الاستحواذ والتحليل شبه الآلي لتخطيط كهربية العضل السطحي لعضلات الجهاز التنفسي

Antenor Rodrigues; Luc Janssens; Daniel Langer; Umi Matsumura; Dmitry Rozenberg; Laurent Brochard; W. Darlene Reid

doi:10.3791/67157

Summary

هنا ، نصف بروتوكولا لتسجيل وتحليل إشارات تخطيط كهربية العضل التنفسي (EMG). يتضمن المراجع التشريحية لوضع أقطاب مخطط كهربية العضل على العديد من عضلات الجهاز التنفسي ، وإزالة ضوضاء تخطيط كهربية القلب من إشارات مخطط كهربية العضل ، والحصول على متوسط مربع جذر مخطط كهربية العضل (RMS) وتوقيت بداية النشاط.

Abstract

يمثل تقييم الدافع التنفسي تحديات بسبب اقتحام الطرق الحالية وعدم عمليتها مثل التصوير بالرنين المغناطيسي الوظيفي (fMRI). يوفر تخطيط كهربية العضل (EMG) مقياسا بديلا لمحرك الجهاز التنفسي للعضلات ، مما يسمح بتحديد حجم وتوقيت تنشيط العضلات. يعكس الحجم مستوى تنشيط العضلات ، بينما يشير التوقيت إلى بداية وتعويض نشاط العضلات بالنسبة لأحداث محددة ، مثل تدفق الشهيق وتنشيط العضلات الأخرى. هذه المقاييس ضرورية لفهم التنسيق التنفسي والتحكم فيه ، خاصة في ظل الأحمال المختلفة أو في وجود الفيزيولوجيا المرضية التنفسية. تحدد هذه الدراسة بروتوكولا للحصول على إشارات مخطط كهربية العضل لعضلات الجهاز التنفسي وتحليلها لدى البالغين الأصحاء والمرضى الذين يعانون من أمراض الجهاز التنفسي. تم الحصول على الموافقة الأخلاقية للدراسات ، والتي تضمنت إعداد المشاركين ، ووضع القطب الكهربائي ، واكتساب الإشارة ، والمعالجة المسبقة ، والمعالجة اللاحقة. تتضمن الخطوات الرئيسية تنظيف الجلد ، وتحديد موقع العضلات عن طريق الجس والموجات فوق الصوتية ، وتطبيق أقطاب كهربائية لتقليل تلوث تخطيط كهربية القلب (ECG). يتم الحصول على البيانات بمعدل أخذ عينات مرتفع ومكاسب ، مع تسجيلات مخطط كهربية القلب وتدفق الجهاز التنفسي المتزامنة. تتضمن المعالجة المسبقة تصفية إشارة مخطط كهربية العضل وتحويلها ، بينما تتضمن المعالجة اللاحقة حساب اختلافات البداية والإزاحة بالنسبة لتدفق الشهيق. توضح البيانات التمثيلية من مشارك ذكر سليم يقوم بتحميل عتبة الشهيق المتزايدة (ITL) تطبيق البروتوكول. أظهرت النتائج تنشيطا مبكرا ومدة طويلة للعضلات خارج الحجاب الحاجز تحت الأحمال العالية ، مما يرتبط بزيادة حجم مخطط كهربية العضل. يسهل هذا البروتوكول تقييما مفصلا لتنشيط عضلات الجهاز التنفسي ، مما يوفر رؤى حول استراتيجيات التحكم الحركي الطبيعية والفيزيولوجية المرضية.

Introduction

يصعب تقييم محرك الجهاز التنفسي (أي ناتج مراكز الجهاز التنفسي إلى عضلات الجهاز التنفسي) بسبب الطبيعة المتطفلة وغير العملية في كثير من الأحيان لطرق التقييم مثل التصوير بالرنين المغناطيسي الوظيفي (fMRI). علاوة على ذلك ، يصعب تحديد الحجم الصغير لمراكز الجهاز التنفسي الموجودة في جذع الدماغ وهو حساس للتغيرات التي تسببها الضوضاء الفسيولوجية¹^،². تعد قياسات الدافع التنفسي مهمة بسبب ارتباطها بالنتائج السريرية المهمة مثل ضيق التنفس ، وهو مؤشر على ضيق التنفس. تخطيط كهربية العضل (EMG) هو بديل لمحرك الجهاز التنفسي لعضلات الجهاز^{التنفسي 3}. يسمح مخطط كهربية العضلة التنفسية بتحديد نشاط العضلات وشدته عن طريق جذر متوسط المربع (RMS) لإشارة مخطط كهربية العضل. بالإضافة إلى ذلك ، يمكن تقييم توقيت تنشيط العضلات من خلال تحديد بداية وإزاحة نشاطها (مخطط كهربية العضل ، البداية ومخطط كهربية العضل ، الإزاحة ، على التوالي) ¹^،²^،³^،⁴^،⁵^،⁶^،⁷^،⁸^،⁹^،¹⁰^،¹¹.

يشير حجم إشارة مخطط كهربية العضل إلى الجهد الكهربائي الذي تولده خلايا العضلات عند انقباضها ، مما يشير إلى مستوى تنشيط العضلات¹². يمكن أن يختلف حجم إشارة مخطط كهربية العضل اعتمادا على عوامل مثل شدة تقلص العضلات ، وعدد الوحدات الحركية المجندة ، ووضع القطب ، وحركة العضلات والأنسجة تحت الجلد ، والخصائص المحددة للعضلة التي يتم^{قياسها 12}.

