Måling Cardiac autonome nervesystem (ANS) Aktivitet i Børn

* These authors contributed equally
Medicine
 

Summary

Måling af autonome nervesystem aktivitet normalt begrænser forsker og deltager til laboratoriet, som kan give en truende miljø for børn. VU University Ambulant Monitoring System (VU-AMS) enhed kan optage hjerte autonom kontrol i alle omgivelser. Køretøjsenheden-AMS vist sig meget modtagelig for afprøvning hos børn.

Cite this Article

Copy Citation | Download Citations

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).

Please note that all translations are automatically generated.

Click here for the english version. For other languages click here.

Abstract

Det autonome nervesystem (ANS) styrer primært automatiske kropsfunktioner, der er involveret i homeostase, som puls, fordøjelsen, respirationsfrekvens, savlen, sved og nyrefunktion. ANS har to hovedgrene: den sympatiske nervesystem, forbereder kroppen til handling i tider med fare og stress, og det parasympatiske nervesystem, som regulerer den hvilende tilstand af kroppen.

ANS-aktivitet kan måles invasivt, for eksempel ved radiotracer teknikker eller mikroelektrode optagelse fra overfladiske nerver, eller det kan måles non-invasivt ved hjælp af ændringer i et orgel svar som en proxy for ændringer i ANS aktivitet, for eksempel af svedkirtlerne eller hjertet. Invasive målinger har den højeste gyldighed, men er meget dårligt lade sig gøre i stor skala prøver, hvor non-invasive foranstaltninger er den foretrukne metode. Autonome virkninger på hjerte kan opgøres pålideligt kvantificeres ved optagelsenaf elektrokardiogram (EKG) i kombination med den impedans kardiogram (ICG), der afspejler ændringerne i brystkassen impedans som reaktion på åndedræt og udstødning af blod fra ventriklen i aorta. Fra respiration og EKG signaler, kan respiratorisk sinusarytmi blive udtrukket som et mål for hjertets parasympatisk kontrol. Fra EKG og venstre ventrikels uddrivningsfraktion signaler, kan preejection periode ekstraheres som et mål for hjertets sympatiske kontrol. EKG og ICG-optagelse er for det meste udført i laboratoriet indstillinger. Men efter at have fagene rapport til et laboratorium i høj grad reducerer økologisk gyldighed, er ikke altid lade sig gøre i stor skala epidemiologiske undersøgelser, og kan være skræmmende for små børn. En ambulant enhed til EKG og ICG samtidig løser disse tre problemer.

Her præsenterer vi en undersøgelse for en minimalt invasiv og hurtig vurdering af hjerte autonom kontrol hos børn, ved hjælp af en valideret ambdelse fra enhed 1-5, VU University Ambulant Monitoring System (VU-AMS, Amsterdam, Holland, www.vu-ams.nl ).

