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Medicine

Ein Protokoll für eine umfassende Beurteilung der bulbären Dysfunction in Amyotrophe Lateralsklerose (ALS)

doi: 10.3791/2422 Published: February 21, 2011

Summary

Ziel Beurteilung der physiologischen Mechanismen, die Rede-Unterstützung sind nötig, um dem Ausbruch der Krankheit und die Progression bei Personen mit ALS zu überwachen und die Behandlung Effekte in klinischen Studien zu quantifizieren. In diesem Video stellen wir Ihnen eine umfassende, Instrumentierung-basiertes Protokoll für die Quantifizierung Rede Motorleistung in klinischen Populationen.

Abstract

Verbesserte Methoden zur Beurteilung der bulbären Beeinträchtigung notwendig sind zur Beschleunigung Diagnose bulbäre Dysfunktion bei ALS, für die Vorhersage Fortschreiten der Erkrankung in Rede Subsysteme und für die Bewältigung der dringenden Notwendigkeit für sensible Ergebnis Maßnahmen zur laufenden experimentellen Therapiestudien. Um diesen Bedarf sind wir zu erhalten Längsprofile der bulbären Beeinträchtigung in 100 Individuen auf eine umfassende Instrumentierung-basierte Einschätzung, dass Ertrag Ziel Maßnahmen. Mit instrumentalen Ansätze zur Rede Verhaltensweisen zu quantifizieren ist sehr wichtig, in einem Feld, das in erster Linie auf subjektive, auditive Wahrnehmungs-Redeformen Bewertung 1 hat geltend gemacht. Unsere Einschätzung Protokoll Maßnahmen Performance über alle Sprach-Subsysteme, die Atemwege, phonatorische (Kehlkopf) gehören, resonatory (velopharyngeale) und artikulatorischen. Die artikulatorische Subsystem ist in den Gesichts-Komponenten (Kiefer und Lippe), und die Zunge verteilt. Vor Forschung hat vorgeschlagen, dass jede Rede Subsystem anders reagiert auf neurologische Erkrankungen wie ALS. Das derzeitige Protokoll wurde entwickelt, um die Leistung der einzelnen Rede-Subsystem als unabhängig Test von anderen Teilsystemen wie möglich. Die Rede Subsysteme sind im Rahmen der umfassenderen Änderungen zur Rede Leistung bewertet. Diese Rede Systemebene Variablen gehören Sprechgeschwindigkeit und Verständlichkeit von Sprache.

Das Protokoll erfordert spezielle Instrumente, sowie kommerzielle und kundenspezifische Software. Die Atemwege, phonatorische und resonatory Subsysteme werden anhand Druck-flow (aerodynamisch) und akustische Methoden. Die artikulatorische Subsystem wird anhand 3D-Motion-Tracking-Techniken. Die objektive Maßnahmen, die zur bulbären Beeinträchtigung zu quantifizieren sind, wurden auch in der Rede der Literatur etabliert und zeigen Sensibilität für Veränderungen in bulbäre Funktion mit Fortschreiten der Erkrankung. Das Ergebnis der Prüfung ist eine umfassende, über-Subsystem Performance-Profil für jeden Teilnehmer. Das Profil, wenn sie die gleichen Maßnahmen von gesunden Kontrollpersonen verglichen, ist für diagnostische Zwecke verwendet. Derzeit testen wir die Sensitivität und Spezifität dieser Maßnahmen für die Diagnose von ALS und für die Vorhersage der Rate der Krankheitsprogression. Auf lange Sicht ist die verfeinerte Endophänotyps der bulbären ALS aus dieser Arbeit abgeleitet voraussichtlich künftiger Bemühungen um eine genetische Loci von ALS zu identifizieren und zu verbessern Diagnostik und Behandlung Spezifität der Erkrankung als Ganzes zu stärken. Die objektive Beurteilung, dass in diesem Video gezeigt wird, kann verwendet werden, um eine breite Palette von Sprach motorischen Beeinträchtigungen, einschließlich derjenigen im Zusammenhang mit Schlaganfall, Schädel-Hirn-Verletzungen, Multiple Sklerose und Parkinson-Krankheit zu beurteilen.

Protocol

I. Subsystem Analysen

1. Respiratory-Subsystem / Breathing für Sprache

Die Atemwege Subsystem ist unter Verwendung des phonatorische Aerodynamische System (PAS). Das System ermöglicht die gleichzeitige Aufnahme von oralen Druck, Luftstrom und Sprache Akustik (siehe Tabelle 1 für die Liste der Geräte und Hersteller). Ein Einweg-Gesichtsmaske und eine Einmal-Druck-Sensing-Rohr sind notwendig für die Aufnahmen. Vor der Aufnahme werden die Strömungs-und Druckverhältnisse Kanäle nach den Angaben des Herstellers kalibriert.

