Måling Cardiac autonome nervesystemet (ANS) Aktivitet hos barn

* These authors contributed equally
Medicine
 

Summary

Måling av det autonome nervesystemet aktivitet vanligvis rammer forsker og deltaker til laboratoriet, som kan gi et skremmende miljø for barn. VU University Ambulerende Monitoring System (VU-AMS) enheten kan spille hjertestans autonom kontroll i enhver setting. VU-AMS vist seg svært mottagelig for testing hos barn.

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 nervesystemet (ANS) styrer hovedsakelig automatiske kroppsfunksjoner som er engasjert i homeostase, som hjertefrekvens, fordøyelse, respirasjonsfrekvens, spytt, svette og nyrefunksjon. Den ANS har to hovedgrener: det sympatiske nervesystemet, forbereder kroppen for handling i tider med fare og stress, og det parasympatiske nervesystemet, som regulerer hviletilstand i kroppen.

ANS aktivitet kan måles invasiv, for eksempel ved radiotracer teknikker eller microelectrode opptak fra overflatiske nerver, eller den kan måles ikke-destruktivt ved bruk av endringer i et organ svar som en proxy for endringer i ANS aktivitet, for eksempel av svettekjertlene eller hjertet. Invasive målinger har den høyeste gyldigheten, men er veldig dårlig gjennomførbart i store skjellprøver der ikke-invasive tiltak er den foretrukne tilnærming. Autonome effekter på hjertet kan kvantifiseres ved opptakav elektrokardiogram (ECG) i kombinasjon med den impedans kardiogrammet (ICG), som gir endringene i thorax impedans som reaksjon på respirasjon og utkastingen av blod fra hjertekammer i aorta. Fra respirasjon og EKG-signaler, kan RSA hentes ut som et mål på hjerte parasympatiske kontroll. Fra EKG og venstre ventrikkel utstøting signaler, kan preejection periode trekkes ut som et mål på hjertets sympatisk kontroll. EKG og ICG opptak er det meste gjort i laboratoriet. Men å ha fagene rapporten til et laboratorium reduserer økologisk validitet, er ikke alltid gjennomførbart i stor skala epidemiologiske studier, og kan være skremmende for små barn. En ambulerende enhet for EKG og ICG løser samtidig disse tre problemene.

Her presenterer vi en studie design for en minimal invasiv og rask vurdering av hjerte autonom kontroll hos barn, ved hjelp av en validert ambulatory enhet 1-5, VU University ambulerende Monitoring System (VU-AMS, Amsterdam, Nederland, www.vu-ams.nl ).