Protocol

1.. Tilberedning: Start Up

  1. Du skal bruge:
    • en VU-AMS5fs ambulant enhed (herunder en infrarødt interface kabel, der enten forbinder til RS232 serielle port på en pc eller til en USB-port).
    • 7 elektroder (vi brugte CONMED 1690-003).
    • 2 opladet AA-batterier.
    • et tomt CompactFlash-hukommelseskort (VU-AMS5fs er blevet grundigt testet med 1GB 80x CF kort fra Transcend (TS1GCF80), men andre CF-kort bør arbejde også).
    • en bærbar computer eller pc med flash kortlæser og Data Analysis Management Software (DAMS) suite installeret.
    • et stopur.
    • musikafspiller med børns historier og hovedtelefoner og en lille selvstændig oppustelig luftmadras er valgfrie.
  2. Kontrollér klokkeslæt og dato på den bærbare computer / PC, da disse vil blive registreret som metadata på dine filer. Sæt den tomme hukommelseskortet og fulde batterier i VU-AMS-enhed (vellykket placering signaleres ved triple bip). Når enheden er på standby, vil det grønne lys blinke to gange hvert tiende sekund. Dette indikerer den er klar, men ikke optagelse. Nu tilslutte enheden til den bærbare computer med det medfølgende kabel og dæmningerne programmet. Indlede kommunikation med enheden (vælg fanebladet 'enhed', og vælg den relevante tilslutningsmetode tilstanden infrarød kabel eller bluetooth).
  3. Har deltageren tage hans / hendes overkrop slid. I de steder, hvor elektroderne skal placeres, skal du rense huden med alkohol-klude, og placere de syv elektroder på brystet og ryggen (figur 1). Derefter lægger ledningerne efter farveskema, og forbinde dem til enheden.
  4. Kontroller batteriets type og batterispændingen indikation (det bør være omkring 3,4 V til alkalisk og omkring 2,4 V for genopladelige NiMH-batterier). Udfyld identifikation felt. De typiske samplingfrekvenser er som vist i figuren (figur 2).
  5. Måle afstanden Between de to brystet elektroder i millimeter og fylde det ud i feltet 'ICG-V distance «. Klik derefter på 'send indstillinger' for at sende de aktuelle indstillinger / id til enheden.
  6. Nu skal 'Online' muligheden af ​​programmet skal bruges til at vise EKG, ΔZ (dette er respiration) og dZ / dt (dette er ICG). Den ΔZ signal afspejler basen impedans over brystkassen, som efter passende filtrering kan anvendes til at udvinde respirationssignalet med high fidelity 7.. DZ / dt-signal er ΔZ differentieres over tid og afspejler hurtige ændringer i ΔZ tilknytning til udslyngning af blod fra ventriklen i aorta.
    1. En klar QRST-kompleks, bør kunne spores i EKG. R-takken bør være opad, og det bør være toppen med den største (absolut) amplitude i begge retninger.
    2. Den ΔZ bør være inden -0,5 +0,5 Ω meste af tiden og dZ / dt mellem -1 og +1 Ω / sek.
    3. Z 0 bør ALWAys ophold inden for en 8 til 20 Ω rækkevidde. Denne variation afspejler, at brystkassen impedans signal afhænger af afstanden mellem måleelektroderne som er en funktion af barnets højde, og "wetness 'af thorax kolonnen omsluttet af måleelektroderne, forskelle i kroppens sammensætning (f.eks BMI) kan påvirke amplituden af ​​dZ / dt-signal (fedtmasse indeholder mindre vand end muskler). Individuelle forskelle i absolutte Z 0 amplitude afspejles også i ΔZ signal, men dette påvirker ikke fastlæggelsen af systoliske tidsintervaller, der er amplitude-uafhængig.
    4. Det ΔZ signal bør afspejle dyb vejrtrækning af emnet klart (instruere barnet til at tage en langsom dyb indånding og udånder langsomt).
    5. I ICG den typiske opadgående bølgeform afspejler hjertets udslyngning fase bør være klart påviselig. Light bevægelse af emnet ikke forvrider dZ / dt signal. Hvis disse kriterier ikke er opfyldt, re-rense huden og re-vedhæfte elektroderne indtil tilfredsstillende signaler opnås.
  7. Når gode signaler opnås, start dataregistrering ved at trykke på 'start' knappen. Du vil høre et bip anerkender starten af ​​optagelsen, og det grønne lys begynder at blinke en gang hvert tredje sekund. Registreringen er nu startet. Luk VU-DAMS program. Du kan nu frakoble enheden fra interfacekablet.

