WikiDer > Электрическая импедансная миография

Electrical impedance myography
Электрическая импедансная миография
Цельоценка здоровья мышц (неинвазивно)

Электрическая импедансная миография, или же EIM, это неинвазивный метод оценки здоровья мышц, основанный на измерении электрический импеданс характеристики отдельных мышц или групп мышц. Методика использовалась для оценки нервно-мышечные заболевания как для диагноза, так и для постоянной оценки прогрессирования или терапевтического вмешательства. Состав мышц и микроскопическая структура меняются с заболеванием, а EIM измеряет изменения импеданса, возникающие в результате патологии заболевания.[1][2] EIM получил особое признание за свой потенциал в качестве ALS биомаркер (также известный как биологический коррелят или суррогатная конечная точка) от Prize4Life, некоммерческой организации 501 (c) (3), занимающейся ускорением открытия методов лечения и лечения БАС. Задача ALS Biomarker Challenge стоимостью 1 миллион долларов была направлена ​​на определение биомаркера, достаточно точного и надежного, чтобы вдвое сократить количество испытаний лекарственных препаратов Фазы II.[3] Премия была присуждена доктору Сьюарду Руткову, руководителю отдела нервно-мышечных заболеваний отделения неврологии Медицинского центра Бет Исраэль Дьяконесса и профессору неврологии Гарвардской медицинской школы за его работу по разработке техники EIM и ее конкретного применения. в ALS. Есть надежда, что EIM как биомаркер приведет к более быстрой и эффективной идентификации новых методов лечения БАС. EIM показал чувствительность к статусу заболевания при различных нервно-мышечных состояниях, включая радикулопатия,[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 средством измерения состояния мышц. Работа в стареющем населении[8] и лица с ортопедическими травмами[9] указывает на то, что EIM очень чувствителен к атрофии и неиспользованию мышц и, наоборот, скорее всего, чувствителен к кондиционированию и гипертрофии мышц.[10] Работа над моделями мышей и крыс, в том числе исследование мышей на борту последней миссии космического челнока (СТС-135),[11] помог подтвердить эту потенциальную ценность.

Основные концепции

Интерес к электрическому сопротивлению возник на рубеже 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 свойства импеданса как клеточных мембран, так и внутриклеточной жидкости.[12]

Как и все методы, основанные на импедансе, EIM опирается на упрощенную модель мышечной ткани как RC схема. Эта модель связывает резистивный компонент цепи с сопротивлением внеклеточных и внутриклеточных жидкостей, а реактивный компонент - с емкостным действием клеточных мембран.[13] Целостность отдельных клеточных мембран оказывает значительное влияние на сопротивление ткани; следовательно, импеданс мышцы можно использовать для измерения деградации ткани при прогрессировании заболевания. При нервно-мышечном заболевании различные факторы могут влиять на композиционные и микроструктурные аспекты мышц, включая, в первую очередь, мышечные волокна. атрофия дезорганизация, отложение жира и соединительных тканей, как при мышечной дистрофии, и наличие воспаления среди многих других патологий. 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 EIM импеданс разделен на сопротивление и реактивное сопротивление, его действительная и мнимая составляющие. Исходя из этого, можно вычислить фазу мышцы, которая представляет собой временной сдвиг, который синусоида претерпевает при прохождении через мышцу.[13] Для заданного сопротивления (R) и реактивного сопротивления (X) можно вычислить фазу (θ). В текущей работе все три параметра, по-видимому, играют важную роль в зависимости от того, какие именно болезни изучаются и как применяется технология.[1]

EIM также может зависеть от толщины кожи и подкожного жира, покрывающего область мышцы.[14] Однако могут быть созданы 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 разделения эффектов жира и мышц.[16] Из этой информации также становится возможным вывести / рассчитать приблизительное количество жира, покрывающего мышцу в данной области.

Многочастотные измерения

Как сопротивление, так и реактивное сопротивление зависят от входной частоты сигнала. Поскольку изменения частоты изменяют относительные вклады сопротивления (жидкости) и реактивного сопротивления (мембраны) в импеданс, многочастотный EIM может позволить более всестороннюю оценку заболевания.[17] Сопротивление, реактивное сопротивление или фаза могут быть нанесены на график в зависимости от частоты, чтобы продемонстрировать различия в частотной зависимости между здоровыми и больными группами. Больные мышцы демонстрируют увеличение реактивного сопротивления и фазы с увеличением частоты, в то время 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 от 500 Гц до 2 МГц используются для определения частотного спектра данной мышцы.

Анизотропия мышц

Электрический импеданс мышечной ткани составляет анизотропный; Ток, протекающий параллельно мышечным волокнам, отличается от тока, протекающего ортогонально по волокнам.[19] Ток, протекающий ортогонально через мышцу, встречает большее количество клеточных мембран, что увеличивает сопротивление, реактивность и значения фазы. Выполняя измерения под разными углами относительно мышечных волокон, EIM можно использовать для определения анизотропии данной мышцы. Анизотропия, как правило, отображается либо в виде графика сопротивления, реактивного сопротивления или фазы в зависимости от угла по отношению к направлению мышечных волокон, либо в виде отношения поперечного (перпендикулярно волокнам) измерения к продольному измерению (параллельно мышечным волокнам). заданного коэффициента импеданса.[20]

Анизотропия мышц также изменяется при нервно-мышечном заболевании. EIM показал разницу между профилями анизотропии пациентов с нервно-мышечными заболеваниями и здоровых людей. Кроме того, EIM может использовать анизотропию для различения миопатических и нейрогенных заболеваний.[2] Различные формы нервно-мышечных заболеваний обладают уникальной анизотропией. Миопатический заболевание характеризуется пониженной анизотропией. Нейрогенный болезнь вызывает менее предсказуемую анизотропию. Угол самой низкой фазы может быть смещен из параллельного положения, а анизотропия в целом часто больше, чем у здорового контроля.