يشير توقيت إشارة مخطط كهربية العضل إلى وقت حدوث النشاط الكهربائي بالنسبة لحدث أو إجراء معين (على سبيل المثال ، بالنسبة لتدفق الشهيق للتنفس)¹³. يشير توقيت البداية إلى وقت بدء تنشيط العضلات ، بينما يشير توقيت الإزاحة إلى انخفاض نشاط العضلات أو توقفه أو وجوده في مرحلة الاسترخاء¹³. سيسهل التوقيت بين تنشيط العديد من عضلات الجهاز التنفسي فهم آليات التنسيق والتحكم أثناء التنفس. يمكن أن يساعد تقييم اتساق أو تباين أنماط التوقيت بمرور الوقت أو في الأفراد في تحديد استراتيجيات التحكم الحركي الفسيولوجية والفيزيولوجية المرضية المرتبطة بفشل التنفس الصناعي الحاد أو المزمن.

ارتبط كل من حجم وتوقيت مخطط كهربية العضلة التنفسية بنتائج سريرية مهمة¹²^،¹³^،¹⁴. يولد الحجاب الحاجز غالبية التهوية في حالة الراحة¹⁵. عندما يزداد الطلب التنفسي ، كما هو الحال أثناء التمرين أو زيادة الحمل الشهيقي المرتبط بأمراض الرئة (على سبيل المثال ، مرض الانسداد الرئوي المزمن ، أو مرض الرئة الخلالي ، أو متلازمة الضائقة التنفسية الحادة) ، تعزز عضلات الجهاز التنفسي خارج الحجاب الحاجز التهوية ، والتي يمكن أن تزيد أو تعوض متطلبات تقلص الحجاب^{الحاجز 15}. وبالتالي ، بالإضافة إلى الحجم المتزايد لمخطط كهربية الدماغ للحجاب الحاجز ، سيزداد أيضا حجم مخطط كهربية العضلة خارج الحجاب الحاجز.

يمكن أن يؤدي تنشيط عضلات الجهاز التنفسي خارج الحجاب الحاجز إلى حماية الحجاب الحاجز من الإصابة بالتعب¹⁶. ومع ذلك ، فقد ارتبط التنشيط المبكر (البداية) والتنشيط المطول بفشل التنفس الصناعي الحاد والمزمن¹⁴^،¹⁷^،¹⁸. الهدف هنا هو وصف بروتوكول للحصول على وتحليل توقيت وحجم إشارات مخطط كهربية العضل للعضلات التنفسية في كل من البالغين الأصحاء والمرضى الذين يشتبه في إصابتهم بأمراض الجهاز التنفسي أو الفيزيولوجيا المرضية المؤكدة. يتضمن هذا البروتوكول خطوات تم التحقق من صحتها مسبقا من الحصول على البيانات لتحديد توقيت وحجم نشاط مخطط كهربية^{العضل 13}^،¹⁹.

Protocol

حصلت الدراسات التي تستخدم هذه التقنية على موافقة أخلاقية من جامعة تورنتو ومستشفى سانت مايكل الواقع في تورنتو ، كندا ، ومستشفى جامعة غاستويسبرغ ، لوفين ، بلجيكا. يتم وصف بروتوكول واحد محدد هنا. تم اقتراح مناقشة عامة حول العديد من مناهج مخطط كهربية العضل السطحية البديلة (sEMG) لعضلات الجهاز التنفسي وتم الإبلاغ عنها في أماكن أخرى¹².

