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Medicine

Un protocollo per la valutazione completa della disfunzione bulbare nella Sclerosi Laterale Amiotrofica (SLA)

doi: 10.3791/2422 Published: February 21, 2011

Summary

Valutazioni oggettive dei meccanismi fisiologici che sostengono discorso sono necessari per monitorare l'insorgenza e la progressione della malattia in persone con SLA e per quantificare gli effetti del trattamento negli studi clinici. In questo video, vi presentiamo un approccio globale, strumentazione protocollo basato su motore per quantificare le prestazioni discorso in popolazioni cliniche.

Abstract

Miglioramento dei metodi per valutare la compromissione bulbare sono necessari per accelerare la diagnosi della disfunzione bulbare nella SLA, per prevedere la progressione della malattia tra i sottosistemi del linguaggio, e per affrontare la necessità critica per le misure di outcome sensibile per lo sviluppo di prove trattamento sperimentale. Per rispondere a questa esigenza, stiamo ottenendo profili longitudinali di compromissione bulbare in 100 individui sulla base di una completa strumentazione a base di misure oggettive di valutazione che la resa. Utilizzando approcci strumentali per quantificare discorso comportamenti correlati è molto importante in un campo che ha in primo luogo invocato soggettiva, uditivo-percettivo forme di valutazione discorso 1. Il nostro protocollo di valutazione misura le prestazioni su tutti i sottosistemi discorso, che comprendono respiratorie, fonatorio (laringe), resonatory (velofaringea), e articolatorio. Il sottosistema articolatorio è diviso in componenti del viso (mascella e labbra), e la lingua. La ricerca precedente ha suggerito che ogni sottosistema discorso risponde in modo diverso a malattie neurologiche come la sclerosi laterale amiotrofica. L'attuale protocollo è stato progettato per testare le prestazioni di ogni sottosistema discorso come indipendente da altri sottosistemi possibile. I sottosistemi del linguaggio sono valutati nel contesto delle ulteriori modifiche alla performance globale discorso. Queste variabili di sistema il livello del discorso includono tasso di parlare e di intelligibilità del parlato.

Il protocollo richiede una strumentazione specializzata e software commerciale e custom. I sottosistemi respiratorie, fonatorio, e resonatory sono valutati utilizzando la pressione del flusso (aerodinamica) e metodi acustici. Il sottosistema articolatorio è valutato utilizzando le tecniche di motion tracking 3D. Le misure oggettive che vengono utilizzati per quantificare la compromissione bulbare sono stati stabiliti nella letteratura discorso e mostrare sensibilità ai cambiamenti nella funzione bulbare con progressione della malattia. Il risultato della valutazione è un approccio globale, attraverso-sottosistema profilo delle prestazioni per ogni partecipante. Il profilo, rispetto alle stesse misure ottenuti da controlli sani, è usato per scopi diagnostici. Attualmente, stiamo testando la sensibilità e la specificità di queste misure per la diagnosi di SLA e per la previsione del tasso di progressione della malattia. A lungo termine, il endofenotipo più raffinato di SLA bulbare derivate da questo lavoro si prevede di intensificare gli sforzi futuri per identificare i loci genetici della SLA e migliorare la specificità diagnostica e il trattamento della malattia nel suo complesso. La valutazione oggettiva che si dimostra in questo video può essere utilizzato per valutare una vasta gamma di disturbi motori del linguaggio, comprese quelle relative alla ictus, traumi cerebrali, sclerosi multipla e il morbo di Parkinson.

Protocol

I. Analisi sottosistema

1. Sottosistema di respiratorio / di respirazione per il discorso

Il sottosistema di respiratorio viene valutata utilizzando il sistema fonatorio aerodinamica (PAS). Il sistema consente la registrazione simultanea di pressione per via orale, il flusso d'aria, e l'acustica del linguaggio (vedi Tabella 1 per l'elenco delle attrezzature e dei produttori). Una maschera viso monouso usa e getta e una pressione di rilevamento tubo sono necessari per le registrazioni. Prima della registrazione, i canali di flusso e pressione sono calibrati in base alle specifiche del costruttore.

