Ocena aktywacji mięśni oddechowych za pomocą oceny kontroli motorycznej oddechu (RMCA) u osób z przewlekłym uszkodzeniem rdzenia kręgowego
19 lipca 2013
Celem tej publikacji jest przedstawienie naszej oryginalnej pracy nad wielomięśniowym powierzchniowym podejściem elektromiograficznym do ilościowego charakteryzowania wzorców aktywacji mięśni oddechowych u osób z przewlekłym uszkodzeniem rdzenia kręgowego za pomocą analizy wektorowej.
Ogólnym celem tej procedury jest ilościowa ocena wzorców aktywacji mięśni oddechowych u osób z uszkodzeniem rdzenia kręgowego poprzez porównanie z wartościami normatywnymi uzyskanymi od osób zdrowych. Osiąga się to poprzez rejestrację aktywności elektromiograficznej lub EMG mięśni oddechowych u osób z uszkodzeniem rdzenia kręgowego podczas zadań oddechowych. Aby obliczyć ilość takiej aktywności dla każdego mięśnia w drugim kroku, konstruowany jest wektor wynikowy, który charakteryzuje rozkład i ilość aktywności w tych mięśniach.
Następnie dane od zdrowych osób podczas tego samego zadania są wykorzystywane do obliczenia prototypowego wektora odpowiedzi. Następnie można obliczyć wskaźnik podobieństwa, który odnosi się do stopnia, w jakim wynikowy wektor przypomina prototypowy wektor odpowiedzi, co pozwala na porównanie wzorca aktywacji mięśni oddechowych u pacjentów z uszkodzeniem rdzenia kręgowego z normalnym wzorcem, który można zaobserwować u zdrowego osobnika. Za pomocą tej techniki możemy monitorować funkcje motoryczne układu oddechowego u pacjentów z uszkodzeniem rdzenia kręgowego lub innym zaburzeniem związanym z deficytami kontroli motorycznej oddechu.
Pozyskiwanie i przetwarzanie danych jest bardzo ważne dla pomyślnej oceny tej metody. Dlatego ważna jest demonstracja wizualna, pokazująca, że procedura zostanie obsłużona. Islamski naukowiec, Edward Brown, kierownik badań i człowiek PRI Chopra technolog badawczy z mojego laboratorium Aby rozpocząć umieszczanie głowic elektrod powierzchniowych na brzuchach mięśniowych lewych i prawych mięśni oddechowych.
Należą do nich dolny mięsień czworoboczny przykręgosłupowy na środkowym poziomie łopatki. Mięśnie przykręgosłupowe przykręgosłupowe na linii międzywyrostkowej biodrowej. Wyrostek sutkowaty Sterno Cleo skaluje górny mięsień czworoboczny na linii środkowej obojczyka.
Obojczykowa część klatki piersiowej na linii środkowej obojczyka. Międzyżebrowy w szóstej przestrzeni międzyżebrowej na przedniej linii pachowej. Przepona na linii przymostkowej, mięsień prosty brzucha na poziomie pępka i skośny brzuch na środkowej linii pachowej.
Umieść elektrody uziemiające nad procesami akromionowymi. Wzmocnij wejście EMG z wzmocnieniem 2000. Filtrować z częstotliwością od 30 do 1000 Hz i pobierać próbkę z częstotliwością 2000 Hz.
Podłącz plecak z systemem laboratorium ruchu z dołączonymi elektrodami do laboratorium ruchu, jednostki biurkowej EMG i systemu laboratorium zasilania. Jak pokazano w protokole tekstowym, skalibruj wejście ciśnienia w drogach oddechowych. Dodać 120 centymetrów wody i pobrać próbkę z częstotliwością 2000 herców.
Zamontuj obwód monitorujący trójnik, aby rejestrować ciśnienie w drogach oddechowych. Następnie podłącz do przetwornika niskiego ciśnienia za pomocą rurki powietrznej. Na koniec podłącz przetwornik niskiego ciśnienia do CD 15 i systemu power lab.
Zadania motoryczne układu oddechowego składają się z zadania maksymalnego ciśnienia wdechowego, w skrócie MIPT i zadania maksymalnego ciśnienia wydechowego lub MEPT wykonuje MIPT za pomocą sygnału dźwiękowego do obiektu Q, aby wytworzyć maksymalny wysiłek wdechowy z objętości resztkowej przez pięć sekund. Korzystając z obwodu monitorującego trójnik, odczekaj co najmniej minutę odpoczynku przed powtórzeniem procesu trzy razy. Aby wykonać MEPT.
