Misurazione cardiaca Sistema Nervoso Autonomo (SNA) Attività nei bambini

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Summary

Misurazione delle attività del sistema nervoso autonomo di solito confini del ricercatore e partecipante al laboratorio, che possono fornire un ambiente intimidatorio ai bambini. L'Università Sistema di Monitoraggio Ambulatoriale VU (VU-AMS) dispositivo in grado di registrare cardiaco controllo autonomo in ogni ambiente. Il VU-AMS si è dimostrato molto suscettibili di sperimentazione nei bambini.

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van Dijk, A. E., van Lien, R., van Eijsden, M., Gemke, R. J., Vrijkotte, T. G., de Geus, E. J. Measuring Cardiac Autonomic Nervous System (ANS) Activity in Children. J. Vis. Exp. (74), e50073, doi:10.3791/50073 (2013).

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Abstract

Il sistema nervoso autonomo (ANS) controlla le funzioni automatiche principalmente corporee che sono impegnate nella omeostasi, come il battito cardiaco, la digestione, la frequenza respiratoria, salivazione, sudorazione e la funzione renale. L'ANS ha due rami principali: il sistema nervoso simpatico, preparando il corpo umano per l'azione nei momenti di pericolo e stress, e il sistema nervoso parasimpatico, che regola lo stato di riposo del corpo.

Attività ANS può essere misurata invasivo, per esempio mediante tecniche radiotracciante o registrazione microelettrodi su nervi superficiali, oppure può essere misurato in modo non invasivo mediante cambiamenti nella risposta di un organo come proxy per variazioni dell'attività ANS, per esempio delle ghiandole sudoripare o cuore. Misurazioni invasive hanno la più alta validità ma sono molto poco fattibile in campioni di grandi dimensioni in cui le misure non invasive sono l'approccio preferito. Effetti autonomici sul cuore possono essere attendibilmente quantificati dalla registrazionedell'elettrocardiogramma (ECG) in combinazione con il cardiogramma impedenza (ICG), che rispecchia le variazioni dell'impedenza torace in risposta alla respirazione e l'espulsione del sangue dal ventricolo all'aorta. Dalla respirazione e segnali ECG, sinusale respiratoria può essere estratto come misura di controllo parasimpatico cardiaco. Dal segnali eiezione ECG e, il periodo preejection può essere estratto come misura di controllo simpatico cardiaco. ECG e registrazione ICG è in gran parte fatta in laboratorio. Tuttavia, avendo il rapporto soggetti ad un laboratorio riduce notevolmente validità ecologica, non è sempre fattibile in grandi studi epidemiologici su larga scala, e può essere intimidatorio per i bambini piccoli. Un dispositivo ambulatoriale per ECG e ICG risolve contemporaneamente questi tre problemi.

Qui vi presentiamo un disegno di studio per una valutazione minimamente invasiva e rapida del controllo autonomico cardiaco nei bambini, con un amb convalidatoulatory dispositivo 1-5, l'Università sistema di monitoraggio ambulatoriale della VU (VU-AMS, Amsterdam, Paesi Bassi, www.vu-ams.nl ).

