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En este trabajo describimos un protocolo para registrar y analizar las señales de electromiografía respiratoria (EMG). Incluye las referencias anatómicas para colocar los electrodos EMG sobre varios músculos respiratorios, eliminar el ruido electrocardiográfico de las señales EMG y adquirir la raíz cuadrada media (RMS) de EMG y el momento de inicio de la actividad.
La evaluación del impulso respiratorio presenta desafíos debido a la intrusión y la falta de práctica de los métodos actuales, como la resonancia magnética funcional (fMRI). La electromiografía (EMG) ofrece una medida sustitutiva del impulso respiratorio a los músculos, lo que permite determinar tanto la magnitud como el momento de la activación muscular. La magnitud refleja el nivel de activación muscular, mientras que el tiempo indica el inicio y la compensación de la actividad muscular en relación con eventos específicos, como el flujo inspiratorio y la activación de otros músculos. Estas métricas son fundamentales para comprender la coordinación y el control respiratorio, especialmente bajo cargas variables o en presencia de fisiopatología respiratoria. Este estudio describe un protocolo para adquirir y analizar las señales de EMG del músculo respiratorio en adultos sanos y pacientes con afecciones de salud respiratoria. Se obtuvo la aprobación ética para los estudios, que incluyeron la preparación de los participantes, la colocación de electrodos, la adquisición de señales, el preprocesamiento y el posprocesamiento. Los pasos clave incluyen la limpieza de la piel, la localización de los músculos a través de la palpación y el ultrasonido, y la aplicación de electrodos para minimizar la contaminación del electrocardiograma (ECG). Los datos se adquieren a una alta frecuencia de muestreo y ganancia, con registros sincronizados de ECG y flujo respiratorio. El preprocesamiento incluye el filtrado y la transformación de la señal EMG, mientras que el posprocesamiento implica el cálculo de las diferencias de inicio y desplazamiento en relación con el flujo inspiratorio. Los datos representativos de un participante masculino sano que realizó una carga incremental del umbral inspiratorio (ITL) ilustran la aplicación del protocolo. Los resultados mostraron una activación más temprana y una duración prolongada de los músculos extradiafragmáticos bajo cargas más altas, lo que se correlacionó con una mayor magnitud de EMG. Este protocolo facilita una evaluación detallada de la activación de los músculos respiratorios, proporcionando información sobre las estrategias de control motor tanto normales como fisiopatológicas.
El impulso respiratorio (es decir, la salida de los centros respiratorios a los músculos respiratorios) es difícil de evaluar debido a la naturaleza molesta y a menudo poco práctica de los métodos de evaluación, como la resonancia magnética funcional (fMRI). Además, el pequeño tamaño de los centros respiratorios localizados en el tronco encefálico es difícil de localizar y es sensible a las alteraciones por ruido fisiológico 1,2. Las mediciones de la protuberancia respiratoria son importantes debido a su asociación con resultados clínicos importantes, como la disnea, una indicación de dificultad respiratoria. La electromiografía (EMG) es un sustituto del impulso respiratorio a los músculos respiratorios3. La EMG del músculo respiratorio permite determinar la actividad muscular y su intensidad mediante la raíz cuadrada media (RMS) de la señal EMG. Además, el momento de la activación muscular puede evaluarse identificando el inicio y el desplazamiento de su actividad (EMG, inicio y EMG, desplazamiento, respectivamente)1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11.
La magnitud de la señal EMG se refiere al potencial eléctrico generado por las células musculares cuando se contraen, lo que indica su nivel de activación muscular12. La magnitud de la señal EMG puede variar dependiendo de factores como la intensidad de la contracción muscular, el número de unidades motoras reclutadas, la colocación de los electrodos, el movimiento del músculo y de los tejidos subcutáneos, y las características específicas del músculo que se está midiendo12.
La temporización de la señal EMG se refiere al momento en que se produce la actividad eléctrica en relación con un evento o acción específica (por ejemplo, en relación con el flujo inspiratorio para la respiración)13. El tiempo de inicio indica cuándo comienza la activación muscular, mientras que el tiempo de compensación indica cuándo la actividad muscular disminuye, cesa o se encuentra en la fase de relajación13. El tiempo entre la activación de varios músculos respiratorios facilitará la comprensión de los mecanismos de coordinación y control durante la respiración. La evaluación de la consistencia o variabilidad de los patrones de tiempo a lo largo del tiempo o en los individuos puede ayudar a identificar estrategias de control motor fisiológico y fisiopatológico asociadas con la insuficiencia ventilatoria aguda o crónica.