  1. Capacità Vitale (VC) è il volume massimo di aria che viene espirata a seguito di inalazione massima. VC è valutata utilizzando una maschera viso monouso che è collegato al pneumotacografo.
    1. Il PAS "Vital Capacity" protocollo è selezionato per la registrazione.
    2. Il partecipante è richiesto di inalare il massimo possibile e al massimo espirare nella maschera, il compito viene ripetuto tre volte.
    3. Volume espiratorio massimo è derivato utilizzando il software PAS.
  2. Pressione Subglottal (Ps) è la pressione dell'aria nei polmoni disponibili per la produzione di "pressione" consonanti. Ps viene valutata indirettamente misurando la pressione di picco in bocca durante la produzione di un treno sillaba 2,3.
    1. Il PAS "Voicing Efficiency" protocollo è selezionato per la registrazione.
    2. Per registrare la pressione orale durante / pa /, la pressione-sensing tubo è posizionato all'interno della bocca sulla superficie della lingua.
    3. Nasali sono occluse con una clip naso per eliminare il potenziale nasale fuga flusso d'aria.
    4. Il partecipante è richiesto di inalare circa due volte il loro valore normale e dicono / pa / nella maschera viso. La sillaba / pa / è ripetuta sette volte su una espirazione, mantenendo passo costante e volume. Il tasso viene mantenuta a 1,5 sillabe al secondo.
    5. Picco di pressione orale è misurato per cinque (al centro) ripetizioni / pa /. Una media di questi cinque produzioni si ottiene per rappresentare Sal durante il discorso.
    6. Perché covaries Ps con livello di pressione sonora (SPL) 4,5, il valore SPL è anche raccolti per ogni sillaba. E 'utilizzato successivamente come covariata durante le analisi.
  3. Respirazione discorso viene valutato durante il discorso collegato mentre i partecipanti leggere uno standard 60-parola paragrafo (appendice 1) sviluppato specificatamente per accurate, mettere in pausa automatica del limite di rilevazione 6.
    1. Il PAS "Massimo fonazione" protocollo è selezionato per la registrazione.
    2. Il segnale di flusso d'aria viene raccolta con una maschera usa e getta che si adattano intorno al viso.
    3. Il partecipante è richiesto di leggere il paragrafo a tariffa normale parlare confortevole e sonorità.
    4. Tracce di flusso d'aria vengono esportati in una misura Speech-Pausa Analysis (SPA) 7 programma software in Matlab. In questo programma, le pause nel discorso collegato sono identificati. Il software calcola, tra l'altro, tempo di pausa per cento, che è una misura del tempo trascorso pausa durante la lettura di un brano.

2. Sottosistema fonatorio

Il sottosistema fonatorio è valutata per mezzo delle registrazioni vocali usando attrezzature di alta qualità di registrazione acustica (Tabella 1).

  1. Il microfono è collocato a circa 15 cm di distanza dalla bocca.
  2. Una clip nasale è utilizzato per eliminare l'effetto potenziale della inadeguatezza velofaringea sulla qualità della fonazione.
  3. Il partecipante è richiesto di produrre "Fonazione Massimo". Lui o lei è incaricato di inalare la massima quantità di aria e poi a produrre un suono vocalico / a / ad un passo normale e volume il più a lungo possibile. Questo compito è praticato almeno una volta prima della registrazione. L'importanza di mettere fuori il massimo sforzo è sottolineato.
  4. Durata massima di fonazione è misurato in secondi utilizzando la forma d'onda acustica.
  5. La forma d'onda acustica digitalizzata viene caricato nella multidimensionali profilo vocale (MDVP) software per l'analisi. Misure di tendenza centrale e variabilità della frequenza fondamentale (F0), il rumore-to-armonico rapporto (NHR) e jitter per cento, tra gli altri, sono ottenuti per mezzo cinque secondi di intervallo di fonazione.

3. Sottosistema Resonatory

Il sottosistema resonatory viene valutata utilizzando Nasometer. Questo dispositivo è composto da una cuffia con un diaframma, che è posizionato sotto il naso e separa la cavità orale e nasale. Due microfoni che rilevano i segnali acustici orale e nasale sono attaccati ai lati opposti della piastra.

  1. Il dispositivo è calibrato prima di ogni registrazione.
  2. L'auricolare è posto sulla testa con il deflettore di riposo sopra il labbro superiore e in posizione parallela al ground.
  3. Il partecipante è chiesto di ripetere un "nasale" (ad esempio, la mamma in una marmellata di limone) e un "non-nasale" (ad esempio, acquistare un cucciolo di Bobby) frase tre volte ad un tasso di parlare abituale e sonorità.
  4. L'intensità misurata della porzione voce dei segnali acustici orale e nasale vengono convertiti in un punteggio nasalance, che è definita come il rapporto tra nasale / nasale + energia acustica per via orale, ed è espresso in percentuale. Il punteggio nasalance riflette la proporzione relativa nasale-to-orale energia acustica in un flusso di discorso 8.
  5. Il software calcola Nasometer numerose statistiche descrittive dalla forma d'onda nasalance.
  6. Nasalance distanza, che è derivata sottraendo il nasalance medio calcolato attraverso frasi orale (BBP) dalla nasalance media per le frasi nasale (MMJ) 9, può essere utilizzato anche come indice di compromissione velofaringea.