Protocol

En. Forberedelse: Starter opp

  1. Du trenger:
    • en VU-AMS5fs ambulerende opptaksenhet (inkludert en infrarød grensesnittkabel som enten kobles til RS232 seriell porten på en PC eller til en USB-port).
    • 7 elektroder (vi brukte CONMED 1690-003).
    • 2 belastet AA-batterier.
    • en tom CompactFlash minnekort (VU-AMS5fs har blitt grundig testet med 1 GB 80x CF-kort fra Transcend (TS1GCF80), men andre CF-kort skal fungere også).
    • en laptop eller PC med flash kortleser og dataanalyse Management Software (DAMS) suite installert.
    • en stoppeklokke.
    • musikkspiller med barnebøker og hodetelefoner og en liten selv-oppblåsbar luftmadrass er valgfrie.
  2. Kontroller tid og dato på laptop / PC, da disse vil bli registrert som metadata på filene dine. Sett den tomme minnekort og fulle batterier i VU-AMS-enhet (vellykket plassering blir varslet med Tripe pip). Når enheten er i standby, vil det grønne lyset blinker to ganger hvert tiende sekund. Dette indikerer at den er klar, men ikke opptak. Nå koble enheten til den bærbare datamaskinen med den medfølgende kabelen og starte opp dammene program. Initiere kommunikasjon med enheten (velg fanen 'enhet' og velg riktig tilkoblingsmodus, infrarød kabel eller bluetooth).
  3. Har deltakeren ta av hans / hennes overkroppen slitasje. I de stedene hvor elektrodene skal plasseres, rens huden med alkohol-kluter, og plasser de syv elektrodene på brystet og ryggen (figur 1). Deretter fester ledningene etter fargevalget, og koble dem til enheten.
  4. Kontroller batteritypen og batterispenningsindikasjon (dette bør være ca 3,4 V for alkalisk og ca 2,4 V for oppladbare NiMH-batterier). Fyll ut identifisering feltet. De typiske avvikende frekvenser er som vist i figuren (Fig. 2).
  5. Mål avstanden between de to brystet elektroder i millimeter, og fylle dette ut i feltet 'ICG-V avstand'. Klikk deretter sende innstillinger "for å sende gjeldende innstillinger / ID til enheten.
  6. Nå bør den "Online"-alternativet av programmet brukes til å vise EKG, åZ (dette er respirasjon) og dZ / dt (dette er ICG). Den aZ signal reflekterer basen impedans over brystkassen, som etter passende filtrering kan brukes for å trekke ut den Respirasjonssignalet med high fidelity 7.. Den dZ / dt-signalet er den aZ differensiert over tid og reflekterer raske endringer i aZ knyttet til utkastingen av blod fra hjertekammer i aorta.
    1. Et klart QRST-komplekset skal være synlig i EKG. R-kurven skal være oppover, og det bør være toppen med den største (absolutt) amplitude i begge retninger.
    2. Den åZ bør være innenfor -0,5 og 0,5 Ω mesteparten av tiden og dZ / dt mellom -1 og 1 Ω / sek.
    3. Z 0 bør Always holde seg innenfor en 8-20 Ω rekkevidde. Denne variasjon skyldes det faktum at thorax impedans-signalet er avhengig av avstanden mellom måleelektrodene, som er en funksjon av barnets lengde, og det 'wetness' av thorax kolonne omsluttet av måleelektrodene, forskjeller i kroppssammensetning (f.eks BMI) kan påvirke amplituden til dZ / dt signal (fettmasse som inneholder mindre vann enn muskel). Individuelle forskjeller i absolutt Z 0 amplitude er også reflektert i åZ signal, men dette påvirker ikke fastsettelsen av systolisk tidsintervaller, som er amplitude-uavhengig.
    4. Den åZ signal bør reflektere dypt pust av faget klart (instruere barnet til å ta en langsom pusten dypt og pust sakte).
    5. I ICG den typiske oppadgående kurve gjenspeiler hjertestans utstøting fase bør være klart synlig. Lys motivets bevegelse bør ikke forvrenge dZ / dt signal. Hvis disse kriteriene ikke er oppfylt, re-rense huden og re-feste elektrodene inntil tilfredsstillende signaler er innhentet.
  7. Når gode signaler er oppnådd, begynner data innspillingen ved å trykke på "Start"-knappen. Du vil høre et pip anerkjenne starten av opptaket og det grønne lyset blinker én gang hvert tredje sekund. Registreringen har nå startet. Lukk VU-DAMS program. Du kan nå koble enheten fra grensesnittkabelen.

2. Registreringsperioden

  1. Når registreringen er startet, be barnet å legge seg ned for den første eksperimentelle tilstand. Når barnet har vært i liggende stilling (uten head-up tilt) for to minutter, du kort tid (<2 s) Trykk på den lille sorte knappen på toppen av enheten. Ved å trykke på denne knappen markerer en spesiell hendelse, og vil senere hjelpe deg å identifisere starten av denne tilstanden i dataene.
  2. Etter fire minutter trykker hendelsen knappen igjen. Dette signaliserer slutten på den liggendetilstand. Nå har barnet sitte opp og gjenta prosedyren for denne andre tilstanden. Trykk på knappen, vente fire minutter og trykker på knappen igjen. Barna får beskjed om å hvile rolig under disse forholdene.
  3. Å stoppe målingen, trykk og hold nede knappen i minst 3 sek. Lyset blinker hvert 10. sekund for å indikere at den har sluttet og er i 'stand by "-modus. Når enheten har stoppet, kan du koble ledningen støpselet fra kontakten og ledningene fra elektrodene.
  4. Ta ut batteriene og flash-kort danner VU-AMS-enheten og plasserer flash-kort i leseren enhet. Flytt de oppkjøpte filene til et angitt katalogen (vanligvis navnet på katalogen vil være identisk med emnet identifikator som brukes i identifisering felt).

