Summary
Formålet med denne publikasjonen er å presentere vår opprinnelige arbeidet med en multi-muskel overflate elektromyografi tilnærming til kvantitativt karakterisere åndedretts muskel aktivering mønstre hos personer med kronisk ryggmargsskade bruke vektor-basert analyse.
Abstract
Under pusting, er aktivering av respiratoriske muskler koordinert av integrerte innspill fra hjernen, hjernestammen og ryggmargen. Når denne samordningen blir forstyrret av ryggmargsskade (SCI), kontroll av respiratoriske muskler innervated under skaden nivået er kompromittert 1,2 medført respirasjonssvikt muskel dysfunksjon og lungekomplikasjoner. Disse forholdene er blant de viktigste årsakene til dødsfall hos pasienter med SCI tre. Standard lungefunksjonstester som vurderer luftveiene motorikk inkluderer spirometrical og maksimal luftveistrykk utfall: Forced Vital Capacity (FVC), forsert ekspiratorisk volum i ett sekund (FEV1), Maximal inspirasjonstrykk (PI max) og Maximal utåndingstrykk (PE max) 4,5. Disse verdiene gir indirekte målinger av respiratorisk muskel ytelse seks. I klinisk praksis og forskning, en overflate (sEMG) spilt inn fra pustemuskulaturenkan brukes til å vurdere luftveiene motorisk funksjon og bidra til å diagnostisere nevromuskulær patologi. Hemmer imidlertid variasjon i sEMG amplitude arbeidet med å utvikle objektive og direkte målinger av respiratorisk motorisk funksjon 6. Basert på en multi-muskel sEMG tilnærming for å karakterisere motorisk kontroll av lem muskler 7, kjent som frivillig respons indeks (VRI) 8, utviklet vi et analytisk verktøy for å karakterisere luftveiene motorisk kontroll direkte fra sEMG data registrert fra flere respiratoriske muskler under den frivillige respiratoriske oppgaver. Vi har kalt dette Respiratory Motor Control Assessment (RMCA) 9. Denne vektor analysemetode kvantifiserer mengden og fordelingen av aktiviteten over musklene og presenterer den i form av en indeks som relaterer den grad som sEMG utgang innen en test-emne ligner den fra en gruppe av friske (ikke-skadde) kontroller. Den resulterende indeksverdien har vist seg å ha høy ansikt gyldighet, følsomhetog spesifisitet 9-11. Vi viste tidligere 9 at RMCA utfall betydelig korrelert med nivåene av SCI og lungefunksjonen tiltak. Vi presenterer her en metode for å kvantitativt sammenligne post-ryggmargsskade respiratoriske multi-muskel aktivering mønstre som hos friske individer.
Protocol
En. Innstillinger
- Surface elektrode hoder ble plassert over muskelen magen til venstre (L) og høyre (R) pustemuskulaturen: sternocleidomastoid (SC), scalene (S), øvre trapezius på medioklavikularlinje (UT), clavicular delen av pectoralis på medioklavikularlinje (P ), pessar på parasternal linje (D), interkostalrom på 6 th interkostalrom på fremre aksillærlinje (IC), rectus abdominus på umbilical nivå (RA), obliquus abdominis på midtre aksillarlinje (O), nedre trapezius paraspinally på midscapular nivå (LT ), og paraspinal paraspinally på iliaca intercrestal linje (PS) 6. Bakken elektroder ble plassert over acromion prosesser. En Motion Lab System Back Pack Unit, med vedlagte elektroder, ble koblet til en Motion Lab EMG Desk Top Unit og Powerlab System (figur 1).
- T-stykket overvåkningskrets for å registrere luftpassasjetrykket ble montert som vist i figur 2 og som er koblet til lav plare Svinger (MP45) ved hjelp av luftrøret.
- MP45 ble koblet til CD15 og Powerlab system (figur 1 og tabell 1).
2. RMCA Protocol
- Luftveiene motoriske oppgaver besto av maksimum inspiratorisk trykk Task (MIPT) og Maximum utåndingstrykk Task (MEPT). For å utføre MIPT eller MEPT, ble fagene bedt om å produsere maksimalt inspiratorisk innsats fra restvolum eller ekspiratorisk innsats fra total lungekapasitet for 5 sek ved hjelp av et T-stykke Monitoring Circuit (figur 1 og 2). Hver manøver ble spolt av en hørbar 5-sekunders lang tone og gjentatt 3x. Minst 1 min hvile ble tillatt mellom hvert forsøk.
- EMG innspill ble forsterket med en gevinst på 2000, filtrert ved 30-1,000 Hz og samplet på 2000 Hz. Luftveistrykk innspill ble kalibrert på 100 cm med vann og samplet på 2000 Hz. EMG og luftveier press innganger ble konvertert av Powerlab oppkjøpet systemet ved hjelp av 16-bit fullskala ADCoppløsning. Luftveistrykk, sEMG og markør signalene ble spilt inn samtidig ni.
