Summary
本書の目的は、定量的にベクトルベースの分析を用いて、慢性脊髄損傷患者で呼吸筋活動パターンを特徴づけるために、マルチ筋表面筋電図の手法で独自の作品を提示することである。
Abstract
呼吸時には、呼吸筋の活性化は、脳、脳幹、脊髄からの統合された入力によって調整されます。この調整は、脊髄損傷（SCI）によって破壊された場合、損傷レベルより支配呼吸筋の制御は、呼吸筋機能不全、肺合併症につながる1,2損なわれる。これらの条件は、SCI 3患者における死亡の主要な原因の一つです。肺活量（FVC）、1秒努力呼気肺活量（FEV 1）、最大吸気圧（PI max）と最大呼気圧（PE 最大 ）：呼吸運動機能を評価する標準的な肺機能検査はspirometrical、最大気道内圧の成果を含む4,5。これらの値は、呼吸筋性能6の間接的な測定値を提供する。臨床実践と研究、呼吸筋から記録された表面筋電図で呼吸運動機能を評価し、神経病変を診断するのを助けるために使用することができる。しかし、sEMG振幅の変動は、呼吸運動機能6の客観的かつ直接的な対策を開発するための努力を阻害する。自発的応答指標（VRI）8として知られている肢筋7のモータ制御を特徴付けるために、マルチ筋sEMGアプローチに基づいて、我々は自発中に複数の呼吸筋から記録されたデータをsEMGから直接呼吸モータ制御を特徴付けるための分析ツールを開発呼吸タスク。私たちは、この呼吸モータ制御評価（RMCA）9と呼ばれています。このベクトル解析法は、筋肉全体に活動の量と分布を定量化し、テスト対象内sEMG出力は健康（非負傷者）コントロールのグループから、それに類似する。度に関する指標の形でそれを提示得られたインデックス値が高い顔の有効性、感度を有することが示されていると特異9-11。我々はRMCAの成果が大幅にSCIのレベルと肺機能を測定と相関すること以前に9を示した。我々はここで定量的健常者のものと後の脊髄損傷呼吸マルチ筋活動パターンを比較する方法を提示している。
Protocol
1。設定
- 胸鎖乳突筋（SC）、不等辺（S）、鎖骨中央線（UT）、鎖骨中央線上に胸の鎖骨部分（P上部僧帽筋：表面電極ヘッドは左（L）、右（R）呼吸筋の筋肉の腹の上に配置された）、胸骨のライン（D）、midscapularレベルでparaspinally前腋窩線で6 番目の肋間（IC）、臍レベルで腹直筋（RA）、腋窩中線に斜の腹（O）、低級僧（LTで肋間上ダイアフラム）、及び腸intercrestalライン（PS）6 paraspinally傍脊柱。接地電極は、肩峰プロセスの上に配置した。バックパックユニット、付属の電極を備えたモーションラボシステムは、モーションラボEMGデスクトップユニットとPowerLabのシステム（ 図1）に接続した。
- 気道内圧を記録するTピースモニタ回路は、 図2に示すように組み立てられ、低Pressuに接続した空気管を使用して再変換器（MP45）。
- MP45は、CD15に接続されており、PowerLabのシステム（ 図1及び表1）しました。
2。 RMCAプロトコル
- 呼吸運動課題は、最大吸気圧タスク（MIPT）と最大呼気圧タスク（MEPT）から成っていた。 MIPTまたはMEPTを実行するために、被験者は残留量又はTピース監視回路（ 図1および図2）を用いて5秒間全肺気量から呼気努力から最大吸気努力を生成するよう依頼した。各マニューバー、可聴5秒ロングトーンによってキューと3倍繰り返した。残りの少なくとも1分は、それぞれの努力の間で許可されました。
- EMG入力は2000のゲインで増幅された; 30-1,000 Hzで濾過し、2,000 Hzでサンプリング。気道内圧入力は水100 cmの校正され、2,000 Hzでサンプリングした。 EMGおよび気道圧力入力は、16ビットのフルスケールADCを使用して、パワーラブ·アクイジション·システムによって変換された解像度。気道内圧、sEMGとマーカ信号が同時に9を記録した。
3。データ解析
- MIPTまたはMEPTために5秒のマルチ筋活動分布分析窓それぞれが始まります（ 図3）タスクを終了するときに件名を合図頭出しした口調で記録されたイベントマーカーと気道内圧から決定した。各筋肉のためsEMG活動は平方根（RMS）アルゴリズム6,12（ 図4）平均平方根を用いて計算した。各タスクのための三繰り返し試験は各筋肉（チャンネル）が13を平均した。
