Summary
Meting van het autonome zenuwstelsel activiteit regel beperkt de onderzoeker en deelnemer aan het laboratorium, dat een intimiderende omgeving kan bieden aan kinderen. De VU Ambulante Monitoring System (VU-AMS) apparaat kan cardiale autonome controle in elke omgeving op te nemen. De VU-AMS bleek zeer vatbaar voor het testen bij kinderen.
Abstract
Het autonome zenuwstelsel (ANS) controleert voornamelijk automatische lichamelijke functies die betrokken zijn bij homeostase, zoals hartslag, spijsvertering, ademhaling, speekselvloed, transpiratie en nierfunctie. De ANS heeft twee belangrijke takken: het sympathische zenuwstelsel, het voorbereiden van het menselijk lichaam voor de actie in tijden van gevaar en stress, en het parasympathische zenuwstelsel, dat de rusttoestand van het lichaam regelt.
ANS activiteit kan invasief worden gemeten, bijvoorbeeld door tracer technieken of microelektrode opnemen van oppervlakkige zenuwen, of het kan niet-invasief worden gemeten door veranderingen in reactie een orgaan als een proxy voor veranderingen in ANS activiteit, bijvoorbeeld van de zweetklieren of het hart. Invasieve metingen hebben de hoogste validiteit, maar zijn zeer slecht haalbaar bij grootschalige monsters waar niet-invasieve maatregelen zijn de geprefereerde aanpak. Autonome effecten op het hart kunnen betrouwbaar worden gekwantificeerd door de opnamevan het elektrocardiogram (ECG) in combinatie met de impedantie cardiogram (ICG), waarin de wijzigingen in thorax impedantie in reactie op ademhaling en het uitwerpen van bloed van de hartkamer in de aorta weerspiegelt. Uit de ademhaling en ECG signalen kan respiratoire sinus aritmie worden gewonnen als een maat voor cardiale parasympathische controle. Uit het ECG en de linker ventriculaire ejectie signalen, kan de preejection periode geëxtraheerd als een maat voor cardiale sympathische controle. ECG en ICG opname wordt meestal gedaan in het laboratorium instellingen. Echter, het hebben van het verslag onderwerpen aan een laboratorium sterk vermindert ecologische validiteit, is niet altijd goed te doen in grootschalige epidemiologische studies, en intimiderend kan zijn voor jonge kinderen. Een ambulante inrichting voor ECG en ICG tegelijkertijd lost deze drie problemen.
Hier presenteren we een studie ontwerp voor een minimaal invasieve en snelle beoordeling van de cardiale autonome controle bij kinderen, met behulp van een gevalideerde ambulatory apparaat 1-5, de VU Ambulante Monitoring System (VU-AMS, Amsterdam, Nederland, www.vu-ams.nl ).
Protocol
1. Voorbereiding: Opstarten
- Je nodig hebt:
- een VU-AMS5fs ambulante opname-apparaat (inclusief een infrarood-interface kabel die ofwel aangesloten op de RS232 seriële poort van een PC of op een USB-poort).
- 7 elektroden (wij gebruikten ConMed 1690-003).
- 2 opgeladen AA-batterijen.
- een lege CompactFlash geheugenkaart (het VU-AMS5fs is uitgebreid getest met de 1GB 80x CF-kaart van Transcend (TS1GCF80), maar andere CF-kaarten zou moeten werken).
- een laptop of pc met flash-kaartlezer en de Data Analysis Management Software (DAMS) suite geïnstalleerd.
- een stopwatch.
- muziekspeler met verhalen en een koptelefoon voor de kinderen en een kleine zelf-opblaasbaar luchtbed zijn optioneel.
- Controleer de datum en tijd instellingen op de laptop / PC, aangezien deze zal worden opgenomen als metadata aan uw bestanden. Leg de lege geheugenkaart en volle batterijen in de VU-AMS-apparaat (succesvolle plaatsing wordt gesignaleerd door een triple piep). Wanneer het apparaat op standby staat, zal het groene lampje twee keer knipperen om de tien seconden. Dit geeft aan dat het klaar is, maar niet opnemen. Sluit nu het apparaat aan op de laptop met behulp van de meegeleverde kabel en start de DAMS-programma. Initiëren communicatie met het apparaat (selecteer het tabblad 'apparaat' en kies de gewenste verbindingsmodus, infrarood-kabel of bluetooth).
