Summary
Bu yayının amacı, kantitatif vektör tabanlı analizi kullanılarak kronik omurilik yaralanması olan kişilerde solunum kas aktivasyon kalıpları karakterize etmek için bir çok kas yüzeyel EMG yaklaşım bizim orijinal bir çalışma sunmaktır.
Abstract
Solunum sırasında, solunum kaslarının aktivasyonu beyin, beyin sapı ve omurilik entegre giriş tarafından koordine edilmektedir. Bu koordinasyon yaralanma seviyesinin altında innerve solunum kaslarının kontrolü 1,2 solunum kas disfonksiyonu ve pulmoner komplikasyonlara yol açabilir tehlikeye spinal kord yaralanması (SKY), tarafından bozulur zaman. Bu koşullar SCI 3 olan hastalarda önde gelen ölüm nedenleri arasında yer almaktadır. Zorlu Vital Kapasite (FVC), bir saniye içinde Zorlu soluk verme hacmi (FEV 1), Maksimum İnspiratuar Basınç (PI max) ve maksimal Ekspiratuar Basınç (PE max): Solunum motor fonksiyon değerlendirmek standart solunum fonksiyon testleri spirometrical ve maksimum hava yolu basıncı sonuçlarını içerir 4,5. Bu değerler solunum kas performansı 6 dolaylı ölçümleri sağlar. Klinik uygulama ve araştırma, bir yüzey elektromiyografi (sEMG) solunum kasları kaydedilensolunum motor fonksiyon değerlendirmek ve nöromüsküler patoloji teşhis için yardımcı olmak için kullanılabilir. Ancak, sEMG genlik değişkenlik solunum motor fonksiyon 6 objektif ve doğrudan önlemleri geliştirme çabaları engeller. Gönüllü yanıtı İndeks (VRI) 8 olarak bilinen bacak kasları 7, motor kontrolü karakterize etmek için bir çok kas sEMG yaklaşımına dayalı, biz gönüllü sırasında birden fazla solunum kasları kaydedilen veri sEMG doğrudan solunum motor kontrol karakterize etmek için analitik bir araç geliştirdi solunum görevleri. Bu Solunum Motor Kontrol Değerlendirmesi (RMCA) 9 olarak adlandırdığı. Bu vektör analiz yöntemi miktarı ve kas genelinde faaliyet dağıtım rakamlarla ve bir test-konu içinde sEMG çıkış benzer ne derece ilgilidir bir dizin şeklinde sunduğu bu sağlıklı (non-yaralı) kontrolleri bir grup. Elde edilen endeks değeri yüksek yüz geçerliliği, duyarlılığa sahip olduğu gösterilmiştirve özgüllük 9-11. Biz RMCA sonuçlarını önemli ölçüde SKY düzeyleri ve solunum fonksiyon önlemler ile ilişkili daha önce 9 gösterdi. Biz kantitatif sağlıklı bireylerin bu post-spinal kord yaralanması solunum çok kas aktivasyon kalıpları karşılaştırmak için buraya yöntemi sunuyoruz.
Protocol
1. Ayarlar
- SKM (SC), skalen (S), midklavikuler hatta (UT), midklavikuler hatta pektoralis klaviküler kısmı (P üst trapez: Yüzey elektrod kafaları sol (L) ve sağ (R) solunum kaslarının kas karnı üzerine yerleştirildi ), parasternal hattı (D), midscapular düzeyde paraspinally ön koltuk altı çizgisi üzerinde 6. interkostal (IC), göbek seviyesinde rektus abdominus (RA), midaxillary on line obliquus abdominis (O), alt trapez (LT interkostal üzerinde diyafram ), ve iliak intercrestal hattı (PS) 6 paraspinally paraspinal. Zemin elektrotlar akromiyon süreçleri üzerine yerleştirildi. Back Pack Birimi, ekli elektrotlar ile Hareket Lab Sistem, bir Motion Lab EMG Masa Üstü Birim ve Powerlab Sistemi (Şekil 1) bağlandı.