3. Data Analysis
- Multi-muskelaktivitet distribusjon analyse vinduer av 5 sek hver for MIPT eller MEPT ble bestemt fra arrangementet markør og luftveistrykk spilt inn med cuing tone som signaliserte faget når du skal begynne og avslutte oppgaven (figur 3). Den sEMG aktivitet for hver muskelgruppe ble beregnet ved hjelp av en root mean square (RMS) algoritme 6,12 (figur 4). Tre gjentatte forsøk for hver oppgave ble i gjennomsnitt 13 for hver muskelgruppe (kanal).
- Den multi-muskel aktivering mønstre ble evaluert basert på en vektor analyse metode som kalles det Frivillige Response Index (VRI) 8 (figur 4-6) ved hjelp av skreddersydde Matlab programvare (MathWorks). For hver manøver, produserer VRI beregningen to verdier, en styrke og en Likhet Index (SI) (Tall 5-6).Størrelsen parameter, mengden av kombinert sEMG aktivitet for alle muskler innen den egne tidsvinduet, ble beregnet som en lengde av Response vektor (RV) for spesifikk aktivitet (figur 7). Likheten Index (SI) gir en verdi som uttrykker hvor like RV av SCI faget er til Prototype Response Vector (PRV) hentet fra friske personer i samme oppgave. SI verdi ble beregnet for hver oppgave som en cosinus til vinkelen mellom SCI underlagt RV og PRV. SI verdien varierer mellom 0 og 1,0 hvor verdi på 1,0 representerer den beste match for sammenlignet vektorer 9 (Figur 8).
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
Figur 3 representerer electromyogram og luftveistrykk (på toppen) samtidig registrert under MEPT fra en ikke-skadde (til venstre) og SCI (høyre) individer. Merk redusert luftveistrykk og fravær av sEMG aktivitet i ekspiratoriske muskler i en SCI faget i forhold til en ikke-skadde individ (merket med grå ellipser). Merk også at start av oppgaven som er merket på bunnen, er assosiert med økt sEMG aktivitet og øke luftveistrykk.
Figur 4 fremhever de viktigste trinnene i byggingen av RV. Begynnelsen og slutten av oppgaven (event vindu) ble definert som datapunkter (Trinn 1) i henhold til markør. The Root Mean Square (RMS) av sEMG innenfor denne hendelsen vinduet representerer gjennomsnittlig sEMG aktivitet for hver muskelgruppe (trinn 2). RV er satt sammen ved hjelp RMSs verdier for den spesifikke muskel kombinasjon (trinn 3).
Fig. 5 illustrerer beregning avden PRV og dens Magnitude for en gruppe ikke-skadde (sunn) individer. Prototype respons matrise ble konstruert ved hjelp av individuelle RVs (trinn 4). Hver kolonne i prototypen respons matrise inneholder data for hver enkelt i gruppen (n = 1,2, .., N) og hver rad representerer kvantifisert sEMG aktivitet (RMSs) av spesifikke muskler fra alle personer i gruppen. Den PRV ble beregnet ved å ta gjennomsnittet av hver rad av prototypen respons matrise (trinn 5). Størrelsen verdien representerer lengden av RV og ble beregnet i henhold til formelen vist (trinn 6).
Fig. 6 viser trinnene for den SI beregning. RV (trinn 7), og dens absoluttverdi (Trinn 8) bestemt for SCI individ ble beregnet som også vist på figurene 4 og 5.. SI ble oppnådd ved å beregne den indre produkt av PRV og RV (trinn 9).
Figurene 7 og 8 viser konstruksjonen av vektorene og bereglinger av resultatene ved hjelp av reelle data. Disse beregningene kan gjøres ved hjelp av noen passende programvare verktøy som Mathlab, Excel eller andre.
Tabell 1. Liste over spesifikke utstyr som brukes til Respiratory Motor Control Assessment.
Figur 1. sEMG og luftveistrykk innspilling utstyr som brukes for Respiratory motorstyrekort Assessment. Klikk her for å se større figur .
Figur 2. T-stykke Monitoring Circuit med luft rør Montering brukes til å registrere luftveistrykk dutskillingsmodul MEPT. Vær oppmerksom på at for MIPT, bør luften lekker del vippes til inspiratorisk side.