1. إعداد المشاركين ووضع أقطاب sEMG

لضمان التصور الكافي ، اطلب من الذكور عدم ارتداء قميص والإناث من ارتداء حمالة صدر رياضية أو مفردة. استخدم ثوب المستشفى بفتحة أمامية لتوفير الوصول الكافي والحفاظ على التواضع.
إذا كان لدى المشارك شعر طويل ، فقم بربطه للخلف وتثبيته في مكانه حتى يمكن تقييم المقياس والقصية الترقوية الخشائية.
ضع المشارك في وضع الجلوس أو نصف الاستلقاء.
إذا تم العثور على شعر زائد في الصدر أو الرقبة ، فقم بحلق المنطقة لوضع القطب الكهربائي لتخطيط كهربية العضل.
لتقليل مقاومة الجلد ، نظف الجلد من الزيت والجلد الميت.
1. افعل ذلك عن طريق الفرك بمنديل كحولي والسماح للكحول بالتبخر (أي التجفيف في الهواء) قبل تطبيق القطب.
2. إذا كان الجلد أفتح ، فقد يبدو أحمر قليلا ، ولكن الأهم من ذلك ، تأكد من عدم ظهور أوساخ أو زيت أو بشرة جافة واضحة في مكان وضع الأقطاب الكهربائية. ومع ذلك ، تجنب الفرك المفرط لمنع تلف الجلد. تجنب وضع الأقطاب الكهربائية على مناطق الجلد المكسور أو الآفات الجلدية الأخرى.
حدد موقع العضلات ذات الأهمية عن طريق تحديد المواقع و / أو الجس و / أو الموجات فوق الصوتية.
ملاحظة: قد تكون الموجات فوق الصوتية مفيدة في تحديد الحجاب الحاجز الساحلي²⁰. يوضح الشكل 1 أمثلة على المواقع التي يمكن فيها وضع أقطاب كهربائية ل sEMG لعضلات الجهاز التنفسي.
ضع أقطاب sEMG على الجانب الأيمن من الصدر ، بعيدا عن القلب ، لتقليل سعة إشارة تخطيط القلب وتقليل تلوثها.
ضع أقطاب كهربية كهربية العضل المقترنة بمسافة 2 سم بين الأقطاب الكهربائية في مركز بطن العضلات على طول المحاذاة الطولية لألياف العضلات.
1. بالنسبة للحجاب الحاجز الساحلي / الوربي ، ضع علامة على الخط الإبطي الأمامي والخط الترقوي الأوسط وضع الأقطاب الكهربائية المقترنة عموديا بين هذين الخطين على مستوى الفضاء الوربي السابع أو الثامن.
2. بالنسبة للمقياس ، ضع علامة على المثلث الخلفي للرقبة وضع الأقطاب الكهربائية المقترنة على طول المحور الطولي للعضلة على مستوى عملية الحلق.
3. بالنسبة للوربية المجاورة ، ضع علامة على المساحة الوربية الثانية 1-2 سم جانبيا إلى الجانب الأيمن من القص وضع الأقطاب الكهربائية المقترنة على طول المحور الطولي للعضلة.
4. بالنسبة للقصية الترقوية ، ضع علامة على الشق فوق القصي وعملية الخشاء إبراز بطن العضلة القصية الترقوية الخشائية اليمنى عن طريق وضع يد المشغل على الجانب الأيسر من ذقن المشارك ومطالبة المشارك بأداء الدوران الأيسر متساوي القياس برفق ضد اليد. ضع الأقطاب الكهربائية المقترنة عند منتصف بطن العضلات على طول محورها الطولي.
قد تتطلب بعض أنظمة مخطط كهربية العضل مستشعر أرضي. إذا لزم الأمر ، ضع المستشعر الأرضي على بنية عظمية قريبة من عضلات الجهاز التنفسي (على سبيل المثال ، الترقوة ، عملية عنق الرحم الشوكية C7).
قم بتوصيل مشابك مستشعر مخطط كهربية العضل بأقطاب مخطط كهربية العضل. تأكد من أن الأسلاك من مستشعرات مخطط كهربية العضل من عضلتين مختلفتين (حتى لو كانت لاسلكية) لا تتداخل وتلوث أو توفر تداخل بين العضلتين.
ملاحظة: يمكن أن تتداخل الأسلاك من نفس المستشعر ، ولكن لا ينبغي أن تتداخل الأسلاك من مستشعرين مختلفين.
قم بتطبيق مزيد من التثبيت لأقطاب ومشعرات مخطط كهربية العضل باستخدام أشرطة على الوجهين تثبت الجانب السفلي من المستشعر على الجلد.
ضع شريطا طبيا مضادا للحساسية على الجزء العلوي من المستشعرات لتثبيت كل مستشعر بشكل أكبر على الجلد. تجنب الضغط المفرط ، وكما ذكرنا أعلاه ، تأكد من عدم تداخل الأسلاك من أجهزة الاستشعار المختلفة.

2. اكتساب الإشارة

حدد القالب المعين مسبقا في برنامج الحصول على البيانات واضغط على فتح. سيحتوي القالب على المعلمات التالية المحددة مسبقا: مرشاح تمرير عالي (Hz 20-0.5) في إشارة EMG لتقليل القطع الأثرية منخفضة التردد لتسهيل التصور في الوقت الفعلي.
اضبط معدل أخذ العينات لإشارة EMG على الأقل 1 كيلو هرتز.
اضبط كسب إشارة مخطط كهربية العضل على 1000.
قم بتعيين القالب للحصول على تسجيل متزامن لتخطيط القلب وتدفق الجهاز التنفسي.
الحصول على بيانات sEMG و ECG وفقا للبروتوكول ، على سبيل المثال ، أثناء تجربة التنفس التلقائي في مريض التهوية الميكانيكية.
بعد اكتمال البروتوكول ، توقف عن التسجيل واحفظ ملف البيانات.
ملاحظة: يوضح الشكل 2 لقطات شاشة للبرنامج توضح التصفية المطبقة.

3. المعالجة المسبقة بعد الحصول على البيانات

افتح البرنامج وتأكد من المعلمات التي سيتم استخدامها لتحليل إشارة مخطط كهربية العضل (مرشح تمرير عالي ثنائي الاتجاه بتردد 5 هرتز، والمرشح التكيفي لمتوسط المتوسط (LMS) لإزالة تلوث مخطط كهربية القلب، وتحويل جذر متوسط مربع مع نافذة متحركة لمدة 0.02 ثانية) واضغط على متابعة.
حدد الملف المراد تحليله واضغط على موافق.
حدد الفاصل الزمني المراد تحليله (إذا كان المدة الإجمالية للملف سيتم تحليلها، فستكون من 0 ثانية إلى الحد الأقصى للوقت)، واضغط على تحديد النطاق ومتابعة، ثم اضغط على تكييف.
اضغط على الزر تحليل لتطبيق المعلمات المحددة مسبقا (انظر الخطوة 3.1). تصور إشارة مخطط كهربية العضل التي تم تحليلها. اضغط على زر Rescaled on 1 لإظهار إشارة EMG التي تم تطبيعها بقيمتها القصوى خلال الفترة المسجلة.
اضغط على الزر متابعة للحساب عند إيقاف التشغيل. بناء على الوظيفة المشتقة لإشارة مخطط كهربية العضل ، سيكتشف توقيت بداية نشاط مخطط كهربية العضل. اضغط على زر التشغيل والإيقاف .
حدد إشارة مخطط كهربية العضل من العضلة التي تحتاج إلى تصورها. يمكن تبديل التصور بين العضلات للسماح بالفحص البصري لجميع إشارات مخطط كهربية العضل المسجلة. اضغط على الزر إيقاف البحث وانتقل إلى الحفظ . اضغط على حفظ.
حدد البيانات المراد حفظها. من الممكن تقليل الإشارات قبل الحفظ (على سبيل المثال ، من 1000 هرتز إلى 100 هرتز). اضغط على حفظ البيانات المعالجة، وحدد مجلد الكمبيوتر الذي سيتم حفظ الملف فيه، وقم بإعطائه اسما. اضغط على حفظ مرة أخرى للتأكيد.