- Hebben de deelnemer opstijgen zijn / haar bovenlichaam slijtage. Op de plaatsen waar de elektroden worden geplaatst, het reinigen van de huid met alcohol-doekjes en plaats de zeven elektrodes op de borst en rug (figuur 1). Sluit vervolgens de draden na het kleurenschema, en sluit ze aan op het apparaat.
- Controleer het type batterij en de batterij spanning indicatie (dit moet ongeveer 3,4 V voor alkalische en ongeveer 2,4 V voor oplaadbare NiMH-batterijen zijn). Vul het veld identificatie. De typische bemonsteringsfrequenties worden getoond in de figuur (fig. 2).
- Meet de afstand bussen de twee borst elektroden in millimeters, en dit invullen in het veld 'ICG-V op afstand'. Klik vervolgens op 'verzenden instellingen' om de huidige instellingen / ID te sturen naar het apparaat.
- Nu moet het "Online" optie van het programma worden gebruikt om de ECG, Az (dit is de ademhaling) en dZ / dt (dit is de ICG) weergegeven. De Az signaal geeft de base impedantie over de thorax, die na geschikte filtering kan worden gebruikt om de ademhaling signaal met high fidelity 7 extraheren. De dZ / dt signaal de Az gedifferentieerd tijd en weerspiegelt snelle veranderingen in Az verband met de ejectie van bloed van de hartkamer in de aorta.
- Een duidelijke QRST-complex moeten detecteerbaar zijn in het ECG. De R-top moet omhoog en het moet de piek met de grootste (absolute) amplitude in beide richtingen zijn.
- De Az moet binnen -0,5 en 0,5 Ω zijn meestal en dZ / dt tussen -1 en +1 Ω / sec.
- Z 0 moet Always blijven binnen een 8 tot 20 Ω bereik. Dit verschil weerspiegelt het feit dat de thorax impedantie signaal afhankelijk van de afstand tussen de meetelektroden die een functie is van de hoogte van het kind, en het "natheid" van de kolom thorax omsloten door de meetelektroden, verschillen in lichaamssamenstelling (bijv. BMI) kan invloed hebben op de amplitude van de dZ / dt signaal (vetmassa die minder water dan spier). Individuele verschillen in absolute Z 0 amplitude worden ook weerspiegeld in de Az-signaal, maar dit heeft geen invloed op de bepaling van de systolische tijdsintervallen, die amplitude-onafhankelijk.
- De Az signaal moet diep ademhalen van het onderwerp duidelijk (instrueren van het kind tot een langzame diep adem te halen en adem langzaam) weer te geven.
- In de ICG de typische opwaartse curve weerspiegelt de hartejectie fase moet duidelijk waarneembaar. Licht beweging van het onderwerp moet de dZ / dt signaal niet verstoren. Als deze criteria niet wordt voldaan, re-reinigen van de huid en het opnieuw bevestigen van de elektroden tot bevredigende signalen worden verkregen.
- Wanneer goede signalen worden bereikt, beginnen de gegevens opnemen door op de knop 'start'. U zult een pieptoon erkennen het begin van de opname en het groene lampje gaat eenmaal per drie seconden knipperen horen. De inschrijving is inmiddels gestart. Sluit de VU-DAMS programma. U kunt nu loskoppelen van het apparaat van de interfacekabel.
2. De Registratieperiode
- Zodra de registratie is gestart, vraag het kind te gaan liggen voor de eerste experimentele conditie. Wanneer het kind is in rugligging (zonder head-up tilt) gedurende twee minuten, u kort (<2 s) op de kleine zwarte knop aan de bovenkant van het apparaat. Door op deze knop markeert een speciale gebeurtenis, en zal later helpen bij de start van deze voorwaarde in uw gegevens te identificeren.
- Na vier minuten, nogmaals op de event-knop. Dit geeft het einde van het liggenconditie. Hebben nu het kind zitten en herhaal de procedure voor deze tweede voorwaarde. Druk op de knop, wacht vier minuten en druk nogmaals op de knop. De kinderen krijgen de opdracht om rustig te rusten tijdens deze voorwaarden.
