Summary
Le but de cette publication est de présenter notre travail original sur une approche électromyographique surface multi-musculaire pour caractériser quantitativement les modèles d'activation musculaire des voies respiratoires chez les personnes souffrant de lésions de la moelle épinière chronique en utilisant une analyse basée sur un vecteur.
Abstract
Pendant la respiration, l'activation des muscles respiratoires est coordonné par l'entrée intégrée du cerveau, le tronc cérébral et la moelle épinière. Lorsque cette coordination est perturbée par une blessure de la moelle épinière (SCI), le contrôle des muscles respiratoires innervés dessous du niveau de la blessure est compromise 1,2 conduisant à un dysfonctionnement des muscles respiratoires et des complications pulmonaires. Ces conditions sont parmi les principales causes de décès chez les patients atteints de SCI 3. Des tests de la fonction pulmonaire standard qui évaluent la fonction motrice respiratoire comprennent les résultats spirometrical et maximum pression des voies aériennes: la capacité vitale forcée (CVF), le volume expiratoire maximal en une seconde (VEMS 1), la pression inspiratoire maximale (PI max) et pression expiratoire maximale (PE max) 4,5. Ces valeurs constituent des mesures indirectes de la performance musculaire respiratoire 6. Dans la pratique clinique et la recherche, une électromyographie de surface (EMG) a enregistré des muscles respiratoirespeut être utilisé pour évaluer la fonction motrice respiratoires et aider à diagnostiquer la pathologie neuromusculaire. Cependant, la variabilité de l'amplitude EMG inhibe les efforts pour développer des mesures objectives et directes de la fonction motrice respiratoire 6. Basé sur une approche EMG multi-musculaire pour caractériser commande motrice des muscles des membres inférieurs 7, connus sous le nom de l'indice de réponse volontaire (VRI) 8, nous avons développé un outil d'analyse pour caractériser le contrôle moteur respiratoires directement à partir de sEMG données enregistrées à partir de plusieurs muscles respiratoires pendant le volontaire tâches respiratoires. Nous avons appelé cela le respiratoire évaluation de contrôle moteur (MRAC) 9. Cette méthode d'analyse vectorielle quantifie le montant et la répartition des activités sur les muscles et les présente sous la forme d'un index qui concerne le degré de sortie sEMG dans un essai-sujet ressemble à celle d'un groupe de santé (non-blessés) contrôles. La valeur de l'indice qui en résulte a été démontré qu'ils ont une grande validité apparente, la sensibilitéet la spécificité 9-11. Nous avons montré précédemment que les résultats 9 MRAC corrélation significative avec les niveaux de SCI et des mesures de la fonction pulmonaire. Nous présentons ici la méthode pour comparer quantitativement blessures respiratoires modèles d'activation multi-musculaires de la moelle épinière après à ceux de personnes en bonne santé.
Protocol
1. Réglages
- têtes d'électrodes de surface ont été placés sur les ventres musculaires de gauche (L) et droit (R) des muscles respiratoires: sternocléidomastoïdien (SC), scalene (S), trapèze supérieur sur la ligne médio-claviculaire (UT), la partie claviculaire du grand pectoral sur la ligne médio-claviculaire (P ), le diaphragme en ligne parasternal (D), intercostal au 6 ème espace intercostal sur la ligne axillaire antérieure (IC), abdomen rectus au niveau ombilical (RA), oblique abdomen sur la ligne axillaire (O), trapèze inférieur paraspinally au niveau midscapular (LT ), et paraspinal paraspinally sur iliaque intercrestal ligne (PS) 6. Les électrodes de masse ont été placées au cours des processus d'acromion. Un laboratoire Système de mouvement Back Pack Unit, avec des électrodes fixées, était relié à un mouvement Laboratoire d'EMG Desk Top appareil et du système Powerlab (Figure 1).
- Circuit de surveillance de T-pièce pour enregistrer la pression des voies aériennes a été assemblé comme le montre la figure 2 et relié à la faible Pressure transducteur (MP45) en utilisant le tube d'air.
- MP45 a été connecté au CD15 et le système Powerlab (figure 1 et tableau 1).
2. Protocole MRAC
- Les tâches motrices respiratoires comprenaient des tâches maximum de pression inspiratoire (MIPT) et le Groupe de pression expiratoire maximum (MEPT). Pour effectuer MIPT ou MEPT, les sujets devaient produire effort inspiratoire maximum de volume résiduel ou efforts expiratoires de la capacité pulmonaire totale pendant 5 secondes à l'aide d'un circuit de surveillance T (figures 1 et 2). Chaque figure a été repéré par une longue tonalité 5 sec audible et répété 3x. Au moins 1 min de repos a été autorisée entre chaque effort.
- Entrée EMG a été amplifié avec un gain de 2,000; filtré à 30-1,000 Hz et échantillonnée à 2.000 Hz. Entrée de pression des voies aériennes a été calibré à 100 cm d'eau et échantillonné à 2.000 Hz. Les entrées de pression des voies aériennes EMG et ont été converties par le système d'acquisition Powerlab utilisant 16 bits pleine échelle ADCrésolution. signaux pression des voies respiratoires, sEMG et marqueur ont été enregistrés simultanément 9.