3. Bearbeiding av data

  1. På åpning data med VU-DAMS program, vil dataene bli automatisk konvertert fra raw data format (forlengelse. 5fs) </ Em> til et nytt format (forlengelse. Amsdata). Dette er den datafil som VU-DAMS skal bruke i de påfølgende trinn.
  2. Først pakke Inter Beat Intervall tidsserier fra EKG-signalet. Velg Detect R-topper kategorien. En automatisert algoritme vil oppdage alle R-topper i EKG-signalet og velger (hvis den finnes) perioder med svært lav EKG kvalitet for fjerning. I øvre venstre hjørne antall Blå (riktig), Gul (medium mistenkelige) eller rød (svært mistenkelig) indikeres. Ved å trykke '.' (DOT) markøren flyttes til neste mistenkelig R-peak og brukeren kan slette eller legge til markører for R-bølger for hånd. Det anbefales at minst alle svært mistenkelige beats er visuelt inspisert.
  3. Hovedmålet er å få en middelverdi for hjertefrekvensen, den preejection periode (PEP) og tiltak av RSA (RSA, HF, RMSSD) på tvers av de anvendte. Derfor fortsette ved å angi hvilke perioder i rådata tilsvaredisse forholdene. Denne prosessen kalles "data merking". Velg Etikett kategorien Data. To panelene viser pulssignal og bevegelsessignalet henholdsvis, så vel som den virkelige tiden opptaket.
  4. Plasser musepekeren i den øverste linjen hvor det står "klikk og dra for å legge til etiketter" på rundt starttidspunktet for den første betingelsen og dra musen til endetiden av den tilstanden. Disse tidene er enten hentet fra en utskrift av start og stopp tider (som du noterte ned under datainnsamling), eller du kan bruke start og stopp markører hentet fra du trykker på knappen ved starten og slutten av hver tilstand, som er den vertikale linje på tvers av HR og bevegelse grafer.
  5. Hver etikett kan gis en (unike) identifikator for å signalisere en bestemt tilstand. I vårt tilfelle har vi bare én kategori for våre etiketter: eksperimentell tilstand. Denne kategorien har to verdier: liggende og sittende.
  6. VU-DAMS må gjøres klar over experimental utforming av en såkalt label konfigurasjonsfilen (label.cfg). Dette er en ASCII-fil som kan åpnes med de fleste tekstbehandlingsprogrammer og, for eksempel, ser slik ut:
    # Exp_condition
    10 liggende
    11 sitter opp
  7. Ved å plassere label.cfg filen i samme katalog som de. Amsdata filer, vil det automatisk bli lastet av VU-DAMS program. Etter en etikett har blitt gjort, vil en pop up-skjermen vises med kategoriene / verdier oppført i label.cfg filen. Velg "liggende" for første etiketten og "sitte opp" for den andre etiketten.
  8. Etter merking, velg "Impedans scoring fanen for å score det PEP i impedans cardiogram. For hver av forholdene et ensemble gjennomsnitt dZ / dt bølgeform vises, tid-låst til EKG-R-topp. Et ensemble gjennomsnitt EKG er presentert under dZ / dt bølgeform. Plasser de fire vertikale pekere i de riktige posisjonene: EKG Q-bølge innsettende (start av elektrisk aktivitet), ICG B-point (start av utstøting fase), ICG DZ / dt-min (maksimal utstøting hastighet), og ICG X-punkt (aortaklaffen nedleggelse - slutten av utstøting fase).
  9. Deretter velger du 'respirasjon Scoring-fanen for å score det peak-dalen RSA bruker luftveiene og EKG-signaler. Automatisert pust-til-pust scoring av luftveiene intervall og den korteste interbeat intervallet under inspirasjon og den lengste interbeat intervallet under utløp kan nå bli inspisert. Vanligvis er den automatiserte algoritme bør ikke klassifisere mer enn 15% av de åndedrag som avvikende - ellers inspisere Respirasjonssignalet og justere parametrene for algoritme etter behov.