  1. Vitalkapazität (VC) ist das maximale Luftvolumen, das nach maximaler Einatmung ausgeatmet wird. VC wird mit einem Einweg-Gesichtsmaske, die Pneumotachograph angebracht ist.
    1. Die PAS "Vital Capacity"-Protokoll ist für die Aufnahme ausgewählt.
    2. Der Teilnehmer wird angewiesen, als maximal wie möglich einatmen und ausatmen maximal in die Maske, die Aufgabe wird dreimal wiederholt.
    3. Maximale exspiratorische Volumen abgeleitet wird mit PAS-Software.
  2. Subglottischen Druck (Ps) ist der Luftdruck in der Lunge für die Produktion von "Druck" Konsonanten. Ps wird indirekt durch die Messung Spitzendruck in den Mund während der Produktion einer Silbe Zug 2,3 bewertet.
    1. Die PAS "Voicing Efficiency"-Protokoll für die Aufnahme ausgewählt.
    2. Zur Aufzeichnung der mündlichen Druck während / pa /, der Druck-sensing Rohr im Mund auf der Zunge Oberfläche positioniert.
    3. Nasengänge sind mit einer Nasenklemme, um potenzielle Nasenatmung Flucht beseitigen verschlossen.
    4. Der Teilnehmer wird angewiesen, etwa das Doppelte ihres normalen Menge einatmen und sagen / pa / in die Maske. Die Silbe / pa / ist sieben Mal auf einer Ausatmung wiederholt, bei gleich bleibender Tonhöhe und Lautstärke. Die Rate wird auf 1,5 Silben pro Sekunde beibehalten.
    5. Peak-oral Druck ist für fünf (Mitte) Wiederholungen / pa / gemessen. Ein Durchschnitt von fünf Produktionen erhalten, um Ps beim Sprechen zu vertreten.
    6. Weil Ps covaries mit Schalldruckpegel (SPL) 4,5, wird der Schalldruckpegel auch für jede Silbe gesammelt. Es ist später als Kovariate in Analysen verwendet.
  3. Speech Atmung während angeschlossen Rede bewertet, während die Teilnehmer lesen einen Standard 60-Wort Absatz (Anlage 1) entwickelt, die speziell für präzise, ​​automatische Pause-Grenze Erkennung 6.
    1. Die PAS "Maximum Phonation"-Protokoll für die Aufnahme ausgewählt.
    2. Der Luftstrom Signal wird unter Verwendung eines Einweg-Maske, um das Gesicht zu passen.
    3. Der Teilnehmer wird aufgefordert, den Absatz bei ihren normalen komfortable Sprechgeschwindigkeit und Lautstärke zu lesen.
    4. Air Flow Spuren werden in einem maßgeschneiderten Sprach-Pause Analysis (SPA) 7 Software-Programm in Matlab exportiert. In diesem Programm werden die Pausen in zusammenhängender Rede identifiziert werden. Die Software berechnet, neben anderen Maßnahmen Prozent Pausenzeit, die ein Maß für Zeit pausieren während der Lesung einer Passage ist.

2. Phonatorische Subsystem

Die phonatorische Subsystem wird über Sprachaufnahmen mit hochwertigen akustischen Kontrollgeräts (Tabelle 1) ausgewertet.

  1. Das Mikrofon ist ca. 15 cm Abstand vom Mund gelegt.
  2. Eine Nasenbrille wird verwendet, um die möglichen Auswirkungen der velopharyngeale Unzulänglichkeit auf die Qualität der Phonation zu beseitigen.
  3. Der Teilnehmer wird gebeten, "Maximum Phonation" zu produzieren. Er oder sie ist angewiesen, um die maximale Menge an Luft einatmen und dann phonieren / a / bei normaler Tonhöhe und Lautstärke so lange wie möglich. Diese Aufgabe wird mindestens einmal vor der Aufnahme praktiziert. Die Bedeutung der Umsetzung her maximaler Anstrengung wird betont.
  4. Maximale Phonation Dauer wird in Sekunden mit dem akustischen Signal gemessen.
  5. Die digitalisierten akustische Signal wird in das Mehrdimensionale Voice-Profil (MDVP) Software zur Analyse geladen werden. Maße der zentralen Tendenz und der Variabilität der Grundfrequenz (F0), Lärm-to-harmonischen Verhältnis (NHR) und Prozent-Jitter, sind unter anderem für die mittlere von fünf Sekunden nach der Phonation Intervall erhalten.