- Om de meting te stoppen, drukt u op en houd de knop ten minste 3 sec. Het lampje knippert elke 10 seconden om aan te geven het is gestopt en is in 'stand-by' modus. Zodra het apparaat is gestopt, kunt u de stroomdraad stekker van de connector en de draden van de elektroden.
- Verwijder de batterijen en flash card vormen de VU-AMS-apparaat en plaats de flash-kaart in de lezer unit. Verplaats de verworven bestanden naar een aangewezen directory (meestal de naam van de map zal identiek zijn aan het onderwerp identificator in het veld te identificeren).
3. Verwerking van de gegevens
- Bij het openen van de gegevens met VU-DAMS programma zal de gegevens automatisch worden omgezet van ruwe data formaat (extensie. 5FS) </ Em> naar een nieuw formaat (extensie. Amsdata). Dit is het gegevensbestand dat VU-DAMS zullen gebruiken in de daaropvolgende stappen.
- Uitpakken eerst de Inter Beat Interval tijdreeks van het ECG-signaal. Selecteer het tabblad Detect R-toppen. Een geautomatiseerde algoritme alle R-pieken te detecteren in het ECG-signaal en kies (indien aanwezig) periodes met zeer lage ECG kwaliteit voor verwijdering. In de linker bovenhoek van het aantal Blue (correct), Geel (gemiddeld verdachte) of ROOD (zeer verdacht) wordt aangegeven. Door te drukken '.' (DOT) van de cursor wordt verplaatst naar de volgende verdachte R-piek en de gebruiker kan verwijderen of markers toe te voegen voor R-golven met de hand. Aanbevolen wordt ten minste alle zeer verdacht beats visueel geïnspecteerd.
- Het belangrijkste doel is om een gemiddelde waarde voor de hartslag, de preejection periode (PEP) en de maatregelen van respiratoire sinus aritmie (RSA, HF, RMSSD) over de gebruikte experimentele omstandigheden te verkrijgen. Daarom verder door aan te geven welke perioden in het ruwe gegevens komen overeen metdeze voorwaarden. Dit proces heet 'data labeling'. Selecteer het tabblad Labelgegevens. Twee panelen tonen de hartfrequentie respectievelijk signaal en bewegingssignaal, alsmede de werkelijke tijd van de opname.
- Plaats de muiscursor in de bovenste balk waar het zegt "klikken en slepen om labels toe te voegen" aan rond de starttijd van de eerste staat en sleep de muis om de eindtijd van die voorwaarde. Deze tijden zijn ofwel afkomstig van een schriftelijke vastlegging van begin-en eindtijd (die je tijdens het verzamelen van gegevens wordt genoteerd) of u kunt de start en stop markers verkregen van het indrukken van de knop aan het begin en einde van elke aandoening, die de verticale gebruiken lijnen die dwars over de HR en beweging grafieken.
- Elk label kan worden voorzien van een (unieke) identificatie van een bepaalde aandoening signaleren. In ons geval hebben we slechts een categorie voor onze etiketten: experimentele conditie. Deze categorie heeft twee waarden: liggen en zitten.
- VU-DAMS moet de hoogte van de experi worden gemaakttal ontwerp door een zogenaamd label configuratiebestand (label.cfg). Dit is een ASCII-bestand dat kan worden geopend met de meeste tekstverwerkers en, bijvoorbeeld, ziet er als volgt uit:
# Exp_condition
10 liggen
11 zitten - Door het plaatsen van de label.cfg bestand in de map van het. Amsdata bestanden, zal het automatisch worden geladen door de VU-DAMS programma. Zodra een label is gemaakt, verschijnt er een pop-up scherm verschijnen met de in het label.cfg bestand opgenomen categorieën / waarden. Selecteer 'liggen' voor het eerste label en 'zitten' voor het tweede label.
- Na het merken, selecteert u het tabblad 'Impedantie scoren' op de PEP scoren in de impedantie cardiogram. Voor elk van de voorwaarden een ensemble gemiddeld dZ / dt golfvorm, tijd-slot het ECG R-piek. Een ensemble gemiddelde ECG wordt gepresenteerd onder de dZ / dt golfvorm. Plaats de vier verticale cursors op de juiste posities: ECG Q-wave begin (start van elektrische activiteit), ICG B-punt (begin van de ejectiefase), ICG dZ / dt-min (maximale uitwerpen snelheid), en ICG X-point (aortaklep sluiting - eind ejectiefase).
