Электроимпедансная миография
| Электроимпедансная миография | |
|---|---|
| Цель | оценка здоровья мышц (неинвазивная) |
Электроимпедансная миография , или ЭИМ , — это неинвазивный метод оценки здоровья мышц, основанный на измерении характеристик электрического импеданса отдельных мышц или групп мышц. Этот метод использовался с целью оценки нервно-мышечных заболеваний как для их диагностики, так и для постоянной оценки их прогрессирования или терапевтического вмешательства. Мышечный состав и микроскопическая структура изменяются в зависимости от заболевания, а EIM измеряет изменения импеданса, возникающие в результате патологии заболевания. [1] [2] EIM был особо признан за свой потенциал в качестве биомаркера БАС (также известного как биологический коррелят или суррогатная конечная точка) Prize4Life, некоммерческой организацией 501(c)(3), занимающейся ускорением открытия методов лечения и лечения БАС. Конкурс ALS Biomarker Challenge стоимостью 1 миллион долларов был направлен на определение биомаркера, достаточно точного и надежного, чтобы вдвое сократить исследования лекарств фазы II. [3] Премия была присуждена доктору Сьюарду Руткову, заведующему отделением нервно-мышечных заболеваний отделения неврологии Медицинского центра Бет Исраэль Диаконесса и профессору неврологии Гарвардской медицинской школы, за его работу по разработке техники ЭИМ и ее конкретного применения. к БАС. Есть надежда, что EIM в качестве биомаркера приведет к более быстрому и эффективному выявлению новых методов лечения БАС. EIM показала чувствительность к статусу заболевания при различных нервно-мышечных заболеваниях, включая радикулопатию , [4] воспалительная миопатия , [5] мышечная дистрофия Дюшенна , [6] и спинальная мышечная атрофия . [7]
Помимо оценки нервно-мышечных заболеваний, EIM также может служить удобным и чувствительным показателем состояния мышц. Работа со стареющим населением [8] и лица с ортопедическими травмами [9] указывает на то, что EIM очень чувствителен к мышечной атрофии и неиспользованию и, наоборот, вероятно, чувствителен к мышечной подготовке и гипертрофии. [10] Работа над моделями мышей и крыс, включая исследование мышей на борту последней миссии космического корабля "Шаттл" ( STS-135 ), [11] помог подтвердить эту потенциальную ценность.
Основные концепции
[ редактировать ]Интерес к электрическому импедансу возник в начале 20-го века, когда физиолог Луи Лапик постулировал элементарную схему для моделирования мембран нервных клеток. Ученые экспериментировали с вариациями этой модели до 1940 года, когда Кеннет Коул разработал модель схемы, которая учитывала импедансные свойства как клеточных мембран, так и внутриклеточной жидкости. [12]
Как и все методы, основанные на импедансе, EIM основан на упрощенной модели мышечной ткани как RC-цепи . Эта модель связывает резистивную составляющую цепи с сопротивлением внеклеточной и внутриклеточной жидкости, а реактивную составляющую — с емкостными эффектами клеточных мембран. [13] Целостность отдельных клеточных мембран оказывает существенное влияние на импеданс ткани; следовательно, импеданс мышцы можно использовать для измерения деградации ткани при прогрессировании заболевания. При нервно-мышечных заболеваниях на композиционные и микроструктурные аспекты мышц могут влиять различные факторы, включая, прежде всего, атрофию и дезорганизацию мышечных волокон, отложение жира и соединительных тканей, как это происходит при мышечной дистрофии, а также наличие воспаления и многие другие. другие патологии. EIM фиксирует эти изменения в ткани в целом, измеряя ее характеристики импеданса на нескольких частотах и под разными углами относительно направления основных мышечных волокон. [2]
В ЭИМ импеданс разделяется на сопротивление и реактивное сопротивление , его действительную и мнимую составляющие. Исходя из этого, можно вычислить фазу мышцы, которая представляет собой сдвиг во времени, которому подвергается синусоида при прохождении через мышцу. [13] Для заданного сопротивления (R) и реактивного сопротивления (X) можно рассчитать фазу (θ). В текущей работе все три параметра, по-видимому, играют важную роль в зависимости от того, какие именно заболевания изучаются и как применяется технология. [1]
На ЭИМ также может влиять толщина кожи и подкожного жира, покрывающего область мышц. [14] Однако можно создать конструкции электродов, которые могут в значительной степени обойти этот эффект и, таким образом, по-прежнему предоставлять первичные данные о мышцах. [15] Более того, использование многочастотных измерений также может помочь в этом процессе отделения влияния жира от воздействия мышц. [16] На основе этой информации также становится возможным сделать вывод/рассчитать приблизительное количество жира, покрывающего мышцу в данной области.
