Method Article
В этой статье мы опишем протокол записи и анализа сигналов респираторной электромиографии (ЭМГ). Он включает в себя анатомические ориентиры для размещения электродов ЭМГ над несколькими дыхательными мышцами, устранения электрокардиографического шума из сигналов ЭМГ, а также получения среднеквадратичного значения ЭМГ (RMS) и времени начала активности.
Оценка дыхательного драйва сопряжена с трудностями из-за навязчивости и непрактичности современных методов, таких как функциональная магнитно-резонансная томография (фМРТ). Электромиография (ЭМГ) предлагает суррогатную меру дыхательного влечения к мышцам, позволяя определить как величину, так и время активации мышц. Величина отражает уровень мышечной активации, в то время как время указывает на начало и смещение мышечной активности относительно конкретных событий, таких как поток вдоха и активация других мышц. Эти показатели имеют решающее значение для понимания координации и контроля дыхания, особенно при различных нагрузках или при наличии респираторной патофизиологии. В этом исследовании изложен протокол сбора и анализа сигналов ЭМГ дыхательных мышц у здоровых взрослых и пациентов с респираторными заболеваниями. Было получено этическое одобрение для исследований, которые включали подготовку участников, установку электродов, получение сигнала, предварительную и постобработку. Ключевые этапы включают в себя очистку кожи, определение местоположения мышц с помощью пальпации и ультразвука, а также применение электродов для минимизации загрязнения электрокардиографией (ЭКГ). Данные собираются с высокой частотой дискретизации и усилением, с синхронизированными записями ЭКГ и дыхательного потока. Предварительная обработка включает в себя фильтрацию и преобразование сигнала ЭМГ, в то время как постобработка включает в себя вычисление разницы начала и смещения относительно потока вдоха. Репрезентативные данные здорового участника мужского пола, выполняющего инкрементальную инспираторную пороговую нагрузку (ITL), иллюстрируют применение протокола. Результаты показали более раннюю активацию и увеличение продолжительности работы экстрадиафрагмальных мышц при более высоких нагрузках, что коррелирует с увеличением величины ЭМГ. Этот протокол способствует детальной оценке активации дыхательных мышц, давая представление как о нормальных, так и о патофизиологических стратегиях моторного контроля.
Дыхательный драйв (т.е. выход дыхательных центров к дыхательным мышцам) сложно оценить из-за навязчивого, часто непрактичного характера оценочных методов, таких как функциональная магнитно-резонансная томография (фМРТ). Кроме того, небольшие размеры дыхательных центров, расположенных в стволе мозга, трудно локализовать и они чувствительны к изменениям под действием физиологическогошума1,2. Измерения дыхательного драйва важны из-за их связи с важными клиническими исходами, такими как одышка, признак респираторного дистресса. Электромиография (ЭМГ) является суррогатом дыхательного драйва дыхательной мускулатуры3. ЭМГ дыхательных мышц позволяет определить мышечную активность и ее интенсивность с помощью среднеквадратичного значения (RMS) сигнала ЭМГ. Кроме того, время активации мышц можно оценить, определив начало и смещение их активности (ЭМГ, начало и ЭМГ, смещение, соответственно)1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11.
Величина сигнала ЭМГ относится к электрическому потенциалу, генерируемому мышечными клетками при их сокращении, что указывает на уровень их мышечной активации. Величина сигнала ЭМГ может варьироваться в зависимости от таких факторов, как интенсивность мышечного сокращения, количество задействованных двигательных единиц, расположение электродов, движение мышц и подкожных тканей, а также специфическиехарактеристики измеряемой мышцы.
Время подачи сигнала ЭМГ относится к моменту, когда электрическая активность возникает относительно конкретного события или действия (например, относительно потока на вдохе при дыхании)13. Время начала указывает на то, когда начинается мышечная активация, в то время как смещенное время указывает, когда мышечная активность снижается, прекращается или находится в фазе расслабления13. Синхронизация активации нескольких дыхательных мышц будет способствовать пониманию механизмов координации и контроля во время дыхания. Оценка согласованности или изменчивости временных паттернов с течением времени или у отдельных лиц может помочь определить физиологические и патофизиологические стратегии моторного контроля, связанные с острой или хронической вентиляционной недостаточностью.
Как величина, так и время проведения ЭМГ дыхательной мускулатуры были связаны с важными клиническими исходами 12,13,14. Диафрагма создает большую часть вентиляции в состоянии покоя15. Когда потребность в дыхательных путях увеличивается, например, во время физической нагрузки или увеличения нагрузки на вдох, связанной с заболеваниями легких (например, хронической обструктивной болезнью легких, интерстициальной болезнью легких или острым респираторным дистресс-синдромом), экстрадиафрагмальные дыхательные мышцы усиливают вентиляцию, что может усиливать или компенсировать сократительную потребность диафрагмы15. Таким образом, в дополнение к возрастающей величине диафрагмальной ЭМГ, величина экстрадиафрагмальной мышечной ЭМГ также будет увеличиваться.
