Summary
Целью данной публикации является представление нашей оригинальной работы на мульти-мышечного подход электромиографический поверхность, чтобы количественно охарактеризовать модели активации дыхательных мышц у людей с хроническим повреждением спинного мозга с использованием векторной основе анализа.
Abstract
Во время дыхания, активация дыхательных мышц координируется интегрированный вход от мозга, ствола мозга и спинного мозга. При этом координация нарушается травмы спинного мозга (SCI), контроль дыхательных мышц, иннервируемых ниже места повреждения скомпрометирован 1,2 приводит к дисфункции дыхательных мышц и легочных осложнений. Эти условия являются одной из ведущих причин смерти у пациентов с ТСМ 3. Стандартное исследование функции легких, что оценки дыхательной функции включают spirometrical двигателя и максимального давления в дыхательных путях результаты: форсированная жизненная емкость легких (ФЖЕЛ), объема форсированного выдоха за одну секунду (ОФВ1), максимальное давление выдоха (PI макс) и максимального выдоха (PE макс.) 4,5. Эти данные носят косвенные измерения производительности дыхательных мышц 6. В клинической практике и научных исследований, поверхность электромиографии (SEMG), записанные от дыхательных мышцможет быть использован для оценки функции дыхания двигателя и помочь диагностировать нервно-мышечных патологий. Тем не менее, различия в амплитуде SEMG тормозит усилия по разработке объективных и прямые показатели функции внешнего дыхания двигателя 6. На основе нескольких мышц SEMG подход к характеризации управления двигателем мышц конечностей 7, известный как индекс добровольного ответа (VRI) 8, мы разработали аналитический инструмент для характеристики дыхательного контроля двигателем непосредственно SEMG данных, записанных в разных дыхательных мышц во время добровольной дыхательных задач. Мы назвали эту дыхательного контроля двигателя оценке (RMCA) 9. Этот метод векторного анализа количественно количество и распределение активности в мышцах и представляет ее в виде индекса, который относится, в какой степени SEMG выходной мощностью в тест-субъектных напоминает, что с группой здоровых (без пострадавших) управления. Полученное значение индекса, как было показано, имеют высокий срок лице, чувствительностьи специфичность 9-11. Ранее мы показали, что 9 RMCA результаты коррелировали с уровнями SCI и легочную функцию меры. Мы представляем здесь метод количественно сравнивать после травмы спинного мозга дыхательных мышц мульти-модели активации у здоровых лиц.
Protocol
1. Настройки
- Поверхность электрода руководители помещались над мышцы животы левой (L) и правого (R) дыхательных мышц: Грудино (SC), разносторонний (S), на верхней трапециевидной среднеключичной линии (UT), ключичной части грудных на среднеключичной линии (P ), на диафрагму парастернальной линии (D), межреберная на 6-е межреберье по передней подмышечной линии (IC), прямой брюшной мышцы на уровне пупочной (RA), косые мышцы живота по средней подмышечной линии (O), нижняя трапециевидная paraspinally на межлопаточную уровне (LT ) и параспинальных paraspinally на подвздошной intercrestal линии (PS) 6. Заземляющие электроды помещались над акромиона процессов. Лаборатория движения системы Назад в упаковке, с прикрепленными электродами, был связан с движением Лаборатории EMG Desk Top группы и Powerlab системы (рис. 1).
- Тройник схема контроля для записи давления в дыхательных путях был собран, как показано на рисунке 2 и соединен с низким давлеRe преобразователя (MP45) с помощью воздушной трубки.
- MP45 был подключен к CD15 и Powerlab системы (рис. 1 и таблица 1).
2. RMCA протокола
- Дыхательных двигательных задач состояла из Максимальная вдохе целевая давление (МФТИ) и максимальная целевая выдоха давление (MEPT). Для выполнения МФТИ или MEPT, испытуемых просили для получения максимального вдоха усилием от остаточного объема выдоха или усилий от общей емкости легких в течение 5 с использованием тройника схема контроля (рис. 1 и 2). Каждый маневр был подают реплики также звуковым 5-секундный интервал тона и повторяется 3 раза. По крайней мере 1 мин отдыха было разрешено между каждым усилием.
- EMG входе был усилен с коэффициентом усиления 2000; фильтруют при 30-1,000 Гц и пробовали на 2000 Гц. Давление в дыхательных путях входа был откалиброван при 100 см воды и пробовали на 2000 Гц. Входы ЭМГ и давления в дыхательных путях были преобразованы системы Powerlab приобретения с использованием 16-битного АЦП полной шкалыразрешение. Давление в дыхательных путях, и маркер SEMG сигналы были записаны одновременно 9.