    Retningslinjer for visuell inspeksjon av EKG, ICG og respirasjon signaler og interaktiv PEP og RSA scoring kan bli funnet på VU-AMS nettsted, www.vu-ams.nl .
  1. Til slutt velger du Etikett kategorien Informasjon. En tabell med resultatene vises etter beregningen. Hver rad representerer AVsnittlig verdi av en serie av fysiologiske parametre (hjertefrekvens, PEP, RSA, RR) for hver merket tidsperiode. Den første kolonnen har faget identifikator (Label_ID). Den siste kolonnen viser verdiene av alle kategorier som brukes under merking (her bare én kategori 'eksperimentell tilstand "med to verdier, sitter opp" og "liggende"). Spektrale krefter interbeat intervall ganger serien er gitt kun for etiketter med en lengde på minst 4 min (ellers mangler koden vises). Regnearket i dette displayet kan eksporteres til ASCII eller Excel for videre statistiske analyser.

Representative Results

I Amsterdam Born Barn og deres utvikling studien, en nederlandsk prospektiv, longitudinell fødselskohort ble målingsprotokoll startet i 3097 barn 6. Godkjenning ble innhentet fra Academic Medical Center Medical Etisk komité, VU University Medical Center Medical Etisk Komité og registrering Committee of Amsterdam. Alle deltakende mødrene ga skriftlig informert samtykke for seg selv og sine barn.

Som skjermene er lette og lite påtrengende, tolerert barna disse målingene svært godt. Vi har ikke data om avslaget rate, men erfaring har lært oss at bare noen få barn motsto plassering av elektrodene og dermed hindret videre vurdering. Av de 3097 registreringer, ble 0,7% tapt på grunn av enten utstyrsfeil eller feilplassering av filer. Ut av de 3074 registreringer venstre, var 98,7% av barn som fullførte hele protokollen (n = 3056). Innenfor ealm av de merkede tidsperioder (vi opprinnelig merket fire tidsperioder, men senere oppsummert disse til to), møtte vi uklare ICG signaler, noe som betyr PEP kunne ikke fastslås. Dette førte til et tap på 1,5% i første av fire merkede perioder, 2,4% i andre, 2,8% i tredje og 4,1% i fjerde periode. Fullstendige data om PEP i alle tidsperioder var tilgjengelig i 2797 tilfeller (91,5%, dermed 8,5% tap på grunn av uklare ICG-signaler). Fullstendige data på hjertefrekvens (HR), pre-ejeksjonsperiode (PEP) og RSA (RSA), så vel som kjønn og alder, var tilgjengelig fra 2,761 barn, i dette siste trinnet, 1,3% tap av data oppstått på grunn ukjente grunner. Totalt førte 89,2% av de startet registreringene til full fag data. Den gjennomsnittlige alderen til barna var 5,7 år (SD 0.5; interkvartile området 5.0:6.5), og deres BMI var 15,5 kg / m 2 (SD 1.5; interkvartile området 13.9:17.2).

Middelverdiene av de store utfall variabler HR, PEP, og RSA are gitt i tabell 1 og grafisk avbildet i figur 3, separat for gutter og piker. HR (både liggende og sittende) og PEP (bare sitte opp) var høyere hos jenter enn hos gutter (begge stillinger). RSA var lavere hos jenter enn hos gutter (begge stillinger). Høyere verdier for HR i jenter er sannsynlig å være forårsaket av den nedre vagal (parasympatiske) cardiac kontroll. Deres sympatisk hjertestans kontroll var ikke annerledes eller enda lavere enn hos gutter (sittende).

I begge kjønn, var HR høyere når du sitter i forhold til liggende nede, mens RSA var lavere når du sitter. Dette gjenspeiler lavere vagal kontroll når du sitter. PEP var kortere liggende så sitter opp. Denne effekten var også som forventet, og det gjenspeiler utfallet av motsatte prosesser: lavere sympatisk aktivitet (forlenger PEP) mens du ligger nede med økt forspenning (forkorter PEP) 7.