2.. Tilmeldingsperioden

  1. Når registreringen er startet, spørge barnet til at ligge ned for den første eksperimentelle tilstand. Når barnet har været i liggende stilling (uden head-up tilt) i to minutter, du kort tid (<2 s) du trykke den lille sorte knap på toppen af ​​enheden. Hvis du trykker på denne knap markerer en særlig begivenhed, og vil senere hjælpe dig med at identificere starten af ​​denne tilstand i dine data.
  2. Efter fire minutter skal du trykke på begivenheden knappen igen. Dette signalerer enden af ​​liggendetilstand. Nu har barnet sidde op og gentag proceduren for denne anden betingelse. Tryk på knappen, vente i fire minutter, og tryk på knappen igen. Børnene bliver bedt om at hvile roligt i disse forhold.
  3. For at stoppe målingen, tryk og hold knappen nede i mindst 3 sek. Lyset vil blinke hvert 10. sekund for at indikere den er stoppet, og er i 'stand by' mode. Når enheden er stoppet, kan du koble ledningstråden stik fra stikket og ledningerne fra elektroderne.
  4. Fjern batterier og flash card danner VU-AMS-enhed og placere flash-kortet i læseren enheden. Flyt de erhvervede filer til en udpeget mappe (typisk navnet på biblioteket vil være identisk med emnet identifikator anvendes til identifikation felt).

3.. Behandling af data

  1. Efter åbning data med VU-DAMS program, bliver data automatisk konverteret fra rå data format (forlængelse. 5FS) </ Em> til et nyt format (forlængelse. Amsdata). Dette er den datafil, VU-DAMS vil bruge i de efterfølgende trin.
  2. Første udtrække Inter beat Interval tidsserier fra EKG-signalet. Vælg Detect R-toppe fane. En automatiseret algoritme vil registrere alle R-toppe i EKG-signalet, og vælg (hvis de findes) perioder med meget lav EKG kvalitet til fjernelse. I øverste venstre hjørne af antallet af Blå (korrekt), Gul (medium mistænkelig), eller RØD (meget mistænkeligt) er angivet. Ved at trykke på '.' (DOT) cursoren flyttes til den næste mistænkelige R-peak, og brugeren kan slette eller tilføje markører for R-bølger i hånden. Det anbefales, at mindst alle meget mistænkelige beats visuelt inspiceres.
  3. Hovedformålet er at opnå en gennemsnitlig værdi for puls, den preejection periode (PEP), og foranstaltninger af respiratorisk sinusarytmi (RSA, HF, RMSSD) på tværs af de eksperimentelle anvendte betingelser. Går derfor ved angivelse af hvilke perioder i rådata svarer tildisse betingelser. Denne proces kaldes "data mærkning". Vælg Label fanen Data. To paneler viser pulssignalet og bevægelse signal henholdsvis, samt selve tidspunktet for optagelsen.
  4. Placer musemarkøren i den øverste bjælke, hvor der står "klik og træk for at tilføje etiketter" på omkring starttidspunktet for din første tilstand og trække med musen for at sluttidspunktet for denne betingelse. Disse tider er enten opnået fra et skriftligt referat af start og stop tider (som du noterede ned under dataindsamling), eller du kan bruge start-og stop markører fås fra at trykke på knappen ved starten og slutningen af ​​hver tilstand, som er den lodrette linier der løber tværs HR og bevægelse grafer.
  5. Hver etiket kan gives et (unikke) identifikator til at signalere en bestemt tilstand. I vores tilfælde har vi kun én kategori for vores labels: eksperimentel tilstand. Denne kategori har to værdier: liggende ned og sidde op.
  6. VU-DAMS skal gøres opmærksom på eksperital design af en såkaldt label konfigurationsfil (label.cfg). Dette er en ASCII-fil, der kan åbnes med de fleste teksteditorer, og, for eksempel, ser sådan ud:
    # Exp_condition
    10 liggende
    11 sidde op
  7. Ved at placere label.cfg filen i mappen med de. Amsdata filer, vil det automatisk blive indlæst af VU-DAMS program. Når mærket er blevet foretaget, vil en pop up skærm med de kategorier / værdier, der er anført i label.cfg fil. Vælg 'liggende' for den første etiket og "sidde op" for den anden etiket.
  8. Efter mærkning vælge 'impedans scoring' fanen for at score PEP i impedans kardiogram. For hver af de betingelser et ensemble gennemsnit dZ / dt bølgeform vises, tid-låst til EKG R-peak. Et ensemble gennemsnit EKG præsenteres under dZ / dt bølgeform. Placer de fire lodrette markører i de korrekte positioner: EKG Q-bølge debut (start af elektrisk aktivitet), ICG B-punktet (starten af ​​udslyngning fase), ICG dz / dt-min (maksimal udslyngning hastighed), og ICG X-point (aortaklaplukken - end for udslyngning fase).
  9. Dernæst skal du vælge den "Respiration Scoring 'fanen for at score peak-dalen RSA bruge åndedræts-og EKG-signaler. Automatiseret ånde-til-ånde scoring af luftvejene interval og den korteste mellemslagsinterval under inspiration og den længste mellemslagsinterval under udånding kan nu kontrolleres. Typisk automatiseret påvisning algoritme ikke klassificere mere end 15% af vejrtrækninger som afvigende - ellers inspicere respirationssignalet og tune parametrene for detektionsalgoritmen efter behov.

