Summary
מטרתו של פרסום זה היא להציג את העבודה המקורית שלנו על גישת electromyographic משטח רב שריר לאפיין דפוסי הפעלת שרירים בדרכי הנשימה כמותית באנשים עם פגיעה בחוט השדרה כרונית באמצעות ניתוח המבוסס על הווקטור.
Abstract
במהלך נשימה, הפעלה של שרירי נשימה מתואמת על ידי הזנה משולבת מהמוח, גזע המוח, וחוט השדרה. כאשר התיאום הזה מופר על ידי פגיעה בחוט השדרה (SCI), שליטה על שרירי נשימה מעוצבבים מתחת לרמת הפגיעה נפגעת 1,2 מוביל לתפקוד לקוי של שרירים נשימה וסיבוכים ריאתי. תנאים אלה הם בין הגורמים המובילים למוות בחולים עם SCI 3. בדיקות תפקוד ריאות רגילות שהערכת תפקוד מוטורי נשימה כוללות תוצאות spirometrical ומקסימום נשימה לחץ: קיבולת חיונית בכפייה (FVC), נפח נשיפה מאולץ בשנייה אחת (1 FEV), לחץ שאיפה מקסימלי (PI מקסימום) ולחץ מקסימאלי נשיפה (PE מקסימום) 4,5. ערכים אלה מספקים מדידות עקיפות של ביצועי שריר הנשימה 6. בפרקטיקה ומחקר קליניים, electromyography פני השטח (sEMG) נרשם משרירי הנשימהניתן להשתמש בו כדי להעריך את התפקוד מוטורי נשימה ולעזור לאבחן התוקפת פתולוגיה. עם זאת, שוני במשרעת sEMG מעכב את המאמצים לפתח מדדים אובייקטיביים וישירים של תפקוד מוטורי 6 דרכי הנשימה. בהתבסס על גישת sEMG רב שריר לאפיין שליטה מוטורית של שרירי גפיים 7, המכונים מדד התגובה מרצון (VRI) 8, פיתחנו כלי אנליטי לאפיון בקרת נשימה מנוע ישירות מsEMG הנתונים שנרשמו מרירי נשימה מרובים במהלך ההתנדבות משימות בדרכי הנשימה. יש לנו מכונים בקרת מנוע הערכת נשימה זו (RMCA) 9. שיטת ניתוח וקטור זה מכמת את הסכום וההפצה של פעילות על פני שרירים ומציגה אותו בצורה של מדד שמתייחסת באיזו מידה דומה לפלט sEMG תוך בדיקת נושא שמקבוצה של נבדקים בריאים (לא פצועים). ערך המדד וכתוצאה הוכח יש תוקף פנים גבוה, רגישותוסגוליות 9-11. אנחנו הראו בעבר כי תוצאות 9 RMCA לתאם באופן משמעותי עם רמות של SCI מידות ותפקוד ריאות. אנו מביאים כאן את השיטה כדי להשוות דפוסים שלאחר חוט השדרה פגיעה בדרכי הנשימה מרובות שרירים הפעלת כמותית לאלו של אנשים בריאים.
Protocol
1. הגדרות
- ראשי אלקטרודה משטח הונחו על שריר הבטן של שרירי שמאל (L) וימין (R) בדרכי הנשימה: sternocleidomastoid (SC), שונים צלעות (S), הטרפז עליון על קו midclavicular (UT), חלק clavicular של בית חזה בקו midclavicular (P ), סרעפת על קו ליד עצם (ד '), בין צלעי בשטח 6 ה צלעי בקו קדמי בבית השחי (IC), abdominus Rectus ברמת טבור (ע"ר), abdominis obliquus על קו midaxillary (O), הטרפז תחתון paraspinally ברמת midscapular (שעון מקומי ), וparaspinal paraspinally על הכסל intercrestal קו (PS) 6. האלקטרודות הקרקעיות הונחו על תהליכי acromion. מערכת מעבדת תנועה חזרה יחידת Pack, עם אלקטרודות המחוברות, הייתה קשורה לתנועת יחידת מעבדת EMG שולחן כתיבה למעלה ומערכת Powerlab (איור 1).
