Summary
والغرض من هذا المنشور هو تقديم العمل الأصلي لدينا على نهج electromyographic سطح العضلات متعددة لوصف كميا أنماط التنشيط العضلات التنفسية لدى الأفراد مع إصابة الحبل الشوكي المزمن باستخدام التحليل المستندة إلى متجه.
Abstract
أثناء التنفس، ويتم تنسيق تنشيط عضلات الجهاز التنفسي من قبل إدخال متكامل من الدماغ، الدماغ، والحبل الشوكي. عندما يتم تعطيل هذا التنسيق من خلال إصابة الحبل الشوكي (النخاع الشوكي)، وخطر السيطرة على عضلات الجهاز التنفسي معصب دون مستوى الإصابة 1،2 مما يؤدي إلى ضعف العضلات والجهاز التنفسي مضاعفات رئوية. هذه الظروف هي من بين الأسباب الرئيسية للوفاة في المرضى الذين يعانون من اصابات النخاع الشوكي 3. معيار اختبارات وظائف الرئة أن تقييم وظيفة الجهاز التنفسي تشمل المحركات spirometrical والحد الأقصى الهوائية نتائج الضغط: السعة الحيوية القسرية (FVC)، حجم الزفير القسري في ثانية واحدة (FEV 1)، الضغط الشهيق القصوى (PI ماكس) والضغط الزفيري القصوى (PE ماكس) 4،5. توفر هذه القيم القياسات غير المباشرة من أداء العضلات التنفسية 6. في الممارسة السريرية والبحوث، والكهربائي السطحي (sEMG) سجلت من عضلات الجهاز التنفسييمكن استخدامها لتقييم وظيفة الحركة في الجهاز التنفسي وتساعد على تشخيص الأمراض العصبية والعضلية. ومع ذلك، وتقلب في السعة sEMG يثبط الجهود الرامية إلى تطوير مقاييس موضوعية ومباشرة من الجهاز التنفسي وظيفة الحركة 6. استنادا إلى نهج sEMG العضلات متعددة لتوصيف التحكم في المحركات من عضلات الطرف 7، والمعروفة باسم مؤشر الاستجابة الطوعية (VRI) 8، قمنا بتطوير أداة تحليلية لوصف التحكم في المحركات الجهاز التنفسي مباشرة من sEMG البيانات المسجلة من عضلات الجهاز التنفسي متعددة أثناء الطوعية مهام الجهاز التنفسي. لقد وصف هذا الجهاز التنفسي موتور تقييم التحكم (RMCA) 9. هذا أسلوب التحليل الكمي ناقلات كمية وتوزيع النشاط عبر العضلات ويقدمها في شكل مؤشر والتي ترتبط الدرجة التي خرج sEMG داخل A-موضوع اختبار يشبه من مجموعة من الأصحاء (غير المصابين) الضوابط. وقد تبين أن قيمة مؤشر الناتج لديك صلاحية وجه عالية، وحساسيةوخصوصية 9-11. أظهرنا سابقا 9 أن نتائج RMCA ترتبط بشكل كبير مع مستويات اصابات النخاع الشوكي وتدابير وظائف الرئة. نحن نقدم هنا طريقة لمقارنة كميا إصابة الحبل الجهاز التنفسي أنماط التنشيط العضلات متعددة في مرحلة ما بعد العمود الفقري لتلك الأفراد الأصحاء.
Protocol
1. إعدادات
- وضعت رؤساء القطب سطح على البطون العضلات من اليسار (L) والحق (R) عضلات الجهاز التنفسي: القصية الترقوية الخشائية (SC)، مختلف الأضلاع (S)، شبه المنحرفة العليا على خط منتصف الترقوة (UT)، جزء من الترقوية الصدرية على خط منتصف الترقوة (P )، والحجاب الحاجز على خط القص (D)، وربي في ال 6 مساحة وربي على الخط الإبطي الأمامي (IC)، عضلة البطن المستقيمة على مستوى السرة (RA)، المائلة البطنية على خط منتصف الإبط (O)، شبه المنحرفة أقل paraspinally على مستوى midscapular (LT )، ومحيطة بالنخاع paraspinally على الحرقفي intercrestal خط (PS) 6. وضعت أقطاب الأرض خلال عمليات الأخرم. كان متصلا مختبر نظام الحركة الظهر وحدة حزمة، مع أقطاب كهربائية مثبتة، إلى الحركة لاب توب EMG مكتب وحدة ونظام Powerlab (الشكل 1).
- تم تجميعها T-قطعة دائرة الرصد لتسجيل الضغط الهوائي كما هو مبين في الشكل 2 ومتصلا منخفضة Pressuمحول إعادة (MP45) باستخدام أنبوب الهواء.
- كان متصلا MP45 إلى CD15 ونظام Powerlab (الشكل 1 والجدول 1).
2. بروتوكول RMCA
- وتألفت المهام الحركية التنفسية القصوى من المهام ضغط الشهيق (MIPT) والحد الأقصى لضغط العمل الزفير (MEPT). لأداء MIPT أو MEPT، وطلب من الموضوعات لإنتاج أقصى جهد الشهيق من حجم المتبقية أو جهود الزفير من قدرة الرئة إجمالي لمدة 5 ثوانى باستخدام الدائرة الرصد T-قطعة (الشكلان 1 و 2). وملقن كل مناورة من قبل 5 ثوانى نغمة طويلة مسموع وكرر 3X. وسمح 1 دقيقة على الأقل من الراحة بين كل الجهد.
- تم تضخيم EMG المدخلات مع زيادة 2،000؛ تصفيتها في 30-1،000 هرتز وأخذ عينات في 2،000 هرتز. تم معايرة ضغط مجرى الهواء المدخلات في 100 سم من الماء وأخذ عينات في 2،000 هرتز. تم تحويل المدخلات الضغط EMG ومجرى الهواء من قبل نظام الحصول على Powerlab باستخدام 16 بت كامل نطاق ADCالقرار. وسجلت الضغط الهوائي، sEMG وعلامة الإشارات في وقت واحد 9.
3. تحليل البيانات
- العضلات متعددة النشاط توزيع تحليل يندوز من 5 ثوانى كل لMIPT أو MEPT تم تحديدها من علامة الحدث، والضغط الهوائي سجلت مع لهجة التلقين ينبيء هذا الموضوع متى تبدأ وتنتهي المهمة (الشكل 3). تم حساب النشاط sEMG لكل العضلات باستخدام جذر متوسط مربع (RMS) خوارزمية 6،12 (الشكل 4). وبلغ متوسط ثلاث محاكمات المتكررة لكل مهمة 13 لكل العضلات (قناة).
- تم تقييم أنماط التنشيط العضلي المتعدد يعتمد على طريقة تحليل المتجهات المعروف باسم مؤشر الاستجابة الطوعية (VRI) 8 (الشكلان 4-6) باستخدام برنامج ماتلاب حسب الطلب (ماثووركس). لكل مناورة، وحساب VRI تنتج قيمتين، قوته ومؤشر التشابه (SI) (الشكلان 5-6).وقد حسبت المعلمة الحجم، كمية النشاط sEMG مجتمعة لجميع عضلات ضمن إطار زمني محدد، كما يبلغ طوله من ناقلات الاستجابة (RV) لمهمة محددة (الشكل 7). مؤشر التشابه (SI) يوفر القيمة التي تعبر عن مدى التشابه في RV من اصابات النخاع الشوكي الموضوع هو لمكافحة ناقلات الاستجابة النموذج (PRV) تم الحصول عليها من الأصحاء خلال نفس المهمة. تم حساب قيمة SI لكل مهمة باعتبارها جيب تمام الزاوية بين موضوع RV اصابات النخاع الشوكي وPRV. تتراوح قيمة SI بين 0 و 1.0 حيث قيمة 1.0 يمثل أفضل مباراة لناقلات مقارنة 9 (الشكل 8).
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
الشكل (3) يمثل مخطط كهربية العضل والضغط الهوائي (في الأعلى) سجلت في وقت واحد خلال MEPT من غير المصابين (يسار) واصابات النخاع الشوكي والأفراد (يمين). ملاحظة انخفاض ضغط مجرى الهواء وغياب sEMG النشاط في عضلات الزفير في موضوع اصابات النخاع الشوكي عند مقارنة الأفراد غير المصابين (مع وضع علامة الحذف الرمادي). نلاحظ أيضا أن بدء المهمة، وضعت في الجزء السفلي، ويترافق مع زيادة sEMG النشاط ورفع الضغط الهوائي.
الشكل 4 يسلط الضوء على الخطوات الرئيسية لبناء وRV. تم تعريف بداية وتنتهي المهمة (إطار الحدث) كنقاط البيانات (الخطوة 1) وفقا للعلامة. الجذر التربيعي (RMS) من sEMG داخل هذه النافذة حدث يمثل متوسط النشاط sEMG لكل العضلات (الخطوة 2). يتم تجميعها في RV باستخدام قيم RMSs لتركيبة محددة من العضلات (الخطوة 3).
ويوضح الشكل 5 حسابوPRV وكثيرها لمجموعة من الأفراد غير المصابين (صحية). شيد مصفوفة استجابة النموذج الأولي باستخدام رفس الفردية (الخطوة 4). يتضمن كل عمود في المصفوفة استجابة النموذج البيانات لكل فرد في المجموعة (ن = 1،2، ...، N) ويمثل كل صف كميا النشاط sEMG (RMSs) من محددة من العضلات من جميع الأفراد في المجموعة. تم احتساب PRV بأخذ متوسط كل صف من المصفوفة استجابة النموذج (الخطوة 5). تمثل القيمة استشراء طول RV وحسبت وفقا للصيغة عرض (الخطوة 6).
ويبين الشكل 6 خطوات لحساب SI. حسبت RV (الخطوة 7) وحجمها (الخطوة 8) لسيما SCI الفردية كما هو مبين أيضا على أرقام 4 و 5. تم الحصول على SI عن طريق حساب المنتج الداخلي من PRV وRV (الخطوة 9).
أرقام 7 و 8 توضيح بناء النواقل وإحتسابالنتهاكات من نتائج باستخدام بيانات حقيقية. ويمكن إجراء هذه الحسابات باستخدام أي أداة البرمجيات المناسبة مثل Mathlab، إكسل أو غيرها.
الجدول 1. قائمة المعدات واللوازم المحددة المستخدمة لتقييم التحكم في المحركات الجهاز التنفسي.
الشكل 1. sEMG والهوائية معدات التسجيل الضغط المستخدمة لتقييم التحكم في المحركات الجهاز التنفسي. انقر هنا لعرض أكبر شخصية .
الشكل 2. T-قطعة دائرة الرصد مع أنبوب الهواء تجميع يستخدم لتسجيل الضغط الهوائي دخلال شهر MEPT. لاحظ أن لMIPT، والهواء يتسرب جزء يجب أن انقلبت إلى الجانب الشهيق.
الشكل (3). sEMG النشاط خلال الحد الأقصى لضغط العمل الزفير (MEPT) في فرد غير مصابين والموضوع مع إصابة الحبل الشوكي (النخاع الشوكي). يظهر ضغط الهواء وضعت على رأس (الضغط) وسجلت في وقت واحد sEMG النشاط مع الحدث علامة (علامة) على أسفل. خطوط رمادية الرأسي تمثل-5 ثوانى النوافذ تحليل لإجراء العمليات الحسابية VRI. ملاحظة انخفاض ضغط مجرى الهواء وعدم وجود نشاط في عضلات الزفير: الحق (R) واليسار (L) الوربيه (IC)، المستقيمة البطن (RA)، والبطن مائل (O) في موضوع اصابات النخاع الشوكي مقارنة الفردية غير المصابين ( مع وضع علامة الحذف الرمادي). العضلات الأخرى هو مبين: يمين (R) واليسار (L) ستير nocleidomastoid (SC)، مختلف الأضلاع (S)؛ العلوي شبه المنحرفة (UT)، الصدرية (P)، والحجاب الحاجز (D)، شبه المنحرفة السفلى (LT)، ومحيطة بالنخاع (PS) انقر هنا لعرض أكبر شخصية .
الشكل 4. خطوات لحساب المتجهات الاستجابة (RV). لاحظ أن RV خلال مهمة محددة تم تجميعها باستخدام جذر متوسط مربع (RMS) القيم المحسوبة للعضلات محددة.
الشكل 5. خطوات لحساب النموذج المتجهات الاستجابة (PVR). لاحظ أن RV من كل فرد صحي في المجموعة تم استخدامه لإنشاء PVR وحساب حجمه.0178/50178fig5large.jpg "الهدف =" _blank "> اضغط هنا لعرض أكبر شخصية.
الشكل (6). خطوات لحساب مؤشر التشابه (SI) وحجمها. لاحظ أن SI تم حسابها باستخدام PRV وRV تم الحصول عليها من اصابات النخاع الشوكي الموضوع (SRV). نلاحظ أيضا أن تم حساب حجم وطول SRV. انقر هنا لعرض أكبر شخصية .
الرقم 7. مثال على الحسابات PRV باستخدام البيانات التي تم الحصول عليها خلال العمل القصوى الزفير (MEPT) في 17 الأفراد غير المصابين. اضغط هنا لمشاهدة و أكبرigure.
الرقم 8. مثال على الحسابات VRI باستخدام البيانات التي تم الحصول عليها خلال العمل القصوى الزفير (MEPT) في صحية (غير المصابين) واصابات النخاع الشوكي الأفراد. ملاحظة أنه في المقابل إلى موضوع غير المصابين، وغياب وانخفاض النشاط عضلات الزفير (IC، RA، وO ) في الفرد اصابات النخاع الشوكي انخفض مؤشر التشابه (SI) قيمة. نلاحظ أيضا انخفاض نشاط العضلات عموما في الفرد SCI يرتبط مع انخفاض قيمة الحجم. انقر هنا لعرض أكبر شخصية .
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
الاختبارات السريرية القياسية لتقييم وظيفة الحركة في التنفس بعد اصابات النخاع الشوكي وغيرها من الاضطرابات تشمل اختبارات وظائف الرئة والجمعية الأمريكية لإصابة العمود الفقري مقياس انخفاض القيمة (AIS) تقييم 14،15. ومع ذلك، هذه الأدوات ليست مصممة لتقييم كمي من الجذع والتحكم في المحركات الجهاز التنفسي. في عملنا نشرت سابقا 9، لقد أظهرنا أن RMCA هو وسيلة صالحة لتقييم كمي وظيفة الجهاز التنفسي للسيارات المتضررة من اصابات النخاع الشوكي. لقد أثبتنا أن هذه الطريقة يمكن استخدامها على الرغم من اختبار وإعادة اختبار الموضوع إلى موضوع EMG اتساع التباين.
من أجل قياس درجة الاختلاف (SI) في أنماط توزيع العضلات المتعددة التي تنتجها فرد واختبار (RV) ضد ناقلات المعيارية (PRV)، يمكن بناؤها على PRV وRV عن أي مزيج من العضلات. المهام الحركية يمكن أن تختلف وتعتمد على تصميم الدراسة، وكذلك لائحة العضلات. شارك فيntrast إلى SI، القيم الحجم، التي تمثل النشاط sEMG وعموما، يمكن تعديلها بواسطة جهد الموضوع، نشاط العضلات التعويضية، والخصائص الفيزيائية للأنسجة الجسم.
وSI، مع توفير مقياس كمي لمدى قرب هذا النمط تنشيط العضلات المتعددة هو النمط المعياري، لا تصف في الطريقة التي النمط قد تكون مختلفة. لهذا السبب، فإنه من الضروري لوصف نوعيا التغيرات في نمط وتفعيل العضلات الفردية. وبالإضافة إلى ذلك، هناك حاجة إلى مزيد من الدراسة لدراسة الإشارات sEMG لمعلمات إضافية مع الذي لتوصيف خصائص التنشيط متعددة وعضلة واحدة.
الطريقة المعروضة هنا يوفر وسيلة منهجية لتقييم التحكم في المحركات من عضلات الجذع استخدامها لتنفيذ المهام الحركية الجهاز التنفسي مقارنة مع المعايير القياسية المعيارية. بالإضافة إلى إجراء تقييم sEMG وصفي للتحقيق في الطريقة التي نمط تنشيط العضلات ويغيرإد، وتقديم الحسابات VRI القيم الفهرس الموحد والتي من شدة اضطراب يمكن مقارنة بين الأفراد والتغيرات مع مرور الوقت يمكن رصدها. هذا الأسلوب يسمح للتقييم حالة التحكم في المحركات الجهاز التنفسي وتأثيرات التدخلات القائمة والرواية على ضعف التحكم في المحركات الجهاز التنفسي في الأشخاص المصابين باصابات النخاع الشوكي واضطرابات أخرى.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
أي تضارب في المصالح لتعلن.
Acknowledgments
وأيد هذا العمل من قبل كريستوفر ودانا ريف مؤسسة (المنحة CDRF OA2-0802-2)، كنتاكي الحبل الشوكي وإصابات الرأس ريسيرش ترست (منحة 9-10A - KSCHIRT)، ومؤسسة نيلسون H. كريغ (المنحة 1000056824 - HN000PCG) والوطني معاهد الصحة: القلب والرئة الوطني ومعهد الدم (المنحة 1R01HL103750-01A1).
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| PowerLab System 16/35 | ADInstruments | PL3516 | Number of units depends on number of channels recorded |
| EMG System MA 300 | Motion Lab Systems | MA300-XVI | Number of units depends on number of channels recorded |
| Low Pressure Transducer MP45 | Validyne | MP45-40-871 | |
| Basic Carrier Demodulator CD15 | Validyne | CD15-A-2-A-1 | |
| Air Pressure Manometer | Boehringer | 4103 | Needed for MP45 calibration |
| Event Marker | Hand held switch that when pressed gives a DC voltage and sound output (including 5-sec long mark) | ||
| Alcohol Wipes | Henry Schein | 1173771 | Needed for electrodes placement |
| Electrode Gel | Lectron II | 36-3000-25 | Needed for electrodes placement |
| Tagaderm | Henry Schein | 7779152 | Needed for electrodes placement |
| Noseclip | Henry Schein | 1089460 | |
| T-piece Ventilator Monitoring Circuit with One-way Valves | Alleglance (Airlife) | 1504 | |
| Air Tube | UnoMedical | 400E | |
| Table 1. List of specific equipment and supplies used for the Respiratory Motor Control Assessment. | |||
References
- Schilero, G. J., Spungen, A. M., Bauman, W. A., Radulovic, M., Lesser, M. Pulmonary function and spinal cord injury. Respir. Physiol. Neurobiol. 166, 129-141 (2009).
- Winslow, C., Rozovsky, J. Effect of spinal cord injury on the respiratory system. Am. J. Phys. Med. Rehabil. 82, 803-814 (2003).
- Garshick, E., et al. A prospective assessment of mortality in chronic spinal cord injury. Spinal Cord. 43, 408-416 (2005).
- Jain, N. B., Brown, R., Tun, C. G., Gagnon, D., Garshick, E. Determinants of forced expiratory volume in 1 second (FEV1), forced vital capacity (FVC), and FEV1/FVC in chronic spinal cord injury. Arch. Phys. Med. Rehabil. 87, 1327-1333 (2006).
- Stolzmann, K. L., Gagnon, D. R., Brown, R., Tun, C. G., Garshick, E. Longitudinal change in FEV1 and FVC in chronic spinal cord injury. Am. J. Respir. Crit. Care Med. 177, 781-786 (2008).
- American Thoracic Society/European Respiratory Society. ATS/ERS Statement on respiratory muscle testing. Am. J. Respir. Crit. Care Med. 166, 518-624 (2002).
- Sherwood, A. M., McKay, W. B., Dimitrijevic, M. R. Motor control after spinal cord injury: assessment using surface EMG. Muscle Nerve. 19, 966-979 (1996).
- Lee, D. C., et al. Toward an objective interpretation of surface EMG patterns: a voluntary response index (VRI). J. Electromyogr. Kinesiol. 14, 379-388 (2004).
- Ovechkin, A., Vitaz, T., de Paleville, D. T., Aslan, S., McKay, W. Evaluation of respiratory muscle activation in individuals with chronic spinal cord injury. Respir. Physiol. Neurobiol. 173, 171-178 (2010).
- Lim, H. K., Sherwood, A. M. Reliability of surface electromyographic measurements from subjects with spinal cord injury during voluntary motor tasks. J. Rehabil. Res. Dev. 42, 413-422 (2005).
- Lim, H. K., et al. Neurophysiological assessment of lower-limb voluntary control in incomplete spinal cord injury. Spinal Cord. 43, 283-290 (2005).
- Sherwood, A. M., Graves, D. E., Priebe, M. M. Altered motor control and spasticity after spinal cord injury: subjective and objective. 37, 41-52 (2000).
- McKay, W. B., Lim, H. K., Priebe, M. M., Stokic, D. S., Sherwood, A. M. Clinical neurophysiological assessment of residual motor control in post-spinal cord injury paralysis. Neurorehabil. Neural Repair. 18, 144-153 (2004).
- Marino, R. J., et al. International standards for neurological classification of spinal cord injury. J. Spinal. Cord. Med. 26, Suppl 1. S50-S56 (2003).
- American Spinal Injury Association and International Spinal Cord Society. International Standards for Neurological Classification of Spinal Cord Injury. , ASIA and ISCS. (2006).