    Retningslinjer for visuel inspektion af EKG, ICG og respiration signaler og interaktiv PEP og RSA scoring kan findes på VU-AMS hjemmeside www.vu-ams.nl .
  1. Endelig skal du vælge Label fanen Oplysninger. En tabel med resultaterne vises efter beregning. Hver række repræsenterer avnemsnitlige værdi af en række fysiologiske parametre (hjertefrekvens, PEP, RSA, RR) for hver mærket tidsperiode. Den første kolonne har emnet identifier (Label_ID). Den sidste kolonne viser værdien af ​​alle kategorier, der anvendes i løbet af etikettering (her kun en enkelt kategori »eksperimentel tilstand" med to værdier, "sidde op 'og' liggende '). Spectral beføjelser mellemslagsintervallet tidsserier er kun angivet til etiketter med en længde på mindst 4 min (ellers manglende kode vises). Regnearket i dette display kan eksporteres til ASCII eller Excel til yderligere statistiske analyser.

Representative Results

I Amsterdam fødte børn og deres udvikling undersøgelse, en hollandsk prospektiv, langsgående fødselskohorte blev måleprotokollen startede i 3.097 børn 6. Godkendelsen blev opnået fra Academic Medical Center Medicinsk Etisk Udvalg, VU ​​University Medical Center Medical Etisk Udvalg og registrering udvalg af Amsterdam. Alle deltagende mødre gav skriftligt informeret samtykke til sig selv og deres børn.

Da skærmene er let og diskret, børnene tolererede disse målinger meget godt. Vi har ikke data på afslag sats, men erfaring har lært os, at kun et par børn modstod placering af elektroderne og dermed hindret yderligere vurdering. Af de 3.097 registreringer blev 0,7% tabt, enten på grund fejl i udstyret eller misplacement af filer. Ud af de 3.074 registreringer venstre, var 98,7% af de børn, der fuldførte hele protokol (n = 3.056). Inden each af de mærkede perioder (vi oprindeligt mærket fire tidsperioder, men senere sammenfattet disse til to), stødte vi uklare ICG signaler, hvilket betyder PEP kunne ikke bestemmes. Dette førte til et tab på 1,5% i første ud af fire mærkede perioder, 2,4% i den anden, 2,8% i tredje og 4,1% i fjerde periode. Komplette data om PEP i alle perioder var til rådighed i 2797 tilfælde (91,5% og dermed 8,5% tab på grund af uklare ICG signaler). Komplette data om hjertefrekvens (HR), præ-uddrivningsperiode (PEP) og respiratorisk sinusarytmi (RSA), samt køn og alder, var tilgængelig fra 2.761 børn i dette afsluttende trin, forekom 1,3% datatab, grundet ukendte årsager. Alt i alt 89,2% af de startede registreringer førte til fuld forbehold data. Den gennemsnitlige alder af børnene var 5,7 år (SD 0,5; Kvartilafstand 5.0:6.5) og deres BMI 15,5 kg / m 2 (SD 1.5, Kvartilafstand 13.9:17.2).

