Summary
Mätning av autonoma nervsystemets aktivitet begränsar vanligtvis forskaren och deltagaren till laboratoriet, vilket kan ge en hotfull miljö för barnen. VU University Ambulerande Monitoring System (VU-AMS) enheten kan spela hjärt autonom kontroll i någon inställning. VU-AMS visat sig vara mycket mottagliga för testning hos barn.
Abstract
Det autonoma nervsystemet (ANS) reglerar främst automatiska kroppsfunktioner som är engagerade i homeostas, som puls, matsmältning, andningsfrekvens, salivering, svettning och njurfunktion. ANS har två huvudgrenar: det sympatiska nervsystemet, förbereder kroppen för handling i tider av fara och stress, och det parasympatiska nervsystemet, som reglerar vilotillstånd av kroppen.
ANS aktivitet kan mätas invasivt, till exempel genom radiotracer tekniker eller mikroelektrod inspelning från ytliga nerver, eller det kan mätas icke-invasivt med hjälp av förändringar i ett organ svar som en proxy för förändringar i ANS aktivitet, till exempel i svettkörtlarna eller hjärtat. Invasiva mätningar har den högsta giltighet men är väldigt dåligt genomförbara i storskaliga prov där icke-invasiva åtgärder är att föredra. Autonoma effekter på hjärtat tillförlitligt kan kvantifieras genom inspelningenav elektrokardiogram (EKG) i kombination med impedansen kardiogram (ICG), som speglar förändringar inom thorax impedans som svar på andning och utstötning av blod från ventrikeln in i aorta. Från andning och EKG-signaler, kan luftvägarna sinusarytmi extraheras som ett mått på hjärt parasympatiska kontrollen. Från EKG och den vänstra ventrikulära signaler utskjutning kan preejection period extraheras som ett mått på hjärt sympatisk kontroll. EKG och ICG inspelning sker mest i laboratoriemiljö. Men med testpersonens rapporten till ett laboratorium kraftigt minskar ekologisk validitet, är inte alltid genomförbart i storskaliga epidemiologiska studier, och kan vara skrämmande för små barn. En ambulerande enhet för EKG och ICG löser samtidigt dessa tre problem.
Här presenterar vi en studie design för en minimalinvasiv och snabb bedömning av kardiell autonom kontroll hos barn, med en validerad ambulatory enhet 1-5, VU University Ambulerande Monitoring System (VU-AMS, Amsterdam, Nederländerna, www.vu-ams.nl ).
Protocol
Ett. Förberedelser: Starta
- Du behöver:
- en VU-AMS5fs ambulatorisk inspelningsenhet (inklusive en infraröd interface kabel som antingen ansluts till RS232 serieport på en PC eller till en USB-port).
- 7 elektroder (vi använde ConMed 1690-003).
- 2 laddade AA-batterier.
- ett tomt CompactFlash-minneskort (VU-AMS5fs har genomgått omfattande tester med 1GB 80x CF-kort från Transcend (TS1GCF80), men andra CF-kort bör fungera också).
- en bärbar dator eller PC med flash-kortläsare och Data Analysis Management Software (dammar) Suite installerat.
- ett stoppur.
- musikspelare med barns berättelser och hörlurar och en liten självuppblåsande luftmadrass är valfria.
- Kontrollera tid och datum inställningar på laptop / PC, eftersom dessa kommer att registreras som metadata på dina filer. Sätt den tomma minneskortet och fulla batterier i VU-AMS-enhet (lyckad placering signaleras med en Trie pip). När enheten är i standbyläge kommer den gröna lampan blinkar två gånger var tionde sekund. Detta indikerar att den är klar, men inte inspelningen. Nu ansluta enheten till den bärbara datorn med den medföljande kabeln och starta upp dammarna programmet. Initiera kommunikation med enheten (välj fliken "enheten" och välj lämplig anslutningsmetod läget, IR kabel eller bluetooth).
- Har deltagaren ta av hans / hennes överkropp slitage. På de platser där elektroderna ska placeras, rengör huden med alkohol-våtservetter, och placera de sju elektroder på bröstet och ryggen (figur 1). Sedan fäster ledningarna efter färgschema, och anslut dem till enheten.