- מעגל ניטור T-חתיכה להקליט את לחץ נתיב האוויר הורכב כפי שמוצג באיור 2 ומחובר לPressu נמוךמתמר מחדש (MP45) באמצעות צינור אוויר.
- MP45 היה קשור לCD15 וPowerlab המערכת (איור 1 ולוח 1).
2. RMCA פרוטוקול
- את המשימות מוטורי הנשימה כללו משימות מקסימליים inspiratory לחץ (MIPT) ומשימות לחץ נשיפה מקסימליים (MEPT). כדי לבצע MIPT או MEPT, נבדקים התבקשו לייצר מאמץ שאיפה מרבי מנפח שיורית או מאמצי נשיפה מקיבולת הריאות כוללת של 5 שניות באמצעות מעגל ניטור T-חתיכה (איורים 1 ו -2). כל תמרון היה רמז על ידי צליל נשמע ארוך של 5 שניות וחזר על 3x. דקות לפחות 1 של מנוחה הייתה מותרת בין כל מאמץ.
- קלט EMG היה מוגבר עם רווח של 2,000; מסונן ב30-1,000 הרץ וידגם ב2,000 הרץ. קלט לחץ נתיב האוויר היה מכויל במי 100 ס"מ וידגם ב2,000 הרץ. תשומות לחץ EMG ודרכי נשימה הוסבו על ידי המערכת באמצעות רכישת Powerlab מלא 16-bit סולם ADCרזולוציה. אותות לחץ נתיב אוויר, sEMG וסמן נרשמו בו זמנית 9.
3. ניתוח נתונים
- Multi-שריר פעילות הפצת ניתוח של 5 שניות כל החלונות לMIPT או MEPT נקבעו מסמן האירוע ולחץ נתיב אוויר נרשם עם טון הרימוזים שסמן את הנושא מתי להתחיל ולסיים את המשימה (איור 3). פעילות sEMG לכל שריר חושב באמצעות שורש ממוצע ריבוע אלגוריתם (RMS) 6,12 (איור 4). שלושה ניסויים חוזרים ונשנים לכל משימה היו בממוצע 13 לכל שריר (ערוץ).
- Multi-דפוסי הפעלת השרירים הוערכו בהתבסס על שיטת ניתוח המכונה וקטור מדד התנדבות התגובה (VRI) 8 (איורים 4-6) באמצעות תוכנת Matlab מחוייט (MathWorks). לכל תמרון, חישוב VRI מייצר שני ערכים, עצמה ומדד דמיון (SI) (איורים 5-6).פרמטר הגודל, כמות פעילות sEMG משולבת לכל השרירים בתוך חלון זמן המסוים, חושב כאורכו של וקטור התגובה (קרוואנים) למשימה ספציפית (איור 7). מדד הדמיון (SI) מספק ערך המבטא כמה דומה RV של נושא SCI הוא וקטור תגובת אבטיפוס (PRV) התקבל מנבדקים בריאים באותה המשימה. ערך SI חושבו עבור כל משימה כפי שהקוסינוס של הזווית בין קרוואנים הנושא SCI וPRV. ערך SI נע בין 0 ל 1.0 שבו ערך של 1.0 מייצג את ההתאמה הטובה ביותר עבור וקטורים לעומת 9 (איור 8).
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
איור 3 מייצג את electromyogram ולחץ נתיב אוויר (על גבי) נרשם בו זמנית בMEPT מהלא פצועים (משמאל) וSCI יחידים (מימין). הערה ירידה בלחץ דרכי הנשימה והעדר פעילות בשרירי sEMG נשיפה מאומצות בנושא SCI בהשוואה לאדם שאינו פצוע (מסומן באליפסות אפורות). שימו לב גם כי התחלה של הפעילות, כפי שמסומנת בחלקו התחתון, הוא קשור ללחץ sEMG פעילות וגיוס מוגבר בדרכי נשימה.
איור 4 מדגיש את השלבים העיקריים של בניית קרוואנים. ההתחלה והסוף של המשימה (חלון אירוע) הוגדרה כנקודות נתונים (שלב 1) לפי הסמן. שורש ממוצע הריבוע (RMS) של sEMG בתוך חלון אירוע זה מייצג את פעילות sEMG אומרת עבור כל שריר (שלב 2). RV מורכב תוך שימוש בערכי RMSs לשילוב השרירים הספציפי (שלב 3).