Użyj słyszalnego pięciosekundowego tonu, aby wskazać obiektom, aby wytworzyć maksymalny wysiłek wydechowy przy całkowitej pojemności płuc. Korzystając z obwodu monitorowania trójnika, ponownie odczekaj co najmniej jedną minutę odpoczynku, a następnie powtórz proces trzy razy. Przekształć dane wejściowe EMG i ciśnienia w drogach oddechowych przez system akwizycji Power Lab przy użyciu 16-bitowego zapisu rozdzielczości DC w pełnej skali A, ciśnienia w drogach oddechowych, elektromiografii powierzchniowej i sygnałów markerowych jednocześnie dla MIPT i MEPT, określ okna analizy rozkładu aktywności wielu mięśni wynoszące pięć sekund każde od znacznika zdarzenia i ciśnienia w drogach oddechowych zarejestrowanych za pomocą tonu kolejkowania, który sygnalizował badanemu.
Kiedy rozpocząć i zakończyć zadanie, oblicz aktywność elektromiografii powierzchniowej dla każdego mięśnia za pomocą pierwiastka kwadratu lub algorytmu RMS. Średnio trzy powtórzone próby dla każdego zadania Dla każdego mięśnia oceń wzorce aktywacji wielu mięśni w oparciu o metodę analizy wektorowej znaną jako wskaźnik dobrowolnej odpowiedzi lub VRI przy użyciu niestandardowego oprogramowania MATLAB. Dla każdego manewru oblicz parametr wielkości, czyli ilość połączonej aktywności elektromiografii powierzchniowej dla wszystkich mięśni w określonym oknie czasowym jako długość wektora odpowiedzi lub RV dla określonego zadania.
Oblicz również wskaźnik podobieństwa lub wartość SI dla każdego zadania jako znak równoznaczny kąta między RV osób z urazem rdzenia kręgowego a prototypowym wektorem odpowiedzi lub PRV uzyskanym od zdrowych osób podczas tego samego zadania, pokazano tutaj elektromiogram i ciśnienie w drogach oddechowych jednocześnie zarejestrowane podczas MEPT z urazu rdzenia kręgowego, który nie został uszkodzony, lub SCI indywidualne Uwaga, obniżone ciśnienie w drogach oddechowych i brak aktywności elektromiografii powierzchniowej w mięśniach wydechowych u osoby z SCI w porównaniu z osobą bez urazu. Należy również pamiętać, że rozpoczęcie zadania, jak zaznaczono na dole, wiąże się ze zwiększoną aktywnością elektromiografii powierzchniowej i wzrostem ciśnienia w drogach oddechowych. W tym miejscu przedstawiono główne kroki konstruowania wektora odpowiedzi.
Początek i koniec zadania zostały zdefiniowane jako punkty danych zgodnie ze znacznikiem. Średni kwadrat elektromiografii powierzchniowej w tym oknie zdarzeń reprezentuje średnią aktywność elektromiografii powierzchniowej dla każdego mięśnia. Wektor odpowiedzi jest zestawiany przy użyciu wartości RMS dla określonej pokazanej kombinacji mięśni.
Poniżej przedstawiono obliczenia prototypowego wektora odpowiedzi i jego wielkości dla grupy osób, które nie odniosły obrażeń. Prototypowa matryca odpowiedzi została skonstruowana przy użyciu indywidualnych wektorów odpowiedzi. Każda kolumna w macierzy odpowiedzi prototypu zawiera dane dla osoby w grupie, a każdy wiersz reprezentuje ilościowo określoną aktywność elektromiografii powierzchniowej określonego mięśnia od wszystkich osób w grupie.
Wektor odpowiedzi prototypu został obliczony poprzez pobranie średniej z każdego wiersza matrycy odpowiedzi prototypu. Wartość wielkości reprezentuje długość wektora odpowiedzi i została obliczona zgodnie z pokazanym wzorem. Przedstawione tutaj kroki służą do obliczania wskaźnika podobieństwa.