Активация внедиафрагмальной дыхательной мускулатуры может защитить диафрагму от развития усталости16. Тем не менее, ранняя активация (начало) и длительная активация были связаны с острой и хронической вентиляционной недостаточностью 14,17,18. Цель данной работы состоит в том, чтобы описать протокол для получения и анализа как времени, так и величины сигналов ЭМГ дыхательных мышц как у здоровых взрослых, так и у пациентов с подозреваемой или подтвержденной респираторной патофизиологией. Этот протокол включает в себя ранее проверенные шаги от сбора данных до количественной оценки времени и величины активности ЭМГ13,19.
Исследования, использующие эту технику, получили этическое одобрение от Университета Торонто и больницы Святого Михаила, расположенных в Торонто, Канада, и Университетской больницы Гастхёйсберга, Лёвен, Бельгия. Здесь описан один конкретный протокол. Общая дискуссия о нескольких альтернативных подходах к поверхностной ЭМГ (сЭМГ) была предложена для дыхательной мускулатуры и описана в других работах12.
1. Подготовка участников и установка электродов сЭМГ
2. Сбор сигнала
3. Предварительная обработка после сбора данных
4. Постобработка
Данные предоставлены для участника мужского пола (22 года; вес: 100 кг; рост: 185 см; ИМТ: 29 кг/м2) при нормальной спирометрии и силе мышц вдоха (ОФВ1: 4,89 л/с [97% от прогнозируемого]; максимальное давление на вдохе: 151смН2О [136% от прогнозируемого]). Он выполнил инкрементальную инспираторную пороговую нагрузку (ITL) вплоть до отказа задачи с использованием протокола, описанного ранее 21,22,23. Обзор системы сбора данных представлен на рисунке 1. Участник удобно сидел в кресле с носовыми зажимами, предплечья опирались на регулируемый стол, а голова поддерживалась нейтрально на подголовнике. Участник дышал через мундштук, соединенный с двусторонним клапаном без повторного дыхания, который был подключен к нагреваемому пневмотаху и устройству ITL. Это устройство ITL создавало нагрузку во время вдоха, но не создавало ее во время выдоха. Испытание ITL началось с разогревающей нагрузки (-12 смГн2О), за которой следовало увеличение нагрузки на поршень на 50 g каждые 2 минуты до отказа в выполнении задачи. Невыполнение задания определялось как момент, когда участник убирал рот от мундштука или когда он больше не мог создавать достаточное давление на вдохе, чтобы поднять поршень на трех последовательных вдохах. У этого участника сбой задачи был достигнут при -120 смH2O.
На рисунке 3 показаны исходные и отфильтрованные диафрагменные сигналы ЭМГ в дополнение к сигналам ЭКГ и инспираторного потока во время ITL. Примечательно, что артефакты ЭКГ, изображенные на исходной ЭМГ диафрагмы (самая верхняя трассировка), отсутствуют (или присутствуют меньше) в ЭМГ с фильтрацией диафрагмы (самая нижняя трассировка). Более того, блуждающая базовая линия, которую можно заметить на необработанной ЭМГ диафрагмы, не появляется после применения фильтрации.
На рисунке 4 представлены сроки начала ЭМГ дыхательной мышцы при низких и высоких нагрузках. При низкой нагрузке до начала инспираторного потока обнаруживается только лестничная и парастернальная межреберная активность, тогда как активность диафрагмы и грудино-ключично-сосцевидного начала выявляется после начала инспираторного потока. Однако при дыхании для преодоления более высоких нагрузок во время ITL наблюдается более ранняя активация (относительно потока) диафрагмы, парастернального межреберья, лестничного и грудино-ключично-сосцевидного сустава.
На рисунке 5 показано время длительности ЭМГ дыхательной мышцы при низких и высоких нагрузках. Продолжительность ЭМГ-активности диафрагмы, парастернального межреберья и лестничной деформации сходна при низких и высоких нагрузках. Тем не менее, продолжительность грудино-ключично-сосцевидной активности была больше при высокой нагрузке по сравнению с низкой нагрузкой.
На рисунке 6 показана ЭМГ RMS диафрагмы, парастернального межреберья, лестничной и грудино-ключично-сосцевидной мышцы. При высоких нагрузках ЭМГ всех этих мышц была выше по сравнению с низкими нагрузками, что свидетельствует о большей мышечной активности, необходимой для преодоления повышенных нагрузок.
Рисунок 1: Схема схемы участника, показывающая обзор сбора данных. Примеры размещения электродов показаны для поверхностной электромиографии (ЭМГ; синие точки) дыхательных мышц и электрокардиограммы (ЭКГ; желтые точки). Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этой цифры.