Protocol

1. Preparazione: Avvio

  1. Hai bisogno di:
    • un dispositivo di registrazione ambulatoriale di VU-AMS5fs (compreso un cavo di interfaccia a raggi infrarossi che si collega alla porta seriale RS232 di un PC o ad una porta USB).
    • 7 elettrodi (abbiamo usato ConMed 1690-003).
    • 2 pagano batterie AA.
    • una scheda di memoria CompactFlash vuota (VU-AMS5fs è stato ampiamente testato con la scheda da 1 GB 80x CF di Transcend (TS1GCF80), ma altre schede CF dovrebbe funzionare ugualmente).
    • un computer portatile o un PC con lettore di schede flash e il software di gestione di analisi dei dati (DAMS) Suite.
    • un cronometro.
    • lettore musicale con le storie e le cuffie per bambini e un piccolo materasso d'aria auto-gonfiabile sono opzionali.
  2. Controllare le impostazioni di ora e data sul PC portatile /, dal momento che questi vengono registrati come metadati sui file. Metta la scheda di memoria vuota e batterie cariche nel dispositivo VU-AMS (posizionamento di successo viene segnalato da un triple segnale acustico). Quando il dispositivo è in standby, la spia verde lampeggia due volte ogni dieci secondi. Questo indica che è pronto, ma non la registrazione. Ora collegate il dispositivo al computer utilizzando il cavo in dotazione e avviare il programma DAMS. Avviare la comunicazione con il dispositivo (selezionare 'dispositivo' la scheda e scegliere la modalità di connessione del caso, cavo infrarossi o bluetooth).
  3. Hanno il partecipante togliersi il / la sua usura superiore del corpo. Nei luoghi in cui verranno collocati gli elettrodi, pulire la pelle con l'alcol-salviette, e posizionare i sette elettrodi sul petto e sulla schiena (Figura 1). Quindi collegare i cavi seguendo lo schema dei colori, e collegarli al dispositivo.
  4. Verificare il tipo di batteria e indicazione della tensione della batteria (questo dovrebbe essere di circa 3,4 V per V alcaline e circa 2,4 per le batterie ricaricabili NiMH). Compila il campo di identificazione. Le frequenze di campionamento standard sono mostrati nella figura (figura 2).
  5. Misurare la distanza bra i due elettrodi al torace in millimetri, e riempire questo fuori nel campo 'ICG-V distanza'. Poi fare clic su 'Impostazioni invio' per inviare le impostazioni correnti / ID del dispositivo.
  6. Ora, l'opzione 'online' del programma dovrebbe essere utilizzato per visualizzare l'ECG, Az (questa è la respirazione) e dz / dt (questa è l'ICG). Il segnale Az riflette l'impedenza di base attraverso il torace, che dopo opportune filtraggio può essere utilizzato per estrarre il segnale di respirazione con alta fedeltà 7. Il segnale dZ / dt è la Az differenziato nel tempo e riflette rapidi cambiamenti Az legati alla espulsione del sangue dal ventricolo all'aorta.
    1. Un chiaro QRST-complesso dovrebbe essere rilevabile nel ECG. L'onda R dovrebbe essere alto e dovrebbe essere il picco con la maggiore ampiezza (assoluto) in entrambe le direzioni.
    2. L'Az dovrebbe essere entro -0.5 e +0.5 Ω maggior parte del tempo e dZ / dt tra -1 e 1 Ω / sec.
    3. Z 0 dovrebbe Always rimanere all'interno di un range di 8 a 20 Ω. Questa variazione riflette il fatto che il segnale di impedenza torace dipende dalla distanza tra gli elettrodi di misura che è una funzione della statura del bambino, e la 'bagnatura' della colonna torace racchiuso dalle elettrodi di misura, differenze nella composizione corporea (es. BMI) può influenzare l'ampiezza del segnale dZ / dt (massa grassa contenuto di acqua inferiore muscolare). Le differenze individuali in assoluto 0 ampiezza Z si riflettono anche nel segnale di Az, ma questo non influisce sulla determinazione di intervalli di tempo sistolici, che sono di ampiezza-indipendente.
    4. Il segnale Az dovrebbe riflettere la respirazione profonda del soggetto in modo chiaro (istruire il bambino a prendere un respiro profondo e lento espirare lentamente).
    5. Nel ICG la tipica forma d'onda verso l'alto che riflette la fase di eiezione cardiaca deve essere chiaramente individuabile. Leggero movimento del soggetto non dovrebbe distorcere il segnale dZ / dt. Se questi criteri non sono soddisfatti, re-pulire la pelle e ri-collegare gli elettrodi fino a quando si ottengono segnali soddisfacenti.
  7. Quando si sono raggiunti buoni segnali, avviare la registrazione dei dati premendo il pulsante 'start'. Si sente un bip riconoscendo l'inizio della registrazione e la luce verde lampeggia una volta ogni tre secondi. La registrazione ha iniziato. Chiudere il programma di VU-DAMS. A questo punto è possibile scollegare il dispositivo dal cavo di interfaccia.