- Vervolgens selecteert u het tabblad 'Ademhaling Scoren' te scoren de piek-dal RSA met behulp van de ademhalings-en ECG-signalen. Geautomatiseerde adem-naar-adem scoren van de ademhalings-interval en de kortste interbeat interval tijdens inspiratie en de langste interbeat interval tijdens expiratie kan nu worden gecontroleerd. Typisch de geautomatiseerde detectie algoritme mag niet classificeren meer dan 15% van de adem als afwijkend - anders inspecteren de ademhalingssignaal en stem zo nodig de parameters van het algoritme.
Richtlijnen voor visuele inspectie van het ECG, ICG en ademhalingssignalen en interactieve PEP en RSA scoren is te vinden op de website van VU-AMS, www.vu-ams.nl .
- Ten slotte selecteert u het tabblad Label Information. Een tabel met de resultaten blijkt na berekening. Elke rij vertegenwoordigt de avdelde waarde van een reeks van fysiologische parameters (hartslag, PEP, RSA, RR) voor elk label periode. De eerste kolom heeft het onderwerp identifier (Label_ID). De laatste kolom geeft de waarden van alle gebruikte tijdens etikettering categorieën (hier slechts een enkele categorie 'experimentele conditie' met twee waarden, 'zitten' en 'liggen'). Spectrale bevoegdheden van de interbeat interval tijden serie worden alleen gegeven voor etiketten met een minimale lengte van 4 min (anders wordt de ontbrekende code wordt getoond). De spreadsheet in deze display kan naar ASCII of Excel worden geëxporteerd voor verdere statistische analyses.
Representative Results
In de Amsterdam Born Children and Development van hun studie, een Nederlands prospectief, longitudinaal geboortecohort, werd het meetprotocol begon in 3097 kinderen 6. Goedkeuring werd verkregen van het Academisch Medisch Centrum Medisch Ethische Toetsingscommissie, het Universitair Medisch Centrum Medisch Ethische Toetsingscommissie VU en de Registratie Commissie van Amsterdam. Alle deelnemende moeders gaven schriftelijk toestemming voor zichzelf en hun kinderen.
Aangezien de monitors zijn lichtgewicht en onopvallend, de kinderen getolereerd deze metingen zeer goed. We hebben geen gegevens over de weigering tarief hebben, maar de ervaring heeft ons geleerd dat alleen een paar kinderen verzet tegen de plaatsing van de elektroden en daardoor belemmerd verdere beoordeling. Van de 3097 inschrijvingen, waren 0,7% verloren als gevolg van hetzij defecte apparatuur of onjuiste plaatsing van bestanden. Van de 3074 registraties links, 98.7% waren van de kinderen die het hele protocol (n = 3056) afgerond. Binnen each van de gelabelde tijdsperioden (we oorspronkelijk aangeduid vier perioden, maar later samengevat deze twee) troffen we duidelijk ICG signalen, waardoor PEP kon niet worden vastgesteld. Dit leidde tot een verlies van 1,5% in de eerste van de vier gemerkte perioden, 2,4% in de tweede, 2,8% in het derde en 4,1% in de vierde periode. Volledige gegevens over PEP in alle perioden beschikbaar was in 2797 gevallen (91,5%, dus 8,5% verlies te wijten aan onduidelijke ICG signalen). Volledige gegevens over de hartslag (HR), pre-ejectie periode (PEP) en respiratoire sinus aritmie (RSA), evenals geslacht en leeftijd, verkrijgbaar vanaf 2761 kinderen was, in deze laatste stap, 1,3% verlies van gegevens plaatsgevonden, als gevolg van onbekende redenen. Algemeen, 89.2% van de gestarte registraties geleid tot volledige onderwerp data. De gemiddelde leeftijd van de kinderen was 5,7 jaar (SD 0,5; interkwartielbereik 5.0:6.5), en hun BMI was 15,5 kg / m 2 (SD 1,5; interkwartielbereik 13.9:17.2).