3. Resonatory Subsystem

Die resonatory Subsystem wird unter Verwendung Nasometer. Dieses Gerät besteht aus einem Kopfhörer mit einer Prallplatte, die unter die Nase positioniert ist und trennt die Mund-und Nasenhöhlen. Zwei Mikrofone, dass die orale und nasale akustische Signale zu erkennen sind an gegenüberliegenden Seiten der Platte befestigt.

  1. Das Gerät ist vor jeder Aufnahme kalibriert.
  2. Das Headset ist auf den Kopf mit der Prallplatte Ruhe über der Oberlippe gelegt und parallel zu den groun positioniertd.
  3. Der Teilnehmer ist aufgefordert, einen "nasal" (zB Mama hat etwas Zitrone Marmelade) und ein "non-nasal" (zB Buy Bobby ein Welpe) Satz dreimal an einem gewöhnlichen Sprechgeschwindigkeit und Lautstärke zu wiederholen.
  4. Die gemessenen Intensitäten der stimmhaften Teil des oralen und nasalen akustischen Signale werden in einen nasalance der Gäste, die als das Verhältnis der nasalen / nasal + mündliche akustische Energie definiert wird umgewandelt und als Prozentsatz ausgedrückt. Die nasalance Partitur spiegelt die relative Anteil der nasal-to-oral akustische Energie in einer Rede Strom 8.
  5. Die Nasometer Software berechnet zahlreichen deskriptiven Statistik aus dem nasalance Wellenform.
  6. Nasalance Distanz, die durch Subtrahieren der mittleren nasalance über mündliche Sätze (BBP) aus dem Mittelwert nasalance für die nasale Sätzen (MMJ) 9 berechnet abgeleitet ist, kann auch als ein Index der velopharyngeale nicht angewendet werden.

4. Artikulatorische Subsystem: Face

Facial (Lippe und Unterkiefer) Bewegungen in 3D mit hoher Auflösung, optisches Motion-Capture-System 10 registriert. Das Infrarot-Digital-Videokameras erfassen die Positionen von 15 reflektierenden Markern, die für jeden Teilnehmer den Kopf und Gesicht bei bestimmten anatomischen Landmarken angebracht sind. Ein akustisches Sprachsignal wird gleichzeitig mit Rede Kinematik aufgezeichnet.

  1. Das System ist vor die Aufnahmen nach den Angaben des Herstellers kalibriert.
  2. Vier Marker sind auf die Stirn des Teilnehmers mit einem Stirnband befestigt. Marker sind auch auf der linken und der rechten Augenbraue befestigt, die Brücke und die Nasenspitze, das Lippenrot der Ober-und Unterlippe, den linken und rechten Mundwinkel und an drei verschiedenen Standorten auf dem Kinn. Dies ist die typische Marker-Arrays in dieses Protokoll verwendet, aber eine unbegrenzte Anzahl von Markern können mit diesem System verwendet werden.
  3. Der Teilnehmer wird gebeten, Sätze und Phrasen (siehe Tabelle 2) bei ihren gewöhnlichen Sprechgeschwindigkeit und Lautstärke zu lesen.
  4. Ein "Rest"-Datei Aufnahme gewonnen und in der Nachbearbeitung, um die Unterschiede in Markersetzung zwischen den Sitzungen und für die Re-Expression der Daten in Bezug auf die konsequente anatomisch-Koordinatensystem nach Bedarf zu normalisieren.
  5. Während Post-Processing, sind die Bewegungen der Gesichtsmuskeln Marker für die Verfolgung von Fehlern überprüft und Kopf-korrigiert auf der Grundlage der Subtraktion der beiden translatorischen und rotatorischen Komponenten der Kopfbewegung.
  6. Die Daten werden in SMASH, eine Matlab-basierte Software-Programm in unserem Labor entwickelt geladen. Innerhalb SMASH, werden die Daten gefiltert und analysiert. Peak-Bewegungsgeschwindigkeit von jeder Spur abgeleitet und als der wichtigste Indikator für artikulatorische Funktion des Kiefers und der Lippen. 3D-Geschwindigkeit ist die erste Ableitung von jedem Artikulator die euklidische Distanz der Zeit der Geschichte in SMASH berechnet.