איור 5 מדגים חישובPRV ואת העצמה שלה לקבוצה של אנשים שאינם פצועים (בריא). מטריצת תגובת אב טיפוס נבנתה באמצעות RVs הבודדים (שלב 4). כל עמודה במטריצת תגובת אב הטיפוס כוללת נתונים עבור כל פרט בקבוצה (n = 1,2, .., N) וכל שורה מייצגת sEMG פעילות לכמת (RMSs) של שרירים ספציפיים מכל אנשים בקבוצה. PRV מחושב על ידי הממוצע של כל שורה של מטריצת תגובת אב הטיפוס (שלב 5). ערך מגניטודה מייצג את אורכו של קרוואנים והיה מחושב על פי נוסחה שמוצגת (שלב 6).
איור 6 מציג את שלבים לחישוב SI. RV (שלב 7) ואת העצמה שלה (שלב 8) לאדם SCI מסוים חושבו כגם מוצגים באיורי 4 ו -5. SI היה מתקבל על ידי חישוב המכפלה הפנימית של PRV וקרוונים (שלב 9).
דמויות 7 ו -8 להמחיש את הבנייה של הווקטורים וCalculations של תוצאות שימוש בנתונים אמיתיים. חישובים אלו יכולים להתבצע באמצעות כל כלי תוכנה מתאימים כמו Mathlab, Excel או באחרים.
טבלת מס '1. רשימה של ציוד ספציפי ואספקה המשמש להערכת בקרת מנוע הנשימה.
איור 1. ציוד הקלטת לחץ נתיב אוויר המשמש להערכת בקרת מנוע הנשימה sEMG ו. לחצו כאן לצפייה בדמות גדולה.
איור 2. מעגל ניטור T-חתיכה עם צינור אוויר הרכבה משמש כדי להקליט את דרכי הנשימה הלחץ דuring MEPT. שים לב שעבור MIPT, האוויר הדולף צריך להיות חלק התהפך לצד השאיפה.
איור 3. sEMG פעילות במהלך משימת נשיפת לחץ מקסימלי (MEPT) באדם שאינו פצוע ונושא עם פגיעה בחוט השדרה (SCI). לחץ האוויר פיתחה מוצג על גבי (לחץ) ובמקביל נרשם sEMG פעילות עם אירוע סימן (סמן) על תחתון. קווים אפורים אנכיים מייצגים את 5 שניות ניתוח חלונות לחישובי VRI. הערה ירידה בלחץ דרכי הנשימה והעדר הפעילות בשרירי נשיפה: צלע ימנית (R) ושמאל (L) (IC), Rectus Abdominus (ע"ר), וAbdominus אלכסוני (O) בנושא SCI בהשוואה לאדם שאינו פצוע ( מסומן באליפסות אפורות). שרירים אחרים שמוצג: ימני (R) וSter שמאל (L) nocleidomastoid (SC), סקאלין (S);. עליון הטרפז (UT), בית חזה (P), דיאפרגמה (ד '), הטרפז תחתון (שעון מקומי), וparaspinal (PS) לחץ כאן לצפייה בדמות גדולה.
איור 4. צעדים לחישוב וקטור התגובה (RV). שימו לב שRV במהלך המשימה הספציפית הורכב באמצעות שורש ממוצע הריבוע (RMS) ערכים מחושב לשרירים ספציפיים.
איור 5. צעדים לחישוב וקטור תגובת אבטיפוס (PVR). שים לב שהקרוואנים מכל אדם בריא בקבוצה נעשה שימוש כדי ליצור PVR ולחשב הגודל שלה.0178/50178fig5large.jpg "target =" _blank "> לחץ כאן לצפייה בדמות גדולה.
איור 6. צעדים לחישוב מדד הדמיון (SI) והגודל. שימו לב שSI חושב באמצעות PRV וקרוונים המתקבלים מSCI הנושא (SRV). שימו לב גם כי הגודל חושב כאורכו של SRV. לחץ כאן לצפייה בדמות גדולה.