- Kontrollera batteriets typ och batterispänningen indikering (detta bör vara ca 3,4 V för alkalisk och ca 2,4 V för uppladdningsbara NiMH-batterier). Fyll i identifikationsfältet. De typiska samplingsfrekvenser är såsom visas i figuren (figur 2).
- Mät avståndet between de två bröst elektroder i millimeter, och fylla ut det här i fältet "ICG-V avstånd". Klicka sedan på "skicka inställningar" för att skicka de aktuella inställningarna / ID till enheten.
- Nu ska "Online" alternativet av programmet kan användas för att visa EKG, Az (detta är den andning) och dZ / dt (detta är ICG). Den Az-signalen återspeglar basen impedansen tvärsöver bröstkorgen, som efter lämplig filtrering kan användas för att extrahera andningssignalen med hög följsamhet 7. Den dZ / dt-signalen är Az differentieras över tiden och återspeglar snabba förändringar i Az kopplade till utstötning av blod från ventrikeln in i aorta.
- En tydlig QRST-komplexet bör vara spårbart i EKG. Den R-vågen bör vara uppåt och det bör vara toppen med den största (absolut) amplitud i endera riktningen.
- Den Az bör vara inom -0,5 och 0,5 Ω för det mesta och dZ / dt mellan -1 och 1 Ω / sek.
- Z 0 bör Always stanna inom en 8 till 20 Ω sortiment. Denna variation återspeglar det faktum att bröstkorgen impedanssignal beror på avståndet mellan de mätelektroder som är en funktion av barnets längd och "väta" på bröstkorgen kolumnen omges av mätelektroder, skillnader i kroppssammansättning (t.ex. BMI) kan påverka amplituden på dZ / dt-signalen (fettmassa innehåller mindre vatten än muskel). Individuella skillnader i absoluta Z 0 amplitud avspeglas också i Az-signalen men detta påverkar inte fastställandet av intervallen systoliska tid, som är amplitud-oberoende.
- Den Az-signalen bör återspegla djupa andetag av ämnet klart (instruera barnet att ta en långsam djupt andetag och andas ut långsamt).
- I ICG den typiska uppåtgående vågformen återspeglar hjärt utstötning fasen bör vara tydligt påvisbar. Ljus rörelse ämnet bör inte snedvrida DZ / dt-signalen. Om dessa kriterier inte uppfylls, re-rengör huden och åter fästa elektroderna tills tillfredsställande signaler erhålls.
- När goda signaler uppnås, data startar inspelningen genom att trycka på "start"-knappen. Du kommer att höra ett pip bekräftar att början av inspelningen och den gröna lampan börjar blinka en gång var tredje sekund. Registreringen har nu startat. Stäng VU-dammar programmet. Du kan nu koppla bort enheten från gränssnittskabeln.
2. Anmälningstiden
- När registreringen har börjat, be barnet att ligga ner för den första experimentella tillståndet. När barnet har varit i ryggläge (utan head-up tilt) i två minuter, du kort (<2 s) trycker du den lilla svarta knappen på enhetens ovansida. Genom att trycka på den här knappen markerar en speciell händelse, och kommer senare att hjälpa dig att identifiera början av detta villkor i dina uppgifter.
- Efter fyra minuter, tryck på händelsen igen. Detta signalerar slutet på den liggandeskick. Nu har barnet sitta upp och upprepa proceduren för detta andra villkor. Tryck på knappen, vänta fyra minuter och tryck på knappen igen. Barnen instrueras att vila lugnt under dessa förhållanden.
- För att avbryta mätningen, tryck och håll nere knappen i minst 3 sekunder. Ljuset blinkar var 10 sekund för att indikera att det har stannat och är i "stand by"-läge. När enheten har stoppats, kan du koppla bort anslutningskabeln kontakten från kontakten och ledningarna från elektroderna.
- Ta ur batterierna och flashkort bildar VU-AMS-enheten och placera blixten kortet i läsaren enheten. Flytta de förvärvade filer till en särskild katalog (typiskt namnet på katalogen kommer att vara identisk med den ämnesidentifierare används för att beteckna fältet).