Многочастотные измерения
[ редактировать ]И сопротивление, и реактивное сопротивление зависят от входной частоты сигнала. Поскольку изменения частоты смещают относительный вклад сопротивления (жидкости) и реактивного сопротивления (мембраны) в импеданс, многочастотная ЭИМ может позволить провести более полную оценку заболевания. [17] Сопротивление, реактивное сопротивление или фаза могут быть изображены как функция частоты, чтобы продемонстрировать различия в частотной зависимости между здоровыми и больными группами. В больной мышце реактивное сопротивление и фаза увеличиваются с увеличением частоты, тогда как значения реактивного сопротивления и фазы здоровой мышцы увеличиваются с частотой до 50–100 кГц, после чего они начинают уменьшаться в зависимости от частоты. [18] Частоты в диапазоне от 500 Гц до 2 МГц используются для определения частотного спектра данной мышцы.
Мышечная анизотропия
[ редактировать ]Электрический импеданс мышечной ткани анизотропен ; ток, текущий параллельно мышечным волокнам, течет иначе, чем ток, текущий перпендикулярно волокнам. [19] Ток, протекающий ортогонально через мышцу, сталкивается с большим количеством клеточных мембран, тем самым увеличивая сопротивление, реактивное сопротивление и значения фазы. Проводя измерения под разными углами по отношению к мышечным волокнам, EIM можно использовать для определения анизотропии данной мышцы. Анизотропия обычно отображается либо в виде графика сопротивления, реактивного сопротивления или фазы как функции угла по отношению к направлению мышечных волокон, либо как отношение поперечного (перпендикулярно волокнам) измерения к продольному измерению (параллельно мышечным волокнам). заданного коэффициента импеданса. [20]
Анизотропия мышц также изменяется при нервно-мышечных заболеваниях. EIM показал разницу между профилями анизотропии у пациентов с нервно-мышечными заболеваниями и у здоровых людей. Кроме того, EIM может использовать анизотропию для различения миопатических и нейрогенных заболеваний. [2] Различные формы нервно-мышечных заболеваний обладают уникальной анизотропией. Миопатическое заболевание характеризуется снижением анизотропии. Нейрогенные заболевания вызывают менее предсказуемую анизотропию. Угол нижней фазы может быть смещен от параллельного положения, и анизотропия в целом часто больше, чем у здорового контроля.
Подходы к измерению
[ редактировать ]Как правило, для применения этой техники над интересующей мышцей размещается как минимум четыре поверхностных электрода. К двум внешним электродам подается переменный ток , а сигналы напряжения регистрируются внутренними электродами. Частота подаваемого тока и соотношение электродной решетки с направлением основных мышечных волокон варьируются так, чтобы можно было достичь полной многочастотной и разнонаправленной оценки мышц. [5]
ЭИМ выполнялся с использованием ряда различных устройств анализа импеданса. Коммерчески доступные системы, используемые для анализа биоимпеданса , могут быть откалиброваны для измерения импеданса отдельных мышц. Подходящий анализатор импеданса также может быть изготовлен по индивидуальному заказу с использованием синхронного усилителя для формирования сигнала и зонда с низкой емкостью, такого как Tektronix P6243, для регистрации напряжений с поверхностных электродов. [2]
Однако такие методы медленны и неудобны в применении, учитывая необходимость тщательного позиционирования электродов над интересующей мышцей, а также возможность смещения электродов и неточности. Соответственно, первоначальная портативная система была сконструирована с использованием нескольких компонентов с головкой электрода, которую можно было разместить непосредственно на пациенте. [21] Устройство имело набор электродных пластин, которые можно было избирательно активировать для измерения импеданса в произвольной ориентации. [22] Осциллографы были запрограммированы на создание составного синусоидального сигнала, который можно было использовать для одновременного измерения импеданса на нескольких частотах с помощью быстрого преобразования Фурье.
