome do desconforto respiratório agudo), os músculos respiratórios extradiafragmáticos aumentam a ventilação, o que pode aumentar ou compensar as necessidades contráteis do diafragma15. Assim, além do aumento da magnitude da EMG do diafragma, a magnitude da EMG do músculo extradiafragmático também aumentará.

A ativação dos músculos respiratórios extradiafragmáticos pode proteger o diafragma do desenvolvimento de fadiga16. No entanto, a ativação precoce (onset) e a ativação prolongada têm sido associadas à insuficiência ventilatória aguda e crônica 14,17,18. O objetivo aqui é descrever um protocolo para adquirir e analisar o tempo e a magnitude dos sinais EMG dos músculos respiratórios em adultos saudáveis e pacientes com fisiopatologia respiratória suspeita ou confirmada. Este protocolo inclui etapas previamente validadas desde a aquisição de dados para quantificar o tempo e a magnitude da atividade EMG13,19.

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Protocolo

Os estudos que empregam essa técnica receberam aprovação ética da Universidade de Toronto e do Hospital St. Michael, localizado em Toronto, Canadá, e do Hospital Universitário Gasthuisberg, Leuven, Bélgica. Um protocolo específico é descrito aqui. A discussão geral sobre várias abordagens alternativas de EMG de superfície (sEMG) foi proposta para os músculos respiratórios e é relatada em outros lugares12.

1. Preparação dos participantes e colocação dos eletrodos EMGs

  1. Para garantir uma visualização adequada, peça aos homens que não usem camisa e às mulheres que usem sutiã esportivo ou camiseta. Use uma bata hospitalar com abertura frontal para fornecer acesso adequado e manter a modéstia.
  2. Se o participante tiver cabelo comprido, amarre-o para trás e prenda-o fora do lugar para que o escaleno e o esternocleidomastóideo possam ser avaliados.
  3. Posicione o participante na posição sentada ou semi-deitada.
  4. Se for encontrado excesso de pelos no peito ou pescoço, raspe a área para colocação do eletrodo para sEMG.
  5. Para reduzir a impedância da pele, limpe a pele de óleo e pele morta.
    1. Faça isso esfregando com um pano embebido em álcool e permitindo que o álcool evapore (ou seja, seque ao ar) antes de aplicar o eletrodo.
    2. Se a pele for mais clara, pode parecer ligeiramente vermelha, mas o mais importante, certifique-se de que nenhuma sujeira, óleo ou pele seca óbvia seja aparente onde os eletrodos serão colocados. No entanto, evite esfregar excessivamente para evitar danos à pele. Evite a aplicação de eletrodos em áreas de pele quebrada ou outras lesões cutâneas.
  6. Localize os músculos de interesse por meio de marcos, palpação e/ou ultrassom.
    NOTA: O ultrassom pode ser útil na marcação do diafragma costal20. A Figura 1 mostra exemplos de locais onde os eletrodos podem ser colocados para EMGs dos músculos respiratórios.
  7. Coloque eletrodos de EMG no lado direito do tórax, mais longe do coração, para diminuir a amplitude do sinal de ECG e minimizar sua contaminação.
  8. Aplique eletrodos EMG emparelhados com uma distância entre eletrodos de 2 cm no centro da barriga muscular ao longo do alinhamento longitudinal das fibras musculares.
    1. Para o diafragma costal/intercostais, marque a linha axilar anterior e a linha hemiclavicular e coloque os eletrodos emparelhados verticalmente entre essas duas linhas no nível do sétimo ou oitavo espaço intercostal.
    2. Para o escaleno, marque o triângulo posterior do pescoço e coloque os eletrodos emparelhados ao longo do eixo longitudinal do músculo no nível do processo cricóide.
    3. Para os intercostais paraesternais, marque o segundo espaço intercostal 1-2 cm lateral ao lado direito do esterno e coloque os eletrodos emparelhados ao longo do eixo longitudinal do músculo.
    4. Para o esternocleidomastóideo, marque a incisura supraesternal e o processo mastóideo. Acentue o ventre do músculo esternocleidomastóideo direito colocando a mão do operador no lado esquerdo do queixo do participante e pedindo ao participante que execute suavemente a rotação isométrica à esquerda contra a mão. Coloque os eletrodos emparelhados no ponto médio da barriga muscular ao longo de seu eixo longitudinal.
  9. Alguns sistemas EMG podem exigir um sensor de aterramento. Se necessário, coloque o sensor de solo em uma estrutura óssea próxima aos músculos respiratórios (por exemplo, clavícula, processo espinhoso cervical C7).
  10. Prenda os clipes do sensor EMG aos eletrodos EMG. Certifique-se de que os fios dos sensores EMG de dois músculos diferentes (mesmo que sem fio) não se sobreponham e contaminem ou forneçam diafonia entre os dois músculos.
    NOTA: Os fios do mesmo sensor podem se sobrepor, mas os fios de dois sensores diferentes não devem.
  11. Aplique fixação adicional de eletrodos e sensores EMG usando fitas dupla-face que prendem a parte inferior do sensor à pele.
  12. Aplique fita hipoalergênica de grau médico por cima dos sensores para prender ainda mais cada sensor à pele. Evite aplicar pressão excessiva e, conforme mencionado acima, certifique-se de que os fios de diferentes sensores não se sobreponham.