4. المعالجة اللاحقة

افتح الملف المحفوظ باستخدام برنامج يوفر القدرة على حساب العمليات الحسابية (على سبيل المثال ، Excel و R و Phyton و Matlab). حدد كل نفس إما من خلال وقت التشغيل والإيقاف لإشارة التدفق واحسب ذروة EMG RMS ومتوسط EMG RMS لكل نفس.
بالنسبة لبداية مخطط كهربية العضل ، احسب الفرق المطلق (بالمللي ثانية) بين بداية مخطط كهربية العضل وبداية تدفق الشهيق (INSP ، البداية):
بالنسبة لإزاحة مخطط كهربية العضل، احسب الفرق المطلق (بالمللي ثانية) بين إزاحة مخطط كهربية العضل ونهاية تدفق الشهيق (INSP، الإزاحة)
بالنسبة لبداية مخطط كهربية العضل بالنسبة إلى مدة وقت الشهيق ، احسب الفرق النسبي (إلى مدة Ti) بين بداية مخطط كهربية العضل و INSP ، البداية:
بالنسبة لإزاحة مخطط كهربية العضل بالنسبة إلى مدة وقت الشهيق ، احسب الفرق النسبي (إلى مدة Ti) بين إزاحة مخطط كهربية العضل و INSP ، الإزاحة:

حيث dP هو الفارق الزمني بين مخطط كهربية العضل ، البداية وبداية تدفق الشهيق (INSP ، البداية) أو بين مخطط كهربية العضل ، الإزاحة وإزاحة تدفق الشهيق (INSP ، الإزاحة).)

النتائج

يتم توفير البيانات للمشارك الذكر (22 عاما؛ الوزن: 100 كغ؛ الطول: 185 سم؛ مؤشر كتلة الجسم: 29 كجم / م²) مع قياس التنفس الطبيعي وقوة عضلات الشهيق (FEV₁: 4.89 لتر / ثانية [97٪ من المتوقع] ؛ أقصى ضغط شهيق: 151 سم H₂O [136٪ من المتوقع]). قام بإجراء تحميل عتبة الشهيق المتزايدة (ITL) حتى فشل المهمة باستخدام بروتوكول موصوف سابقا²¹^،²²^،²³. يتم تصوير نظرة عامة على نظام الحصول على البيانات في الشكل 1. جلس المشارك بشكل مريح على كرسي مع مشابك أنف ، وساعديه يستريحان على مكتب قابل للتعديل ، والرأس مدعوم بشكل محايد على مسند الرأس والذقن. تنفس المشارك من خلال قطعة فم متصلة بصمام ثنائي الاتجاه غير قابل لإعادة التنفس ، والذي تم توصيله بالتهاب هوائي ساخن وجهاز ITL. فرض جهاز ITL هذا حمولة أثناء الاستنشاق ولكن لا يفرض أي حمل أثناء الزفير. بدأ اختبار ITL بحمل إحماء (-12 سم H₂O) ، متبوعا بزيادات في تحميل المكبس بمقدار 50 جم كل دقيقتين حتى فشل المهمة. تم تعريف فشل المهمة على أنه النقطة التي يرفع فيها المشارك فمه عن الناطقة بلسان أو عندما لم يعد قادرا على توليد ضغط شهيق كاف لرفع المكبس في ثلاثة أنفاس متتالية. بالنسبة لهذا المشارك ، تم الوصول إلى فشل المهمة عند -120 سم في_{الساعة 2}درجة مئوية.

يوضح الشكل 3 إشارات مخطط كهربية العضل للحجاب الحاجز الخام والمفلترة بالإضافة إلى مخطط كهربية القلب وإشارات تدفق الشهيق أثناء خط المعاملات الدولي. والجدير بالذكر أن القطع الأثرية لتخطيط القلب الموضحة في مخطط كهربية العضل الخام للحجاب الحاجز (التتبع العلوي) غير موجودة (أو أقل حضورا) في مخطط كهربية العضل المفلتر بالحجاب الحاجز (التتبع السفلي). علاوة على ذلك ، لا يظهر خط الأساس المتجول الذي يمكن ملاحظته في مخطط كهربية العضل الخام للحجاب الحاجز بعد تطبيق التصفية.

يوضح الشكل 4 توقيت بداية مخطط كهربية العضلة التنفسية عند الأحمال المنخفضة والعالية. عند الحمل المنخفض ، يتم الكشف فقط عن نشاط البداية الوربية للمقياس والقصي القصي قبل بداية تدفق الشهيق ، بينما تم الكشف عن نشاط ظهور الحجاب الحاجز والقصية الترقوية الخشائية بعد بداية تدفق الشهيق. ومع ذلك ، أثناء التنفس للتغلب على الأحمال العالية أثناء ITL ، لوحظ التنشيط المبكر (بالنسبة للتدفق) للحجاب الحاجز ، والوربي الوربي ، والمقياس ، والقصية الترقوية الخشائية.

