Получение и полуавтоматический анализ электромиографии поверхности дыхательных мышц

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 физиологического^шума1,2. 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 специфические^{характеристики 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 ЭМГ^13,19.

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

1. Чтобы обеспечить адекватную визуализацию, попросите мужчин не носить рубашку, а женщин — спортивный бюстгальтер или майку. Используйте больничную рубашку с отверстием спереди, чтобы обеспечить достаточный доступ и сохранить скромность.
2. Если у участника длинные волосы, завяжите их назад и заколите на месте, чтобы можно было оценить лестничную и грудино-ключично-сосцевидную мышцу.
3. Расположите участника в сидячем или полулежачем положении.
4. Если обнаружено избыток волос на груди или шее, побрейте область для установки электродов для проведения ЭМГ.
5. Чтобы уменьшить импеданс кожи, очистите кожу от жира и омертвевшей кожи.
   1. Для этого протрите спиртовой салфеткой и дайте спирту испариться (т.е. высохнуть на воздухе) перед нанесением электрода.
   2. Если кожа светлее, она может казаться слегка красной, но что более важно, убедитесь, что в местах размещения электродов не видно видимой грязи, жира или сухой кожи. Однако избегайте чрезмерного растирания, чтобы предотвратить повреждение кожи. Избегайте наложения электродов на участки поврежденной кожи или другие повреждения кожи.
6. Определите местонахождение интересующих мышц с помощью ориентиров, пальпации и/или ультразвука.
   ПРИМЕЧАНИЕ: Ультразвуковое исследование может быть полезным для определения реберной диафрагмы²⁰. На рисунке 1 приведены примеры мест, где можно разместить электроды для сЭМГ дыхательной мускулатуры.
7. Поместите электроды сЭМГ с правой стороны грудной клетки, дальше от сердца, чтобы уменьшить амплитуду сигнала ЭКГ и свести к минимуму его загрязнение.
8. Наложите парные электроды ЭМГ с межэлектродным расстоянием 2 см в центре мышечного живота по продольному выравниванию мышечных волокон.
   1. Для реберной диафрагмы/межреберья выделите переднюю подмышечную линию и среднеключичную линию и разместите парные электроды вертикально между этими двумя линиями на уровне седьмого или восьмого межреберья.
   2. Для лестничной кости разметьте задний треугольник шеи и расположите парные электроды вдоль продольной оси мышцы на уровне перстневидного отростка.
   3. Для парастернальных межреберных зон отметьте второе межреберье на 1-2 см латеральнее правой стороны грудины и расположите парные электроды вдоль продольной оси мышцы.
   4. Для грудино-ключично-сосцевидной мышцы ориентируйтесь на надгрудинную выемку и сосцевидный отросток. Подчеркните живот правой грудино-ключично-сосцевидной мышцы, поместив руку оператора на левую сторону подбородка участника и попросив его аккуратно выполнить изометрическое вращение влево против руки. Расположите парные электроды в средней точке мышечного живота вдоль его продольной оси.
9. Для некоторых систем ЭМГ может потребоваться датчик заземления. При необходимости поместите датчик заземления на костную структуру, расположенную рядом с дыхательными мышцами (например, ключицей, шейным остистым отростком C7).
10. Прикрепите зажимы датчика ЭМГ к электродам ЭМГ. Убедитесь, что провода от датчиков ЭМГ от двух разных мышц (даже если они беспроводные) не перекрываются и не загрязняют или не создают перекрестных помех между двумя мышцами.
    ПРИМЕЧАНИЕ: Провода от одного и того же датчика могут перекрываться, но провода от двух разных датчиков не должны.
11. Применяйте дальнейшую фиксацию электродов и датчиков ЭМГ с помощью двусторонних лент, которые крепят нижнюю часть датчика к коже.
12. Наклейте медицинскую гипоаллергенную ленту поверх датчиков, чтобы еще больше закрепить каждый датчик на коже. Избегайте приложения чрезмерного давления, и, как уже говорилось выше, следите за тем, чтобы провода от разных датчиков не перекрывались.