Tre. Bearbetning av data
- På öppna data med VU-dammar programmet, kommer uppgifterna automatiskt att omvandlas från rådata format (förlängning. 5fs) </ Em> till ett nytt format (förlängning. Amsdata). Detta är den datafil som VU-dammar kommer att använda i de följande stegen.
- Först extrahera Inter Vispa defibrilleringsserieintervall tid från EKG-signalen. Välj Detect R-topparna fliken. En automatiserad algoritm kommer att upptäcka alla R-toppar i EKG-signalen och väljer (om sådan finns) perioder med mycket låg EKG kvalitet för borttagning. I det övre vänstra hörnet av antalet Blue (korrekt), Gul (medium misstänkt) eller röd (mycket misstänksam) indikeras. Genom att trycka på '. " (DOT) markören flyttas till nästa misstänkta R-topp och användaren kan ta bort eller lägga till markörer för R-vågor för hand. Det rekommenderas att åtminstone alla starkt misstänkta beats visuellt inspekteras.
- Det främsta syftet är att få ett medelvärde för hjärtfrekvensen, den preejection perioden (PEP) och åtgärder av respiratorisk sinus arytmi (RSA, HF, RMSSD) över de använda experimentella betingelser. Därför fortsätter genom att visa vilka perioder i rådata motsvarardessa villkor. Denna process kallas "uppgifter märkning". Välj Label fliken Data. Två paneler visar pulssignalen och rörelsesignalen respektive, samt den faktiska tiden för inspelningen.
- Placera muspekaren i det översta fältet där det står "klicka och dra för att lägga till etiketter" på runt starttiden för din första villkoret och dra musen till sluttiden för detta villkor. Dessa tider är antingen erhålls från en skriftlig förteckning över start-och stopptid (som du antecknade under datainsamlingen) eller så kan du använda start-och markörer stopp erhållits från att trycka på knappen vid början och slutet av varje tillstånd, som är den vertikala linjer som löper över HR och rörelse grafer.
- Varje etikett kan ges en (unika) identifierare för att signalera ett visst villkor. I vårt fall har vi bara en kategori för våra etiketter: experimentell skick. Denna kategori har två värden: liggande och sittande.
- VU-dammar måste göras medvetna om experimental design av en så kallad label konfigurationsfil (label.cfg). Detta är en ASCII-fil som kan öppnas med de flesta textredigeringsprogram och, till exempel, ser ut så här:
# Exp_condition
10 liggande
11 sitter upp - Genom att placera label.cfg filen i katalogen för. Amsdata filer, kommer den att laddas automatiskt vid VU-dammar programmet. När en etikett har gjorts, kommer en pop up-skärm visas med de kategorier / värden som anges i label.cfg filen. Välj "liggande" för den första etiketten och "sitta upp" för den andra etiketten.
- Efter märkning, välj "Impedans scoring"-fliken för att poängsätta PEP i impedansen cardiogram. För vart och ett av de villkor som en ensemble genomsnitt dZ / dt vågform visas, tid-låst till EKG-R-topp. En ensemble genomsnitt EKG Nedan presenteras DZ / dt vågform. Placera de fyra vertikala markörer i rätt läge: EKG Q-våg debut (start av elektrisk aktivitet), ICG B-punkten (start av utmatning fasen), ICG dz / dt-min (maximal ejektionshastighet), och ICG X-led (aortaklaffstängningen - slutet av utstötning fas).
- Nästa, välj "Respiration Scoring" fliken för att göra topp-dal RSA med andnings-och EKG-signaler. Automatiserad andetag-till-andetag scoring i luftvägarna intervallet och det kortaste interslagintervall under inspiration och längsta interslagintervall under utandning kan nu inspekteras. Typiskt den automatiserade detekteringsalgoritmen inte ska klassificera mer än 15% av andetag som avvikande - annars inspektera andningssignalen och avstämma parametrarna för detekteringsalgoritmen efter behov.
Riktlinjer för visuell inspektion av EKG, ICG och respiration signaler och interaktiva PEP och RSA scoring kan hittas på VU-AMS hemsida, www.vu-ams.nl .
- Slutligen, välj fliken Etikett Information. En tabell med resultaten visas efter beräkning. Varje rad representerar den AV-nomsnittliga värdet för en rad fysiologiska parametrar (hjärtfrekvens, PEP, RSA, RR) för varje märkt tidsperiod. Den första kolumnen har ämnesidentifierare (Label_ID). Den sista kolumnen visar värdet av alla kategorier som används vid märkning (här bara en enda kategori "experimentell tillstånd" med två värden, "sitta upp" och "liggande"). Spectral befogenheter interslagintervall tidsserier ges endast för etiketter med en minsta längd på 4 min (annars saknas koden visas). Tabellen i denna display kan exporteras till ASCII eller Excel för vidare statistiska analyser.
Representative Results
I Born Amsterdam barn och deras utveckling studie, en holländsk prospektiv, longitudinell årskull var mätprotokoll startade 3097 barn 6. Godkännande erhölls från Academic Medical Center Medicinsk Etiska kommittén, VU University Medical Center Medicinsk Etiska kommittén och registrering kommitté Amsterdam. Alla deltagande mödrar gav skriftligt informerat samtycke för sig själva och sina barn.
Eftersom bildskärmarna är lätta och diskreta, tolererade barnen dessa mätningar mycket väl. Vi har inte uppgifter om avslag takt, men erfarenheten lärt oss att endast ett fåtal barn motstod placeringen av elektroderna och därmed försvårat ytterligare bedömning. Av de 3097 registreringar, var 0,7% förloras på grund av antingen fel på utrustningen eller felaktig placering av filer. Av de 3074 registreringar vänster, var 98,7% av barn som fullföljde hela protokollet (n = 3,056). Inom each av de märkta tidsperioder (vi ursprungligen märkt fyra tidsperioder, men senare sammanfattade dessa till två), stötte vi oklara ICG signaler, vilket innebär PEP inte kunde fastställas. Detta ledde till en förlust på 1,5% under det första av fyra märkta perioder, 2,4% i den andra, 2,8% under det tredje och 4,1% i fjärde perioden. Fullständiga uppgifter om PEP i alla tidsperioder fanns i 2797 fall (91,5%, alltså 8,5% förlust på grund av oklara ICG signaler). Fullständiga uppgifter om hjärtfrekvensen (HR), pre-ejektionsperiod (PEP) och respiratoriskt sinusarytmi (RSA), liksom kön och ålder, var tillgängliga från 2761 barn, i detta sista steg, inträffade 1,3% dataförlust på grund av okänd anledning. Sammantaget ledde 89,2% av de startade registreringar till fullständig föremål uppgifter. Den genomsnittliga åldern av barnen var 5,7 år (SD 0,5; interkvartilt område 5.0:6.5), och deras BMI var 15,5 kg / m 2 (SD 1,5; interkvartiltintervall 13.9:17.2).
Medelvärdena för de viktigaste resultatet variablerna HR, PEP, och RSA ARe anges i tabell 1 och grafiskt i figur 3, separat för pojkar och flickor. HR (både liggande och sittande) och PEP (endast sitter upp) var högre hos flickor än hos pojkar (båda ställningar). RSA var lägre hos flickor än hos pojkar (båda ställningar). De högre värdena för HR i flickor är sannolikt orsakas av den lägre vagal (parasympatiska) hjärt kontroll. Deras sympatiska hjärt kontroll var inte annorlunda eller till och med lägre än hos pojkar (sitter upp).
I båda könen, var HR högre när man sitter upp jämfört med liggande, medan RSA var lägre när man sitter upp. Detta återspeglar den lägre vagal kontroll när man sitter upp. PEP var kortare liggande sedan sitter upp. Denna effekt var också som förväntat, och det speglar resultatet av motsatta processer: lägre sympatisk aktivitet (förlänger PEP) liggande med ökad förspänning (förkortar PEP) 7.
| Pojkar | Flickor | ||||||||||
| Ligga ner | Sitter upp | Ligga ner | Sitter upp | ||||||||
| Medelvärde | SD | Medelvärde | SD | Medelvärde | SD | Medelvärde | SD | ||||
| Puls (bpm) | 83,9 | 9,5 | * | 89,1 | 10 | * † | 86,9 | 10,1 | 92,4 | 10,4 | † |
| Pre-ejektionsperiod (ms) | 76,9 | 11,8 | 78,5 | 12,2 | * † | 77,7 | 10,3 | 81 | 11,7 | † | |
| Respiratory sinus arytmi (ms) | 127,0 | 60,4 | * | 115,7 | 55,8 | * † | 121,7 | 56,8 | 108,7 | 51,9 | † |
Tabell 1. Hjärtat autonoma nervsystemet åtgärder i pojkar och flickor, genom kroppshållning på kroppshållning skillnad. P <0.05 för ett prov T-test på könsskillnader. † p <0,05 för parade prover t-test.
Figur 1. De sju elektroderna ska placeras på deltagarens bröst och rygg. Första EKG elektrod (V-) är platsend något under den högra nyckelbenet 4 cm till höger om bröstbenet. Den andra EKG-elektroden (V +) är placerad vid spetsen av hjärtat över nionde ribba på den vänstra laterala marginal av bröstet ungefär vid nivån för processus xiphodius. Den tredje EKG elektrod (GND) är en jordelektrod och placeras på höger sida, mellan de två lägre revbenen på högra delen av buken. Den första ICG mätelektrod (V 1) är placerad vid den övre änden av bröstbenet, mellan spetsarna på kragstickor. Den andra ICG mätelektroden är placerad vid xiphoid komplexet av bröstbenet, där revbenen möts. De två nuvarande elektroder placeras på baksidan: I-på ryggraden över halskotan C4, minst 3 cm (1 tum) ovanför ICG mäter elektroden V-, och jag + mellan ryggkotor T8 och T9 på ryggen , minst 3 cm (1 ") under ICG mäter elektroden V 2. ICG elektrod placering tar hänsyn till att den största delen av vänster kammare drivsv förändring i thorax impedans fångas av kolonnen mellan halsgropen och processus xiphoideus.
Figur 2. De typiska inställningar som används för en inspelning som visas av dammarna programvaran efter anslutning till VU-AMS5fs enhet. Klicka här för att visa en större bild .
Figur 3. Hjärtat autonoma nervsystemet åtgärder i pojkar och flickor, genom kroppshållning. * Anger p <0.05 för ett prov T-test på könsskillnader. # Indikerarp <0,05 för parade prover T-test på kroppshållning skillnad.
Discussion
Vi använde en ambulatorisk inspelningsenhet för att mäta hjärtats autonom kontroll i 3097 barn, i åldrarna mellan 5 och 7 år. Sju elektroder räckte för att mäta EKG och ICG från vilken puls, hjärtfrekvens variabilitet och det systoliska tidsintervall extraherades. Hjärtfrekvensvariationen i luftvägarna frekvensbandet (RSA) är en giltig indikator på hjärt parasympatiska aktiviteten. Det systoliska tidsintervallet, PEP, genom att reflektera hjärtats kontraktilitet, är en giltig indikator på hjärt sympatisk aktivitet. De medelvärden som erhålls för HR, PEP och RSA, var effekterna av kroppshållning förändringar och skillnaderna mellan pojkar och flickor i linje med vad som kan förväntas från litteraturen.
Som ambulatorisk bort behovet av bedömning i ett laboratorium våra inspelningar kan göras på olika platser (t.ex. skola, sporthall, science museum) utan skillnaderna i signal inspelningskvalitet. Det är dock avavgörande betydelse för att standardisera inom eller mellan föremål jämförelser för hållning och fysisk belastning, som efterbelastning och förspänning effekter kan samverka avgöra PEP utan några förändringar i hjärtats sympatiska enhet 7. Vi drar slutsatsen att ambulatorisk registrering av EKG och ICG i stora prover av barn är mycket möjligt och föreslå den nuvarande standardiserade studiedesign som en användbar mall för framtida bedömningar av hjärt autonom kontroll hos barn.
Acknowledgments
AEvD stöddes av det nederländska Heart Foundation (DHF-2007B103). Författarna vill tacka alla mammor och barn i Amsterdam födda barn och deras utveckling (ABCD) studie, och hela utveckling och underhåll Teamet på VU-AMS-system vid Avdelningen för Instrumentation - Institutionen för Psychophysiology (VU University, Amsterdam, Nederländerna).
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).