2. Aquisição de sinal

  1. Selecione o modelo predefinido no software de aquisição de dados e pressione Abrir. O modelo terá os seguintes parâmetros predefinidos: Um filtro passa-alta (0,5-20 Hz) no sinal EMG para reduzir artefatos de baixa frequência para facilitar a visualização em tempo real.
  2. Defina a taxa de amostragem do sinal EMG de pelo menos 1 kHz.
  3. Defina o ganho do sinal EMG para 1000.
  4. Defina o modelo para adquirir um registro sincronizado do ECG e do fluxo respiratório.
  5. Adquira dados de sEMG e ECG de acordo com o protocolo, por exemplo, durante um teste de respiração espontânea em um paciente de ventilação mecânica.
  6. Após a conclusão do protocolo, pare a gravação e salve o arquivo de dados.
    NOTA: A Figura 2 mostra capturas de tela do software mostrando a filtragem aplicada.

3. Pré-processamento após a aquisição de dados

  1. Abra o software e confirme os parâmetros a serem usados para análise do sinal EMG (um filtro passa-alta bidirecional de 5 Hz, o filtro adaptativo Least Mean Square (LMS) para remover a contaminação do ECG, transformação quadrada média com uma janela móvel por 0.02 s) e pressione Continuar.
  2. Selecione o arquivo a ser analisado e pressione OK.
  3. Defina o intervalo de tempo a ser analisado (se a duração total do arquivo for analisado, será de 0 s ao tempo máximo), pressione Selecionar o intervalo e continuar e, em seguida, pressione Condicionamento.
  4. Pressione o botão Analisar para aplicar os parâmetros pré-selecionados (consulte a etapa 3.1). Visualize o sinal EMG analisado. Pressione o botão Redimensionado em 1 para mostrar o sinal EMG normalizado por seu valor máximo durante o período gravado.
  5. Pressione o botão Continuar para calcular On Off . Com base na função derivada do sinal EMG, ele detectará o tempo de início da atividade EMG. Pressione o botão On e Off .
  6. Selecione o sinal EMG do músculo que precisa ser visualizado. A visualização pode ser alternada entre os músculos para permitir a inspeção visual de todos os sinais EMG registrados. Pressione o botão PARAR de procurar e ir para salvar . Pressione Salvando.
  7. Selecione os dados a serem salvos. É possível reduzir os sinais antes de salvar (por exemplo, de 1000Hz para 100Hz). Pressione Salvar dados processados, selecione a pasta do computador na qual o arquivo deve ser salvo e dê um nome a ele. Pressione Salvar novamente para confirmar.

4. Pós-processamento

  1. Abra o arquivo salvo usando um software que fornece a capacidade de calcular cálculos (por exemplo, Excel, R, Phyton, Matlab). Determine cada respiração pelo tempo ligado e desligado do sinal de fluxo e calcule o pico EMG RMS e o EMG RMS médio para cada respiração.
  2. Para o início da EMG, calcule a diferença absoluta (em milissegundos) entre o início da EMG e o início do fluxo inspiratório (INSP, onset):
    figure-protocol-1
  3. Para deslocamento EMG, calcule a diferença absoluta (em milissegundos) entre o deslocamento EMG e o final do fluxo inspiratório (INSP, offset)
    figure-protocol-2
  4. Para o início da EMG em relação à duração do tempo inspiratório, calcule a diferença relativa (para a duração do Ti) entre o início da EMG e o início da INSP:
    figure-protocol-3
  5. Para o deslocamento EMG em relação à duração do tempo inspiratório, calcule a diferença relativa (para a duração do Ti) entre o deslocamento EMG e o INSP, deslocamento:
    figure-protocol-4
    onde dP é a diferença de tempo entre o EMG, início e início do fluxo inspiratório (INSP,onset) ou entre EMG,offset e deslocamento do fluxo inspiratório (INSP,offset).)