Obliczono wektor odpowiedzi i jego wielkość dla konkretnego osobnika SCI. Wskaźnik podobieństwa uzyskano poprzez obliczenie iloczynu wewnętrznego wektora prototypu i wektora odpowiedzi. Po masteringu część nagraniowa zostanie wykonana w ciągu około godziny.
Chociaż przetwarzanie danych będzie zależało od tego, jakie oprogramowanie będzie używane zgodnie z tą procedurą. Inne zadania oddechowe, takie jak kaszel, maksymalne dno dróg oddechowych, można wykorzystać do udzielenia odpowiedzi na dodatkowe pytania.
Wyświetl pełny transkrypt i uzyskaj dostęp do tysięcy filmów naukowych
Przegląd
Niniejsze badanie przedstawia podejście oparte na powierzchniowej elektromiografii wielu mięśni w celu oceny wzorców aktywacji mięśni oddechowych u osób z przewlekłym uszkodzeniem rdzenia kręgowego. Metoda ta wykorzystuje analizę wektorową do ilościowej oceny i porównania tych wzorców z wartościami normatywnymi uzyskanymi od zdrowych osób.
Kluczowe elementy badania
Dziedzina nauki
- Neuronauka
- Elektromiografia
- Fizjologia układu oddechowego
Wstęp
- Osoby z urazem rdzenia kręgowego często doświadczają dysfunkcji mięśni oddechowych.
- Elektromiografia (EMG) jest kluczowym narzędziem do oceny aktywacji mięśni.
- Zrozumienie wzorców oddechowych może pomóc w monitorowaniu funkcji motorycznych układu oddechowego.
- Analiza porównawcza z udziałem zdrowych osób dostarcza cennych informacji.
Cel badania
- Ilościowa ocena aktywacji mięśni oddechowych u pacjentów z urazami rdzenia kręgowego.
- Opracowanie metody porównywania wzorców aktywacji mięśni z wynikami uzyskanymi u osób zdrowych.
- Udoskonalenie monitorowania funkcji oddechowych u dotkniętych tym schorzeniem pacjentów.
Zastosowane Metody
- Umieszczenie elektrod powierzchniowych na kluczowych mięśniach oddechowych do zapisu EMG.
- Akwizycja danych przy użyciu systemu laboratorium ruchu oraz kalibracja ciśnienia w drogach oddechowych.
- Wykonanie prób maksymalnego ciśnienia wdechowego i wydechowego.
- Analiza danych EMG z wykorzystaniem algorytmu pierwiastka średniej kwadratów oraz analizy wektorowej.
Główne wyniki
- Identyfikacja odrębnych wzorców aktywacji mięśni oddechowych u osób z urazem rdzenia kręgowego.
- Obliczenie wskaźników podobieństwa w celu porównania z prototypami osób zdrowych.
- Wykazanie zmniejszonej aktywności mięśniowej u osób z SCI podczas zadań oddechowych.
- Opracowanie prototypowego wektora odpowiedzi do porównań normatywnych.
Wnioski
- Badanie dostarcza solidnej metody oceny funkcji oddechowych u pacjentów z urazami rdzenia kręgowego.
- Analiza wektorowa oferuje ilościowe podejście do oceny aktywacji mięśni.
- Wyniki mogą służyć do opracowania strategii rehabilitacji w przypadku deficytów kontroli oddechowej.
Często zadawane pytania
Znaczenie dla przemysłu
Dysfunkcja mięśni oddechowych w przebiegu przewlekłego uszkodzenia rdzenia kręgowego przyczynia się do powikłań płucnych oraz zwiększonej śmiertelności, co stwarza potrzebę opracowania obiektywnych biomarkerów w badaniach przedklinicznych i translacyjnych. Ocena Kontroli Motorycznej Oddechu (Respiratory Motor Control Assessment, RMCA) zapewnia ilościową, opartą na wektorach metodę oceny wzorców aktywacji wielu mięśni, umożliwiając bezpośrednie porównanie z grupami kontrolnymi zdrowych osobników. Wspiera to proces ograniczania ryzyka mechanistycznego w walidacji celów oraz opracowywaniu testów dla terapii nerwowo-mięśniowych i oddechowych, oferując powtarzalny i zwalidowany pod kątem czułości odczyt integralności kontroli motorycznej.