2. Il periodo di registrazione

  1. Una volta che la registrazione è iniziata, chiedere al bambino di sdraiarsi per la prima condizione sperimentale. Quando il bambino è in posizione supina (senza head-up tilt) per due minuti, è poco (<2 s) Premere il piccolo pulsante nero sulla parte superiore del dispositivo. Premendo questo pulsante segna un evento speciale, e sarà in seguito aiuterà a identificare l'inizio di questa condizione nei dati.
  2. Dopo quattro minuti, premere nuovamente il pulsante dell'evento. Questo segnala la fine del sdraiatacondizione. Ora abbiamo il bambino sedersi e ripetere la procedura per questa seconda condizione. Premere il pulsante, attendere quattro minuti e premere nuovamente il pulsante. I bambini vengono istruiti a riposare tranquillamente durante queste condizioni.
  3. Per interrompere la misurazione, premere e tenere premuto il pulsante per almeno 3 sec. La spia lampeggia ogni 10 secondi per indicare che si è fermato ed è in 'stand by' modalità. Una volta che il dispositivo si è fermato, si può staccare la spina cavo dal connettore ed i fili dagli elettrodi.
  4. Rimuovere le batterie e il flash di forma scheda del dispositivo di VU-AMS e posizionare la scheda flash nell'unità lettore. Spostare i file acquisiti in una determinata directory (tipicamente il nome della directory sarà identico al soggetto identificatore utilizzato nel campo di identificazione).