يوضح الشكل 5 المدة الزمنية لنشاط مخطط كهربية العضل للعضلات التنفسية عند الأحمال المنخفضة والعالية. تتشابه مدة نشاط مخطط كهربية العضل للحجاب الحاجز ، والوربي القصي ، والمقياس في الأحمال المنخفضة والعالية. ومع ذلك ، كانت مدة نشاط القصية الترقوية الخشائية أطول عند الحمل العالي مقارنة بالحمل المنخفض.

يوضح الشكل 6 مخطط كهربية العضل RMS للحجاب الحاجز ، والوربي الوربي ، والمقياس ، والقصية الترقوية الترقوية. في الأحمال العالية ، كان مخطط كهربية العضل لكل هذه العضلات أعلى مقارنة بالأحمال المنخفضة ، مما يمثل نشاط عضلي أكبر لازم للتغلب على الأحمال المتزايدة.

figure-results-3103
الشكل 1: تخطيطي لإعداد المشاركين يوضح لمحة عامة عن الحصول على البيانات. تظهر أمثلة على مواضع الأقطاب الكهربائية لتخطيط كهربية العضل السطحي (EMG ؛ النقاط الزرقاء) لعضلات الجهاز التنفسي ومخطط كهربية القلب (ECG ؛ النقاط الصفراء). الرجاء النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

figure-results-3674
الشكل 2: مثال على شاشات العمل للبرنامج التي تظهر التصفية المطبقة. (أ) شاشة أولية تعرض الإشارات المسجلة ومعلمات التصفية. (ب) شاشة توضح RMS لمخطط كهربية العضل بعد تطبيقات المرشحات (التتبع الأخضر). يظهر التدفق باللون الأبيض. أظهرت الخطوط الأفقية بداية نشاط مخطط كهربية العضل (الأصفر) ، وبداية تدفق الشهيق (الخط الأخضر) ، وإزاحة نشاط مخطط كهربية العضل (الخط الأصفر المتقطع) ، ونهاية تدفق الشهيق (الخط الأحمر). الاختصارات: SCM: القصية الترقوية. RMS: جذر متوسط المربع. الرجاء النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

figure-results-4515
الشكل 3: مخطط كهربية العضل لسطح الحجاب الحاجز الخام والمفلتر. من أعلى إلى أسفل ، تظهر اللوحات إشارة EMG الأولية للحجاب الحاجز ، وإشارة مخطط كهربية القلب (ECG) ، وإشارة تدفق الشهيق ، وإشارة مخطط كهربية العضل المفلترة للحجاب الحاجز. الرجاء النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

figure-results-5090
الشكل 4: وقت بداية إشارة مخطط كهربية العضل للعضلات التنفسية أثناء الأحمال المنخفضة (-12 سم H₂O) مقابل الأحمال العالية (-120 سم H₂O) أثناء تحميل عتبة الشهيق المتزايدة لفشل المهمة. البيانات من مشارك ذكر. تصور المحاور Y الفارق الزمني بين وقت بداية مخطط كهربية العضل السطحي وتدفق الشهيق بالثواني ، حيث الصفر هو بداية تدفق الشهيق. تشير القيم السالبة إلى أن بداية مخطط كهربية العضل حدثت قبل بداية تدفق الشهيق ، بينما تشير القيم الموجبة إلى أن بداية مخطط كهربية العضل حدثت بعد بداية تدفق الشهيق. توضح اللوحات وقت بداية نشاط مخطط كهربية العضل للعضلات التنفسية للحجاب الحاجز (أ) ، (ب) الوربي الوربي ، (ج) المقاييس ، و (د) القصية التربوية. الرجاء النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

figure-results-6154
الشكل 5: المدة الزمنية لإشارة مخطط كهربية العضل للعضلات التنفسية أثناء الأحمال المنخفضة (-12 سم H₂O) مقابل الأحمال العالية (-120 سم H₂O) أثناء عتبة الشهيق المتزايدة التي تصل إلى فشل المهمة. البيانات من مشارك ذكر. تصور المحاور Y مدة نشاط مخطط كهربية العضل (من بداية مخطط كهربية العضل إلى الإزاحة) بالثواني. توضح اللوحات مدة نشاط مخطط كهربية العضل للعضلات التنفسية للحجاب الحاجز (أ) ، (ب) الوربي الوربي ، (ج) المقاييس ، و (د) القصية التربوية. الرجاء النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

figure-results-7029
الشكل 6: RMS لإشارة مخطط كهربية العضل لعضلة الجهاز التنفسي أثناء الأحمال المنخفضة (-12 سم H₂O) مقابل الأحمال العالية (-120 سم H₂O) أثناء عتبة الشهيق المتزايدة التي يتم تحميلها حتى فشل المهمة. البيانات من مشارك ذكر. تصور المحاور Y EMG RMS بالميكروفولت. تظهر اللوحات EMG RMS للحجاب الحاجز (A) ، (B) الوربي العظمي ، (C) المقاييس ، و (D) القصية الترقوية التربوية. الرجاء النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