2. Сбор сигнала

1. Выберите предустановленный шаблон в программном обеспечении для сбора данных и нажмите «Открыть». Шаблон будет иметь следующие предустановленные параметры: Фильтр высоких частот (0,5-20 Гц) в сигнале ЭМГ для уменьшения низкочастотных артефактов для облегчения визуализации в реальном времени.
2. Установите частоту дискретизации сигнала ЭМГ не менее 1 кГц.
3. Установите усиление сигнала ЭМГ равным 1000.
4. Установите шаблон для получения синхронизированной записи ЭКГ и дыхательного потока.
5. Получение данных сЭМГ и ЭКГ в соответствии с протоколом, например, во время испытания спонтанного дыхания у пациента с искусственной вентиляцией легких.
6. После завершения протокола остановите запись и сохраните файл с данными.
   ПРИМЕЧАНИЕ: На рисунке 2 показаны снимки экрана программного обеспечения, показывающие примененную фильтрацию.

3. Предварительная обработка после сбора данных

1. Откройте программу и подтвердите параметры, которые будут использоваться для анализа сигнала ЭМГ (двунаправленный фильтр высоких частот 5 Гц, адаптивный фильтр наименьшего квадрата (LMS) для удаления загрязнения ЭКГ, преобразование среднеквадратичного значения с движущимся окном на 0,02 с) и нажмите Continue.
2. Выберите файл для анализа и нажмите OK.
3. Определите интервал времени для анализа (если будет анализироваться общая продолжительность файла, то она будет от 0 с до максимального времени), нажмите Select the Range и Continue, а затем нажмите Conditioning.
4. Нажмите кнопку Анализ, чтобы применить предварительно выбранные параметры (см. шаг 3.1). Визуализируйте анализируемый сигнал ЭМГ. Нажмите кнопку Изменить масштаб на 1 , чтобы отобразить сигнал ЭМГ, нормализованный по максимальному значению за период записи.
5. Нажмите кнопку Continue to Calculate On Off. Основываясь на производной функции сигнала ЭМГ, он будет определять время начала активности ЭМГ. Нажмите кнопку Вкл и Выкл.
6. Выберите сигнал ЭМГ от мышцы, которую необходимо визуализировать. Визуализация может чередоваться между мышцами, что позволяет визуально контролировать все записанные сигналы ЭМГ. Нажмите кнопку STOP Looking и перейдите к сохранению . Нажмите кнопку «Сохранение».
7. Выберите данные для сохранения. Есть возможность уменьшить сигналы перед сохранением (например, с 1000 Гц до 100 Гц). Нажмите кнопку «Сохранить обработанные данные», выберите папку компьютера, в которой будет сохранен файл, и присвойте ему имя. Нажмите «Сохранить» еще раз для подтверждения.

4. Постобработка

1. Откройте сохраненный файл с помощью программного обеспечения, которое предоставляет возможность вычисления (например, Excel, R, Phyton, Matlab). Определяйте каждый вдох по времени включения и выключения сигнала потока и рассчитывайте пиковое среднеквадратичное значение ЭМГ и среднее среднеквадратичное значение ЭМГ для каждого вдоха.
2. Для начала ЭМГ рассчитайте абсолютную разницу (в миллисекундах) между началом ЭМГ и началом потока на вдохе (INSP, начало):
   
3. Для смещения ЭМГ рассчитайте абсолютную разницу (в миллисекундах) между смещением ЭМГ и концом потока вдоха (INSP, offset)
   
4. Для начала ЭМГ относительно продолжительности времени вдоха рассчитайте относительную разницу (к длительности Ti) между началом ЭМГ и началом INSP:
   
5. Для смещения ЭМГ относительно длительности времени вдоха рассчитайте относительную разницу (к длительности Ti) между смещением ЭМГ и смещением INSP:
   
   где dP – разница во времени между началом ЭМГ и началом потока на вдохе (INSP, начало) или между смещением ЭМГ, смещением и смещением потока на вдохе (INSP, offset).)

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: 151_смН2О [136% от прогнозируемого]). Он выполнил инкр...

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 ...

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).