Zastosowania strategiczne w badaniach i rozwoju biofarmaceutycznym
Wczesne odkrywanie i walidacja celu
- Wartość naukowa: Umożliwia weryfikację hipotez terapeutycznych poprzez ilościowe określenie deficytów kontroli motorycznej oddychania w modelach chorób.
- Wartość operacyjna: Dostarcza zwalidowanego pod kątem czułości wskaźnika do oceny stopnia oddziaływania na cel oraz modulacji szlaków w badaniach przedklinicznych.
Przesiewanie i opracowywanie testów
- Wartość naukowa: Pozwala na generowanie ilościowych profili aktywacji wielu mięśni, odpowiednich do standaryzacji testów i wysokoprzepustowych badań przesiewowych (high-content screening).
- Wartość operacyjna: Wspiera opracowywanie powtarzalnych testów elektrofizjologicznych z określonymi progami indeksu podobieństwa do oceny związków.
Badania translacyjne i przedkliniczne
- Wartość naukowa: Ułatwia dopasowanie biomarkerów translacyjnych poprzez korelację wyników RMCA ze stopniem ciężkości urazu i funkcją płuc.
- Wartość operacyjna: Umożliwia podejmowanie decyzji o dalszym rozwoju projektu z uwzględnieniem ryzyka dzięki obiektywnemu monitorowaniu ciągłości motoryki oddechowej – od etapu odkrycia po walidację przedkliniczną.
Integracja potoku i przepływu pracy
Metoda RMCA integruje się z procesami badawczymi, zapewniając ilościowy odczyt elektrofizjologiczny, który łączy ocenę mechanistyczną z walidacją funkcjonalną w badaniach nad układem nerwowo-mięśniowym i oddechowym.
- Biologia odkrywcza: Wspiera testowanie hipotez i wyjaśnianie szlaków poprzez kwantyfikację wzorców aktywacji mięśni w różnych warunkach eksperymentalnych.
- Screening: Dostarcza ustandaryzowanych wyników gotowych do analizy (magnituda wektora odpowiedzi i indeks podobieństwa) w celu wiarygodnego screeningu związków.
- Analityka: Zapewnia pomiary indeksu podobieństwa i magnitudy wektora, które umożliwiają porównania między warunkami oraz kwantyfikację wielkości efektu.
- Badania translacyjne: Zapewnia ciągłość przedkliniczną dzięki zwalidowanej korelacji z klinicznymi parametrami płucnymi i stopniem uszkodzenia.
- Wykorzystanie w skali przedsiębiorstwa: Tworzy wielokrotnego użytku platformę elektrofizjologiczną, którą można zastosować w różnych modelach chorób oddechowych i nerwowo-mięśniowych.
Wpływ operacyjny i przedsiębiorczy
- Wartość naukowa: Pewność prognostyczna w walidacji celu poprzez bezpośrednią, ilościową ocenę integralności kontroli motorycznej.
- Wartość operacyjna: Standaryzacja i powtarzalność dzięki zdefiniowanemu rozmieszczeniu elektrod, przetwarzaniu sygnałów oraz obliczaniu indeksu podobieństwa.
- Wartość strategiczna: Ulepszone decyzje go/no-go poprzez ograniczenie niejednoznaczności mechanistycznej w modelach dysfunkcji oddechowych.
- Wpływ na portfolio: Priorytetyzacja skorygowana o ryzyko w oparciu o obiektywne, translacyjne biomarkery funkcji motorycznej.
Kwestie wdrożeniowe
- Wiedza specjalistyczna w zakresie akwizycji i przetwarzania sygnałów powierzchniowej elektromiografii.
- Aparatura umożliwiająca wielokanałowy zapis EMG, wzmocnienie (wzmocnienie 2000), filtrowanie (30–1000 Hz) oraz próbkowanie (2000 Hz).
- Standaryzacja wykonywania zadań oddechowych (MIPT/MEPT) oraz przerw w spoczynku w celu zapewnienia spójności między laboratoriami.
- Uwzględnienie adaptacji do różnych systemów modelowych lub stopni urazów wpływających na wzorce unerwienia mięśni.
- Zależność od wektorów prototypowych zdrowych badanych przy obliczaniu indeksu podobieństwa, co wymaga normatywnych danych specyficznych dla danej kohorty.