С момента создания этой первоначальной системы разрабатываются другие портативные коммерческие системы, такие как Skulpt , для использования как при оценке нервно-мышечных заболеваний, так и при оценке нервно-мышечных заболеваний. [23] и для мониторинга физической подготовки, включая расчет значения качества мышц (или MQ). [24] Это последнее значение призвано дать приблизительную оценку относительной способности мышцы генерировать силу для данной площади поперечного сечения ткани. Например, качество мышц является показателем, используемым при оценке саркопении .
Сравнение со стандартным анализом биоэлектрического импеданса
[ редактировать ]Стандартный биоэлектрический импедансный анализ (BIA), как и EIM, также использует слабый высокочастотный электрический ток для измерения характеристик человеческого тела. В стандартном БИА, в отличие от ЭИМ, электрический ток пропускают между электродами, расположенными на руках и ногах, и измеряют импедансные характеристики всей цепи тока. Таким образом, измеренные характеристики импеданса относительно неспецифичны, поскольку они охватывают большую часть тела, включая всю длину конечностей, грудную клетку, живот и таз; соответственно, могут быть предложены только суммарные показатели безжировой массы тела и % жира для всего тела. Более того, в BIA ток движется по пути наименьшего сопротивления, и поэтому любые факторы, изменяющие путь тока, будут вызывать изменения в данных. Например, расширение крупных сосудов (например, вен) при увеличении гидратации будет предлагать путь с низким сопротивлением и, таким образом, искажать полученные данные. Кроме того, изменения в содержимом брюшной полости аналогичным образом изменят данные. Положение тела также может иметь существенное влияние, при этом положение суставов способствует изменениям в данных. EIM, напротив, измеряет только поверхностные аспекты отдельных мышц и относительно не зависит от положения тела или конечностей или состояния гидратации. [25] Различия между EIM и стандартным BIA были проиллюстрированы в одном исследовании бокового амиотрофического склероза (АЛС), которое показало, что EIM эффективно отслеживал прогрессирование у 60 пациентов с БАС, тогда как BIA - нет. [26]
Ссылки
[ редактировать ]- ^ Jump up to: а б Руткове, Сьюард (2009). «Электроимпедансная миография: предпосылки, современное состояние и будущие направления» . Мышечный нерв . 40 (6): 936–946. дои : 10.1002/mus.21362 . ПМЦ 2824130 . ПМИД 19768754 .
- ^ Jump up to: а б с д Гармириан, LP; Чин А.Б.; Руткове С.Б. (2008). «Отличение нейрогенных заболеваний от миопатических посредством измерения мышечной анизотропии» . Мышцы и нервы . 39 (1): 16–24. дои : 10.1002/mus.21115 . ПМК 2719295 . ПМИД 19058193 .
- ^ «Prize4Life — Модель премии — Премия за биомаркер» . Проверено 13 января 2016 г.
- ^ Руткове С.Б., Эспер Г.Дж., Ли К.С., Аарон Р., Шиффман К.А. (2005). «Электроимпедансная миография в выявлении радикулопатий». Мышцы и нервы . 32 (3): 335–41. дои : 10.1002/mus.20377 . ПМИД 15948202 . S2CID 37562321 .
- ^ Jump up to: а б Тарулли, AW; Эспер Дж.Дж.; Ли КС; Аарон Р; Шиффман, Калифорния; Руткове С.Б. (2005). «Электроимпедансная миография в прикроватной оценке воспалительной миопатии». Неврология . 65 (3): 451–2. doi : 10.1212/01.wnl.0000172338.95064.cb . ПМИД 16087913 . S2CID 19732371 .