- マルチ筋活動パターンは、カスタムメイドのMatlabソフトウェア（MathWorks社）を使用して、自主レスポンスインデックス（VRI）8（ 図4-6）として知られているベクトル解析方法に基づいて評価した。各演習については、VRIの計算は、2つの値、マグニチュードと類似指数（SI）（ 図5-6）を生成します。マグニチュード·パラメータ、特定の時間窓内のすべての筋肉のための結合sEMG活性の量は、特定のタスクに対する応答ベクトル（RV）（ 図7）の長さとして算出した。類似度指数（SI）は、SCI対象のRVは、同じタスクの実行中に、健常者から得られたプロトタイプ応答ベクトル（PRV）にどの程度似表現値を提供します。 SI値はSCIの件名RV PRVとの間の角度の余弦としてタスクごとに計算した。 SI値が1.0の値が比較さベクトル9（ 図8）のためのベストマッチを表す0〜1.0の範囲である。
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Representative Results
図3は、筋電図と同時に非負傷（左）とSCI（右）個人からMEPT中に記録された気道内圧を（上に）を表します。注非負傷個人（灰色の楕円でマーク）と比較した場合、SCI対象に呼気筋の活動をsEMGの気道内圧と不在を減少させた。として底にマークされたタスクの開始が、増加sEMG活動に関連付けられており、気道内圧を上げていることにも注意してください。
図4は RVを構築する主なステップを強調しています。タスクの開始と終了（イベント·ウィンドウ）マーカーに記載のデータポイント（工程1）と定義した。ルートは、このイベントウィンドウ内sEMGの広場（RMS）は、それぞれの筋肉（ステップ2）の平均sEMG活動を表すことを意味します。 RVは、特定の筋肉の組み合わせ（ステップ3）RMSS値を使用して組み立てられる。
図5の計算を示す図であるPRVと非負傷者（健康な）個人のグループのために、その大きさ。プロトタイプ応答行列は、個々のRV車（ステップ4）を用いて構築した。各プロトタイプ応答行列の列グループ内の個々のためのデータを含む（N = 1,2、...、N）と、各行を表し、グループ内のすべての個体から特定の筋肉の活性（RMSS）をsEMG定量化した。 PRVは、プロトタイプ応答行列（ステップ5）の各列の平均をとることによって計算した。マグニチュード値はRVの長さを表し、一般式（工程6）に従って算出した。
図6は SI計算の手順を示しています。また、 図4および図5に示すように、RV（ステップ7）、特にSCIの個々のためにその大きさは（ステップ8）を算出した。 SIは、PRVおよびRV（ステップ9）との内積を計算することによって得た。
図7および図8は、ベクターの構築および計算を示す図である実データを用いた結果のlations。これらの計算はMATHLAB、Excelまたは他のような任意の適切なソフトウェアツールを使用して行うことができる。
表1。呼吸モータ制御評価に使用される特定の機器および消耗品のリスト。
図1。 sEMGと呼吸モータ制御評価に使用気道内圧の記録装置は より大きい数字を表示するには、ここをクリックしてください 。
図2。気道圧力dは記録するために使用組み立てる空気管とTピースモニタ回路uring MEPTはMIPTため、一部が漏れた空気が吸気側に反転されるべきであることに注意してください。
図3。非負傷者個人および脊髄損傷（SCI）と対象の最大呼気圧タスク（MEPT）中のアクティビティをsEMG。開発した空気圧は、トップ（圧力）に表示すると同時に、上のイベントマーク（マーカー）と活動をsEMG記録さボトム。縦の灰色の線は、VRIの計算のための5秒で解析ウィンドウを表す。気道内圧と不在活動の呼気筋肉の減少（注）非負傷者個人に比べSCI対象に（L）右（R）と左肋間（IC）、直筋腹（RA）、そして斜め腹（O）を（ ）グレーの楕円でマーク。示す他の筋肉：右（R）と左（L）STER nocleidomastoid（SC）、不等辺（S）;。アッパー僧帽（UT）、胸筋（P）、ダイヤフラム（D）、下部僧帽（LT）、および傍脊柱（PS）は、 より大きい数字を表示するには、ここをクリックしてください 。
図4。応答ベクトル（RV）の計算のための手順は、特定のタスクの間にRVがルートを使って組み立てていたことに注意して広場が（RMS）は、特定の筋肉のために計算された値を意味します。
