Summary
Het doel van deze publicatie is om onze oorspronkelijke werk op een multi-spier oppervlak elektromyografische aanpak te presenteren om kwantitatief te karakteriseren respiratoire spieractivatiepatronen bij personen met chronische dwarslaesie behulp van vector-gebaseerde analyse.
Abstract
Tijdens de ademhaling, wordt activering van de ademhalingsspieren gecoördineerd door geïntegreerde input van de hersenen, hersenstam en ruggenmerg. Bij deze coördinatie wordt verstoord door ruggenmergletsel (SCI), controle van de ademhalingsspieren geïnnerveerd onder het letsel niveau wordt gecompromitteerd 1,2 leidt tot ademhalingsspieren dysfunctie en pulmonale complicaties. Deze voorwaarden zijn een van de belangrijkste oorzaken van overlijden bij patiënten met SCI 3. Standaard longfunctietesten die respiratoire motorische functie te beoordelen zijn spirometrical en maximale luchtwegdruk uitkomsten: Forced Vital Capacity (FVC), geforceerde uitademing in een seconde (FEV 1), Maximal Inspiratoire Pressure (PI max) en de maximale expiratoire druk (PE max) 4,5. Deze waarden geven indirecte metingen van de ademhalingsspieren prestaties 6. In de klinische praktijk en onderzoek, een oppervlakte elektromyografie (EMG) opgenomen van ademhalingsspierenkan worden gebruikt voor respiratoire motorfunctie beoordelen en helpen diagnosticeren neuromusculaire pathologie. Echter, variabiliteit in de EMG amplitude remt inspanningen om objectieve en directe maatregelen van de respiratoire motorische functie 6 ontwikkelen. Op basis van een multi-spier EMG aanpak van motorische controle van de spieren van de ledematen 7, bekend als de respons index vrijwillige (VRI) 8 karakteriseren, hebben we een analyse-instrument ontwikkeld voor de ademhalingswegen motorische controle direct karakteriseren van EMG-gegevens opgenomen van meerdere ademhalingsspieren tijdens de vrijwillige respiratoire taken. We hebben dit de Respiratory Motor Control Assessment (KMMA) 9 genoemd. Deze vector analysemethode kwantificeert de hoeveelheid en de verdeling van de activiteit in de spieren en presenteert deze in de vorm van een index die de mate waarin sEMG uitgang binnen een test-onderwerp lijkt verhaalt dat uit een groep van gezonde (niet-gewonde) controles. De resulterende indexwaarde is aangetoond dat hoge face validity, gevoeligheid hebbenen specificiteit 9-11. We toonden eerder 9 dat het KMMA uitkomsten significant correleren met de niveaus van SCI en longfunctie maatregelen. We zijn hier de presentatie van de methode om kwantitatief na dwarslaesie respiratoire multi-spieractivatiepatronen vergelijken met die van gezonde personen.
Protocol
1. Instellingen
- Sternocleidomastoideus (SC), ongelijkzijdige (S), trapezius op midclaviculaire lijn (UT), claviculaire deel van pectoralis op midclaviculaire lijn (P: oppervlakte-elektrode hoofden werden over de spierbuiken van links (L) en rechts (R) ademhalingsspieren geplaatst ), middenrif bij parasternale lijn (D), intercostale bij 6e intercostale ruimte op de anterieure axillaire lijn (IC), rectusabdominus op umbilical niveau (RA), obliquus abdominis op midaxillaire lijn (O), lagere trapezius paraspinally op midscapular niveau (LT ), en paraspinale paraspinally on iliacale intercrestal lijn (PS) 6. De massa-elektroden werden geplaatst over het acromion processen. Een Motion Lab System Back Pack Unit, met aangehechte elektroden, was verbonden met een Motion Lab EMG Desk Top Unit en Powerlab System (figuur 1).
- T-stuk Monitoring Circuit de luchtwegdruk opnemen werd geassembleerd zoals getoond in figuur 2 en op de lage drukniveaure Transducer (MP45) met luchtslang.
- MP45 is verbonden CD15 en Powerlab System (figuur 1 en tabel 1).
2. KMMA Protocol
- De respiratoire motorische taken bestonden uit maximaal inspiratoire druk Task (MIPT) en maximale expiratoire druk Task (MEPT). Om MIPT of MEPT voeren, werden proefpersonen maximale ademinspanning produceren uit restvolume of expiratoire inspanning van de totale longcapaciteit voor 5 seconden via een T-stuk monitoring circuit (figuren 1 en 2). Elke manoeuvre werd ingelast door een hoorbaar 5-sec lange toon en herhaalde 3x. Minstens 1 min van rust mocht tussen elke inspanning.
- EMG-ingang werd vermeerderd met een winst van 2000; gefilterd bij 30-1,000 Hz en bemonsterd bij 2000 Hz. Luchtwegdruk ingang werd gekalibreerd op 100 cm water en bemonsterd bij 2000 Hz. De EMG en luchtwegdruk inputs werden omgezet door het Powerlab acquisitie systeem met 16-bits volledige schaal ADCresolutie. Luchtwegdruk, sEMG en marker signalen werden simultaan 9 opgenomen.