- Hava yolu basıncını kaydetmek için T-parçası izleme devresi Şekil 2 'de gösterildiği gibi monte edilmiş ve düşük pressu bağlandıHava borusu kullanarak yeniden Dönüştürücü (MP45).
- MP45 CD15 bağlı olan ve Powerlab sistemi (Şekil 1 ve Tablo 1).
2. RMCA Protokolü
- Solunum Motor görevleri Maksimum İnspiratuar Basınç Görev (MIPT) tarafından geliştirilen ve Maksimum Ekspirasyon Basınç Görev (MEPT) oluşuyordu. MIPT veya MEPT gerçekleştirmek için, konu rezidüel hacim veya bir T parçası İzleme Devre (Şekil 1 ve 2) ile 5 saniye için total akciğer kapasitesinden ekspiratuvar çabaları maksimum inspiratuar çaba üretmek istendi. Her manevra sesli bir 5-saniye uzun tonu ile cued ve 3x tekrarlandı. Dinlenme en az 1 dakika her çaba arasında izin verildi.
- EMG girişi 2.000 bir kazanç ile çoğaltıldı; 30-1,000 Hz filtre ve 2.000 Hz örneklenmiş. Hava yolu basıncı giriş su 100 cm kalibre ve 2.000 Hz örnekleri alındı. EMG ve hava yolu basıncı girişler 16-bit tam ölçekli ADC kullanarak Powerlab toplama sistemi tarafından dönüştürülmüştürçözünürlük. Hava yolu basıncı, sEMG ve işaretleyici sinyalleri eş zamanlı olarak 9 kaydedildi.
3. Veri Analizi
- MIPT veya MEPT için 5 sn Çok kas aktivitesi dağılımı analizi camlarına, her başlar ve (Şekil 3) görevi sona erdirmek için zaman konu işaret cuing tonu ile kaydedilen olay işaretleyici ve hava yolu basıncı belirlenmiştir. Her kas için sEMG aktivite kare (RMS) algoritması 6,12 (Şekil 4) ortalama bir kök kullanılarak hesaplanmıştır. Her görev için üç tekrar tekrar deneme her kas (kanal) için 13 ortalaması alınmıştır.
- Çok kas aktivasyon kalıpları ısmarlama Matlab yazılım (MathWorks) kullanarak Gönüllü Tepki Endeksi (VRI) 8 (Şekil 4-6) olarak bilinen bir vektör analizi yöntemine dayalı değerlendirildi. Her manevra için, VRI hesaplama iki değeri, bir Büyüklük ve Benzerlik Endeksi (SI) (Şekil 5-6) üretir.Büyüklük parametre, belirli bir zaman penceresi içinde tüm kaslar için kombine sEMG faaliyet miktarı, belirli bir görev için Tepki Vector (RV) (Şekil 7) uzunluğu olarak hesaplanmıştır. Benzerlik Endeksi (SI) SCI konunun RV aynı görevi sırasında sağlıklı elde edilen Prototip Tepki Vector (PRV) ne kadar benzer ifade eden bir değer sağlar. SI değeri SCI konu Karavan ve PRV arasındaki açı bir kosinüs olarak her görev için hesaplanmıştır. SI değeri 0 ve 1.0 değeri karşılaştırıldığında vektörleri 9 (Şekil 8) için en uygun temsil 1.0 arasında değişmektedir.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
Şekil 3 elektromiyogram ve aynı anda olmayan bir yaralı (solda) ve SCI (sağ) bireylerden MEPT sırasında kaydedilen havayolu basıncı (üstte) temsil eder. Not olmayan bir yaralı bireysel (gri elips ile işaretlenmiş) göre bir SCI konuda ekspiratuar kaslarda aktivite sEMG bir hava yolu basıncı ve yokluğu azalmıştır. Gibi alt işaretlenmiş görev başında, aktivite artışı sEMG ve yetiştirme hava yolu basıncı ile ilişkili olduğunu unutmayın.
Şekil 4, RV inşa temel adımları vurgular. Görevin başlangıç ve bitiş (olay penceresi) işaretleyici göre veri noktası (Aşama 1) olarak tanımlandı. Kök bu olay pencere içinde sEMG Meydanı (RMS) her kas (Adım 2) için ortalama sEMG faaliyet gösteren ortalama. Rv belirli kas kombinasyonu (Aşama 3) için RMSs değerler kullanılarak monte edilir.
