Summary
Lo scopo di questa pubblicazione è quello di presentare il nostro lavoro originale su un approccio elettromiografico di superficie multi-muscolare per caratterizzare quantitativamente pattern di attivazione dei muscoli respiratori in persone con lesione cronica del midollo spinale utilizzando l'analisi su base vettoriale.
Abstract
Durante la respirazione, l'attivazione dei muscoli respiratori è coordinato da ingresso integrato dal cervello, tronco encefalico e del midollo spinale. Quando questo coordinamento è interrotta da lesioni del midollo spinale (SCI), il controllo dei muscoli respiratori innervati di sotto del livello di lesione è compromessa 1,2 che porta alla disfunzione dei muscoli respiratori e complicanze polmonari. Queste condizioni sono tra le principali cause di morte nei pazienti con SCI 3. Standard di test di funzionalità polmonare che valutano la funzione motoria respiratoria includono respiratorie esiti spirometrical e massima pressione: Capacità Vitale Forzata (FVC), volume espiratorio forzato in un secondo (FEV1), massima pressione inspiratoria (PI max) e massima pressione espiratoria (PE max) 4,5. Questi valori forniscono misurazioni indirette di performance dei muscoli respiratori 6. Nella pratica clinica e di ricerca, una elettromiografia di superficie (sEMG) registrata da muscoli respiratoripuò essere utilizzato per valutare la funzione respiratoria motore e aiutare a diagnosticare patologia neuromuscolare. Tuttavia, la variabilità di ampiezza sEMG inibisce gli sforzi per sviluppare misure oggettive e diretto della funzione motoria respiratoria 6. Sulla base di un approccio sEMG multi-muscolare per caratterizzare il controllo motorio dei muscoli degli arti 7, noto come indice di risposta volontaria (VRI) 8, abbiamo sviluppato uno strumento analitico per caratterizzare il controllo motorio respiratorio direttamente da EMG dati registrati da più muscoli respiratori durante il volontariato compiti respiratorie. Abbiamo definito questo il respiratoria Motor Control Assessment (RMCA) 9. Questo metodo di analisi vettoriale quantifica la quantità e la distribuzione di attività fra muscoli e la presenta in forma di un indice che correla il grado in cui l'uscita sEMG all'interno di un test-soggetto assomiglia a quella di un gruppo di sani (non feriti) controlli. Il valore di indice risultante ha dimostrato di avere validità elevata viso, sensibilitàe specificità 9-11. Abbiamo dimostrato in precedenza 9 che gli esiti RMCA correlano in modo significativo con i livelli di SCI e le misure di funzionalità polmonare. Vi presentiamo qui il metodo per confrontare quantitativamente lesioni respiratorie pattern di attivazione multi-muscolare spinale post-spinale a quelli di individui sani.
Protocol
1. Impostazioni
- Teste di elettrodi di superficie sono stati collocati sopra i ventri muscolari di sinistra (L) e destro (R) muscoli respiratori: sternocleidomastoideo (SC), scaleno (S), trapezio superiore sulla linea medio-clavicolare (UT), porzione clavicolare del pettorale sulla linea medio-clavicolare (P ), diaframma sulla linea parasternale (D), intercostale, 6 ° spazio intercostale sulla linea ascellare anteriore (IC), retto addominale a livello ombelicale (RA), obliquo dell'addome sulla linea ascellare media (O), trapezio inferiore paraspinally a livello midscapular (LT ), e paraspinale paraspinally on iliaca intercrestal linea (PS) 6. Gli elettrodi di massa sono stati collocati durante i processi acromion. Un Laboratorio Motion System Back Pack Unit, con elettrodi applicati, è stato collegato a un movimento Lab EMG Desk Top Unità e Powerlab sistema (Figura 1).
- T-pezzo Monitoraggio circuito di registrare la pressione delle vie aeree è stato assemblato come mostrato in figura 2 e collegata alla bassa pressioneRe trasduttore (MP45) utilizzando tubo dell'aria.
- MP45 era collegato a CD15 e Powerlab Sistema (Figura 1 e Tabella 1).
2. RMCA protocollo
- I compiti motori respiratorie consistevano di massima Task Pressione inspiratoria (MIPT) e Massimo Task pressione espiratoria (MEPT). Per eseguire MIPT o MEPT, soggetti è stato chiesto di produrre il massimo sforzo inspiratorio da volume residuo o sforzi espiratori dalla capacità polmonare totale per 5 secondi utilizzando un circuito di monitoraggio a T (figure 1 e 2). Ogni manovra è stata provocata da un udibile suono lungo 5 sec e ripetuto 3 volte. Almeno 1 min di riposo è stato consentito tra ogni sforzo.
- Ingresso EMG è stato amplificato con un guadagno di 2.000; filtrata a 30-1,000 Hz e campionato a 2000 Hz. Ingresso pressione delle vie aeree è stato tarato a 100 cm di acqua e di campionato a 2000 Hz. Gli ingressi di pressione EMG e delle vie aeree sono stati convertiti dal sistema di acquisizione Powerlab usando 16 bit di fondo scala ADCrisoluzione. Segnali di pressione delle vie aeree, sEMG e indicatore sono stati registrati simultaneamente 9.