3. L'elaborazione dei dati

  1. Aprendo i dati con programma VU-DAMS, i dati vengono convertiti automaticamente dal formato RAW (estensione. 5FS) </ Em> per un nuovo formato (estensione. Amsdata). Questo è il file di dati che la VU-DAMS userà nei passi successivi.
  2. Prima di estrarre l'Inter batte serie temporali di intervallo dal segnale ECG. Selezionare l'opzione Rileva scheda R-vette. Un algoritmo automatizzato in grado di rilevare tutti i R i picchi nel segnale ECG e selezionare (se presente) con periodi di bassissima qualità ECG per la rimozione. In alto a sinistra è indicato il numero di Blue (corretto), giallo (medio sospetto) o rosso (molto sospetto). Premendo il tasto '.' (DOT), il cursore si sposta alla prossima sospetto R-picco e l'utente può eliminare o aggiungere i marcatori di onde R a mano. Si raccomanda che almeno tutti i battiti altamente sospette vengono controllati visivamente.
  3. L'obiettivo principale è quello di ottenere un valore medio per la frequenza cardiaca, il periodo preejection (PEP) e misure di aritmia sinusale respiratoria (RSA, HF, RMSSD) attraverso le condizioni sperimentali utilizzate. Quindi procedere indicando quali periodi i dati grezzi corrispondono aqueste condizioni. Questo processo è chiamato 'etichettatura dei dati'. Selezionare la scheda Dati Etichetta. Due pannelli mostrano il segnale di frequenza cardiaca e segnale di movimento, rispettivamente, così come il tempo effettivo della registrazione.
  4. Posizionare il cursore del mouse nella barra in alto dove dice "clicca e trascina per aggiungere etichette" a circa l'ora di inizio della tua prima condizione e trascinare il mouse per il tempo della fine di quella condizione. Questi tempi sono o ottenuti da una traccia scritta di inizio e di fine (che è annotato durante la raccolta dei dati) oppure è possibile utilizzare marcatori di inizio e di arresto ottenuto dalla pressione del tasto all'inizio e alla fine di ogni condizione, che sono la verticale linee che attraversano i grafici delle risorse umane e di movimento.
  5. Ogni etichetta può essere assegnato un (unico) identificatore per segnalare una condizione particolare. Nel nostro caso abbiamo solo una categoria per le nostre etichette: condizione sperimentale. Questa categoria ha due valori: sdraiato e seduto.
  6. VU-DAMS ha bisogno di essere messi al corrente della sperimentazioneTal disegno da un cosiddetto file di configurazione di etichetta (label.cfg). Questo è un file ASCII che può essere aperto con la maggior parte degli editor di testo e, per esempio, si presenta così:
    # Exp_condition
    10 sdraiati
    11 seduta
  7. Inserendo il file label.cfg nella directory dei file. Amsdata, verrà caricato automaticamente dal programma VU-DAMS. Una volta che è stata fatta una etichetta, un pop up display apparirà con le categorie / valori elencati nel file label.cfg. Selezionare 'sdraiata' per la prima etichetta e 'seduto' per la seconda etichetta.
  8. Dopo l'etichettatura, selezionare la scheda 'scoring impedenza' a segnare il PEP nel cardiogramma impedenza. Per ciascuna delle condizioni di un insieme mediata viene visualizzato dZ / dt forma d'onda, tempo-locked all'ECG R-picco. Un ensemble media ECG è presentato sotto il dZ / dt della forma d'onda. Posizionare i quattro cursori verticali nelle posizioni corrette: ECG onde Q esordio (inizio attività elettrica), ICG B-punto (inizio della fase di espulsione), ICG dz / dt-min (velocità massima di espulsione), e ICG X-point (chiusura della valvola aortica - fine della fase di espulsione).
  9. Quindi, selezionare la scheda 'Respirazione Scoring' a segnare il picco-valle RSA utilizzando il respiratorio e segnali ECG. Automated respiro per respiro punteggio dell'intervallo respiratorio e l'intervallo di Interbeat durante l'inspirazione e il più lungo intervallo Interbeat durante l'espirazione può ora essere ispezionato. In genere l'algoritmo di rilevamento automatico non dovrebbe classificare più del 15% dei respiri come deviante - altrimenti controllare il segnale di respirazione e ottimizzare i parametri dell'algoritmo di rilevamento, se necessario.

    Linee guida per l'ispezione visiva dei segnali ECG, ICG e la respirazione e PEP interattivo e segnando RSA possono essere trovati sul sito web VU-AMS, www.vu-ams.nl .
  1. Infine, selezionare la scheda Informazioni Label. Una tabella con i risultati appare dopo il calcolo. Ogni riga rappresenta l'average valore di una serie di parametri fisiologici (frequenza cardiaca, PEP, RSA, RR) per ogni periodo di tempo etichettati. La prima colonna contiene l'identificatore oggetto (Label_ID). L'ultima colonna indica i valori di tutte le categorie utilizzate durante etichettatura (qui solo una singola categoria 'condizione sperimentale' con due valori, 'seduto' e 'sdraiato'). Poteri spettrali del dell'intervallo volte serie Interbeat sono riportati solo per etichette con una lunghezza minima di 4 minuti (in caso contrario viene visualizzato il codice mancante). Il foglio di calcolo in questo display può essere esportato in formato ASCII o Excel per ulteriori analisi statistiche.

Representative Results

Negli Amsterdam Nato bambini e il loro studio di sviluppo, uno studio prospettico, di coorte longitudinale nascita olandese, il protocollo di misurazione è stato avviato nel 3097 i bambini 6. L'approvazione è stata ottenuta dal Centro Comitato Accademico Medical Medical etico, il Centro Universitario Comitato Etico Medico VU Medical e il Comitato registrazione di Amsterdam. Tutte le madri partecipanti hanno dato il consenso informato scritto per sé e per i propri figli.