Şekil 5'te hesabım göstermektedirPRV ve olmayan yaralı (sağlıklı) bir grup birey için Büyüklük. Prototip yanıt matrisinin tek RVs (Aşama 4) ile inşa edilmiştir. Prototip yanıt matris her sütun Gruptaki her birey için veri (.. n = 1,2, N) ve her satır grubundaki tüm bireylerin belirli kas miktarı sEMG aktivitesi (RMSs) temsil içerir. PRV prototip yanıt matrisi (Adım 5) her satırın ortalaması alınarak hesaplanmıştır. Büyüklük değeri RV uzunluğunu temsil eder ve (Aşama 6) gösterilen formüle göre hesaplanmıştır.
Şekil 6, SI hesaplaması için adımları göstermektedir. Ayrıca, Şekil 4 ve 5'te gösterildiği gibi belirli bir omurilik yaralanması birey için RV (Aşama 7) ve büyüklüğü (Aşama 8) hesaplandı. SI PRV, RV (Aşama 9) iç ürün hesaplanması ile elde edilmiştir.
Şekiller 7 ve 8 vektörlerin yapımı ve hesaplanan göstermektedirgerçek verileri kullanarak sonuçların lara. Bu hesaplamalar mathlab, Excel veya diğerleri gibi herhangi bir uygun yazılım kullanarak yapılabilir.
Tablo 1. Solunum Motor Kontrol Değerlendirme için kullanılan özel ekipman ve malzeme listesi.
Şekil 1. sEMG ve Solunum Motor Kontrol Değerlendirme için kullanılan hava yolu basıncı kayıt ekipmanları. büyük rakam görmek için buraya tıklayın .
Şekil 2. Hava borusu ile T parçası İzleme Devre havayolu basıncı d kaydetmek için kullanılan montajuring MEPT. MIPT için, parça sızıntı hava inspiratuar tarafına çevirdi gerektiğini unutmayın.
Şekil 3,. Olmayan yaralı Bireysel ve Spinal Kord Yaralanması (SKY) ile bir konuda Maksimum Ekspirasyon basınç Görev (MEPT) sırasında faaliyet sEMG. gelişmiş hava basıncı üst (BASINÇ) gösterilen ve aynı anda üzerine olay işareti (İŞARET) ile faaliyet sEMG kaydedilir alt. Dikey gri çizgiler VRI hesaplamalar için 5 saniye analiz pencereleri temsil eder. Not ekspiratuar kaslarda faaliyet hava yolu basıncı ve yokluğu azalmış: Sağ (R) ve Sol (L) interkostal (IC), Rektus Abdominus (RA), ve olmayan bir yaralı bireysel (kıyasla SCI konuda Eğik Abdominus (O) ) gri elips ile işaretlenmiş. Diğer kas gösterilmiştir: Sağ (R) ve Sol (L) Ster nocleidomastoid (SC), skalen (S);. Üst Trapezius (UT), Pektoralis (P), Diyafram (D), Alt Trapezius (LT) ve paraspinal (PS) büyük rakam görmek için buraya tıklayın .
Şekil 4. Yanıt Vector (RV) hesaplanması için adımlar. Belirli bir görev sırasında RV Kök kullanılarak monte olduğunu Not Meydanı (RMS) belirli kasları için hesaplanan değerleri ortalama.
Şekil 5,. Gruptaki her sağlıklı bireyden RV PVR oluşturmak ve Büyüklük hesaplamak için kullanıldığını Prototip Tepki Vector (PVR). Not hesaplanması için adımlar.0178/50178fig5large.jpg "target =" _blank "> büyük rakam görmek için buraya tıklayın.
6 Şekil. SI PRV ve SCI konu (SRV) elde edilen RV kullanılarak hesaplanmıştır olduğu Benzerlik Endeksi (SI) ve Büyüklük hesaplanması için adımları. Not. Büyüklük SRV uzunluğu olarak hesaplandı unutmayın. büyük rakam görmek için buraya tıklayın .