3. Analisi dei dati
- Multi-muscolo attività di distribuzione analisi finestre di 5 secondi ciascuno per MIPT o MEPT sono stati determinati dal marcatore di evento e pressione delle vie aeree registrate con il tono cuing che segnalava il soggetto quando iniziare e terminare l'attività (Figura 3). L'attività EMG per ciascun muscolo è stata calcolata usando una radice quadrata (RMS) algoritmo 6,12 (Figura 4) media. Tre prove ripetute per ogni attività sono stati in media 13 per ogni muscolo (canale).
- I pattern di attivazione di multi-muscolari sono stati valutati sulla base di un metodo di analisi vettoriale noto come indice di risposta volontaria (VRI) 8 (figure 4-6) utilizzando su misura software Matlab (MathWorks). Per ogni manovra, il calcolo VRI produce due valori, una grandezza e un indice di somiglianza (SI) (Figure 5-6).Il parametro Entità, la quantità di attività sEMG combinato per tutti i muscoli all'interno della finestra temporale specifica, è stata calcolata come lunghezza del vettore di risposta (RV) per un'attività specifica (Figura 7). L'indice di similarità (SI) fornisce un valore che esprime quanto simile la RV di SCI soggetto è al vettore di risposta Prototype (PRV), prelevati da soggetti sani durante la stessa operazione. Il valore SI è stato calcolato per ogni operazione come coseno dell'angolo tra il soggetto e RV PRV SCI. Il valore SI varia tra 0 e 1,0 dove valore 1.0 rappresenta la migliore corrispondenza per vettori confrontati 9 (Figura 8).
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Representative Results
La figura 3 rappresenta la elettromiografia e la pressione delle vie aeree (in alto) contemporaneamente registrato durante MEPT da un non-danneggiati (a sinistra) e SIC (a destra) individui. Nota diminuita pressione delle vie aeree e l'assenza di attività EMG in muscoli espiratori in un soggetto SCI rispetto ad un individuo non feriti (contrassegnati con ellissi di grigio). Si noti inoltre che all'inizio del compito, come indicato sul lato inferiore, è associata ad un aumento EMG attività e aumentando la pressione delle vie aeree.
Figura 4 evidenzia le principali fasi di costruzione del camper. L'inizio e la fine del compito (finestra evento) è stato definito come punti dati (Fase 1) secondo il marcatore. Il Root Mean Square (RMS) di EMG all'interno di questa finestra evento rappresenta l'attività EMG medio per ogni muscolo (Fase 2). La RV è assemblato utilizzando valori RMSS per la combinazione muscolo specifico (Passaggio 3).
La figura 5 illustra calcoloil PRV e la sua grandezza per un gruppo di non-danneggiati (sano) individui. Matrice di risposta prototipo è stato costruito utilizzando i singoli camper (Fase 4). Ogni colonna della matrice di risposta prototipo include i dati per ogni singolo del gruppo (n = 1,2, .., N) e ogni riga rappresenta quantificato l'attività EMG (RMSS) del muscolo specifico dai tutti gli individui del gruppo. Il PRV stato calcolato prendendo la media di ogni riga della matrice di risposta prototipo (Passaggio 5). Il valore di grandezza rappresenta la lunghezza del RV ed è stato calcolato secondo la formula indicata (Passaggio 6).
La Figura 6 mostra passaggi per il calcolo SI. La RV (passo 7) e la sua grandezza (passo 8) per particolare SCI individuale sono state calcolate come indicato anche su figure 4 e 5. Il SI è stato ottenuto calcolando il prodotto interno di PRV e RV (Passo 9).
Le figure 7 e 8 illustrano la costruzione dei vettori e calcololamenti degli esiti utilizzando dati reali. Questi calcoli possono essere effettuati utilizzando qualsiasi strumento adeguato software come Matlab, Excel o altri.
Tabella 1. Elenco delle attrezzature e forniture specifiche utilizzate per la Respiratory Assessment Controllo motore.
Figura 1. sEMG e apparecchi di controllo della pressione delle vie aeree utilizzate per la valutazione respiratoria controllo del motore. Clicca qui per ingrandire la figura .
Figura 2. T-pezzo Circuito di monitoraggio con camera d'aria Assemblando utilizzato per registrare la pressione delle vie aeree durante MEPT. Si noti che per la MIPT, l'aria che perde parte dovrebbe essere capovolto a lato inspiratorio.