De gennemsnitlige værdier af de store udfald variabler HR, PEP og RSA are givet i tabel 1 og afbildet grafisk i figur 3, separat for drenge og piger. HR (både liggende og siddende op) og PEP (kun sidde op) var højere hos piger end hos drenge (begge stillinger). RSA var lavere hos piger end hos drenge (begge stillinger). De højere værdier for HR i piger er sandsynligvis forårsaget af den lavere vagale (parasympatiske) hjerte kontrol. Deres sympatiske hjerte kontrol ikke var anderledes eller endog lavere end i drenge (sidde op).

I begge køn, var HR højere, når man sidder op i forhold til liggende, mens RSA var lavere, når man sidder op. Dette afspejler det lavere vagal kontrol, når man sidder op. PEP var kortere liggende derefter sidder op. Denne effekt var også som forventet, og det afspejler resultatet af modsatrettede processer: nedre sympatisk aktivitet (forlænger PEP), mens du ligger ned med øget preload (forkorter PEP) 7..

Drenge Piger
Liggende Siddende op Liggende Siddende op
Mean SD Mean SD Mean SD Mean SD
Puls (bpm) 83,9 9.5 * 89.1 10 * † 86.9 10.1 92,4 10.4
Pre-uddrivningsperiode (msek) 76,9 11.8 78,5 12.2 * † 77,7 10.3 81 11.7
Respiratory sinus arytmi (ms) 127,0 60,4 * 115,7 55,8 * † 121,7 56.8 108,7 51,9

Tabel 1. Hjertesygdomme autonome nervesystem foranstaltninger drenge og piger, ved kropsholdning på kropsholdning forskel. P <0,05 for én prøve T-test på sex forskel. † p <0,05 for parrede prøver T-test.

Figur 1
Figur 1. De syv elektroder skal placeres på deltagerens bryst og ryg. Den første EKG elektrode (V-) er stedd lidt under højre kraveben 4 cm til højre af brystbenet. Den anden EKG elektrode (V +) er placeret ved spidsen af ​​hjerte over den niende ribbe på den venstre laterale margin af brystet omtrent på niveau med processus xiphodius. Den tredje EKG elektrode (GND) er en jordelektrode og er placeret på den højre side, mellem de nedre to ribben på den højre side af abdomen. Den første ICG måleelektrode (V 1) placeres i den øverste ende af brystbenet, mellem spidserne af krave knogler. Den anden ICG måleelektrode er placeret ved xiphoideus kompleks af brystbenet, hvor ribbenene mødes. De to nuværende elektroder placeres på bagsiden: I-på rygsøjlen over halshvirvel C4, mindst 3 cm (1 in) over ICG måler elektrodens V-og I + mellem brysthvirvel T8 og T9 på rygsøjlen , mindst 3 cm (1 ") under ICG måler elektrodens V 2. ICG elektrodeplacering tager hensyn til, at den største del af den venstre ventrikel driven ændring i brystkassen impedans er fanget af kolonnen mellem suprasternal hak og processus xiphoideus.

Figur 2
Figur 2. De typiske indstillinger, der bruges til en optagelse som vises af DAMS softwaren efter tilslutning til VU-AMS5fs enhed. Klik her for at se større figur .

Figur 3
Figur 3. Hjertesygdomme autonome nervesystem foranstaltninger drenge og piger, som kropsholdning. * Angiver p <0,05 for én prøve T-test på sex forskel. # Angiverp <0,05 for parrede prøver t-test på kropsholdning forskel.

Discussion

Vi brugte en ambulant anordning til måling af hjertets autonom kontrol i 3097 børn i alderen mellem 5 og 7 år. Syv elektroder tilstrækkeligt at måle EKG og ICG hvorfra puls, puls variabilitet og systoliske tidsintervaller blev ekstraheret. Pulsvariationen i luftvejene frekvensbånd (RSA) er en gyldig indikator for hjerte parasympatisk aktivitet. Det systoliske tidsinterval, PEP, ved at reflektere hjertets kontraktilitet, er en gyldig indikator for hjerte sympatisk aktivitet. De gennemsnitlige værdier opnået for HR, PEP og RSA, virkningerne af kropsholdning ændringer og forskellene mellem drenge og piger var i overensstemmelse med, hvad man kunne forvente fra litteraturen.