4. Articolatorio sottosistema: Faccia

Facciali (labbro e della mandibola), i movimenti sono registrati in 3D con un alta risoluzione, ottica sistema di motion capture 10. Le telecamere a raggi infrarossi video digitale catturare le posizioni di 15 marcatori riflettenti che sono attaccati alla testa di ogni partecipante e volto a specifici punti di repere anatomici. Un segnale acustico vocale viene registrato contemporaneamente con cinematica discorso.

  1. Il sistema è calibrato prima di registrazioni in base alle specifiche del costruttore.
  2. Quattro marcatori sono attaccati alla fronte del partecipante con una fascia la testa. I marcatori sono anche associate al sopracciglio destro e sinistro, il ponte e la punta del naso, il bordo vermiglio del labbro superiore e inferiore, gli angoli destro e sinistro della bocca, e di tre diverse sedi sul mento. Questa è la matrice di marker tipici utilizzati in questo protocollo, ma un numero illimitato di marcatori possono essere utilizzati con questo sistema.
  3. Il partecipante è richiesto di leggere frasi e frasi (vedi tabella 2) al loro tasso di parlare abituale e sonorità.
  4. Una registrazione "riposo" file ottenuto e utilizzato in post-processing per normalizzare le differenze nel posizionamento marcatore tra le sessioni e per la ri-espressione dei relativi dati al costante anatomicamente basato su sistema di coordinate, se necessario.
  5. Durante la post-elaborazione, i movimenti dei marker facciali sono controllate per errori di tracciamento e la testa con correzione basato sulla sottrazione di entrambi i componenti di traslazione e rotazione di movimento della testa.
  6. I dati sono caricati in SMASH, un programma basato sul software Matlab sviluppato nel nostro laboratorio. All'interno SMASH, i dati vengono filtrati e analizzati. La velocità di movimento di punta è derivato da ogni traccia e utilizzato come principale indicatore della funzione articolatoria per la mandibola e le labbra. Velocità 3D è calcolato come il primo ordine derivato della storia distanza euclidea ogni articolatore il momento in SMASH.

5. Articolatorio sottosistema: Tongue

Monitoraggio lingua è realizzato utilizzando un dispositivo di tracciamento elettromagnetico (ONDA), che registra la posizione e la rotazione dei sensori che sono attaccati alla lingua. A differenza del motion tracking ottico che viene utilizzato per registrare esterni, strutture facciali, la tecnologia elettromagnetica offre un modo per tenere traccia con precisione i movimenti della lingua durante il discorso 11. Il sistema utilizza una combinazione di 5 e 6 gradi di libertà (5DOF e 6DOF) sensori per registrare movimenti articolatori in un volume calibrato (30 x 30 x 30 cm). Spostamento dei dati e dati acustici vengono acquisite simultaneamente.

  1. Due sensori sono collegati al articolatori con colla dentale (PeriAcryl adesivo parodontale). Un riferimento è attaccato al ponte del naso per registrare i movimenti della testa. Un piccolo sensore 5DOF (posizione 3D e 2D misure angolari) è attaccato alla lingua alle linea mediana, circa 2 cm al posteriore la punta della lingua.
  2. Per ottenere movimenti della lingua che sono indipendenti dalla mascella alla base, ogni partecipante è dotato di un pre-made blocco 5 millimetri morso. Il blocco è costituito da morso non tossico stucco condensazione (Henry Schein).
  3. Il blocco morso è collocato tra i molari sul lato della bocca. Una stringa collegata al blocco morso è fissata al volto del partecipante per impedire la deglutizione del blocco morso.
  4. Il partecipante è richiesto di leggere frasi e frasi (vedi tabella 2).
  5. Movimenti della lingua sono registrati rispetto alla posizione della testa.
  6. Post-acquisizione, i dati vengono trasferiti in SMASH, dove è filtro passa-basso, analizzato sulla base della traccia movimento verticale, e utilizzato per calcolare la velocità 3D. La velocità media e massima di movimento durante ogni enunciato è segnalata come indice di malattia correlata cambiamento di questo articolatore.

II. A livello di sistema di valutazione

In aggiunta alle variabili a livello di sottosistema, l'intelligibilità del parlato e velocità di eloquio sono misurati. Queste meaSures sono essenziali perché sono in corso clinico "standard obiettivo" che caratterizzano le prestazioni bulbare discorso. Essi forniscono un'indicazione dello stato funzionale del sistema discorso produttivo nel suo complesso e quantificare la gravità dei disturbi del linguaggio. Queste misure sono ottenuti utilizzando il test di intelligibilità Sentence (SIT) 12.

  1. Prima della registrazione, un elenco casuale di 10 frasi di lunghezza crescente (da 5 a 15 parole) è generato dal software SIT.
  2. Un microfono è posizionato sulla testa, circa 15 cm dalla bocca.
  3. Il partecipante è invitato a leggere la lista a loro tasso di parlare abituale e sonorità. Le frasi sono registrate digitalmente a 44,1 con una risoluzione di 16 bit.
  4. Diversi giudici addestrati che non hanno familiarità al partecipante trascrivere le frasi ortograficamente e misurare la durata frase.
  5. Il software calcola automaticamente SIT intelligibilità della parola, che viene segnalato come percentuale delle parole trascritte correttamente rispetto al numero totale di parole prodotte. Velocità di lettura viene riportata anche come il numero di parole lette al minuto.
Sottosistema Attrezzature / Software Segnale Impostazioni di acquisizione
Respiratorio Sistema fonatorio aerodinamica (PAS), KayPENTAX, Lincoln Park, NJ, USA Acustica, pressione e flusso Frequenza di campionamento = 200 Hz, filtro passa-basso = 30Hz
Fonatorio Compact Flash recorder (per esempio, PMD660),
Qualità microfono professionale,
SPL metro, Extech Instruments
Software: MDVP, KAYPentax
Acustico Frequenza di campionamento = 44,01 kHz, 16 bit PCM lineare
Resonatory Nasometer, Modello 6400, KAYPentax Acustico Frequenza di campionamento = 11025 Hz
Articolatorio: Faccia Aquila Digital System, Motion Analysis Corp. Cinematica e acustico Frequenza di campionamento = 120 Hz, filtro passa-basso = 10Hz
Articolatorio: Tongue WAVE, Nord Digital Inc., Canada Cinematica e acustico Frequenza di campionamento = 100 Hz, passa basso filtrato = 20Hz

Tabella 1: le impostazioni di strumentazione e di acquisizione di sub-sistema di raccolta dati

Livello Compito Misure Riferimenti e norme
Respiratorio VC Espiratorio massimo volume polmonare 13
/ Pa / x 7 Pressione Subglottal 2, 3
Passaggio di bambù % Tempo di pausa 6, 7, 14
Fonatorio Fonazione massimo / a / Durata massima di fonazione, media F0, jitter, SNR 15, 16, 17, 3
Resonatory Mama fatto alcuni marmellata di limone; Acquista Bobby un cucciolo Nasalance 18, 19
Articolatorio: Faccia Acquista Bobby un cucciolo; Say _ nuovo (pipistrello, marea, tenere, utensile) Velocità di movimento 20, 21
Articolatorio: Tongue / Ta / x 5, Say centrino di nuovo
A livello di sistema SIT, frasi Intelligibilità del parlato e velocità di eloquio 12

Tabella 2: Misure ottenuti per ogni sottosistema e compito

Appendice 1: passaggio di bambù

Pareti di bambù sono sempre di essere molto popolare. Sono forti, facile da usare, e di bell'aspetto. Essi forniscono una buona preparazione e creare l'atmosfera nei giardini giapponesi. Il bambù è un'erba, ed è una delle erbe più rapida crescita al mondo. Molte varietà di bambù sono coltivati ​​in Asia, anche se è cresciuto in America. L'anno scorso abbiamo comprato una nuova casa e hanno lavorato sul giardini fioriti. In pochi giorni più, sarà fatto con la parete di bambù in uno dei nostri giardini. Abbiamo apprezzato molto il progetto.

Discussion

Qui abbiamo dimostrato un protocollo completo per la valutazione di bulbare (discorso) disfunzione nella SLA. I dati ottenuti da questo protocollo vengono utilizzate per acquisire una più profonda comprensione di come la SLA colpisce produzione del linguaggio. Questi dati vengono utilizzati anche per individuare le misure più sensibile di progressione della malattia. Anche se questo protocollo è attualmente impiegato per la ricerca, i risultati di questa ricerca saranno utilizzate per sviluppare approcci più conveniente e clinicamente realizzabile per quantificare il coinvolgimento bulbare.

Disclosures

Nessun conflitto di interessi dichiarati.

Acknowledgments

Questo lavoro è stato sostenuto dal National Institute of Health, National Institute on Deafness e altri disturbi della comunicazione, Grant R01DCO09890-02, Fondazione canadese per l'innovazione (CFI-LOF # 15704), e Connaught Fondazione, l'Università di Toronto. Gli autori desiderano ringraziare Cynthia Didion, Mili Kuruvilla, Krista Rudy, e Lori Synhorst per l'assistenza con la raccolta dati e analisi, e Cara Ullman per la creazione di clip video.

Le animazioni sono state fatte da Blue Tree Publishing ( http://www.bluetreepublishing.com/ )

La SPA e il software Matlab SMASH è basato e possono essere ottenute contattando Giordania Green jgreen4@unl.edu.

Visita i nostri laboratori:

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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