Tanto la magnitud como el momento de la EMG del músculo respiratorio se han asociado con resultados clínicos importantes 12,13,14. El diafragma genera la mayor parte de la ventilación en reposo15. Cuando la demanda respiratoria aumenta, como durante el ejercicio o el aumento de la carga inspiratoria asociada con enfermedades pulmonares (p. ej., enfermedad pulmonar obstructiva crónica, enfermedad pulmonar intersticial o síndrome de dificultad respiratoria aguda), los músculos respiratorios extradiafragmáticos estimulan la ventilación, lo que puede aumentar o compensar los requisitos contráctiles del diafragma15. Por lo tanto, además de la magnitud creciente de la EMG del diafragma, también aumentará la magnitud de la EMG del músculo extradiafragmático.
La activación de los músculos respiratorios extradiafragmáticos puede proteger el diafragma del desarrollo de fatiga16. Sin embargo, la activación precoz (inicio) y la activación prolongada se han asociado con insuficiencia ventilatoria aguda y crónica 14,17,18. El objetivo aquí es describir un protocolo para adquirir y analizar tanto el tiempo como la magnitud de las señales de EMG del músculo respiratorio tanto en adultos sanos como en pacientes con fisiopatología respiratoria sospechada o confirmada. Este protocolo incluye pasos previamente validados desde la adquisición de datos para cuantificar el momento y la magnitud de la actividad EMG13,19.
Los estudios que emplean esta técnica han recibido la aprobación ética de la Universidad de Toronto y el Hospital St. Michael's ubicado en Toronto, Canadá, y el Hospital Universitario de Gasthuisberg, Lovaina, Bélgica. Aquí se describe un protocolo específico. Se ha propuesto una discusión general sobre varios enfoques alternativos de EMG de superficie (sEMG) para los músculos respiratorios y se informa en otra parte12.
1. Preparación de los participantes y colocación de electrodos sEMG
2. Adquisición de señales
3. Preprocesamiento después de la adquisición de datos
4. Posprocesamiento
Los datos se proporcionan para un participante masculino (22 años; peso: 100 kg; altura: 185 cm; IMC: 29 kg/m2) con espirometría y fuerza muscular inspiratoria normales (FEV1: 4,89 L/s [97% de lo previsto]; presión inspiratoria máxima: 151 cmH2O [136% de lo previsto]). Realizó una carga de umbral inspiratorio incremental (ITL) hasta el fallo de la tarea utilizando un protocolo previamente descrito 21,22,23. En la Figura 1 se muestra una descripción general del sistema de adquisición de datos. El participante se sentó cómodamente en una silla con pinzas nasales, los antebrazos apoyados en un escritorio ajustable y la cabeza apoyada neutralmente en un reposacabezas y barbillas. El participante respiró a través de una boquilla conectada a una válvula de dos vías sin reinhalación, que estaba conectada a un neumotacómetro calentado y a un dispositivo ITL. Este dispositivo ITL imponía una carga durante la inhalación, pero ninguna durante la exhalación. La prueba ITL comenzó con una carga de calentamiento (-12 cmH2O), seguida de incrementos de carga del émbolo de 50 g cada 2 minutos hasta el fallo de la tarea. El fracaso de la tarea se definió como el momento en que el participante retiró la boca de la boquilla o cuando ya no pudo generar suficiente presión inspiratoria para levantar el émbolo en tres respiraciones consecutivas. Para este participante, el fracaso de la tarea se alcanzó a -120 cmH2O.
La Figura 3 muestra las señales EMG de diafragma en bruto y filtradas, además de las señales de ECG y flujo inspiratorio durante el ITL. En particular, los artefactos de ECG representados en el EMG bruto del diafragma (trazado superior) no están presentes (o están menos presentes) en el EMG filtrado por el diafragma (trazado inferior). Además, la línea de base errante que se puede observar en el EMG bruto del diafragma no aparece después de aplicar el filtrado.
La figura 4 muestra el momento de inicio de la EMG del músculo respiratorio a cargas bajas y altas. A baja carga, solo se detecta la actividad de inicio intercostal escaleno y paraesternal antes del inicio del flujo inspiratorio, mientras que la actividad de inicio del diafragma y esternocleidomastoideo se detectó después del inicio del flujo inspiratorio. Sin embargo, mientras se respira para superar cargas más altas durante la ITL, se observa una activación más temprana (en relación con el flujo) del diafragma, el intercostal paraesternal, el escaleno y el esternocleidomastoideo.
La figura 5 muestra el tiempo de duración de la actividad EMG del músculo respiratorio a cargas bajas y altas. La duración de la actividad EMG del diafragma, el intercostal paraesternal y el escaleno es similar a cargas bajas y altas. Sin embargo, la duración de la actividad esternocleidomastoidea fue mayor con la carga alta en comparación con la carga baja.