Рисунок 2: Пример рабочих экранов программного обеспечения, показывающих примененную фильтрацию. (A) Начальный экран с отображением записанных сигналов и параметров фильтрации. (B) Экран, показывающий среднеквадратичное значение ЭМГ после применения фильтров (зеленая трассировка). Расход показан белым цветом. Горизонтальные линии показывали начало активности ЭМГ (желтая линия), начало потока на вдохе (зеленая линия), смещение активности ЭМГ (пунктирная желтая линия) и окончание потока на вдохе (красная линия). Сокращения: SCM: sternocleidomastoid. RMS: среднеквадратичный корень. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этой цифры.
Рисунок 3: Исходная и отфильтрованная ЭМГ поверхности диафрагмы. Сверху вниз на панелях отображается исходный сигнал ЭМГ диафрагмы, сигнал электрокардиограммы (ЭКГ), сигнал потока на вдохе и отфильтрованный сигнал ЭМГ диафрагмы. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этой цифры.
Рисунок 4: Время начала сигнала ЭМГ дыхательной мускулатуры при низких (-12 смН2О) и высоких нагрузках (-120 смН2О) во время инкрементальной инспираторной пороговой нагрузки до отказа задачи. Данные получены от участника-мужчины. Оси Y отображают разницу во времени между временем начала поверхностной ЭМГ и потоком на вдохе в секундах, где ноль — начало потока на вдохе. Отрицательные значения указывают на то, что начало ЭМГ произошло до начала инспираторного потока, тогда как положительные значения указывают на то, что начало ЭМГ произошло после начала инспираторного потока. На панелях показано время начала ЭМГ дыхательных мышц (А) диафрагмы, (В) парастернального межреберья, (С) лестнично-сосцевидного и (D) грудино-ключично-сосцевидного сосца. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этой цифры.
Рисунок 5: Продолжительность сигнала ЭМГ дыхательной мускулатуры при низких (-12 смН2О) и высоких нагрузках (-120 см Чн2О) во время инкрементальной инспираторной пороговой нагрузки вплоть до отказа в выполнении задачи. Данные получены от участника-мужчины. Оси Y отображают продолжительность активности ЭМГ (от начала ЭМГ до смещения) в секундах. На панелях показана продолжительность ЭМГ-активности дыхательной мышцы (А) диафрагмы, (В) парастернального межреберья, (С) лестнично-сосцевидного сустава и (D) грудино-ключично-сосцевидного сустава. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этой цифры.
Рисунок 6: Среднеквадратичное значение сигнала ЭМГ дыхательных мышц при низких (-12 смН2О) и высоких нагрузках (-120 см Н2О) во время инкрементальной инспираторной пороговой нагрузки вплоть до отказа задачи. Данные получены от участника-мужчины. По оси Y среднеквадратичное значение ЭМГ измеряется в микровольтах. На панелях показано среднеквадратичное значение ЭМГ (А) диафрагмы, (В) парастернального межреберья, (С) лестнично-сосцевидного и (D) грудино-ключично-сосцевидного сосца. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этой цифры.
Удаление артефактов сердечной деятельности из сигнала ЭМГ является сложной задачей из-за их перекрытия спектров полосы пропускания. Большая часть частотного спектра ЭМГ находится в диапазоне от 20 до 250 Гц, в то время как частотный спектр ЭКГ находится в диапазоне от 0 Гц до 100 Гц. Для некоторых анализов (т.е. синхронизации) важно получить сигнал ЭМГ без загрязнения ЭКГ, чтобы достичь точности и интерпретируемости величины и времени ЭМГ. Адаптивный фильтр наименьшего среднего квадрата (LMS), использующий частоты, представляет собой алгоритм, который распознает закономерность. В этом случае алгоритм удаляет частотное содержание ЭКГ из объединенного сигнала ЭКГ-ЭМГ. Определено, что длина фильтра 70 и размер шага 0,01 являются оптимальными коэффициентами, обеспечивающими наименьшую погрешность и наилучшие общие результаты24. ЭКГ, записанная синхронно с ЭМГ, используется для непрерывной настройки коэффициентов фильтра конечной импульсной характеристики (КИХ). Таким образом, удаление происходит очень точно и может учитывать переменный сердечный ритм, который может возникать во время тестирования. Алгоритм фильтрации ЭКГ предварительно задан, а канал ЭКГ распознается автоматически. Двунаправленная фильтрация сводит к минимуму сдвиг по времени при определении времени начала сигнала ЭМГ. Он используется для устранения фазовых искажений, которые могут быть общими для стандартных (однонаправленных) методов фильтрации.