Discussion

تعد إزالة القطع الأثرية لنشاط القلب من إشارة مخطط كهربية العضل أمرا معقدا بسبب تداخل أطياف النطاق الترددي. يتراوح غالبية طيف تردد مخطط كهربية العضل بين 20 و 250 هرتز ، بينما يتراوح طيف تردد مخطط كهربية القلب بين 0 هرتز و 100 هرتز. بالنسبة لبعض التحليلات (أي التوقيت) ، من الضروري اشتقاق إشارة مخطط كهربية العضل دون تلوث مخطط كهربية القلب لتحقيق الدقة وقابلية تفسير حجم مخطط كهربية العضل وتوقيته. المرشح التكيفي لأقل متوسط مربع (LMS) من خلال استخدام الترددات ، هو خوارزمية تتعرف على النمط. في هذه الحالة ، تزيل الخوارزمية محتوى تردد ECG من إشارة ECG-EMG المدمجة. تم تحديد أن طول المرشح 70 وحجم الخطوة 0.01 هما المعاملات المثلى التي توفر أقل خطأ وأفضل النتائج^{الإجمالية 24}. يتم استخدام مخطط كهربية القلب المسجل بشكل متزامن مع مخطط كهربية العضل لضبط معاملات مرشح الاستجابة النبضية المحدودة (FIR) باستمرار. وبالتالي ، فإن الإزالة دقيقة للغاية ويمكن أن تستوعب إيقاع القلب المتغير ، والذي يمكن أن يحدث أثناء الاختبار. تم ضبط خوارزمية تصفية ECG مسبقا ، ويتم التعرف على قناة ECG تلقائيا. يقلل الترشيح ثنائي الاتجاه من التحول الزمني عند اكتشاف وقت بداية إشارة مخطط كهربية العضل. يتم استخدامه للتخلص من تشويه الطور ، والذي يمكن أن يكون شائعا مع طرق الترشيح القياسية (أحادية الاتجاه).

يتم حساب الوظيفة المشتقة الأولى لكل عضلة EMG RMS. يشير المشتق الموجب أو السلبي إلى زيادة أو انخفاض مخطط كهربية العضل RMS ، على التوالي. إن تطبيق الدالة المشتقة لتحديد المراحل المتزايدة والمتناقصة لنظام مخطط كهربية العضل يمكن الخوارزمية من الأداء بدقة على الرغم من الاختلافات في "خطوط الأساس" التي لا تعود إلى الصفر. ونظرا لتباين خط الأساس بين رشقات التنشيط، لم تتمكن الخوارزمية التي تستخدم القيم المطلقة لمخطط كهربية العضل (EMG) من تحديد بديات وتعويضات مخطط كهربية العضل باستمرار.

للكشف عن بداية مخطط كهربية العضل ، يتم تحديد بداية مرحلة الشهيق لكل نفس بدقة ±1 مللي ثانية من إشارة التدفق (INSP ، البداية). أولا ، يتم تحديد الزيادة القصوى في EMG RMS على أساس التنفس بالتنفس كمرجع للكشف عن وقت بداية نشاط مخطط كهربية العضل (مخطط كهربية العضل ، بدء). من أجل حساب خط الأساس المتغير لمخطط كهربية العضل ، يتم تعريف بداية EMG على أنها النقطة الزمنية عندما تصل إلى 5٪ من اتساعه الأقصى (±1 مللي ثانية). يتجنب النظر في هذه العتبة البالغة 5٪ تحديد التباين الأساسي لنظام مخطط كهربية العضل RMS عن غير قصد كعمليات تنشيط. يتم تطبيق ترشيح مخطط كهربية العضل المتزامن ومخطط كهربية العضل ، وكشف البداية على العديد من العضلات. يوضح الشكل 2 ب مخطط كهربية العضل ، اكتشاف بداية القصية الترقوية الخشائية في التنفس التمثيلي.

يسمح البرنامج بتعديل المعلمات المحددة مسبقا. يمكن استخدام مستويات مختلفة من مرشحات التمرير العالي أو المنخفض ، ويمكن تطبيق التنعيم إذا لزم الأمر. الزيادة في إشارة مخطط كهربية العضل لاكتشاف مخطط كهربية العضل ، يتم ضبطها مسبقا عند 5٪ ، ولكن يمكن أيضا تعديل قيمة العتبة هذه. عند تقييم تحميل التهوية ، يمكن قياس ضغط الفم أيضا كمؤشر للحمل. وبالمثل ، يمكن مراقبة ثاني أكسيد الكربون₂ في نهاية المد حيث تبذل الجهود لإبقائه قريبا من النطاق الطبيعي من خلال تدريب المشارك على ضبط مستوى التهوية أو عن طريق تغيير ثاني أكسيد الكربون_{المستوحى 2}.

يتبع البروتوكول الموصوف التوصيات الدولية للحصول على الإشارات ومعالجتها وتم التحقق من صحة الخوارزمية المطورة للترشيح²⁵. ومع ذلك ، يلزم إجراء فحص بصري دقيق لإشارة مخطط كهربية العضل في كل خطوة لضمان تحليل الإشارات عالية الجودة فقط. تم استخدام مناهج أخرى في الأدبيات لتصفية القطع الأثرية لتخطيط القلب من إشارات مخطط كهربية العضل ، بما في ذلك مرشحات التمرير العالي ذات ترددات القطع العالية (على سبيل المثال ، حتى 200 هرتز) ، والبوابات ، وتقليل المويجات. ستؤدي مرشحات التمرير العالي ذات ترددات القطع العالية أيضا إلى حذف الكثير من إشارة مخطط كهربية العضل ، مما يؤدي إلى تعديل طيف التردد والسعة²⁶. يكتشف البوابات القطع الأثرية القوية لتخطيط كهربية العضل ويحذف إشارة مخطط كهربية العضل الملوثة وكذلك إشارات مخطط كهربية العضل المحيطة بها، مما يتسبب في فقدان المعلومات الزمنية ويؤثر على الكشف عن توقيت مخطط كهربية العضل (مثل البداية والإزاحة)²⁷^، ²⁸. تقليل الضوضاء المويجة متوازن بشكل جيد بين التعقيد والأداء. ومع ذلك ، يمكن أن يقطع أنشطة مخطط كهربية العضل الكبيرة²⁹. تم استخدام مرشح تكيفي متوسط متوسط أقل متوسط في مجال التردد هنا ، والذي يزيل فقط ترددات الإشارة المرتبطة بتخطيط القلب^{الخاص بالمريض 13}^،¹⁹. في حين أنه يسمح بمقاييس موثوقة لوقت وسعة مخطط كهربية العضل ، إلا أنه يتطلب تسجيلات تخطيط القلب المستمرة والمتزامنة.