Poiché i monitor sono leggeri e discreti, i bambini tollerato queste misurazioni molto bene. Non abbiamo dati sul tasso di rifiuto, ma l'esperienza ci ha insegnato che solo pochi bambini resistito il posizionamento degli elettrodi e quindi ostruito ulteriore valutazione. Dei 3.097 immatricolazioni, 0,7% sono stati persi a causa di uno dei due guasti o smarrimento del file. Dei 3.074 immatricolazioni di sinistra, il 98,7% erano dei bambini che hanno completato l'intero protocollo (n = 3.056). All'interno di EAch dei periodi di tempo etichettati (originariamente abbiamo etichettati quattro periodi di tempo, ma in seguito sintetizzato questi per due), abbiamo riscontrato segnali ICG poco chiari, il che significa PEP non è stato possibile determinare. Ciò ha portato ad una perdita del 1,5% nel primo dei quattro periodi etichettati, 2,4% nel secondo, 2,8% nel terzo e del 4,1% nel quarto periodo. Dati completi su PEP in tutti i periodi di tempo era disponibile in 2.797 casi (91,5%, quindi la perdita di 8,5% a causa di segnali poco chiari ICG). I dati completi sulla frequenza cardiaca (HR), periodo di pre-espulsione (PEP) e aritmia sinusale respiratoria (RSA), così come il sesso e l'età, era disponibile da 2.761 bambini, in questa fase finale, la perdita di dati 1.3% si è verificato, a causa di motivi sconosciuti. Nel complesso, 89,2% delle iscrizioni iniziate portato a dati completi soggetti. L'età media dei bambini era 5,7 anni (SD 0.5, range interquartile 5.0:6.5), e il loro indice di massa corporea era 15,5 kg / m 2 (SD 1.5, range interquartile 13.9:17.2).

I valori medi delle principali variabili di esito HR, PEP, e RSA are riportato nella tabella 1 e graficamente illustrato nella figura 3, separatamente per i ragazzi e le ragazze. HR (sia sdraiato e seduto) e PEP (solo seduta) erano più alti nelle ragazze che nei ragazzi (due posizioni). RSA è stato inferiore nelle ragazze che nei ragazzi (entrambi posture). I valori più elevati per HR nelle bambine rischiano di essere causato dal vago (parasimpatico) controllo cardiaco più basso. La loro simpatica controllo cardiaco non era diversa o addirittura inferiore a quello nei ragazzi (seduto).

In entrambi i sessi, HR era maggiore quando si è seduti in crescita rispetto al sdraiato, mentre RSA era più bassa quando si siede su. Ciò riflette la minore controllo vagale quando si siede su. PEP è stato più breve sdraiati poi seduto. Questo effetto è stato anche come previsto, e riflette il risultato di processi opposti: attività simpatica inferiore (allunga PEP) sdraiati con un aumento del precarico (accorcia PEP) 7.

Ragazzi Ragazze
Sdraiati Seduto Sdraiati Seduto
Significare SD Significare SD Significare SD Significare SD
Frequenza cardiaca (bpm) 83.9 9.5 * 89.1 10 * † 86.9 10.1 92.4 10.4
Periodo di pre-espulsione (msec) 76.9 11.8 78.5 12.2 * † 77.7 10.3 81 11,7
Aritmia sinusale respiratoria (msec) 127.0 60.4 * 115,7 55.8 * † 121,7 56.8 108,7 51.9

Tabella 1. Misure cardiache del sistema nervoso autonomo a ragazzi e ragazze, di postura sulla differenza di postura. P <0.05 per un campione di T-test sulla differenza di sesso. † p <0,05 per campioni appaiati T-test.