3. Data Analysis
- Multi-spieractiviteit distributie analyse ramen van 5 sec elk voor MIPT of MEPT werden bepaald uit de event marker en druk in de luchtwegen opgenomen met de cuing toon die het onderwerp gesignaleerd wanneer te beginnen en eindigen de taak (figuur 3). De EMG-activiteit voor elke spier werd berekend met behulp van een root mean square (RMS) algoritme 6,12 (figuur 4). Drie herhaalde proeven voor elke taak werden gemiddeld 13 voor elke spier (kanaal).
- De multi-spieractivatiepatronen werden geëvalueerd op basis van een vector analyse methode die bekend staat als de Vrijwillige Response Index (VRI) 8 (Figuren 4-6) met behulp van op maat gemaakte software Matlab (MathWorks). Voor elke manoeuvre, de VRI berekening produceert twee waarden, een Magnitude en een Gelijkenis Index (SI) (figuren 5-6).De parameter Magnitude de hoeveelheid gecombineerde EMG activiteit voor alle spieren binnen het tijdvenster, berekend als de lengte van de vector Response (RV) voor specifieke taak (figuur 7). De Gelijkenis Index (SI) geeft een waarde die uitdrukt hoe vergelijkbaar de RV van SCI onderhevig is aan de Prototype Response Vector (PRV) van gezonde proefpersonen tijdens dezelfde taak. De SI waarde werd berekend voor elke taak als een cosinus van de hoek tussen de SCI subject RV en PRV. De SI-waarde varieert tussen 0 en 1.0 waar waarde van 1.0 vertegenwoordigt de beste match voor vergelijking vectoren 9 (figuur 8).
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
Figuur 3 geeft de electromyogram en luchtwegdruk (bovenaan) simultaan opgenomen tijdens MEPT uit een niet-gewonde (links) en SCI (rechts) personen. Opmerking verminderde luchtwegdruk en afwezigheid van sEMG activiteit uitademingsspieren per SCI onderworpen in vergelijking met een niet-verwonde persoon (aangegeven met grijze ellipsen). Merk ook op dat de start van de taak, zoals aangegeven op de bodem, is geassocieerd met verhoogde sEMG actoren en van luchtwegdruk.
Figuur 4 belicht de belangrijkste stappen van de bouw van de RV. Het begin en einde van de taak (gebeurtenisvenster) werd gedefinieerd als datapunten (Stap 1) volgens de marker. De Root Mean Square (RMS) van sEMG binnen dit venster evenement vertegenwoordigt gemiddelde EMG-activiteit voor elke spier (stap 2). De RV wordt met behulp RMSS waarden voor de specifieke spier combinatie (stap 3).
Figuur 5 illustreert de berekening vanPRV en Magnitude een groep van niet-verwonde (gezonde) personen. Prototype reactie matrix werd geconstrueerd met behulp van individuele campers (stap 4). Elke kolom in de matrix prototype respons gegevens voor elk individu in de groep (n = 1,2, .., N) en elke rij geeft EMG-activiteit gekwantificeerd (RMSS) specifieke spier de alle personen in de groep. De PRV werd berekend door het gemiddelde van elke rij van de prototype responsmatrix (Stap 5). De Magnitude waarde vertegenwoordigt de lengte van de RV en werd berekend volgens de getoonde (Stap 6) formule.
Figuur 6 toont de stappen SI berekening. The RV (stap 7) en Hoogte (stap 8) voor bepaalde individuele SCI werden berekend als ook de figuren 4 en 5 weergegeven. De SI werd verkregen door berekening van het inproduct van PRV en RV (stap 9).
Figuren 7 en 8 tonen de constructie van de vectoren en berekeningschriften van de uitkomsten met behulp van echte gegevens. Deze berekeningen kunnen worden gemaakt met behulp van een geschikte software tool zoals Mathlab, Excel of anderen.
Tabel 1. Lijst van specifieke apparatuur en benodigdheden voor de Respiratory Motor Control Assessment.
Figuur 1. sEMG en luchtwegdruk opnameapparatuur gebruikt voor de Respiratory Motor Control Assessment. Klik hier om een grotere afbeelding te bekijken .
Figuur 2. T-stuk Monitoring Circuit met luchtslang bevestigingsset gebruikt om de druk in de luchtwegen d opnemenijdens MEPT. Merk op dat voor de MIPT, de lucht lekkende onderdeel moet worden omgedraaid om de inspiratoire zijde.