5. Artikulatorische Subsystem: Tongue

Tongue-Tracking erfolgt über ein elektromagnetisches Tracking-Gerät (WAVE), welche die Position und Rotation der Sensoren, die auf der Zunge verbunden sind Aufzeichnungen. Im Gegensatz zu den optischen Motion-Tracking, mit dem externen, Gesichts-Strukturen aufnehmen wird, bietet der elektromagnetischen Technologie eine Möglichkeit, genau zu verfolgen Zungenbewegungen während des Sprechens 11. Das System nutzt eine Kombination aus 5 und 6-Grad-of-Freiheit (5DOF und 6DOF) Sensoren zur artikulatorischen Bewegungen in einem kalibrierten Volumen Rekord (30 x 30 x 30 cm). Movement Daten und akustischen Daten werden gleichzeitig erworben.

  1. Zwei Sensoren sind an der Artikulatoren mit zahnmedizinischen Kleber (PeriAcryl Parodontale Adhesive) befestigt. Eines wird auf der Brücke der Nase an Kopfbewegungen aufzuzeichnen. Ein kleiner 5DOF Sensor (3D-Position und 2D Winkelmessungen) auf die Zunge an der Mittellinie angebracht, etwa 2 cm hinter der Zungenspitze.
  2. Um Zungenbewegungen, die unabhängig von der zugrunde liegenden Kiefer sind, ist jeder Teilnehmer mit einem vorgefertigten 5 mm Beißblocks ausgestattet. Der Aufbiss ist ungiftig Kondensation putty (Henry Schein) hergestellt.
  3. Die Aufbiss zwischen Molaren auf der Seite den Mund genommen. Ein String an der Aufbiss ist es, die Teilnehmer von Angesicht zu verhindern Schlucken der Aufbiss gesichert.
  4. Der Teilnehmer wird gebeten, Sätze und Phrasen (siehe Tabelle 2) zu lesen.
  5. Tongue Bewegungen aufgezeichnet werden relativ zur Kopfposition.
  6. Nach der Akquisition, die Daten werden in SMASH, wo es tiefpassgefiltert übertragen, analysiert auf Basis der vertikalen Bewegung zu verfolgen und zur 3D-Geschwindigkeit berechnen. Die durchschnittliche und maximale Geschwindigkeit der Bewegung bei jeder Äußerung wird als Index der krankheitsbedingten Änderung dieser Artikulator berichtet.

II. System-Ebene Beurteilung

Zusätzlich zu den Subsystem-Level-Variablen sind Sprachverständlichkeit und Sprechgeschwindigkeit gemessen. Diese measind externe Maßnahmen erforderlich, da sie aktuelle klinische "Ziel Standards" Charakterisierung bulbären Sprache Leistung. Sie geben einen Hinweis auf den funktionellen Status der Sprachproduktion System als Ganzes und Quantifizierung der Schwere der Sprachstörungen. Diese Maßnahmen werden unter Verwendung der Satz Verständlichkeit Test (SIT) 12.

  1. Vor der Aufnahme wird eine zufällige Liste von 10 Sätzen von zunehmender Länge (5 bis 15 Wörter) von der SIT-Software erzeugt.
  2. Ein Mikrofon ist auf den Kopf gestellt, ca. 15 cm aus dem Mund.
  3. Der Teilnehmer wird gebeten, die Liste an ihren gewöhnlichen Sprechgeschwindigkeit und Lautstärke zu lesen. Die Sätze sind digital am 44.1 mit einem 16-Bit-Auflösung aufgezeichnet.
  4. Mehrere ausgebildete Richter, die nicht vertraut, die Teilnehmer sind zu transkribieren die Sätze orthographisch und messen Satz Dauer.
  5. Die SIT Software berechnet automatisch die Sprachverständlichkeit, die als Prozent der Wörter richtig aus der Gesamtzahl der Wörter produziert transkribiert gemeldet wird. Apropos Geschwindigkeit ist auch die Anzahl der Wörter pro Minute lesen gemeldet.
Teilsystem Equipment / Software Signal Acquisition Einstellungen
Atem- Phonatorische Aerodynamische System (PAS), KayPENTAX, Lincoln Park, NJ, USA Acoustic, Druck und Durchfluss Sampling-Rate = 200 Hz, Tiefpass gefiltert = 30Hz
Phonatorische Compact-Flash-Recorder (z. B., PMD660)
Professionelle Qualität Mikrofon,
SPL-Meter, Extech Instruments
Software: MDVP, KAYPentax
Akustisch Sampling-Rate = 44,01 kHz, 16 bit linear PCM
Resonatory Nasometer, Modell 6400, KAYPentax Akustisch Sampling-Rate = 11025 Hz
Artikulatorische: Face Adler Digital System, Motion Analysis Corp Kinematische und akustische Sampling-Rate = 120 Hz, Low-pass = 10Hz gefiltert
Artikulatorische: Tongue WAVE, Northern Digital Inc., Kanada Kinematische und akustische Sampling-Rate = 100 Hz, Tiefpass = 20Hz gefiltert