図5。グループ内の各健常個体由来のRVがPVRを作成し、その大きさを計算するために使用されたプロトタイプの応答ベクター（PVR）。注意を計算するための手順 。0178/50178fig5large.jpg "ターゲット=" _blank ">より大きい数字を表示するには、ここをクリックしてください。
図6。類似度指数（SI）とマグニチュードの計算のための手順。SIはPRVとSCIサブジェクト（SRV）から得RVを用いて計算したことに注意してください。マグニチュードは、SRVの長さとして計算されたことにも注意してください。 より大きい数字を表示するには、ここをクリックしてください 。
図7。 17非負傷者における最大呼気タスク（MEPT）の間に得 られたデータを用いてPRV計算の例は より大きいFを表示するにはここをクリックigure。
図8。健康に最大呼気タスク（MEPT）の間に得 られたデータを用いて、VRI計算の例（非負傷者）とのSCI個人注対照的に、非負傷主題への、不在と呼気の筋肉の活動を減少した（IC、RA、およびO SCIの個体の）は、類似度指数（SI）の値を減少させた。また、低振幅値に関連付けられたSCIの個々の下位全体の筋活動を記録します。 より大きい数字を表示するには、ここをクリックしてください 。
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Discussion
SCI後呼吸運動機能を評価するための標準的な臨床試験や他の疾患は、肺機能検査とアメリカ脊髄損傷協会減損尺度（AIS）評価14,15を含む。ただし、これらのツールは、トランクおよび呼吸モータ制御の定量的評価のために設計されていない。我々の以前に発行されたワーク9に、我々はRMCA定量的SCIによって影響を受ける呼吸運動機能を評価するための有効な方法であることが示されている。我々は、この方法は、テスト再テストを目的としてから被写体EMG振幅変動にもかかわらず、使用できることを実証した。
規範ベクター（PRV）に対して試験した個体（RV）によって生成されたマルチ筋分布パターンの相違度（SI）を定量化するために、PRVおよびRV、筋肉の任意の組み合わせのために構築することができる。運動課題は変わると研究デザインと同様に筋肉のリストに依存することができます。共同でSIにntrast、全体のsEMG活性を示すマグニチュード値は、被写体の努力、補償筋活動、および身体組織の物理的特性によって変更できる。
SIは、マルチ筋活動パターンは規範的パターンにどれだけ近いかの定量的測定を提供しながら、パターンが異なる可能性がどのような方法で説明されていない。このため、定性的には、パターンの個々の筋活動の変化を説明するために不可欠である。また、さらなる研究は、マルチおよび単一筋肉活性化特性を特徴づけるとともに、その他のパラメータについてはsEMG信号を検査する必要がある。
ここで紹介する方法は、規範的な標準対策と比較して呼吸運動タスクを実行するために使用される幹筋肉のモータ制御を評価するための系統的な方法を提供する。筋活動パターンが変更されているような方法で調査する記述sEMG評価に加えて、公開草案は、VRI計算は混乱の深刻さは、時間をかけて、個人および変更間で比較することができます監視することができ、そこから統一された指標値を提供します。この方法は、呼吸モータ制御ステータスの評価とSCIやその他障害を持つ人に障害呼吸モータ制御上の既存および新規の介入の効果を可能にします。
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Disclosures
宣言するには、特別の利害関係はありません。
Acknowledgments
、クレイグH.ニールセン財団（助成1000056824 - HN000PCG）と国家 - この作品は、クリフトファーリーブ麻痺財団（助成CDRF OA2-0802から2）、ケンタッキー脊髄及び頭部外傷研究トラスト（KSCHIRTグラント9-10A）によってサポートされていました衛生研究所：国立心臓肺血液研究所（グラント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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