Som ambulant overvågning fjernede nødvendigheden af vurderingen i et laboratorium vores indspilninger kunne gøres på forskellige steder (f.eks skole, idrætshal, science museum) uden forskelle i signal optagekvalitet. Men det er afafgørende betydning at standardisere inden for eller mellem individbaserede sammenligninger for kropsholdning og fysisk belastning, da afterload og preload effekter kan co-bestemme PEP uden ændringer i hjertets sympatiske drev 7.. Vi konkluderer, at ambulant optagelse af EKG og ICG i store prøver af børn er meget muligt, og foreslå den nuværende standardiserede undersøgelse design som en nyttig skabelon for fremtidige vurderinger af hjerte-autonom kontrol hos børn.

Acknowledgements

AEvD blev støttet af den hollandske Heart Foundation (DHF-2007B103). Forfatterne vil gerne takke alle mødre og børn i Amsterdam fødte børn og deres udvikling (ABCD) studie, og hele udvikling og vedligeholdelse team af VU-AMS-systemet i afdelingen for instrumentering - Department of Psykofysiologi (VU University, Amsterdam, Nederlandene).

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

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. de Geus, E. J., Willemsen, G. H., Klaver, C. H., van Doornen, L. J. Ambulatory measurement of respiratory sinus arrhythmia and respiration rate. Biol. Psychol. 41, 205-227 (1995).
  2. Goedhart, A. D., van der, S. S., Houtveen, J. H., Willemsen, G., de Geus, E. J. Comparison of time and frequency domain measures of RSA in ambulatory recordings. Psychophysiology. 44, 203-215 (2007).
  3. Goedhart, A. D., Kupper, N., Willemsen, G., Boomsma, D. I., de Geus, E. J. Temporal stability of ambulatory stroke volume and cardiac output measured by impedance cardiography. Biol. Psychol. 72, 110-117 (2006).
  4. Riese, H., Groot, P. F. C., van den Berg, M., et al. Large-scale ensemble averaging of ambulatory impedance cardiograms. Behavior Research Methods Instruments & Computers. 35, 467-477 (2003).
  5. Willemsen, G. H., de Geus, E. J., Klaver, C. H., van Doornen, L. J., Carroll, D. Ambulatory monitoring of the impedance cardiogram. Psychophysiology. 33, 184-193 (1996).
  6. van Dijk, A. E., van Eijsden, M., Stronks, K., Gemke, R. J., Vrijkotte, T. G. Prenatal stress and balance of the child's cardiac autonomic nervous system at age 5-6 years. PLoS ONE. 7, e30413 (2012).
  7. Houtveen, J. H., de Groot, P. F., de Geus, E. J. Effects of variation in posture and respiration on RSA and pre-ejection period. Psychophysiology. 42, 713-719 (2005).
  8. Goedhart, A. D., Willemsen, G., Houtveen, J. H., Boomsma, D. I., De Geus, E. J. Comparing low frequency heart rate variability and preejection period: two sides of a different coin. Psychophysiology. 45, 1086-1090 (2008).
  9. van Dijk, A. E., van Eijsden, M., Stronks, K., Gemke, R. J., Vrijkotte, T. G. Cardio-metabolic risk in 5-year-old children prenatally exposed to maternal psychosocial stress: the ABCD study. BMC Public Health. 10, 251 (2010).
  10. van Lien, R., Goedhart, A., Kupper, N., Boomsma, D., Willemsen, G., de Geus, E. J. Underestimation of cardiac vagal control in regular exercisers by 24-hour heart rate variability recordings. Int. J. Psychophysiol. 81, 169-176 (2011).

Comments

0 Comments


    Post a Question / Comment / Request

    You must be signed in to post a comment. Please or create an account.

    Usage Statistics