- ^ Руткове С.Б., Гейсбуш Т.Р., Михайлович А, Шкляр И., Пастернак А., Висяк Н., Ву Дж.С., Зайдман С., Даррас Б.Т. (июль 2014 г.). «Поперечная оценка электроимпедансной миографии и количественного ультразвука для оценки мышечной дистрофии Дюшенна в условиях клинических испытаний» . Педиатр Нейрол . 51 (1): 88–92. doi : 10.1016/j.pediatrneurol.2014.02.015 . ПМК 4063877 . ПМИД 24814059 .
- ^ Руткове С.Б., Грегас М.К., Даррас Б.Т. (май 2012 г.). «Электроимпедансная миография при спинальной мышечной атрофии: продольное исследование». Мышечный нерв . 45 (5): 642–7. дои : 10.1002/mus.23233 . ПМИД 22499089 . S2CID 2615976 .
- ^ Кортман Х.Г., Уайлдер С.К., Гейсбуш Т.Р., Нараянасвами П., Руткове С.Б. (2013). «Возрастные и половые различия в значениях электрического импеданса скелетных мышц» . Физиологическое измерение . 34 (12): 1611–22. Бибкод : 2013PhyM...34.1611K . дои : 10.1088/0967-3334/34/12/1611 . ПМЦ 3895401 . ПМИД 24165434 .
- ^ Тарулли А.В., Дуггал Н., Эспер Г.Дж., Гармириан Л.П., Фогерсон П.М., Лин Ч.Х., Руткове С.Б. (октябрь 2009 г.). «Электроимпедансная миография в оценке атрофии без использования» . Арх Физ Мед Реабилитация . 90 (10): 1806–10. дои : 10.1016/j.apmr.2009.04.007 . ПМЦ 2829834 . ПМИД 19801075 .
- ^ Лунгу С., Тарулли А.В., Тарси Д., Монджиови П., Вандерхорст В.Г., Руткове С.Б. (2011). «Количественная оценка мышечной асимметрии при цервикальной дистонии с помощью электрического импеданса: предварительная оценка» . Клин Нейрофизиол . 122 (5): 1027–31. дои : 10.1016/j.clinph.2010.09.013 . ПМК 3044213 . ПМИД 20943436 .
- ^ Сунг М., Ли Дж., Шпикер А.Дж., Спатц Дж., Эллман Р., Фергюсон В.Л., Бейтман Т.А., Розен Г.Д., Буксейн М., Руткове С.Б. (декабрь 2013 г.). «Космический полет и разгрузка задних конечностей вызывают аналогичные изменения в характеристиках электрического импеданса икроножной мышцы мыши» . J Взаимодействие нейронов опорно-двигательного аппарата . 13 (4): 405–11. ПМЦ 4653813 . ПМИД 24292610 .
- ^ Макадамс, ET; Жоссине Дж (1995). «Импеданс ткани: исторический обзор». Физиологическое измерение . 16 (3 Приложения А): А1–А13. дои : 10.1088/0967-3334/16/3A/001 . ПМИД 8528108 . S2CID 250894468 .
- ^ Jump up to: а б Рутково, СБ; Аарон Р; Шиффман, Калифорния (2002). «Локальный биоимпедансный анализ при оценке нервно-мышечных заболеваний». Мышцы и нервы . 25 (3): 390–7. дои : 10.1002/mus.10048 . ПМИД 11870716 . S2CID 26960323 .
- ^ Сунг М., Шпикер А.Дж., Нараянасвами П., Руткове С.Б. (2013). «Влияние подкожного жира на электроимпедансную миографию при использовании портативной электродной решетки: случай измерения реактивного сопротивления» . Клин Нейрофизиол . 124 (2): 400–4. дои : 10.1016/j.clinph.2012.07.013 . ПМЦ 3543755 . ПМИД 22917581 .
- ^ Джафарпур М., Ли Дж., Уайт Дж.К., Руткове С.Б. (2013). «Оптимизация конфигурации электродов для измерения электрического импеданса мышц с помощью метода конечных элементов» (PDF) . IEEE Trans Biomed Eng . 60 (5): 1446–52. дои : 10.1109/TBME.2012.2237030 . ПМЦ 3984469 . ПМИД 23314763 .