Figura 3. EMG attività durante Massimo Task pressione espiratoria (MEPT) in un individuo non feriti e un soggetto con lesioni del midollo spinale (SCI). Pressione d'aria sviluppato è riportato sulla parte superiore (pressione) e contemporaneamente registrata EMG attività con contrassegno evento (MARKER) sul inferiore. Linee grigie verticali rappresentano le-sec 5 finestre di analisi per i calcoli VRI. Nota diminuita pressione delle vie aeree e di assenza di attività nei muscoli espiratori: Destro (R) e sinistro (L) intercostale (IC), Retto Addominale (RA), e addominale obliquo (O) in un soggetto SCI rispetto ad un individuo non feriti ( contrassegnato con ellissi grigi). Altri muscoli mostrati: Destro (R) e sinistro (L) Ster nocleidomastoid (SC), Scalene (S). trapezio superiore (UT), Pettorale (P), diaframma (D), trapezio inferiore (LT), e paraspinale (PS) Clicca qui per ingrandire la figura .
Figura 4. Passi per il calcolo del vettore di risposta (RV). Si noti che il camper durante il compito specifico è stato assemblato utilizzando Root Mean Square (RMS) valori calcolati per i muscoli specifici.
Figura 5. Passi per il calcolo del Prototipo vettore di risposta (PVR). Si noti che il camper da ogni individuo sano nel gruppo è stato utilizzato per creare il PVR e calcolare la sua grandezza.0178/50178fig5large.jpg "target =" _blank "> Clicca qui per ingrandire la figura.
Figura 6. Passi per il calcolo dell'Indice di somiglianza (SI) e la grandezza. Si noti che il SI è stato calcolato utilizzando PRV e la RV ottenuto da SCI soggetto (SRV). Si noti inoltre che l'entità è stata calcolata come la lunghezza della SRV. Clicca qui per ingrandire la figura .
Figura 7. Esempio di calcolo PRV utilizzando i dati ottenuti nel corso delle attività massima espirazione (MEPT) in 17 soggetti non feriti. Clicca qui per ingrandire fIGURA.
Figura 8. Esempio dei calcoli VRI utilizzando i dati ottenuti nel corso delle attività massima espirazione (MEPT) in buona salute (non feriti) e SCI individui. Si noti che a differenza del soggetto non feriti, di assenza e ridotta attività muscolare espiratorio (IC, RA, e O ) nell'individuo SCI diminuito il valore di indice di similarità (SI). Si noti inoltre l'attività muscolare complessivo inferiore a un individuo SCI associato valore di grandezza inferiore. Clicca qui per ingrandire la figura .
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Discussion
Test clinici standard per valutare la funzione respiratoria del motore dopo SCI e altri disturbi includono le prove di funzionalità respiratoria e l'American Spinal Injury Association Impairment Scale (AIS) di valutazione 14,15. Tuttavia, questi strumenti non sono progettati per la valutazione quantitativa del tronco e controllo motorio respiratorio. Nel nostro lavoro precedentemente pubblicata 9, abbiamo dimostrato che la RMCA è un metodo valido per valutare quantitativamente la funzione motoria respiratoria colpite da SCI. Abbiamo dimostrato che questo metodo può essere utilizzato nonostante test-re-test e soggetto-soggetto ampiezza EMG variabilità.
Al fine di quantificare il grado di differenza (SI) nei modelli di distribuzione multi-muscolari prodotte da un individuo testato (RV) contro il vettore normativo (PRV), il PRV e RV possono essere costruiti per qualsiasi combinazione di muscoli. I compiti del motore possono variare e dipendono dalla progettazione di studio nonché l'elenco dei muscoli. In contrast per il SI, valori di ampiezza, che rappresentano l'attività complessiva sEMG, possono essere modificati per argomento sforzo, l'attività muscolare di compensazione, e le proprietà fisiche dei tessuti del corpo.
Il SI, fornendo la misura quantitativa come chiudere il pattern di attivazione multi-muscolare è il modello normativo, non descrive in che modo il modello può essere differente. Per questo motivo, è indispensabile descrivere qualitativamente cambiamenti nel modello e attivazione muscolare individuale. Inoltre, sono necessari ulteriori studi per esaminare i segnali sEMG per parametri aggiuntivi con cui caratterizzano multi e single-muscolare proprietà di attivazione.
Il metodo qui presentato fornisce un modo sistematico per valutare il controllo motorio dei muscoli del tronco utilizzati per eseguire le attività motorie respiratorie in confronto con misure standard normativi. Oltre ad una valutazione sEMG descrittiva per indagare in quale modo il pattern di attivazione muscolare viene alteratoed, i calcoli VRI forniscono i valori di indice unificate da cui la gravità della rottura possono essere confrontati tra gli individui e le variazioni nel tempo può essere monitorato. Questo metodo permette la valutazione dello stato di controllo motore respiratorie e gli effetti degli interventi esistenti e romanzo sulla compromissione controllo respiratorio motore in persone con SCI e altri disturbi.
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Disclosures
Nessun conflitto di interesse da dichiarare.
Acknowledgments
Questo lavoro è stato sostenuto da Christopher e Dana Reeve Foundation (Grant CDRF OA2-0802-2), Kentucky Spinal Cord e Head Injury Research Trust (Grant 9-10A - KSCHIRT), Craig H. Nielsen Foundation (Grant 1000056824 - HN000PCG) e nazionale 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
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