حتى الآن ، لا يمكن تطبيق هذا النهج إلا في تحليل البيانات دون اتصال. ومن شأن مواصلة تطوير البرمجيات وإنشاء اتصال في الوقت الفعلي لأنظمة مخطط كهربية العضل المتاحة بالبرمجيات أن يوفر تصورا وتحليلا في الوقت الفعلي لمخطط كهربية العضلة في الجهاز التنفسي. هذا من شأنه أن يوفر إمكانية استخدام مخطط كهربية العضل للعضلات التنفسية لدعم اتخاذ القرارات السريرية في الوقت الفعلي.

يمكن أن يوفر مخطط كهربية العضل للعضلات التنفسية معلومات تتعلق بنشاط العضلات ومحرك الجهاز التنفسي. إنها تقنية معقدة نسبيا تشمل عدة خطوات لضمان جودة إشارة جيدة. يصف هذا البروتوكول خطوات لضمان التحضير الجيد للجلد واكتساب الإشارات ومعالجتها ويوفر معلومات تتعلق بكل من حجم وتوقيت نشاط عضلات الجهاز التنفسي ، وكلاهما مرتبط بالنتائج السريرية. حصل هذا البروتوكول على ترخيص أخلاقيات البحث من العديد من المؤسسات على الصعيد الدولي.

Disclosures

ويعلن أصحاب البلاغ أنه ليس لديهم تضارب في المصالح للإفصاح عنهم.

Acknowledgements

يتم دعم AR من قبل زمالة المعاهد الكندية للبحوث الصحية (CIHR) (# 187900) وتم تمويل UM بواسطة Mitacs (IT178-9 -FR101644).

Materials

Name	Company	Catalog Number	Comments
Adjustable table	Amazon	VIVO Electric Height Adjustable 102 cm x 61 cm Stand Up Desk	Enables fine adjustment for trunk and mouthpiece position
Air filters	Cardinal	https://cardinalfilters.com/
Analog output cable	A-Tech Instruments Ltd.	25 pin D-sub Female to 16xBNC male; 16xRG-174 -16 x 3ft cable	To connect EMG (Noroxan) to data acquisition system (PowerLab)
Bioamp for ECG	ADInstruments	ML138
Desktop or Laptop	N/A	N/A	Capacity for data acquisition system including EMG
Double sticks for EMG probes	Noraxon	https://shop.noraxon.com/products/dual-emg-electrodes
Electromyography	Noraxon	Noraxon Ultium Myomuscle with 8 smart leads. https://www.noraxon.com/our-products/ultium-emg/
EMG electrodes	Duotrode	N/A
Gas analyzer	ADInstruments	ML206
Gloves	Medline	https://www.medline.com/jump/category/x/cat1790003
Metricide or protocol to disinfect valves & mouthpieces	Medline	https://www.medline.com/product/MetriCide-28-Disinfectant/Disinfectants/Z05-PF27961?question=metricide
Oximeter pod	ADInstruments	ML320/F	https://www.adinstruments.com/products/oximeter-pods
Pneumotach	ADInstruments	MLT3813H-V	https://www.adinstruments.com/products/heated-pneumotach-800-l-heater-controller
Powerlab and Labchart Data Acquisition System	ADInstruments, Inc.	https://m-cdn.adinstruments.com/brochures/Research_PowerLab _Brochure_V2-1.pdf	Acquires mouth pressure, ECG, end-tidal CO₂, flow (to derive respiratory rate, tidal volume, minute ventilation) and EMG.
Pressure transducer with single or dual channel demodulator	Validyne.com	Www.Validyne.Com/Product/Dp45_Low_Pressure_ Variable_Reluctance_Sensor/	Range depends on population being tested i.e. patients or healthy (Www.Validyne.Com/Product/Cd280_Multi_Channel_Carrier_ Demodulator/; www.Validyne.Com/Product/Cd15_General_Purpose_Basic _Carrier_Demodulator/)
Silicone mouthpieces	Hans Rudolph	https://www.rudolphkc.com/	Small bite size
Table model chin rest	Sacor Inc.	Model 600700	https://sacor.ca/products/head-chin-rest-table-model-with-white-chin-rest-cup
Two-way t-piece nonrebreathing valve with sampling port	Hans Rudolph	1410 Small
Ultrasound	GE Healthcare	Vivid i BT12 Cardiac system with Respiration and 12L-RS Linear Array Transducer	Requires resolution to landmark respiratory muscles including appositional region of diaphragm