3. Analyse des données
- Multi-musculaire activité de distribution fenêtres d'analyse de 5 secondes chacun pour MIPT ou MEPT été déterminée à partir du marqueur d'événement et de la pression des voies aériennes enregistrées avec le ton cuing qui a marqué le sujet quand commencer et terminer la tâche (Figure 3). L'activité sEMG pour chaque muscle a été calculée en utilisant une racine carrée (RMS) 6,12 algorithme (Figure 4) signifier. Trois essais répétés pour chaque tâche ont été en moyenne de 13 pour chaque muscle (canal).
- Les modèles d'activation multi-musculaires ont été évalués sur la base d'une méthode d'analyse de vecteur connu comme l'indice de réponse volontaire (VRI) 8 (figures 4-6) en utilisant le logiciel Matlab sur mesure (MathWorks). Pour chaque manœuvre, le calcul VRI produit deux valeurs, une ampleur et un indice de similarité (SI) (figures 5-6).Le paramètre Magnitude, le montant de l'activité EMG combiné de tous les muscles dans la fenêtre de temps spécifique, a été calculé comme une longueur du vecteur de réponse (RV) pour tâche spécifique (figure 7). L'indice de similarité (SI) fournit une valeur qui exprime le degré de similarité le RV de la SCI est soumise au vecteur de réponse de Prototype (PRV) provenant de sujets sains au cours de la même tâche. La valeur SI a été calculé pour chaque tâche en cosinus de l'angle entre l'objet VR et PRV SCI. La valeur SI varie entre 0 et 1,0, où la valeur de 1,0 représente la meilleure correspondance pour les vecteurs comparés 9 (figure 8).
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Representative Results
La figure 3 représente l'électromyogramme et la pression des voies aériennes (en haut) simultanément enregistrée au cours MEPT d'un non-blessés (à gauche) et SCI individus (à droite). Remarque diminution de la pression des voies aériennes et l'absence de sEMG activité des muscles expiratoires chez un sujet SCI par rapport à un individu non-blessés (marqué d'ellipses grises). Notez également que début de la tâche, comme indiqué sur le fond, est associée à une augmentation sEMG activité et augmenter la pression des voies aériennes.
Figure 4 met en évidence les principales étapes de la construction de la RV. Le début et la fin de la tâche (fenêtre de l'événement) a été définie en tant que points de données (étape 1) en fonction du marqueur. The Root Mean Square (RMS) de sEMG au sein de cette fenêtre d'événement représente l'activité sEMG moyenne pour chaque muscle (étape 2). Le RV est assemblé en utilisant des valeurs RMSS pour la combinaison spécifique de muscle (étape 3).
La figure 5 illustre le calcul desle PRV et son ampleur pour un groupe de non-blessés individus (santé). matrice de réponse de prototype a été construit en utilisant des véhicules récréatifs individuels (étape 4). Chaque colonne de la matrice de réponse de prototype comprend des données pour chaque individu dans le groupe (n = 1,2, .., N) et chaque ligne représente l'activité sEMG quantifié (PGR) du muscle spécifique des tous les individus dans le groupe. La soupape de sécurité a été calculé en faisant la moyenne de chaque ligne de la matrice de réponse de prototype (étape 5). La valeur d'amplitude représente la longueur de la RV a été calculée selon la formule ci (étape 6).
La figure 6 montre les étapes pour le calcul SI. Le RV (étape 7) et son ampleur (étape 8) pour notamment SCI individuel ont été calculés comme le montre aussi sur les figures 4 et 5. Le SI a été obtenue en calculant le produit scalaire de PRV et RV (étape 9).
Les figures 7 et 8 illustrent la construction des vecteurs et calcullations des résultats à l'aide des données réelles. Ces calculs peuvent être effectués en utilisant n'importe quel logiciel approprié comme Mathlab, Excel ou autres.
Tableau 1. Liste du matériel et des fournitures spécifiques utilisés pour l'évaluation de contrôle de moteur respiratoire.
Figure 1. EMG et de l'équipement d'enregistrement de pression des voies aériennes utilisées pour l'évaluation de contrôle de moteur respiratoire. Cliquez ici pour agrandir la figure .
Figure 2. Circuit de surveillance de T-pièce avec le tube d'air assemblage utilisé pour enregistrer la pression des voies aériennes dMEPT ors. Notez que pour le MIPT, l'air qui fuit le cadre devrait être renversé sur le côté inspiratoire.