Şekil 7. 17 olmayan yaralı bireylerde Maksimum Ekspirasyon Görev (MEPT) sırasında elde edilen veriler kullanılarak PRV hesaplama örneği. büyük f görmek için buraya tıklayınŞEKIL.
Şekil 8. Maksimum sağlıklı Ekspirasyon Görev (MEPT) (non-yaralı) ve SCI bireyler sırasında elde edilen verileri kullanarak VRI hesaplama örneği. Unutmayın olmayan yaralı konu, yokluğunda aksine ve (IC, RA, ve O ekspiratuar kas aktivitesinde azalma SCI bireysel) Benzerlik Endeksi (SI) değeri düşmüştür. Ayrıca düşük Büyüklük değeri ile ilişkili bir SCI bireyde genel olarak daha az kas aktivitesi dikkat. büyük rakam görmek için buraya tıklayın .
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
SCI ve diğer bozukluklar sonra solunum motor fonksiyon değerlendirmek için standart klinik testler solunum fonksiyon testleri ve Amerikan Spinal Yaralanma Birliği Yetersizlik Skalası (AIS) değerlendirme 14,15 içerir. Ancak, bu araçlar gövde ve solunum motor kontrol nicel değerlendirmesi için tasarlanmamıştır. Bizim daha önce yayınlanmış çalışma 9, biz RMCA kantitatif SCI etkilenen solunum motor fonksiyon değerlendirmek için geçerli bir yöntem olduğunu göstermiştir. Bu yöntem test-tekrar test ve konu-hedef EMG genlik değişkenlik rağmen kullanılabileceğini göstermiştir.
Normatif vektörü (PRV) karşı test edilmiştir birey (RV) tarafından üretilen çoklu kas dağılım örnekleri farklılık derecesini (SI) ölçmek amacıyla, PRV ve RV kas herhangi bir kombinasyonu için inşa edilebilir. Motor görevler değişir ve çalışma tasarımı hem de kas listesinde bağlı olabilir. CoSI için ntrast, genel sEMG faaliyet gösteren Büyüklük değerleri, konu çaba, telafi edici kas aktivitesi ve vücut dokularının fiziksel özellikleri ile değiştirilebilir.
Desenin farklı olabilir ve şekilde SI, çoklu kas aktivasyon paterni normatif desen kadar yakın nicel ölçüsü sağlarken, tarif etmez. Bu nedenle, bu niteliksel model ve tek bir kas aktivasyonu değişiklikler açıklanmaktadır için gereklidir. Buna ek olarak, çok daha fazla çalışma ve tek kas aktivasyonu özelliklerini karakterize etmek için hangi ek parametreler için SEMG sinyalleri incelemek için gereklidir.
Burada sunulan yöntem, normatif standart yöntemleri ile karşılaştırıldığında solunum motoru görevleri gerçekleştirmek için kullanılan gövde kaslarının motor kontrol değerlendirmek için sistematik bir yol sağlar. Kas aktivasyon desen değiştirmek edildiği şekilde araştırmak için açıklayıcı bir sEMG değerlendirme ek olaraked, VRI hesaplamalar bozulma şiddeti zaman içinde bireyler ve değişiklikler arasında karşılaştırılabilir izlenebilir hangi birleşik endeks değerleri sağlar. Bu yöntem, solunum motor kontrol durumunun değerlendirilmesi ve SCI ve diğer bozukluğu olan kişilerde bozulmuş solunum motor sistem üzerindeki mevcut ve yeni girişimlerin etkisini sağlar.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
Ilan etmek herhangi bir çıkar çatışması.
Acknowledgments
, Craig H. Neilsen Vakfı (Hibe 1000056824 - HN000PCG) ve Ulusal - Bu çalışma Christopher ve Dana Reeve Vakfı (Hibe CDRF OA2-0802-2), Kentucky Omurilik ve Kafa Travması Araştırma Vakfı (KSCHIRT Grant 9-10A) tarafından desteklenmiştir Sağlık Enstitüleri: Ulusal Kalp Akciğer ve Kan Enstitüsü (Hibe 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).