Рассчитывается первая производная функция СРС каждой мышечной ЭМГ. Положительная или отрицательная производная указывает на увеличение или уменьшение среднеквадратичного значения ЭМГ соответственно. Применение производной функции для определения возрастающих и убывающих фаз среднеквадратичного значения ЭМГ позволяет алгоритму работать точно, несмотря на изменения «базовых линий», которые не возвращаются к нулю. Из-за изменчивости базового уровня среди всплесков активации алгоритм, использующий абсолютные значения среднеквадратичных значений ЭМГ, не может последовательно идентифицировать начало и смещение ЭМГ.
Чтобы определить начало ЭМГ, начало инспираторной фазы каждого вдоха определяется с точностью до ±1 миллисекунды от сигнала потока (INSP, начало). Во-первых, максимальное увеличение RMS ЭМГ при каждом вдохе определяется в качестве ориентира для определения времени начала активности ЭМГ (EMG, начало). Чтобы учесть базовую линию переменной ЭМГ, EMG,onset определяется как временная точка, когда она достигает 5% от своей максимальной амплитуды (±1 мс). Учет этого порога в 5% позволяет избежать непреднамеренной идентификации исходной среднеквадратичной вариабельности ЭМГ в качестве активаций. Одновременная фильтрация ЭМГ и обнаружение начала ЭМГ применяются к нескольким мышцам. На рисунке 2B показана ЭМГ, обнаружение начала грудино-ключично-сосцевидной мышцы при репрезентативном вдохе.
Программное обеспечение позволяет изменять предварительно заданные параметры. Можно использовать различные уровни фильтров высоких или нижних частот, а при необходимости можно применить сглаживание. Увеличение сигнала ЭМГ для обнаружения начала ЭМГ предварительно установлено на уровне 5%, но это пороговое значение также может быть изменено. При оценке нагрузки на вентиляцию можно дополнительно измерить давление во рту в качестве показателя нагрузки. Аналогичным образом, можно контролировать концентрациюCO2 в конце прилива, прилагая усилия для поддержания ее близкой к нормальному диапазону, обучая участника регулировать уровень вентиляции или изменяя вдыхаемыйCO2.
Описанный протокол соответствует международным рекомендациям по сбору и обработке сигналов, а разработанный алгоритм фильтрации валидирован25. Тем не менее, на каждом этапе требуется тщательный визуальный контроль сигнала ЭМГ, чтобы гарантировать, что анализируются только сигналы хорошего качества. В литературе использовались и другие подходы для фильтрации артефактов ЭКГ из сигналов ЭМГ, в том числе фильтры высоких частот с высокими частотами среза (например, до 200 Гц), стробирование и шумоподавление вейвлетов. Фильтры верхних частот с высокими частотами среза также удаляют большую часть сигнала ЭМГ, изменяя его частотный спектр и амплитуду26. Стробирование обнаруживает сильные артефакты ЭКГ и удаляет загрязненный сигнал ЭМГ, а также сигналы ЭМГ вокруг него, вызывая потерю временной информации и влияя на определение времени ЭМГ (например, начало и смещение)27,28. Вейвлет-шумоподавление хорошо сбалансировано между сложностью и производительностью; однако он может отсекать крупные всплески активности ЭМГ29. Здесь был использован адаптивный фильтр наименьшего среднеквадратичного значения в частотной области, который удаляет только частоты сигнала, связанного с собственной ЭКГ пациента 13,19. Несмотря на то, что он позволяет надежно измерять время и амплитуду ЭМГ, он требует непрерывной и одновременной записи ЭКГ.
На сегодняшний день такой подход может быть применен только при анализе данных в автономном режиме. Дальнейшее развитие программного обеспечения и установление связи между имеющимися системами ЭМГ в режиме реального времени и программным обеспечением обеспечит визуализацию и анализ ЭМГ дыхательных мышц в режиме реального времени. Это открывает возможности для использования ЭМГ дыхательных мышц для поддержки принятия клинических решений в режиме реального времени.
ЭМГ дыхательных мышц может предоставить информацию о мышечной активности и дыхательном влечении. Это относительно сложный метод, который включает в себя несколько этапов для обеспечения хорошего качества сигнала. Этот протокол описывает шаги по обеспечению хорошей подготовки кожи, получения и обработки сигналов, а также предоставляет информацию о величине и времени активности дыхательных мышц, которые были связаны с клиническими исходами. Этот протокол получил разрешение на исследовательскую этику от нескольких международных учреждений.
Авторы заявляют, что у них нет конфликта интересов, который можно было бы раскрыть.
AR поддерживается стипендией Канадского института исследований в области здравоохранения (CIHR) (#187900), а UM финансировался 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 |
Запросить разрешение на использование текста или рисунков этого JoVE статьи
Запросить разрешениеThis article has been published
Video Coming Soon
Авторские права © 2025 MyJoVE Corporation. Все права защищены