- ^ Шварц, Стефан; Гейсбуш, Том Р.; Михайлович, Александр; Пастернак, Эми; Даррас, Бэзил Т.; Руткове, Сьюард Б. (январь 2015 г.). "DEFINE_ME_WA" . Клиническая нейрофизиология . 126 (1): 202–208. дои : 10.1016/j.clinph.2014.05.007 . ПМЦ 4234696 . ПМИД 24929900 . Проверено 13 января 2016 г.
- ^ Шиффман, Калифорния; Кашури Х; Аарон Р. (2008). «Электроимпедансная миография на частотах до 2 МГц». Физиологическое измерение . 29 (6): S345–63. Бибкод : 2008PhyM...29S.345S . дои : 10.1088/0967-3334/29/6/S29 . ПМИД 18544820 . S2CID 2617398 .
- ^ Эспер Г.Дж., Шиффман К.А., Аарон Р., Ли К.С., Руткове С.Б. (2006). «Оценка нервно-мышечных заболеваний с помощью многочастотной электроимпедансной миографии». Мышечный нерв . 34 (5): 595–602. дои : 10.1002/mus.20626 . ПМИД 16881067 . S2CID 22989701 .
{{cite journal}}: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка ) - ^ Тарулли, AW; Чин А.Б.; Партида РА; Руткове С.Б. (2006). «Электрический импеданс скелетных мышц крупного рогатого скота как модель для изучения неврологических заболеваний». Физиологическое измерение . 27 (12): 1269–79. Бибкод : 2006PhyM...27.1269T . дои : 10.1088/0967-3334/27/12/002 . ПМИД 17135699 . S2CID 21880505 .
- ^ Чин, А.Б.; Гармириан LP; Не Р; Руткове С.Б. (2008). «Оптимизация измерения электрической анизотропии мышц» . Мышцы и нервы . 37 (5): 560–5. дои : 10.1002/mus.20981 . ПМЦ 2742672 . ПМИД 18404614 .
- ^ Огунника, ОТ; Шарфштен М; Купер RC; Ма Х; Доусон Дж.Л.; Руткове С.Б. (2008). «Портативный датчик электроимпедансной миографии для оценки нервно-мышечных заболеваний». 2008 30-я ежегодная международная конференция Общества инженерии в медицине и биологии IEEE . Том. 2008. стр. 3566–9. дои : 10.1109/IEMBS.2008.4649976 . ISBN 978-1-4244-1814-5 . ПМК 2706091 . ПМИД 19163479 .
- ^ «Наблюдение за мышцами» . Обзор технологий Массачусетского технологического института . Проверено 13 января 2016 г.
- ^ «Лепим здоровье» . Архивировано из оригинала 19 января 2016 года . Проверено 13 января 2016 г.
- ^ «Скульпт — измерение процента жира в организме и качества мышц» . СКУЛЬПТ . Проверено 13 января 2016 г.
- ^ Цзя, Ли; Санчес, Б.; Рутково, С.Б. (2014). «Влияние глубокого обезвоживания на электрический импеданс скелетных мышц мыши». 2014 36-я ежегодная международная конференция Общества инженерии в медицине и биологии IEEE . Том. 2014. С. 514–7. дои : 10.1109/EMBC.2014.6943641 . ISBN 978-1-4244-7929-0 . ПМК 4287983 . ПМИД 25570009 .
- ^ Руткове С.Б., Кэсс Дж.Б., Картрайт М.С., Бернс Т.М., Уордер Дж., Дэвид В.С., Гоял Н., Марагакис Н.Дж., Клоусон Л., Бенатар М., Ашер С., Шарма К.Р., Гаутам С., Нараянасвами П., Рейнор Э.М., Уотсон М.Л., Шефнер Дж.М. (2012). «Электроимпедансная миография как биомаркер оценки прогрессирования БАС» . Амиотрофический латеральный склер . 13 (5): 439–45. дои : 10.3109/17482968.2012.688837 . ПМЦ 3422377 . ПМИД 22670883 .