Figure 3. sEMG activité pendant la tâche de pression expiratoire maximum (MEPT) chez une personne non-blessés et un sujet présentant une lésion de la moelle épinière (SCI). pression de l'air développé est indiqué en haut (pression) et enregistrées simultanément sEMG activité avec la marque événement (MARKER) sur le inférieure. Lignes verticales grises représentent le sec 5 fenêtres d'analyse pour les calculs VRI. Remarque diminution de la pression des voies aériennes et l'absence d'activité dans les muscles expiratoires: droite (R) et gauche (L) intercostale (IC), grand droit Abdominus (RA), et Abdominus Oblique (O) chez un sujet SCI par rapport à un individu non-blessés ( marqué par ellipses grises). D'autres muscles affichés: droite (R) et gauche (L) Ster nocleidomastoid (SC), Scalene (S);. Haut Trapèze (UT), pectoral (P), la membrane (D), trapèze inférieur (LT), et Paraspinal (PS) Cliquez ici pour agrandir la figure .
Figure 4. Étapes à suivre pour le calcul du vecteur de réponse (RV). Notez que le RV durant la tâche spécifique a été assemblé à l'aide Root Mean Square (RMS) Les valeurs calculées pour les muscles spécifiques.
Figure 5. Étapes à suivre pour le calcul du vecteur de réponse de Prototype (PVR). Notez que le RV de chaque individu sain dans le groupe a été utilisé pour créer le PVR et calculer son ampleur.0178/50178fig5large.jpg "target =" _blank "> Cliquez ici pour agrandir la figure.
Figure 6. Étapes à suivre pour le calcul de l'indice de similarité (SI) et d'ampleur. Notez que le SI a été calculé en utilisant PRV et le RV obtenu auprès de la SCI sujet (SRV). Notez également que l'ampleur a été calculé comme la longueur de la SRV. Cliquez ici pour agrandir la figure .
Figure 7. Exemple de calcul du PRV en utilisant des données obtenues lors de tâches maximum expiratoire (MEPT) chez 17 sujets non blessés. Cliquez ici pour agrandir figure.
Figure 8. Exemple des calculs VRI en utilisant des données obtenues lors de tâches maximum expiratoire (MEPT) en bonne santé (non-blessés) et les blessés médullaires. Notez que contrairement à ce sujet non blessé, l'absence et diminution de l'activité des muscles expiratoires (IC, RA, et O ) dans l'individu SCI a diminué la valeur de l'indice de similarité (SI). A noter également l'activité musculaire global inférieur chez un individu SCI associé à la valeur de grandeur inférieur. Cliquez ici pour agrandir la figure .
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Discussion
Essais cliniques standard pour évaluer la fonction motrice respiratoire après SCI et d'autres troubles comprennent les tests de la fonction pulmonaire et la moelle échelle de dégradation de l'Association américaine des blessures (AIS) évaluation 14,15. Toutefois, ces outils ne sont pas conçus pour l'évaluation quantitative du tronc et le contrôle moteur respiratoires. Dans notre travail déjà publié 9, nous avons montré que le MRAC est une méthode valide pour évaluer quantitativement la fonction motrice respiratoire touchés par SCI. Nous avons démontré que cette méthode peut être utilisée malgré un test-re-test et sous-sujet EMG amplitude variabilité.
Afin de quantifier le degré de différence (SI) dans les modes de distribution multi-musculaires produites par un individu testé (RV) contre le vecteur normatif (PRV), le PRV et RV peuvent être construits pour toute combinaison de muscles. Les tâches motrices peuvent varier et dépendent de la conception de l'étude ainsi que la liste des muscles. En contrast au SI, les valeurs de grandeur, représentant l'ensemble des activités d'EMG, peuvent être modifiés par l'objet effort, l'activité musculaire compensatoire, et les propriétés physiques des tissus du corps.
L'IS, tout en fournissant la mesure quantitative de l'écart entre le modèle d'activation multi-muscle est au modèle normatif, ne décrit pas de quelle manière le motif peut être différent. Pour cette raison, il est essentiel de décrire qualitativement les changements dans la configuration et l'activation du muscle individuel. En outre, d'autres études sont nécessaires pour examiner les signaux sEMG pour des paramètres supplémentaires permettant de caractériser les propriétés multi et mono-musculaire activation.
La méthode présentée ici fournit un moyen systématique pour évaluer le contrôle moteur des muscles du tronc utilisés pour effectuer des tâches motrices respiratoires en comparaison avec des mesures standards normatifs. En plus d'une évaluation d'EMG descriptive pour étudier de quelle manière le modèle d'activation musculaire est l'altered, les calculs VRI fournir les valeurs de l'indice unifiée à partir de laquelle la gravité des perturbations peuvent être comparées entre les individus et les changements au fil du temps peut être surveillé. Cette méthode permet d'évaluer l'état de la commande de moteur respiratoires et les effets des interventions existantes et nouvelles en matière de contrôle du moteur insuffisance respiratoire chez les personnes atteintes de SCI et d'autres troubles.
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Disclosures
Aucun conflit d'intérêt à déclarer.
Acknowledgments
Ce travail a été soutenu par Christopher et Dana Reeve Foundation (Grant CDRF OA2-0802-2), Kentucky moelle épinière et traumatisme crânien Research Trust (Grant 9-10A - KSCHIRT), Craig H. Fondation Neilsen (Grant 1000056824 - HN000PCG) et national Institutes of Health: National Heart 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
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