Tabelle 1: Mess-und Übernahme-Einstellungen für Sub-System der Datenerhebung

Ebene Aufgabe Messungen Referenzen & Normen
Atem- VC Maximale exspiratorische Lungenvolumen 13
/ Pa / x 7 Subglottischen Druck 2, 3
Bamboo Passage % Pausenzeit 6, 7, 14
Phonatorische Maximale Phonation / a / Maximale Phonation Dauer bedeuten F0, Jitter, SNR 15, 16, 17, 3
Resonatory Mama hat etwas Zitrone Marmelade; kaufen Bobby einen Welpen Nasalance 18, 19
Artikulatorische: Face Kaufen Sie Bobby ein Welpe, Say _ wieder (bat, Gezeiten, halten, Werkzeug) Bewegungsgeschwindigkeit 20, 21
Artikulatorische: Tongue / Ta / x 5, Deckchen wieder Say
System-Ebene SIT, Sätze Sprachverständlichkeit und Sprechgeschwindigkeit 12

Tabelle 2: Messungen für jedes Teilsystem und Aufgabe erhalten

Anhang 1: Bamboo Passage

Bamboo Wände sind immer sehr beliebt zu sein. Sie sind stark, leicht zu bedienen und gut aussehend. Sie bieten einen guten Hintergrund und erstellen Sie die Stimmung in der japanischen Gärten. Bambus ist ein Gras, und ist eine der am schnellsten wachsenden Gräsern in der Welt. Viele Sorten von Bambus sind in Asien angebaut, obwohl es auch in Amerika aufgewachsen. Im vergangenen Jahr kauften wir ein neues Zuhause und haben die Blumengärten gearbeitet. In ein paar Tagen werden wir mit dem Bambus-Wand in einem unserer Gärten durchgeführt werden. Wir haben wirklich das Projekt genossen.

Discussion

Hier haben wir gezeigt, ein umfassendes Protokoll für die Beurteilung der bulbären (Sprach-) Dysfunktion bei ALS. Die Daten aus diesem Protokoll erhalten werden verwendet, um ein tieferes Verständnis davon, wie ALS betrifft Sprachproduktion zu gewinnen. Diese Daten werden auch verwendet, um die empfindlichsten Maßnahmen der Progression der Erkrankung zu identifizieren. Obwohl dieses Protokoll wird derzeit für die Forschung eingesetzt wird, werden die Erkenntnisse aus dieser Forschung genutzt werden, um kostengünstiger und klinisch praktikable Ansätze zu entwickeln, die bulbären Beteiligung zu quantifizieren.

Disclosures

Keine Interessenskonflikte erklärt.

Acknowledgments

Diese Arbeit wurde vom National Institute of Health, National Institute on Taubheit und andere Communication Disorders, Grant R01DCO09890-02, Canadian Foundation for Innovation (CFI-LOF # 15704), und Connaught-Stiftung, Universität von Toronto unterstützt. Die Autoren bedanken sich bei Cynthia Didion, Mili Kuruvilla, Krista Rudy, und Lori Synhorst für die Unterstützung bei der Datenerhebung und-analyse danken, und Cara Ullman für die Erstellung von Video-Clips.

Animationen wurden von Blue Tree Publishing (made http://www.bluetreepublishing.com/ )

Die SPA-und SMASH Software Matlab und kann durch Kontaktaufnahme mit Jordan Green bei jgreen4@unl.edu eingeholt werden.

Besuchen Sie unsere Labore:

Materials

Name Company Catalog Number Comments
Phonatory Aerodynamic System (PAS) KayPENTAX
Compact flash recorder PMD660
Professional quality microphone
SPL meter Extech Instruments
MDVP KayPENTAX
Nasometer KayPENTAX Model 6400
Eagle Digital System Motion Analysis Corp.
WAVE Northern Digital Inc, Canada

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References

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Yunusova, Y., Green, J. R., Wang, J., Pattee, G., Zinman, L. A Protocol for Comprehensive Assessment of Bulbar Dysfunction in Amyotrophic Lateral Sclerosis (ALS). J. Vis. Exp. (48), e2422, doi:10.3791/2422 (2011).More

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