3. Анализ данных
- Multi-мышечной активности Анализ распределения окна из 5 сек каждый для МФТИ или MEPT определяли из маркера событий и давление в дыхательных путях записанные с Каинг тон, который сигнализирует предметом, когда начать и закончить задачи (рис. 3). SEMG деятельности для каждой мышце была рассчитана с использованием среднеквадратичной (RMS) алгоритм 6,12 (рис. 4). Три повторных испытаниях для каждой задачи были в среднем 13 для каждой мышцы (канал).
- Мульти-модели активации мышц были оценены на основе метода векторного анализа известно как добровольное Индекс реагирования (VRI) 8 (рис. 4-6) с использованием заказных Matlab программное обеспечение (MathWorks). Для каждого маневра, расчет VRI производит два значения Величина и подобие индекса (SI) (фиг. 5-6).Величина параметра, количество SEMG совместной деятельности для всех мышц в конкретном временном окне, рассчитывалась как длина вектор отклика (RV) для конкретной задачи (рис. 7). Индекса сходства (SI) предоставляет значение, которое выражает, насколько похожи RV субъекта SCI является векторные Прототип реагирования (PRV), полученные от здоровых субъектов во время той же задачи. Значение СИ были вычислены для каждой задачи, как косинус угла между RV SCI субъекта и PRV. Значение СИ колеблется от 0 до 1,0, где значение 1.0 представляет лучший матч для сравнения векторов 9 (рис. 8).
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
Рисунок 3 представляет электромиограмме и давление в дыхательных путях (сверху) одновременно записанных во MEPT от неповрежденной (слева) и SCI (справа) физическими лицами. Примечание снизилось давление в дыхательных путях и отсутствие активности в SEMG выдоха мышцы в теме SCI по сравнению с неповрежденной отдельных (отмечены серым эллипсы). Отметим также, что запуск задачи, как отмечено на дне, связано с повышенной активностью SEMG и повышение давления в дыхательных путях.
Рисунок 4 освещаются основные шаги построения RV. Начало и конец задания (событие окне) был определен как точки данных (шаг 1) в соответствии с маркером. Root Mean Square (RMS) из SEMG в этом событии окно представляет среднее SEMG деятельности для каждой мышцы (шаг 2). RV был собран с использованием RMSS значения для конкретной комбинации мышцы (шаг 3).
5 иллюстрирует расчетPRV и его величина для группы неповрежденной (здоровых) людей. Матрица прототипа ответ был сконструирован с использованием отдельных РВ (Стадия 4). Каждый столбец в матрице ответ Прототип включает данные для каждого человека в группе (п = 1,2, .., N) и каждая строка представляет количественно SEMG деятельности (RMSS) конкретные мышцы от всех людей в группе. PRV была рассчитывается путем усреднения каждой строке матрицы прототип ответа (шаг 5). Магнитуда значение представляет длину RV и рассчитан в соответствии с формулой, приведенной (шаг 6).
На рисунке 6 показаны шаги для расчета СИ. RV (стадия 7), и его величина (Этап 8) для конкретного индивидуума SCI были рассчитаны как также показано на фиг.4 и 5. С. И. был получен путем вычисления скалярного произведения PRV и RV (шаг 9).
7 и 8 иллюстрируют построение вектора и расчетыбаний результатов с использованием реальных данных. Эти расчеты могут быть сделаны с помощью любого подходящего инструмента программного обеспечения, как Mathlab, Excel или других лиц.
Таблица 1. Список специального оборудования и материалов, используемых для дыхательной оценке управления двигателем.
Рисунок 1. SEMG давление в дыхательных путях и записывающего оборудования для дыхательной оценке управления двигателем. Нажмите здесь, чтобы увеличить рисунок .
Рисунок 2. Тройник схема контроля с воздушной трубкой сборке используется для записи давления в дыхательных путях Dтором MEPT. Отметим, что для МФТИ, утечку воздуха часть должна быть перевернута в сторону вдоха.
Рисунок 3. SEMG деятельности при максимальном выдохе целевая давление (MEPT) в неповрежденной Индивидуальные и предметом с повреждением спинного мозга (SCI). Давление воздуха разработаны показана сверху (давление) и одновременно записал SEMG деятельность с метки события (маркер) на дно. Вертикальные линии представляют собой серо-5 сек окна анализа для расчетов VRI. Примечание снизилось давление в дыхательных путях и отсутствие активности в выдыхаемом мышц: правый (R) и левого (L) межреберные (IC), прямой брюшной мышцы (RA), и косых брюшных (O) в теме SCI по сравнению с не-потерпевшему лицу ( отмечено серым цветом эллипсы). Другие мышцы Показано правое (R) и левого (L) Ster nocleidomastoid (SC), Scalene (S);. верхней трапециевидной (UT), грудной (P), диафрагму (D), Нижняя трапециевидной (LT) и параспинальных (PS) Нажмите здесь, чтобы увеличить рисунок .