La figura 6 muestra el EMG RMS del diafragma, intercostal paraesternal, escaleno y esternocleidomastoideo. A cargas altas, el EMG RMS de todos estos músculos fue mayor en comparación con las cargas bajas, lo que representa la mayor actividad muscular necesaria para superar las cargas aumentadas.
Figura 1: Esquema de la configuración de los participantes que muestra una visión general de la adquisición de datos. Se muestran ejemplos de colocación de electrodos para la electromiografía de superficie (EMG; puntos azules) de los músculos respiratorios y el electrocardiograma (ECG; puntos amarillos). Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
Figura 2: Ejemplo de pantallas de trabajo del software que muestran el filtrado aplicado. (A) Pantalla inicial que muestra las señales registradas y los parámetros de filtrado. (B) Pantalla que muestra el RMS del EMG después de la aplicación de filtros (trazado verde). El flujo se muestra en blanco. Las líneas horizontales mostraron el inicio de la actividad EMG (amarillo), el inicio del flujo inspiratorio (línea verde), el desplazamiento de la actividad EMG (línea amarilla discontinua) y el final del flujo inspiratorio (línea roja). Abreviaturas: SCM: esternocleidomastoideo. RMS: raíz cuadrada media. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
Figura 3: EMG de la superficie del diafragma en bruto y filtrada. De arriba a abajo, los paneles muestran la señal EMG sin procesar del diafragma, la señal del electrocardiograma (ECG), la señal de flujo inspiratorio y la señal EMG filtrada del diafragma. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
Figura 4: Tiempo de inicio de la señal EMG del músculo respiratorio durante cargas bajas (-12 cmH2O) frente a altas (-120 cmH2O) durante la carga del umbral inspiratorio incremental hasta el fracaso de la tarea. Los datos son de un participante masculino. Los ejes Y representan la diferencia de tiempo entre el tiempo de inicio de la EMG superficial y el flujo inspiratorio en segundos, donde cero es el inicio del flujo inspiratorio. Los valores negativos indican que el inicio de la EMG ocurrió antes del inicio del flujo inspiratorio, mientras que los valores positivos indican que el inicio de la EMG ocurrió después del inicio del flujo inspiratorio. Los paneles muestran el tiempo de inicio de la actividad EMG del músculo respiratorio del (A) diafragma, (B) intercostal paraesternal, (C) escalenos y (D) esternocleidomastoideo. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
Figura 5: Tiempo de duración de la señal EMG del músculo respiratorio durante cargas bajas (-12 cmH2O) frente a altas (-120 cmH2O) durante una carga de umbral inspiratorio incremental hasta el fracaso de la tarea. Los datos son de un participante masculino. Los ejes Y representan la duración de la actividad EMG (desde el inicio hasta el desplazamiento de EMG) en segundos. Los paneles muestran la duración de la actividad EMG de los músculos respiratorios del (A) diafragma, (B) intercostal paraesternal, (C) escalenos y (D) esternocleidomastoideo. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
Figura 6: RMS de la señal EMG del músculo respiratorio durante cargas bajas (-12 cmH2O) frente a altas (-120 cmH2O) durante una carga de umbral inspiratorio incremental hasta el fracaso de la tarea. Los datos son de un participante masculino. Los ejes Y representan el EMG RMS en microvoltios. Los paneles muestran el EMG RMS del (A) diafragma, (B) intercostal paraesternal, (C) escalenos y (D) esternocleidomastoideo. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
La eliminación de los artefactos de actividad cardíaca de la señal EMG es compleja debido a la superposición de sus espectros de ancho de banda. La mayor parte del espectro de frecuencia EMG está entre 20 y 250 Hz, mientras que el espectro de frecuencia ECG está entre 0 Hz y 100 Hz. Para algunos análisis (es decir, la temporización), es esencial derivar la señal EMG sin contaminación del ECG para lograr la precisión e interpretabilidad de la magnitud y el tiempo del EMG. El filtro adaptativo de mínimo cuadrado medio (LMS) mediante el uso de frecuencias, es un algoritmo que reconoce un patrón. En este caso, el algoritmo elimina el contenido de frecuencia de ECG de la señal combinada ECG-EMG. Se determinó que una longitud de filtro de 70 y un tamaño de paso de 0,01 son coeficientes óptimos que proporcionan el menor error y los mejores resultados generales24. El ECG registrado sincrónicamente con el EMG se utiliza para ajustar los coeficientes del filtro de respuesta al impulso finito (FIR) de forma continua. Por lo tanto, la extracción es muy precisa y puede adaptarse a un ritmo cardíaco variable, que puede ocurrir durante las pruebas. El algoritmo de filtrado de ECG está preestablecido y el canal de ECG se reconoce automáticamente. El filtrado bidireccional minimiza el cambio de tiempo en la detección del tiempo de inicio de la señal EMG. Se utiliza para eliminar la distorsión de fase, que puede ser común con los métodos de filtrado estándar (unidireccionales).