De gemiddelde waarden van de belangrijkste uitkomstvariabelen HR, PEP en RSA are in tabel 1 en grafisch weergegeven in figuur 3, afzonderlijk voor jongens en meisjes. HR (zowel liggend en zittend) en PEP (alleen rechtop) waren hoger bij meisjes dan bij jongens (beide houdingen). RSA was lager bij meisjes dan bij jongens (beide houdingen). De hogere waarden voor HR bij meisjes worden waarschijnlijk veroorzaakt door de lagere vagale (parasympathische) cardiale controle. Hun sympathische cardiale controle was niet anders of zelfs lager dan die bij jongens (zitten).
Bij beide geslachten, HR was hoger bij zitten tegenover liggend, terwijl RSA was lager bij zitten. Dit weerspiegelt de lagere vagale controle bij zitten. PEP was korter liggen dan zitten. Dit effect was ook zoals verwacht, en het weerspiegelt het resultaat van tegengestelde processen: lagere sympathische activiteit (verlengt PEP) liggend met verhoogde preload (verkort PEP) 7.
| Jongens | Meisjes | ||||||||||
| Liggen | Zitten | Liggen | Zitten | ||||||||
| Betekenen | SD | Betekenen | SD | Betekenen | SD | Betekenen | SD | ||||
| Hartslag (bpm) | 83.9 | 9.5 | * | 89.1 | 10 | * † | 86.9 | 10.1 | 92.4 | 10.4 | † |
| Pre-ejectie periode (msec) | 76.9 | 11.8 | 78.5 | 12.2 | * † | 77.7 | 10.3 | 81 | 11.7 | † | |
| Respiratoire sinus aritmie (msec) | 127.0 | 60.4 | * | 115.7 | 55.8 | * † | 121.7 | 56.8 | 108.7 | 51.9 | † |
Tabel 1. Cardiale autonome zenuwstelsel maatregelen bij jongens en meisjes, door houding op houding verschil. P <0,05 voor een sample T-test sekseverschil. † p <0,05 voor gepaarde t-testen.
Figuur 1. De zeven elektroden moeten aan de deelnemer borst en rug worden geplaatst. De eerste ECG-elektrode (V-) is plaatsd iets onder de rechter sleutelbeen 4 cm rechts van het sternum. De tweede ECG elektrode (V +) wordt geplaatst op de top van het hart over de negende rib links laterale rand van de borst ongeveer ter hoogte van de processus xiphodius. De derde ECG elektrode (GND) is een aardelektrode en is geplaatst aan de rechterkant, tussen de twee onderste ribben aan de rechterkant abdomen. De eerste ICG meetelektrode (V1) wordt geplaatst aan het boveneinde van het borstbeen, tussen de uiteinden van de sleutelbeenderen. De tweede ICG meetelektrode wordt aan het xiphoid complex van het borstbeen, waar de ribben samenkomen. De huidige twee elektroden worden op de rug: I-op de rug via halswervel C4 ten minste 3 cm (1 inch) boven de ICG meet elektrode V-, en I + tussen borstwervels T8 en T9 op de wervelkolom ten minste 3 cm (1 ") in de ICG meet elektrode V 2. De IGC electrode rekening mee gehouden dat het grootste deel van de linker ventrikel driven verandering in de thorax impedantie wordt gevangen genomen door de kolom tussen de suprasternal inkeping en de processus xiphoideus.
Figuur 2. De typische instellingen voor een opname zoals weergegeven door de DAMS-software na het aansluiten op de VU-AMS5fs apparaat. Klik hier om een grotere afbeelding te bekijken .
Figuur 3. Cardiale autonome zenuwstelsel maatregelen bij jongens en meisjes, door houding. * Geeft p <0,05 voor een sample T-test sekseverschil. # Geeftp <0,05 voor gepaarde T-toets op de houding verschil.
Discussion
We gebruikten een ambulante opnameapparaat aan cardiale autonome controle in 3097 kinderen in de leeftijd tussen 5 en 7 jaar te meten. Zeven elektroden voldoende om de ECG en ICG waaruit de hartslag, hartslagvariabiliteit en de systolische tijdsintervallen werden geëxtraheerd meten. Hartslagvariabiliteit in de luchtwegen frequentieband (RSA) is een geldige indicatie van cardiale parasympathische activiteit. De systolische tijdsinterval, PEP, door te reflecteren hartsamentrekbaarheid, is een geldige indicatie van cardiale sympathische activiteit. De gemiddelde waarden verkregen voor HR, PEP en RSA, de effecten van houding verandert en de verschillen tussen jongens en meisjes waren in lijn met wat uit de literatuur zou verwachten.