Gutter Jenter
Liggende Sittende opp Liggende Sittende opp
Mener SD Mener SD Mener SD Mener SD
Hjertefrekvens (bpm) 83.9 9.5 * 89.1 10 * † 86.9 10.1 92,4 10.4
Pre-ejeksjonsperiode (millisekunder) 76.9 11.8 78,5 12.2 * † 77.7 10.3 81 11.7
Respiratory sinus arrythmia (millisekunder) 127.0 60,4 * 115.7 55,8 * † 121.7 56.8 108.7 51.9

Tabell 1. Cardiac autonome nervesystemet tiltak hos gutter og jenter, av holdning på holdning forskjell. P <0,05 for en sample T-test på kjønnsforskjellen. † p <0,05 for parede prøver T-test.

Figur 1
Figur 1. De syv elektrodene skal plasseres på deltakerens bryst og rygg. Den første EKG elektrode (V-) er stedd litt under den høyre krage benet 4 cm til høyre for sternum. Den andre EKG-elektrode (V +) er plassert på toppen av hjertet over niende ribben på venstre lateral marg av brystet omtrent på nivå med den processus xiphodius. Den tredje EKG-elektrode (GND) er en første elektrode og er plassert på høyre side, mellom de nedre to ribber på den høyre del av magen. Den første ICG måleelektrode (V 1) er plassert i den øvre enden av brystbenet, mellom tuppen av krage bein. Den andre ICG måleelektrode er plassert på xiphoid kompleks av sternum, hvor ribbene møtes. De to aktuelle elektrodene er plassert på baksiden: I-på ryggen over cervical vertebra C4, minst 3 cm (1 in) over ICG måling elektroden V-, og jeg + mellom thorax ryggvirvlene T8 og T9 på ryggen , minst 3 cm (1 ") under ICG måling elektroden V 2. ICG elektrodeplasseringen tar hensyn til at den største delen av venstre hjertekammer driven endring i thorax impedans fanges opp av kolonnen mellom suprasternal hakk og processus xiphoideus.

Figur 2
Figur 2. Den typiske innstillingene som brukes for en innspilling som vises av DAMS programvare etter du kobler til VU-AMS5fs enhet. Klikk her for å se større figur .

Figur 3
Figur 3. Cardiac autonome nervesystemet tiltak hos gutter og jenter, etter holdning. * Indikerer p <0,05 for en sample T-test på kjønnsforskjellen. # Indikererp <0,05 for parede prøver T-test på holdning forskjell.

Discussion

Vi brukte en ambulerende opptaksenhet å måle hjerte autonom kontroll i 3097 barn, i alderen mellom 5 og 7 år. Syv elektroder mett å måle EKG og ICG hvorfra hjertefrekvens, hjertefrekvens variabilitet og det systoliske tidsintervaller ble utvunnet. Hjertefrekvens variabilitet i luftveiene frekvensbånd (RSA) er en gyldig indikator på hjerte parasympatiske aktiviteten. Det systoliske tidsintervall, PEP, ved reflekterer hjertets kontraktilitet, er en gyldig indikator av kardial sympatisk aktivitet. Gjennomsnittsverdiene innhentet for HR, PEP og RSA, var effekten av holdning endringer og forskjeller mellom gutter og jenter i tråd med hva som forventes fra litteraturen.

Som ambulerende overvåking fjernet nødvendigheten av vurderingen i et laboratorium våre innspillinger kan gjøres på ulike steder (f.eks skole, idrettshall, vitenskapsmuseet) uten forskjeller i signal opptakskvalitet. Det er imidlertid avavgjørende betydning for å standardisere innenfor eller mellom underlagt sammenligninger for kroppsholdning og fysisk belastning, som afterload og forspenning effekter kan samtidig bestemme PEP uten noen endringer i hjertets sympatisk stasjon 7. Vi konkluderer med at ambulerende opptak av EKG og ICG i store prøver av barn er meget mulig, og foreslå gjeldende normert studietid design som en nyttig mal for framtidige vurderinger av hjertestans autonom kontroll hos barn.

Acknowledgements

AEvD ble støttet av den nederlandske Heart Foundation (DHF-2007B103). Forfatterne ønsker å takke alle mødre og barn i Amsterdam fødte barn og deres utvikling (ABCD) studie, og hele utviklingen og vedlikehold team av VU-AMS-systemet ved Divisjon for Instrumentation - Institutt for Psychophysiology (VU University, Amsterdam, Nederland).

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