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Method Article
在这里,我们描述了一种记录和分析呼吸肌电图 (EMG) 信号的协议。它包括将 EMG 电极放置在几根呼吸肌上、去除 EMG 信号中的心电图噪声以及获取 EMG 均方根 (RMS) 和活动开始时间的解剖参考。
由于当前方法(如功能磁共振成像 (fMRI))的突兀性和不切实际性,评估呼吸驱动带来了挑战。肌电图 (EMG) 提供了肌肉呼吸驱动的替代测量方法,可以确定肌肉激活的幅度和时间。幅度反映了肌肉激活的水平,而时间表示肌肉活动相对于特定事件(例如吸气流动和其他肌肉的激活)的开始和偏移。这些指标对于理解呼吸协调和控制至关重要,尤其是在不同负荷或存在呼吸病理生理学的情况下。本研究概述了一种获取和分析健康成人和呼吸健康状况患者的呼吸肌 EMG 信号的方案。这些研究获得了伦理批准,包括参与者准备、电极放置、信号采集、预处理和后处理。关键步骤包括清洁皮肤、通过触诊和超声定位肌肉,以及使用电极以尽量减少心电图 (ECG) 污染。以高采样率和增益采集数据,并同步心电图和呼吸血流记录。预处理包括过滤和转换 EMG 信号,而后处理涉及计算相对于吸气流的起始和偏移差异。来自执行增量吸气阈值负荷 (ITL) 的健康男性参与者的代表性数据说明了该方案的应用。结果显示,在较高负荷下,膈外肌的激活较早且持续时间延长,与 EMG 幅度增加相关。该协议有助于对呼吸肌激活进行详细评估,提供对正常和病理生理运动控制策略的见解。
由于功能性磁共振成像 (fMRI) 等评估方法的突兀性,通常不切实际,因此呼吸驱动 (即呼吸中枢向呼吸肌的输出) 很难评估。此外,位于脑干的呼吸中枢体积小,难以定位,并且对生理噪声的改变敏感 1,2。呼吸驱动的测量很重要,因为它们与重要的临床结局有关,例如呼吸困难,呼吸窘迫的迹象。肌电图 (EMG) 是呼吸肌呼吸驱动的替代物3。呼吸肌 EMG 允许通过 EMG 信号的均方根 (RMS) 来确定肌肉活动及其强度。此外,可以通过识别肌肉活动的开始和偏移量(分别为 EMG、起始和 EMG、偏移量)来评估肌肉激活的时间1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11。
肌电信号的幅度是指肌肉细胞收缩时产生的电位,表明它们的肌肉激活水平12。肌电信号的强度可能因肌肉收缩的强度、募集的运动单位数量、电极位置、肌肉和皮下组织的运动以及被测肌肉的具体特征等因素而异12。
肌电图信号的时间是指电活动相对于特定事件或动作(例如,相对于呼吸的吸气流)发生的时间13。开始时间表示肌肉激活何时开始,而偏移时间表示肌肉活动何时减少、停止或处于放松阶段13。几个呼吸肌激活的时间将有助于理解呼吸过程中的协调和控制机制。评估时间模式随时间或个体的一致性或可变性有助于确定与急性或慢性通气衰竭相关的生理和病理生理运动控制策略。
呼吸肌 EMG 的大小和时间都与重要的临床结果相关 12,13,14。隔膜在休息时产生大部分通气15。当呼吸需求增加时,例如在运动期间或与肺部疾病(例如,慢性阻塞性肺病、间质性肺病或急性呼吸窘迫综合征)相关的吸气负荷增加时,膈外呼吸肌会促进通气,这可以增加或抵消膈肌收缩需求15.因此,除了膈肌肌电图的幅度增加外,膈肌肌电图的幅度也会增加。
激活膈外呼吸肌可以保护膈肌免于疲劳16。然而,早期激活(发作)和延长激活与急性和慢性通气衰竭有关 14,17,18。这里的目的是描述一种协议,用于获取和分析健康成人和疑似或确诊呼吸病理生理学患者的呼吸肌 EMG 信号的时间和幅度。该协议包括先前验证的数据采集步骤,以量化 EMG 活动的时间和幅度13,19。
采用该技术的研究已获得多伦多大学和位于加拿大多伦多的圣迈克尔医院以及比利时鲁汶的 Gasthuisberg 大学医院的伦理批准。此处描述了一种特定的协议。已经提出了关于呼吸肌的几种替代表面肌电图 (sEMG) 方法的一般讨论,并在其他地方报道12。
1. 参与者准备和放置 sEMG 电极
2. 信号采集
3. 数据采集后的预处理
4. 后处理
数据为一名男性参与者(22 岁;体重:100 公斤;身高:185 厘米;BMI:29 kg/m2) 肺活量测定和吸气肌力量正常(FEV1:4.89 L/s [预测值的 97%];最大吸气压:151 cmH2O [预测值的 136%)]。他使用前面描述的方案 21,22,23 执行增量吸气阈值负荷 (ITL) 直至任务失败。图 1...
由于 EMG 信号的带宽谱重叠,从 EMG 信号中去除心脏活动伪影很复杂。大部分 EMG 频谱在 20 到 250 Hz 之间,而 ECG 频谱在 0 Hz 到 100 Hz 之间。对于某些分析(即时间),必须在没有 ECG 污染的情况下获得 EMG 信号,以实现 EMG 幅度和时间的准确性和可解释性。利用频率的最小均方 (LMS) 自适应滤波器是一种识别模式的算法。在这种情况下,该算法从组合的 ECG-EMG 信号中删除 EC...
作者声明他们没有需要披露的利益冲突。
AR 得到了加拿大卫生研究院 (CIHR) 奖学金 (#187900) 的支持,UM 由 Mitacs (IT178-9 -FR101644) 资助。
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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