References

Vaporidi, K., et al. Respiratory drive in critically ill patients. Pathophysiology and clinical implications. Am J Respir Crit Care Med. 201 (1), 20-32 (2020).
Ciumas, C., Rheims, S., Ryvlin, P. fMRI studies evaluating central respiratory control in humans. Front Neural Circuits. 16, 982963 (2022).
Domnik, N. J., Walsted, E. S., Langer, D. Clinical utility of measuring inspiratory neural drive during cardiopulmonary exercise testing (CPET). Front Med (Lausanne). 7, 483 (2020).
Hudson, A. L., et al. Activation of human inspiratory muscles in an upside-down posture. Respir Physiol Neurobiol. 226, 152-159 (2016).
Hodges, P. W., Gandevia, S. C. Pitfalls of intramuscular electromyographic recordings from the human costal diaphragm. Clin Neurophysiol. 111 (8), 1420-1424 (2000).
Nguyen, D. a. T., et al. Differential activation of the human costal and crural diaphragm during voluntary and involuntary breaths. J Appl Physiol (1985). 128 (5), 1262-1270 (2020).
Hudson, A. L., Gandevia, S. C., Butler, J. E. Common rostrocaudal gradient of output from human intercostal motoneurones during voluntary and automatic breathing. Respir Physiol Neurobiol. 175 (1), 20-28 (2011).
Epiu, I., et al. Inspiratory muscle responses to sudden airway occlusion in chronic obstructive pulmonary disease. J Appl Physiol (1985). 131 (1), 36-44 (2021).
Sinderby, C., et al. An automated and standardized neural index to quantify patient-ventilator interaction. Crit Care. 17 (5), R239 (2013).
Estrada, L., Sarlabous, L., Lozano-Garcia, M., Jane, R., Torres, A. Neural offset time evaluation in surface respiratory signals during controlled respiration. 2019, 2344-2347 (2019).
Luo, Y. M., Moxham, J. Measurement of neural respiratory drive in patients with COPD. Respir Physiol Neurobiol. 146 (2-3), 165-174 (2005).
Jonkman, A. H., et al. Analysis and applications of respiratory surface EMG: Report of a round table meeting. Crit Care. 28 (1), 2 (2024).
Rodrigues, A., et al. Semi-automated detection of the timing of respiratory muscle activity: Validation and first application. Front Physiol. 12, 794598 (2021).
Parthasarathy, S., Jubran, A., Tobin, M. J. Cycling of inspiratory and expiratory muscle groups with the ventilator in airflow limitation. Am J Respir Crit Care Med. 158 (5 Pt 1), 1471-1478 (1998).
De Troyer, A., Boriek, A. M. Mechanics of the respiratory muscles. Compr Physiol. 1 (3), 1273-1300 (2011).
Laghi, F., et al. Diaphragmatic neuromechanical coupling and mechanisms of hypercapnia during inspiratory loading. Respir Physiol Neurobiol. 198, 32-41 (2014).
Parthasarathy, S., Jubran, A., Laghi, F., Tobin, M. J. Sternomastoid, rib cage, and expiratory muscle activity during weaning failure. J Appl Physiol (1985). 103 (1), 140-147 (2007).
Parthasarathy, S., Jubran, A., Tobin, M. J. Assessment of neural inspiratory time in ventilator-supported patients. Am J Respir Crit Care Med. 162 (2 Pt 1), 546-552 (2000).
Dacha, S. R. A., Louvaris, Z., Janssens, L., Janssens, W., Gosselink, R., Langer, D. Effects of inspiratory muscle training (IMT) on dyspnea, respiratory muscle function and respiratory muscle activation in patients with COPD during endurance cycling. Eur Respir J. 54 (Suppl 63), PA2199 (2019).
Bellissimo, C. A., Morris, I. S., Wong, J., Goligher, E. C. Measuring diaphragm thickness and function using point-of-care ultrasound. J Vis Exp. 201, e65431 (2023).
Basoudan, N., et al. Scalene and sternocleidomastoid activation during normoxic and hypoxic incremental inspiratory loading. Physiol Rep. 8 (14), e14522 (2020).
Basoudan, N., Shadgan, B., Guenette, J. A., Road, J., Reid, W. D. Effect of acute hypoxia on inspiratory muscle oxygenation during incremental inspiratory loading in healthy adults. Eur J Appl Physiol. 116 (4), 841-850 (2016).
Melo, L. T., et al. Prefrontal cortex activation during incremental inspiratory loading in healthy participants. Respir Physiol Neurobiol. 296, 103827 (2022).
Dacha, S., et al. Comparison between manual and (semi-)automated analyses of esophageal diaphragm electromyography during endurance cycling in patients with COPD. Front Physiol. 10, 885 (2019).
Hermens, H. J., Freriks, B., Disselhorst-Klug, C., Rau, G. Development of recommendations for SEMG sensors and sensor placement procedures. J Electromyogr Kinesiol. 10 (5), 361-374 (2000).
Petersen, E., Sauer, J., Graßhoff, J., Rostalski, P. Removing cardiac artifacts from single-channel respiratory electromyograms. IEEE Access. 8, 30905-30917 (2020).
Hutten, G. J., van Thuijl, H. F., van Bellegem, A. C., van Eykern, L. A., van Aalderen, W. M. A literature review of the methodology of EMG recordings of the diaphragm. J Electromyogr Kinesiol. 20 (2), 185-190 (2010).
van Leuteren, R. W., Hutten, G. J., de Waal, C. G., Dixon, P., van Kaam, A. H., de Jongh, F. H. Processing transcutaneous electromyography measurements of respiratory muscles, a review of analysis techniques. J Electromyogr Kinesiol. 48, 176-186 (2019).
Jonkman, A. H., Juffermans, R., Doorduin, J., Heunks, L. M. A., Harlaar, J. Estimated ECG subtraction method for removing ECG artifacts in esophageal recordings of diaphragm EMG. Biomed Signal Process Control. 69, 102861 (2021).

Reprints and Permissions

Request permission to reuse the text or figures of this JoVE article

Request Permission

Explore More Articles

EMG ITL

This article has been published

Video Coming Soon

Keep me updated: