Summary
O objetivo desta publicação é apresentar o nosso trabalho original sobre uma abordagem eletromiografia de superfície multi-muscular para caracterizar quantitativamente os padrões de ativação dos músculos respiratórios em indivíduos com lesão medular crônica usando análise baseada em vetor.
Abstract
Durante a respiração, a ativação dos músculos respiratórios é coordenado pela entrada integrado do cérebro, tronco cerebral e medula espinhal. Quando esta coordenação é interrompida por uma lesão medular (LM), controle dos músculos respiratórios inervados abaixo do nível da lesão é comprometida 1,2 levando a disfunção muscular respiratória e complicações pulmonares. Estas condições estão entre as principais causas de morte em pacientes com SCI 3. Testes de função pulmonar normais que avaliam a função motora respiratória incluem spirometrical e máxima das vias aéreas resultados de pressão: capacidade vital forçada (CVF), volume expiratório forçado no primeiro segundo (FEV1), pressão inspiratória máxima (PI máx) e pressão expiratória máxima (PE máx) 4,5. Estes valores fornecem medidas indiretas do desempenho da musculatura respiratória 6. Na prática clínica e de pesquisa, a eletromiografia de superfície (EMG), gravado a partir de músculos respiratóriospode ser utilizada para avaliar a função motora respiratória e ajudar a diagnosticar a patologia neuromuscular. No entanto, a variabilidade na amplitude EMG inibe os esforços para desenvolver medidas objetivas e diretas da função motora respiratória 6. Com base em uma abordagem multi-EMG muscular para caracterizar o controle motor dos músculos dos membros 7, conhecido como o índice de resposta voluntária (VRI) 8, desenvolvemos uma ferramenta analítica para caracterizar o controle motor respiratória diretamente do EMG dados gravados a partir de vários músculos respiratórios durante o voluntário tarefas respiratórias. Nós chamamos isso o Respiratória Motor Control Assessment (ACMD) 9. Este método de análise de vector quantifica a quantidade e distribuição da actividade entre os músculos e apresenta-lo na forma de um índice que relaciona o grau no qual a saída EMG num teste se assemelha ao objecto a partir de um grupo de controlos saudáveis (não lesionado). O valor do índice resultante foi demonstrado ter alta validade de face, a sensibilidade9-11 e especificidade. Nós mostramos anteriormente 9 que os resultados LUCR correlação significativa com os níveis de SCI e medidas de função pulmonar. Estamos apresentando aqui o método de comparar quantitativamente os padrões de ativação pós-lesão medular respiratórias multi-musculares aos de indivíduos saudáveis.
Protocol
1. Configurações
- Cabeças de eletrodos de superfície foram colocados sobre os ventres musculares esquerda (L) e direito (R) músculos respiratórios: esternocleidomastóideos (SC), escaleno (S), trapézio superior na linha hemiclavicular (UT), porção clavicular do peitoral na linha hemiclavicular (P ), diafragma na linha paraesternal (D), intercostal a 6 º espaço intercostal na linha axilar anterior (IC), reto abdominal a nível umbilical (RA), oblíquo abdominal na linha axilar média (O), trapézio inferior paraspinally a nível midscapular (LT ) e paravertebral paraspinally em ilíaca linha intercrestal (PS) 6. Os eletrodos de terra foram colocados sobre os processos acrômio. Um Sistema Lab Movimento Voltar Unidade Pack, com eletrodos conectados, estava ligado a um movimento Lab EMG Desk Top aparelho e do sistema Powerlab (Figura 1).
- Circuito de monitorização peça em T para registar a pressão nas vias aéreas foi montado como mostrado na Figura 2, e ligado à baixa pressuTransdutor re (MP45) utilizando tubo de ar.
- MP45 foi ligado ao CD15 e Powerlab sistema (Figura 1 e Tabela 1).
2. Protocolo RMCA
- As tarefas motoras respiratórias consistiu em Task pressão inspiratória máxima (telefone sem fio) e Task pressão expiratória máxima (MEPT). Para executar MIPT ou MEPT, os participantes foram convidados a produzir o máximo esforço inspiratório a partir do volume residual ou esforços expiratórios da capacidade pulmonar total por 5 segundos usando um circuito de monitoramento em T (Figuras 1 e 2). Cada manobra foi cued por um longo tom 5-sec audível e repetiu 3x. Pelo menos 1 min de descanso foi permitido entre cada esforço.
- Entrada EMG foi amplificado com um ganho de 2000; filtrada em 30-1,000 Hz e amostrado a 2000 Hz. Entrada de pressão das vias aéreas foi calibrado em 100 cm de água e amostrados a 2000 Hz. Os EMG e entradas de pressão nas vias aéreas foram convertidos pelo sistema de aquisição Powerlab usando 16-bit ADC escala completaresolução. Sinais de pressão nas vias aéreas, EMGs e marcador foram registrados simultaneamente 9.
3. Análise de Dados
- Multi-atividade muscular análise janelas distribuição de 5 segundos para cada telefone sem fio ou MEPT foram determinadas a partir do marcador evento e pressão das vias aéreas gravado com o tom cuing que sinalizou o assunto quando começar e terminar a tarefa (Figura 3). A atividade EMG de cada músculo foi calculada usando uma raiz quadrada (RMS) algoritmo de 6,12 (Figura 4) significam. Três ensaios repetidos para cada tarefa foram em média 13 para cada músculo (canal).
- Os padrões de ativação multi-musculares foram avaliados com base em um método de análise de vetor conhecido como o Índice de resposta voluntária (VRI) 8 (Figuras 4-6), usando custom-made software Matlab (MathWorks). Para cada manobra, o cálculo do VRI produz dois valores, uma magnitude e um índice de similaridade (SI) (Figuras 5-6).O parâmetro de magnitude, a quantidade de actividade de EMG combinado de todos os músculos no interior da janela de tempo específico, foi calculado como uma extensão do Vector de resposta (VR) para a tarefa específica (Figura 7). O Índice de Similaridade (SI) fornece um valor que expressa o quão similar a RV do SCI assunto é o vetor resposta Prototype (PRV) obtidos a partir de indivíduos saudáveis durante a mesma tarefa. O valor SI foi computada para cada tarefa como um co-seno do ângulo entre o sujeito e RV PRV SCI. O valor SI varia entre 0 e 1,0, onde o valor de 1,0 representa o melhor jogo para vetores comparados 9 (Figura 8).
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
A Figura 3 representa o eletromiograma e pressão das vias aéreas (em cima) registraram simultaneamente durante MEPT de um não-feridos (esquerda) e SCI indivíduos (à direita). Nota diminuição da pressão das vias aéreas e na ausência de actividade nos músculos expiratórios de um sujeito SCI EMG quando comparado a um indivíduo não-lesado (marcado com elipses cinzentas). Observe também que o início da tarefa, como marcado no fundo, está associada ao aumento de EMG atividade e aumento da pressão nas vias aéreas.
Figura 4 destaca as principais etapas da construção da RV. O início e fim da tarefa (indicador de evento) foi definida como pontos de dados (Passo 1) de acordo com o marcador. The Root Mean Square (RMS) do EMG dentro desta janela evento representa a atividade EMG média de cada músculo (Passo 2). O RV é montado usando RMSS valores para a combinação específica do músculo (Passo 3).
A Figura 5 ilustra o cálculo deo PRV e sua magnitude para um grupo de indivíduos não-feridos (saudável). Protótipo matriz de resposta foi construída usando RVs individuais (Passo 4). Cada coluna da matriz de resposta protótipo inclui dados para cada indivíduo do grupo (n = 1,2, .., N) e cada linha representa quantificado atividade EMG (RMSS) do músculo específico de todos os indivíduos do grupo. O PRV foi calculada tomando a média de cada linha da matriz de protótipo de resposta (Passo 5). O valor da magnitude representa o comprimento do VD e foi calculada de acordo com a fórmula apresentada (passo 6).
A Figura 6 mostra os passos para o cálculo do SI. O RV (Passo 7) e a sua magnitude (Passo 8) para um determinado indivíduo a SCI foram calculados como também mostrado nas Figuras 4 e 5. O SI foi obtida por meio do cálculo do produto interno do PRV e RV (Passo 9).
As Figuras 7 e 8 ilustram a construção dos vectores e cállações dos resultados com dados reais. Estes cálculos podem ser feitas usando qualquer ferramenta de software apropriado, como Mathlab, Excel ou outros.
Tabela 1. Lista de equipamentos e materiais específicos utilizados para a Avaliação de Controle Motor respiratória.
Figura 1. EMG e das vias aéreas equipamento de gravação de pressão utilizado para a Avaliação de Controle Motor respiratória. Clique aqui para ver a figura maior .
Figura 2. Circuito de Monitoramento T-piece com tubo de ar montagem utilizado para gravar a pressão das vias aéreas durante MEPT. Observe que para o telefone sem fio, o ar vazando parte deve ser virado para o lado inspiratório.
Figura 3. atividade EMG durante a tarefa a pressão expiratória máxima (MEPT) em um indivíduo não-feridos e um sujeito com lesão medular (SCI). pressão de ar desenvolvido é mostrado na parte superior (de pressão) e gravados simultaneamente atividade EMG com a marca do evento (marcador) no inferior. Linhas cinzentas verticais representam o 5-sec análise janelas para cálculos VRI. Nota diminuição da pressão das vias aéreas e ausência de atividade nos músculos expiratórios: Direita (R) e esquerda (L) intercostal (IC), Reto Abdominal (RA) e Abdominal oblíquo (O) em um assunto SCI comparado a um indivíduo não lesado ( marcado com elipses cinzentas). Outros músculos mostrado: Direita (R) e esquerda (L) Ster nocleidomastoid (SC), escaleno (S);. trapézio superior (UT), peitoral (P), diafragma (D), trapézio inferior (LT), e Paraspinal (PS) Clique aqui para ver a figura maior .
Figura 4. Passos para o cálculo do vetor de resposta (RV). Note-se que a RV durante a tarefa específica foi montada utilizando Root Mean Square (RMS) Os valores calculados para os músculos específicos.
Figura 5. Passos para o cálculo do Prototype Vector resposta (PVR). Note-se que a RV de cada indivíduo saudável no grupo foi usada para criar o PVR e calcular sua magnitude.0178/50178fig5large.jpg "target =" _blank "> Clique aqui para ver a figura maior.
Figura 6. Passos para o cálculo do Índice de Similaridade (SI) e magnitude. Note-se que o SI foi calculado usando PRV ea RV obtidas SCI assunto (SRV). Note-se também que a magnitude foi calculada como o comprimento do SRV. Clique aqui para ver a figura maior .
Figura 7. Exemplo de cálculos PRV utilizando dados obtidos durante Task expiratória máxima (MEPT) em 17 indivíduos não-lesados. Clique aqui para ampliar fIGURA.
Figura 8. Exemplo de VRI os cálculos utilizando os dados obtidos durante a Tarefa expiratória máxima (MEPT) em indivíduos saudáveis (não lesado) e os indivíduos com LM. Note-se que em contraste com o objecto não lesado, actividade diminuída e ausência músculos expiratória (CI, RA, e ó ) no indivíduo SCI diminuiu o valor do Índice de Similaridade (SI). Observe também menor atividade muscular global em um indivíduo SCI associado com menor valor de Magnitude. Clique aqui para ver a figura maior .
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
Testes clínicos padrão para avaliar a função motora respiratória após SCI e outros distúrbios incluem os testes de função pulmonar ea Escala American Spinal Injury Association Impairment (AIS) a avaliação 14,15. No entanto, essas ferramentas não são projetados para avaliação quantitativa do tronco e controle motor respiratório. No nosso trabalho previamente publicado a 9, que têm demonstrado que o ACMD é um método válido para avaliar quantitativamente a função motora respiratória afectada pelo SCI. Nós demonstramos que este método pode ser utilizado, apesar de teste re-teste e sujeita a sujeito a variabilidade amplitude EMG.
A fim de quantificar o grau de diferença (SI) nos padrões de distribuição multi-musculares produzidos por um indivíduo testado (VD) contra o vector normativo (PRV), o PRV e RV pode ser construído por qualquer combinação de músculos. As tarefas motoras podem variar e dependem da concepção do estudo, bem como a lista dos músculos. Em contrast ao SI, valores de grandeza, que representam a actividade global EMG, pode ser modificado pelo esforço sujeito, a atividade muscular compensatória, e as propriedades físicas dos tecidos do corpo.
O SI, enquanto proporciona a medida quantitativa de quão perto o padrão de activação de multi-muscular é o padrão normativo, não descreve a maneira na qual o padrão pode ser diferente. Por esta razão, é indispensável para descrever qualitativamente as mudanças no padrão e activação do músculo individual. Além disso, mais estudos são necessários para analisar os sinais EMGs de parâmetros adicionais com os quais caracterizam multi e single-muscular propriedades de ativação.
O método aqui apresentado fornece uma maneira sistemática para avaliar o controle motor dos músculos do tronco usado para executar tarefas motoras respiratórias em comparação com as medidas padrão normativo. Além disso, a avaliação descritiva EMG para investigar de que maneira o padrão de activação muscular é alterared, os cálculos VRI fornecer os valores de índice unificado a partir do qual a gravidade da perturbação pode ser comparada entre os indivíduos e as alterações ao longo do tempo pode ser monitorada. Este método permite a avaliação do estado de controle do motor respiratória e os efeitos das intervenções existentes e romance no controle motor respiratória prejudicada em pessoas com lesão medular e outros distúrbios.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
Não há conflito de interesse a declarar.
Acknowledgments
Este trabalho foi financiado pela Fundação Christopher e Dana Reeve (Grant CDRF OA2-0802-2), Kentucky Spinal Cord Injury e Chefe Research Trust (Grant 9-10A - KSCHIRT), Craig H. Nielsen Foundation (Grant 1000056824 - HN000PCG) e Nacional Institutes of Health: National Heart, Lung 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
- 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).