Als ambulante monitoring verwijderde de noodzaak van beoordeling in een laboratorium onze opnames op verschillende locaties (bijvoorbeeld school, sportcentrum, wetenschapsmuseum) kan worden gedaan zonder de verschillen in signaal opnamekwaliteit. Het is echter vancruciaal belang is om te standaardiseren binnen of tussen subject vergelijkingen voor houding en fysieke belasting, als afterload en preload effecten kunnen mede bepalen het PEP zonder enige veranderingen in de cardiale sympathische station 7. We concluderen dat ambulante registratie van het ECG en de ICG in grote steekproeven van kinderen is zeer haalbaar en stellen de huidige gestandaardiseerde studie design als een handig sjabloon voor toekomstige evaluaties van cardiale autonome controle bij kinderen.
Acknowledgments
AEvD werd gesteund door de Nederlandse Hartstichting (DHF-2007B103). De auteurs willen graag alle moeders en kinderen bedanken in de Amsterdam Born Children en hun ontwikkeling (ABCD) studie, en de volledige ontwikkeling en het onderhoud team van de VU-AMS-systeem op de afdeling voor Instrumentation - het ministerie van Psychophysiology (VU, Amsterdam, Nederland).
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| VU-AMS5fs ambulatory recording device & infrared interface cable | VU University Amsterdam | n/a | http://www.vu-ams.nl |
| Electrodes | ConMed | 1690-003 | |
| AA-batteries | |||
| CompactFlash memory card | |||
| Laptop/pc with flash card reader | |||
| VU-DAMS software suite | VU University Amsterdam | free download, http://www.vu-ams.nl | |
| Stopwatch | |||
| Music player & headphones | optional | ||
| Self-inflatable air mattress | optional |
References
- de Geus, E. J., Willemsen, G. H., Klaver, C. H., van Doornen, L. J. Ambulatory measurement of respiratory sinus arrhythmia and respiration rate. Biol. Psychol. 41, 205-227 (1995).
- Goedhart, A. D., van der, S. S., Houtveen, J. H., Willemsen, G., de Geus, E. J. Comparison of time and frequency domain measures of RSA in ambulatory recordings. Psychophysiology. 44, 203-215 (2007).
- Goedhart, A. D., Kupper, N., Willemsen, G., Boomsma, D. I., de Geus, E. J. Temporal stability of ambulatory stroke volume and cardiac output measured by impedance cardiography. Biol. Psychol. 72, 110-117 (2006).
- Riese, H., Groot, P. F. C., van den Berg, M., et al. Large-scale ensemble averaging of ambulatory impedance cardiograms. Behavior Research Methods Instruments & Computers. 35, 467-477 (2003).
- Willemsen, G. H., de Geus, E. J., Klaver, C. H., van Doornen, L. J., Carroll, D. Ambulatory monitoring of the impedance cardiogram. Psychophysiology. 33, 184-193 (1996).
- van Dijk, A. E., van Eijsden, M., Stronks, K., Gemke, R. J., Vrijkotte, T. G. Prenatal stress and balance of the child's cardiac autonomic nervous system at age 5-6 years. PLoS ONE. 7, e30413 (2012).
- Houtveen, J. H., de Groot, P. F., de Geus, E. J. Effects of variation in posture and respiration on RSA and pre-ejection period. Psychophysiology. 42, 713-719 (2005).
- Goedhart, A. D., Willemsen, G., Houtveen, J. H., Boomsma, D. I., De Geus, E. J. Comparing low frequency heart rate variability and preejection period: two sides of a different coin. Psychophysiology. 45, 1086-1090 (2008).
- van Dijk, A. E., van Eijsden, M., Stronks, K., Gemke, R. J., Vrijkotte, T. G. Cardio-metabolic risk in 5-year-old children prenatally exposed to maternal psychosocial stress: the ABCD study. BMC Public Health. 10, 251 (2010).
- van Lien, R., Goedhart, A., Kupper, N., Boomsma, D., Willemsen, G., de Geus, E. J. Underestimation of cardiac vagal control in regular exercisers by 24-hour heart rate variability recordings. Int. J. Psychophysiol. 81, 169-176 (2011).