Figura 1
Figura 1. I sette elettrodi devono essere posizionati sul petto e sulla schiena del partecipante. Il primo elettrodo ECG (V-) è postod leggermente inferiore destra osso collarino 4 cm a destra dello sterno. Il secondo elettrodo ECG (+ V) è posto alla punta del cuore sopra la nona costola sul margine laterale sinistra del torace approssimativamente al livello del xiphodius Processus. Il terzo elettrodo ECG (GND) è un elettrodo di massa ed è posto sul lato destro, tra le due costole inferiori al lato destro dell'addome. Il primo elettrodo di misura ICG (V 1) è posta all'estremità superiore dello sterno, tra le punte delle ossa collare. Il secondo elettrodo di misura ICG è posto al complesso xifoideo dello sterno, dove si incontrano le costole. I due elettrodi di corrente sono posti sul retro: I-sul dorso sopra la vertebra cervicale C4, almeno 3 cm (1 in) di cui sopra l'ICG misura elettrodo a V e I + tra le vertebre toraciche T8 e T9 sulla colonna vertebrale , almeno 3 cm (1 ") al di sotto della ICG misura elettrodo V 2. L'posizionamento degli elettrodi ICG tiene conto che la maggior parte del ventricolo sinistro driven cambio di impedenza toracica viene catturato dalla colonna tra soprasternale e la xiphoideus processus.

Figura 2
Figura 2. Le impostazioni tipiche utilizzate per la registrazione come visualizzato dal software DAMS dopo il collegamento al dispositivo di VU-AMS5fs. Clicca qui per ingrandire la figura .

Figura 3
Figura 3. Misure del sistema nervoso autonomo cardiaci nei ragazzi e ragazze, da postura. * Indica p <0,05 per un campione T-test sulla differenza di sesso. # Indicap <0,05 per campioni appaiati T-test sulla differenza di postura.

Discussion

Abbiamo utilizzato un dispositivo di registrazione ambulatoriale di misurare cardiaco controllo autonomo a 3097 bambini, di età compresa tra i 5 ei 7 anni. Sette elettrodi sufficienti a misurare l'ECG e ICG da cui la frequenza cardiaca, la variabilità della frequenza cardiaca e gli intervalli di tempo sistolici stati estratti. Variabilità della frequenza cardiaca nella banda di frequenza respiratoria (RSA) è un valido indicatore di attività parasimpatica cardiaca. L'intervallo di tempo sistolico, PEP, riflettendo contrattilità cardiaca, è un valido indicatore di attività simpatica cardiaca. I valori medi ottenuti per le risorse umane, PEP e RSA, gli effetti dei cambiamenti di postura e le differenze tra ragazzi e ragazze sono stati in linea con quello che ci si aspetterebbe dalla letteratura.

Poiché il monitoraggio ambulatoriale rimosso la necessità di valutazione in laboratorio le nostre registrazioni potevano essere fatte in varie sedi (ad esempio scuola, centro sportivo, museo della scienza), senza differenze di qualità di registrazione del segnale. Tuttavia, è diimportanza cruciale per standardizzare all'interno o tra i confronti tematiche per la postura e carico fisico, come effetti postcarico e del precarico possono co-determinare la PEP senza modifiche cardiaco unità simpatico 7. Concludiamo che la registrazione ambulatoriale dell'ECG e ICG in grandi campioni dei bambini è molto fattibile e proponiamo l'attuale disegno di studio standardizzato come modello utile per le valutazioni future del controllo autonomico cardiaco nei bambini.

Acknowledgements

AEvD è stato sostenuto dagli olandesi Heart Foundation (DHF-2007B103). Gli autori desiderano ringraziare tutte le mamme ei bambini nei Amsterdam Born i bambini e per il loro sviluppo (ABCD) di studio, e l'intero team di sviluppo e manutenzione del sistema di VU-AMS presso la Divisione per Strumentazione - il Dipartimento di Psicofisiologia (VU University, Amsterdam, Paesi Bassi).

Materials

Name Company Catalog Number Comments
VU-AMS5fs ambulatory recording device & infrared interface cable VU University Amsterdam n/a http://www.vu-ams.nl
Electrodes ConMed 1690-003
AA-batteries
CompactFlash memory card
Laptop/pc with flash card reader
VU-DAMS software suite VU University Amsterdam free download, http://www.vu-ams.nl
Stopwatch
Music player & headphones optional
Self-inflatable air mattress optional

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References

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