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Resultados

Os dados são fornecidos para um participante do sexo masculino (22 anos; peso: 100 kg; altura: 185 cm; IMC: 29 kg/m2) com espirometria e força muscular inspiratória normais (VEF1: 4,89 L/s [97% do previsto]; pressão inspiratória máxima: 151 cmH2O [136% do previsto]). Ele realizou uma carga de limiar inspiratório incremental (ITL) até a falha da tarefa usando um protocolo descrito anteriormente 21,22,23.

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Discussão

A remoção de artefatos de atividade cardíaca do sinal EMG é complexa devido à sobreposição de seus espectros de largura de banda. A maior parte do espectro de frequência EMG está entre 20 e 250 Hz, enquanto o espectro de frequência ECG está entre 0 Hz e 100 Hz. Para algumas análises (ou seja, temporização), é essencial derivar o sinal EMG sem contaminação por ECG para obter precisão e interpretabilidade da magnitude e tempo EMG. O filtro adaptativo do mínimo quadrado médio (LMS), utiliza...

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Divulgações

Os autores declaram não ter conflito de interesses a divulgar.

Agradecimentos

A AR é apoiada por uma bolsa de estudos do Canadian Institutes of Health Research (CIHR) (# 187900) e a UM foi financiada pela Mitacs (IT178-9 -FR101644).

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Materiais

Lista de materiais utilizados neste artigo
NomeEmpresaNúmero de catálogoComentários
Mesa ajustável AmazonVIVO Mesa Elétrica Ajustável em Altura 102 cm x 61 cmPermite ajuste fino para a posição do tronco e do bocal Filtros
arCardeaishttps://cardinalfilters.com/
Cabo de saída analógica A-Tech Instruments Ltda.25 pinos D-sub Fêmea para 16xBNC macho; 16xRG-174 -16 x cabo de 3ftPara conectar EMG (Noroxan) ao sistema de aquisição de dados (PowerLab)
Bioamp paraECG ADInstrumentsML138
Desktop ou Laptop N/AN/ACapacidade para sistema de aquisição de dados, incluindo EMG 
Varas duplas para sondas EMGNoraxonhttps://shop.noraxon.com/products/dual-emg-electrodes
EletromiografiaNoraxonNoraxon Ultium Myomuscle com 8 eletrodos inteligentes. https://www.noraxon.com/our-products/ultium-emg/
EMGEletrodos DuotrodoN/A
Analisador de gásADInstrumentsML206
LuvasMedlinehttps://www.medline.com/jump/category/x/cat1790003
Metricide ou protocolo para desinfecção de válvulas e bocaisMedlinehttps://www.medline.com/product/MetriCide-28-Disinfectant/Disinfectants/Z05-PF27961?question=metricide
Oxímetro podADInstrumentsML320/Fhttps://www.adinstruments.com/products/oximeter-pods
PneumotachADInstrumentsMLT3813H-Vhttps://www.adinstruments.com/products/heated-pneumotach-800-l-heater-controller
Powerlab and Labchart Data Acquisition SystemADInstruments, Inc.https://m-cdn.adinstruments.com/brochures/Research_PowerLab
_Brochure_V2-1.pdf		Adquire pressão bucal, ECG, CO2 expirado, fluxo (para derivar a frequência respiratória, volume corrente, minuto ventilação) e EMG.
Transdutor de pressão com demodulador de canal único ou duploValidyne.comWww.Validyne.Com/Product/Dp45_Low_Pressure_
Variable_Reluctance_Sensor/		Intervalo depende da população que está sendo testada, ou seja, pacientes ou saudáveis (Www.Validyne.Com/Product/Cd280_Multi_Channel_Carrier_
Demodulador/; www.Validyne.Com/Product/Cd15_General_Purpose_Basic
_Carrier_Demodulator/)
Boquilhas de siliconeHans Rudolph  https://www.rudolphkc.com/Tamanho pequeno da mesa
modelo de apoio de queixoSacor Inc.Modelo 600700https://sacor.ca/products/head-chin-rest-table-model-with-white-chin-rest-cup
Válvula de não reinalação de duas vias com porta de amostragemHans Rudolph1410 Pequeno
Ultrassom   GE Healthcare Vivid i BT12 Sistema cardíaco com respiração e transdutor de matriz linear 12L-RSRequer resolução para marcar os músculos respiratórios, incluindo a região aposicional do diafragma
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Referências

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