Figur 3. sEMG aktivitet under Maximum utåndingstrykk Task (MEPT) i en ikke-skadde Individuell og et motiv med ryggmargsskade (SCI). Lufttrykk utviklet vises på toppen (TRYKK) og samtidig registrert sEMG aktivitet med arrangementet mark (MARKER) på bunnen. Vertikale grå linjene representerer 5-sekunders analyse vinduer for VRI-beregninger. Merk redusert luftveistrykk og fravær av aktivitet i ekspiratoriske muskler: Høyre (R) og Venstre (V) interkostale (IC), Rectus Abdominus (RA), og Oblique Abdominus (O) i en SCI underlagt forhold til en ikke-skadde individ ( merket med grå ellipser). Andre muskler som vises: Høyre (R) og Venstre (V) Ster nocleidomastoid (SC), Scalene (S);. øvre trapezius (UT), Pectoralis (P), Membran (D), nedre trapezius (LT), og paraspinal (PS) Klikk her for å se større figur .
Figur 4. Fremgangsmåte for beregning av Response Vector (RV). Merk at RV under den spesifikke oppgaven ble satt sammen ved hjelp Root Mean Square (RMS) verdier beregnet for spesifikke muskler.
Figur 5. Fremgangsmåte for beregning av Prototype Response Vector (PVR). Merk at RV fra hver frisk person i gruppen ble brukt til å lage PVR og beregne Magnitude.0178/50178fig5large.jpg "target =" _blank "> Klikk her for å se større figur.
Figur 6. Fremgangsmåte for beregning av Likhet Index (SI) og Magnitude. Merk at SI ble beregnet ved hjelp PRV og RV hentet fra SCI emne (SRV). Merk også at Magnitude ble beregnet som lengden på SRV. Klikk her for å se større figur .
Figur 7. Eksempel på PRV beregninger ved hjelp av data innhentet under Maximum Expiratory Task (MEPT) i 17 ikke-skadde personer. Klikk her for å se større figur.
Figur 8. Eksempel på VRI beregninger ved hjelp av data innhentet under Maximum Expiratory Task (MEPT) i sunn (ikke-skadde) og SCI individer. Merk at i motsetning til ikke-skadde gjenstand, fravær og redusert ekspiratorisk musklene aktivitet (IC, RA, og O ) i SCI enkelte redusert Likhet Index (SI) verdi. Legg også merke lavere samlet muskelaktivitet i en SCI enkelte forbundet med lavere Magnitude verdi. Klikk her for å se større figur .
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
Standard kliniske tester for å evaluere luftveiene motorisk funksjon etter SCI og andre lidelser omfatter de lungefunksjonstester og American Spinal Injury Association Verdifall Scale (AIS) evaluering 14,15. Imidlertid er disse verktøyene ikke utformet for kvantitativ evaluering av stammen og respiratorisk motorstyring. I vår tidligere publiserte arbeider 9, har vi vist at RMCA er en gyldig metode for kvantitativt å evaluere den respiratoriske motorisk funksjon påvirkes av SCI. Vi har vist at denne fremgangsmåte kan anvendes til tross for test-test på nytt og fag-til-gjenstand EMG amplitude variabilitet.
For å kvantifisere graden av forskjell (SI) i multi-muskel distribusjon mønstre produsert av en testet individ (RV) mot normative vektor (PRV), kan PRV og RV være konstruert for en kombinasjon av muskler. De motoriske oppgaver kan variere og avhenger av studiens design, samt listen over musklene. I contrast til SI, kan Magnitudeskalaer verdier, som representerer den samlede sEMG aktivitet, endres etter emne innsats, kompensatorisk muskelaktivitet, og fysiske egenskapene til kroppens vev.
SI, samtidig som det gir den kvantitative mål på hvor nær den multi-muskel aktivering mønsteret er til normative mønster, ikke beskriver på hvilken måte mønsteret kan være forskjellig. Av denne grunn er det viktig å beskrive kvalitativt endringer i mønsteret som blir individuelle muskel-aktivering. I tillegg er ytterligere studier for å undersøke sEMG signaler for flere parametere som å karakterisere multi-og single-muskel aktivering egenskaper.
Metoden som presenteres her gir en systematisk måte å vurdere motorisk kontroll av bagasjerommet musklene som brukes til å utføre luftveiene motoriske oppgaver i forhold til normative standard tiltak. I tillegg til en beskrivende sEMG evaluering for å undersøke på hvilken måte muskel aktivering mønsteret endreed, VRI beregninger gi enhetlige indeksverdier som alvorlighetsgraden av avbrudd kan sammenlignes på tvers av individer og endringer over tid kan overvåkes. Denne metoden gjør at evalueringen av luftveiene motorisk kontroll status og effekter av eksisterende og nye tiltak på svekket respiratorisk motorisk kontroll hos personer med ryggmargsskade og annen lidelse.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
Ingen interessekonflikt å fortolle.
Acknowledgments
Dette arbeidet ble støttet av Christopher og Dana Reeve Foundation (Grant CDRF OA2-0802-2), Kentucky Spinal Cord og hodeskader Research Trust (Grant 9-10A - KSCHIRT), Craig H. Neilsen Foundation (Grant 1000056824 - HN000PCG) og National Institutes of Health: nasjonale hjerte 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).