איור 7. דוגמה לחישובי PRV באמצעות נתונים שהושגו במהלך משימת נשיפה מקסימלי (MEPT) ב -17 אנשים שאינם פצועים. לחצו כאן לצפייה בF הגדול יותרigure.
איור 8. דוגמה לחישובי VRI באמצעות נתונים המתקבלים בזמן משימה מקסימלי נשיפה (MEPT) בבריא (לא פצועה) ואנשים מדע. שימו לב כי בניגוד לאי - הפצועה הנושא, היעדרות וירידה בפעילות שרירי נשיפה (IC, דלקת מפרקים שגרונית, וO ) באדם SCI ירד מדד ערך הדמיון (SI). כמו כן שימו לב פעילות שרירים כולל נמוכה יותר באדם קשור עם SCI ערך גודל נמוך. לחץ כאן לצפייה בדמות גדולה.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
בדיקות קליניות רגילות להערכת תפקוד מוטורי נשימה לאחר SCI והפרעות אחרות כוללות את הבדיקות תפקוד ריאות ואת קנה מידה האמריקנית השדרה פגיעה אגודת ירידת ערך (AIS) הערכת 14,15. עם זאת, כלים אלה לא נועדו להערכה כמותית של תא המטען ובקרת נשימה מנוע. בעבודה שלנו שפורסם בעבר 9, שהראינו כי RMCA הוא שיטה תקפה להערכת התפקוד מוטורי הנשימה מושפע SCI כמותית. אנחנו הוכחנו כי שיטה זו יכולה לשמש למרות בדיקה מחדש בדיקה והשתנות האמפליטודה EMG נושא לנושא.
על מנת לכמת את מידת ההבדל (SI) בדפוסי התפוצה מרובים שרירים המיוצרים על ידי אדם נבדק (RV) נגד הווקטור הנורמטיבי (PRV), ניתן לבנות PRV וקרוונים לכל שילוב של שרירים. את המשימות המוטוריות יכולות להשתנות ותלויות בתכנון מחקר, כמו גם הרשימה של השרירים. בשיתוףntrast לSI, ערכי גודל, המייצגים את פעילות sEMG הכללית, ניתן לשנות על ידי מאמץ נושא, פעילות שרירים מפצה, ותכונות פיסיקליות של רקמות גוף.
SI, תוך מתן המדד כמותי לכמה קרוב את דפוס הפעלת השרירים רב הוא לדפוס הנורמטיבי, אינו מתאר את הדרך שבה התבנית עשויה להיות שונה. מסיבה זו, הוא חיוני כדי לתאר באופן איכותי שינויים בדפוס ובהפעלת שרירים בודדות. בנוסף, יש צורך במחקר נוסף כדי לבחון את אותות sEMG לפרמטרים נוספים שבה מאפיינים את מאפייני הפעלה מרובות ובודדי שרירים.
השיטה המוצגת כאן מספקת דרך שיטתית כדי להעריך שליטה מוטורית של שרירי גזע משמשים לביצוע משימות מוטוריות בדרכי הנשימה בהשוואה לאמצעים סטנדרטיים נורמטיביים. בנוסף להערכת sEMG תיאורי לחקור באיזו דרך את דפוס הפעלת השרירים הוא לשנותאד, חישובי VRI לספק ערכי המדד אחידים שממנו את חומרת ההפרעה יכולה להיות בהשוואה על פני אנשים ושינויים על פני זמן יכולה להיות במעקב. שיטה זו מאפשרת הערכה של מצב השליטה המוטורית בדרכי הנשימה ואת ההשפעות של התערבויות קיימות ואת הרומן על שליטה מוטורית נשימה לקויה באנשים עם SCI והפרעה אחרת.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
אין ניגוד האינטרסים להכריז.
Acknowledgments
עבודה זו נתמכה על ידי כריסטופר ודנה ריב קרן (גרנט CDRF OA2-0802-2), חוט השדרה וראש קנטאקי פגיעה מחקר בנאמנות (גרנט 9-10A - KSCHIRT), קרייג ח'נילסן קרן (גרנט 1000056824 - HN000PCG) והלאומי מכוני בריאות: לאומי ללב ריאות ודם מכון (גרנט 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).