Рисунок 4. Шаги для расчета вектор отклика (RV). Обратите внимание, что во время RV конкретной задачей был собран с использованием Root Mean Square (RMS), рассчитанные для конкретных мышц.
Рисунок 5. Шаги для расчета прототипа вектор отклика (PVR). Следует отметить, что RV друг от здорового человека в группе был использован для создания PVR и вычислить его величину.0178/50178fig5large.jpg "целевых =" _blank "> Нажмите здесь, чтобы увеличить рисунок.
Рисунок 6. Шаги для вычисления подобия индекса (SI) и величине. Обратите внимание, что SI была рассчитана с использованием PRV и RV получены из SCI субъекта (СРВ). Отметим также, что величина рассчитывается как длина SRV. Нажмите здесь, чтобы увеличить рисунок .
Рисунок 7. Пример расчета PRV использованием данных, полученных во время выдоха задача-максимум (MEPT) в 17 неповрежденной лиц. Нажмите здесь, чтобы увеличить Figure.
Рисунок 8. Пример расчета VRI использованием данных, полученных во время выдоха задача-максимум (MEPT) у здоровых (без раненых) и SCI лиц. Обратите внимание, что в отличие от неповрежденной тему, отсутствие и снижение активности мышц выдоха (IC, RA, и О ) в отдельных SCI снизился показатель подобия (SI) значения. Также обратите внимание, низкой общей мышечной активности в отдельных SCI связано с более низкой величины Значение. Нажмите здесь, чтобы увеличить рисунок .
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
Стандартные клинические тесты для оценки функции внешнего дыхания двигателя после ТСМ и других расстройств включают исследования функции легких и Американской ассоциации Травма спинного Обесценение шкала (АИС) оценку 14,15. Однако эти средства не предназначены для количественной оценки туловища и дыхательных управления двигателем. В наших ранее опубликованных работ 9, мы показали, что RMCA является допустимым методом количественной оценки дыхательной функции двигателя, пострадавших от ТСМ. Мы показали, что этот метод может быть использован, несмотря на тест-повторное испытание и субъект-субъект ЭМГ амплитуды изменчивости.
Для количественной оценки степени различия (SI) в нескольких мышц структуры распределения производства обследованного человека (RV) против нормативной вектор (PRV), PRV и RV может быть построено для любой комбинации мышц. Двигатель задачи могут изменяться и зависит от дизайна исследования, а также список мышц. В сотрудничествеntrast к СИ, Величина значения, представляющие общую активность SEMG, могут быть модифицированы предмет усилие, компенсационные мышечной активности, и физических свойств тканей тела.
SI, обеспечивая при этом количественной мерой того, насколько близко мульти-мышечной активации шаблона является нормативным шаблон, не описывает, каким образом образец может быть различной. По этой причине важно, чтобы качественно описывают изменения в структуре и индивидуальных активации мышц. Кроме того, необходимы дальнейшие исследования для изучения SEMG сигналы для дополнительных параметров, с которым для характеристики мульти-и одно-мышечного свойствами активации.
Изложенный здесь метод обеспечивает систематический способ оценить управления двигателем мышц туловища используются для выполнения дыхательных двигательных задач по сравнению с мерами норматива. В дополнение к описательной оценки SEMG расследовать, каким образом модель активации мышц изменяютЭд, VRI расчеты обеспечивают единые значения индекса, из которых тяжесть нарушения можно сравнить между индивидами и изменения с течением времени могут быть отслежены. Этот метод позволяет оценить состояние дыхательной системы управления двигателем и последствия существующих и новых мероприятий по обесцененным дыхательного контроля двигателя людьми с ТСМ и других расстройств.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
Нет конфликта интересов, чтобы объявить.
Acknowledgments
Эта работа была поддержана Кристофера и Даны Рив фонда (грант CDRF OA2-0802-2), Кентукки спинного мозга и травмы головы Research Trust (грант 9-10A - KSCHIRT), Крейг Х. Нильсен фонда (грант 1000056824 - HN000PCG) и Национальной Институты Здоровья: Национальный легких сердца и крови институт (грант 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).