Se calcula la primera función derivada de cada EMG RMS muscular. Una derivada positiva o negativa indica un EMG RMS creciente o decreciente, respectivamente. La aplicación de la función derivada para determinar las fases crecientes y decrecientes del EMG RMS permite que el algoritmo funcione con precisión a pesar de las variaciones de las "líneas de base" que no vuelven a cero. Debido a la variabilidad de la línea de base entre las ráfagas de activación, un algoritmo que utilizara los valores absolutos RMS de EMG no pudo identificar de manera consistente los inicios y desplazamientos de EMG.
Para detectar el inicio de EMG, el comienzo de la fase inspiratoria de cada respiración se determina con una precisión de ±1 milisegundo de la señal de flujo (INSP, inicio). En primer lugar, se determina el aumento máximo del EMG RMS respiración a respiración como referencia para detectar el tiempo de inicio de la actividad EMG (EMG, inicio). Con el fin de tener en cuenta la variable EMG de referencia, EMG,onset se define como el punto de tiempo en el que alcanza el 5% de su amplitud máxima (±1 ms). La consideración de este umbral del 5% evita identificar inadvertidamente la variabilidad RMS de EMG de referencia como activaciones. El filtrado EMG concurrente y la detección de inicio EMG se aplican a varios músculos. La figura 2B muestra la EMG, la detección de inicio del esternocleidomastoideo en una respiración representativa.
El software permite la modificación de los parámetros preestablecidos. Se pueden utilizar diferentes niveles de filtros de paso alto o bajo, y se puede aplicar un suavizado si es necesario. El aumento de la señal EMG para detectar el inicio de EMG está preestablecido en 5%, pero este valor umbral también se puede modificar. Al evaluar la carga ventilatoria, la presión bucal se puede medir adicionalmente como un índice de carga. Del mismo modo, se puede controlar el CO2 al final de la espiración, por lo que se hacen esfuerzos para mantenerlo cerca del rango normal entrenando al participante para ajustar su nivel de ventilación o alterando el CO2 inspirado.
El protocolo descrito sigue las recomendaciones internacionales para la adquisición y procesamiento de señales y el algoritmo desarrollado para el filtrado ha sido validado25. No obstante, se requiere una inspección visual cuidadosa de la señal EMG a lo largo de cada paso para garantizar que solo se analicen las señales de buena calidad. Se han utilizado otros enfoques en la literatura para filtrar los artefactos de ECG de las señales de EMG, incluidos los filtros de paso alto con altas frecuencias de corte (por ejemplo, hasta 200 Hz), compuerta y eliminación de ruido de ondículas. Los filtros de paso alto con altas frecuencias de corte también eliminarán gran parte de la señal EMG, modificando su espectro de frecuencia y amplitud26. La compuerta detecta artefactos fuertes de ECG y elimina la señal EMG contaminada, así como las señales EMG a su alrededor, causando la pérdida de información temporal y afectando la detección del tiempo EMG (por ejemplo, inicio y desplazamiento)27,28. La eliminación de ruido de ondículas está bien equilibrada entre complejidad y rendimiento; sin embargo, puede cortar grandes actividades de EMG ráfaga29. En este caso, se utilizó un filtro adaptativo de cuadrático mínimo medio en el dominio de la frecuencia, que solo elimina las frecuencias de la señal asociada con el propio ECG del paciente13,19. Si bien permite mediciones confiables del tiempo y la amplitud de EMG, requiere registros de ECG continuos y simultáneos.
Hasta la fecha, este enfoque solo se puede aplicar en el análisis de datos fuera de línea. Un mayor desarrollo del software y el establecimiento de una comunicación en tiempo real de los sistemas de EMG disponibles con el software proporcionarían una visualización y un análisis en tiempo real de la EMG de los músculos respiratorios. Esto ofrecería el potencial de utilizar la EMG del músculo respiratorio para respaldar la toma de decisiones clínicas en tiempo real.
La EMG de los músculos respiratorios puede proporcionar información sobre la actividad muscular y el impulso respiratorio. Es una técnica relativamente compleja que abarca varios pasos para garantizar una buena calidad de señal. Este protocolo describe los pasos para asegurar una buena preparación de la piel, la adquisición de señales y el procesamiento, y proporciona información relativa a la magnitud y el momento de la actividad de los músculos respiratorios, que se han asociado con los resultados clínicos. Este protocolo ha recibido la Autorización de Ética en Investigación de varias instituciones a nivel internacional.
Los autores declaran que no tienen ningún conflicto de intereses que revelar.
AR cuenta con el apoyo de una beca de los Institutos Canadienses de Investigación en Salud (CIHR) (#187900) y UM fue financiado por Mitacs (IT178-9 -FR101644).
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 |
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