Figuur 3. EMG activiteit tijdens maximale expiratoire druk Task (MEPT) in een niet-gewonde Individuele en een onderwerp met Spinal Cord Injury (SCI). Luchtdruk ontwikkeld wordt getoond op de top (DRUK) en simultaan opgenomen EMG activiteit met gebeurtenismarkeerschakelaar (MARKER) op de bodem. Verticale grijze lijnen geven de 5-sec analyse vensters voor VRI berekeningen. Opmerking verminderde luchtwegdruk en afwezigheid van activiteit in uitademingsspieren: Rechts (R) en links (L) Intercostale (IC), Rechte buikspier (RA), en Oblique buikspier (O) in een SCI onderwerp in vergelijking met een niet-gewonde persoon ( gemarkeerd met grijze ellipsen). Andere spieren getoond: rechts (R) en links (L) Ster nocleidomastoid (SC), Scalene (S);. bovenste trapezius (UT), borstspier (P), Diafragma (D), Neder trapezius (LT), en paraspinale (PS) Klik hier om een grotere afbeelding te bekijken .
Figuur 4. Stappen voor het berekenen van de respons vector (RV). Merk op dat de RV in de specifieke taak werd geassembleerd met behulp Root Mean Square (RMS) berekend voor bepaalde spieren.
Figuur 5. Stappen voor het berekenen van de Prototype Response Vector (PVR). Merk op dat de RV van elk gezond individu in de groep werd gebruikt om de PVR maken en bereken de Magnitude.0178/50178fig5large.jpg "target =" _blank "> Klik hier om een grotere afbeelding te bekijken.
Figuur 6. Stappen voor het berekenen van de Similarity Index (SI) en Magnitude. Merk op dat de SI werd berekend met PRV en RV verkregen SCI subject (SRV). Merk ook op dat de Magnitude werd berekend als de lengte van de SRV. Klik hier om een grotere afbeelding te bekijken .
Figuur 7. Voorbeeld van PRV berekeningen met gegevens die zijn verkregen tijdens Maximum Expiratory Task (MEPT) in 17 niet-gewonde personen. Klik hier voor een grotere f bekijkenIGUUR.
Figuur 8. Voorbeeld van de VRI berekeningen met de gegevens die in maximale expiratoire Task (MEPT) bij gezonde (niet gewonde) en SCI individuen. Merk op dat in tegenstelling tot de niet-verwonde subject, afwezigheid en verminderde uitademingsspieren activiteit (IC, RA en O ) in de SCI individuele daalde de Gelijkenis Index (SI) waarde. Merk ook op lagere totale spieractiviteit in een SCI individu geassocieerd met een lagere Magnitude waarde. Klik hier om een grotere afbeelding te bekijken .
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
Standaard klinische tests om respiratoire motorische functie na SCI en andere aandoeningen te evalueren onder het longfunctieonderzoek en de American Spinal Injury Association Impairment Scale (AIS) evaluatie 14,15. Echter, deze instrumenten niet ontworpen voor kwantitatieve evaluatie van de romp en respiratoire motorbesturing. In onze eerder gepubliceerd werk 9, hebben wij aangetoond dat het KMMA een geldige methode van de luchtwegen motorfunctie die door SCI kwantitatief evalueren. We hebben aangetoond dat deze methode kan worden gebruikt ondanks test hertest en onderworpen tot onderwerp EMG amplitude variatie.
Om de mate van verschil (SI) kwantificeren het verspreidingspatroon geproduceerd door een geteste individu (RV) tegen normatieve vector (PRV) multi-spier, de PRV en RV worden geconstrueerd om verscheidene van spieren. De motorische taken kunnen variëren en zijn afhankelijk van studie ontwerp evenals de lijst van de spieren. In contrast de SI kan Magnitude waarden die de totale sEMG activiteit worden gemodificeerd door subject inspanning compenserende spieractiviteit en fysische eigenschappen van lichaamsweefsels.
De SI, terwijl de kwantitatieve meting van hoe dicht de multi-spieractivatiepatronen patroon is de normatieve patroon niet wordt beschreven op welke wijze het patroon verschillend zijn. Daarom is het essentieel om kwalitatief veranderingen in het patroon en individuele spieractivatie beschrijven. Bovendien is verder onderzoek nodig om EMG signalen onderzoeken extra parameters waarmee multi-en single-spieractivatie eigenschappen karakteriseren.
De hier gepresenteerde methode biedt een systematische manier om de motorische controle van de romp spieren gebruikt om de luchtwegen motorische taken uit te voeren in vergelijking met normatieve standaard maatregelen te evalueren. Naast een beschrijvende sEMG evaluatie om te onderzoeken op welke wijze de spieractiviteit patroon wordt gewijzigded, de VRI-berekeningen de verenigde indexwaarden waaruit de ernst van de storing kan worden vergeleken tussen individuen en veranderingen in de tijd worden bewaakt. Deze methode maakt de evaluatie van de luchtwegen embargostatus motor en de effecten van bestaande en nieuwe interventies gestoorde ademhaling motorische controle bij personen met SCI en andere stoornis.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
Geen belangenconflicten te verklaren.
Acknowledgments
Dit werk werd ondersteund door Christopher Reeve Foundation en Dana (Grant CDRF OA2-0802-2), Kentucky Spinal Cord en Head Injury Research Trust (Grant 9-10A - KSCHIRT), Craig H. Neilsen Foundation (Grant 1000056824 - HN000PCG) en de Nationale Institutes of Health: National Heart Lung and Blood Institute (Grant 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).