Подходы к измерениям

Как правило, чтобы применить методику, над интересующей мышцей помещают как минимум четыре поверхностных электрода. Минута переменный ток подается на два внешних электрода, а сигналы напряжения регистрируются внутренними электродами. Частота прикладываемого тока и соотношение электродной решетки и направления основных мышечных волокон варьируются, так что можно достичь полной многочастотной и разнонаправленной оценки мышцы.[5]

EIM проводился с помощью ряда различных устройств анализа импеданса. Коммерчески доступные системы, используемые для биоимпедансный анализ, можно откалибровать для измерения сопротивления отдельных мышц. Подходящий анализатор импеданса также может быть изготовлен по индивидуальному заказу с использованием синхронизирующего усилителя для генерации сигнала и зонда с низкой емкостью, такого как Tektronix P6243, для регистрации напряжений с поверхностных электродов.[2]

Однако такие методы медленные и неуклюжие в применении, учитывая необходимость осторожного позиционирования электродов над интересующей мышцей, а также возможность смещения электродов и погрешности. Соответственно, первоначальная ручная 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 выполнения измерений импеданса в произвольной ориентации.[22] Осциллографы были запрограммированы на создание составного синусоидального сигнала, который можно было использовать для измерения импеданса на нескольких частотах одновременно с помощью быстрого преобразования Фурье.

С тех пор как была создана эта первоначальная система, разрабатываются и другие портативные коммерческие системы, такие как Скульпт, для использования в оценке нервно-мышечных заболеваний[23] и для мониторинга фитнеса, включая расчет значения качества мышц (или MQ).[24] Это последнее значение призвано обеспечить приблизительную оценку относительной способности мышцы генерировать силу для данной площади поперечного сечения ткани. Например, качество мышц - это показатель, используемый для оценки саркопения.

Сравнение со стандартным анализом биоэлектрического импеданса

Стандарт анализ биоэлектрического импеданса (BIA), как и EIM, также использует слабый высокочастотный электрический ток для измерения характеристик человеческого тела. В стандартном BIA, в отличие от EIM, электрический ток проходит между электродами, расположенными на руках и ногах, и измеряются характеристики полного сопротивления всего пути тока. Таким образом, измеренные характеристики импеданса относительно неспецифичны, поскольку они охватывают большую часть тела, включая всю длину конечностей, груди, живота и таза; соответственно, могут быть предложены только сводные измерения безжировой массы тела и% жира для всего тела. Более того, в BIA ток проходит по пути наименьшего сопротивления, и, таким образом, любые факторы, изменяющие путь тока, вызовут изменчивость данных. Например, расширение крупных сосудов (например, вен) с увеличением гидратации будет предлагать путь с низким сопротивлением и, таким образом, искажать полученные данные. Кроме того, изменения содержимого брюшной полости аналогичным образом изменят данные. Положение тела также может иметь существенное влияние, при этом положение суставов вносит свой вклад в вариации 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 (ALS), которое показало, что EIM эффективно отслеживает прогрессирование у 60 пациентов с ALS, тогда как BIA - нет.[26]

Рекомендации

  1. ^ а б Рутково, Сьюард (2009). «Миография электрического импеданса: история вопроса, текущее состояние и будущие направления». Мышечный нерв. 40 (6): 936–946. Дои:10.1002 / mus.21362. ЧВК 2824130. PMID 19768754.
  2. ^ а б c d Гармирян, LP; Подбородок AB; Рутково С.Б. (2008). «Отличие нейрогенного от миопатического заболевания путем измерения мышечной анизотропии». Мышцы и нервы. 39 (1): 16–24. Дои:10.1002 / mus.21115. ЧВК 2719295. PMID 19058193.
  3. ^ "Prize4Life - Модель приза - Приз биомаркера". Получено 13 января 2016.
  4. ^ Руткове С.Б., Эспер Г.Дж., Ли К.С., Аарон Р., Шиффман КА (2005). «Электроимпедансная миография в обнаружении радикулопатии». Мышцы и нервы. 32 (3): 335–41. Дои:10.1002 / mus.20377. PMID 15948202. S2CID 37562321.
  5. ^ а б Tarulli, AW; Esper GJ; Ли К.С.; Аарон Р; Шиффман CA; Рутково С.Б. (2005). «Электрическая импедансная миография в прикроватной оценке воспалительной миопатии». Неврология. 65 (3): 451–2. Дои:10.1212 / 01.wnl.0000172338.95064.cb. PMID 16087913. S2CID 19732371.
  6. ^ 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 Neurol. 51 (1): 88–92. Дои:10.1016 / j.pediatrneurol.2014.02.015. ЧВК 4063877. PMID 24814059.
  7. ^ 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. PMID 22499089. S2CID 2615976.
  8. ^ Кортман Х.Г., Уайлдер С.К., Гейсбуш Т.Р., Нараянасвами П., Руткове С.Б. (2013). «Возрастные и гендерные различия в значениях электрического импеданса скелетных мышц». Physiol Meas. 34 (12): 1611–22. Bibcode:2013ФИМ ... 34,1611K. Дои:10.1088/0967-3334/34/12/1611. ЧВК 3895401. PMID 24165434.
  9. ^ Tarulli AW, Duggal N, Esper GJ, Garmirian LP, Fogerson PM, Lin CH, Rutkove SB (октябрь 2009 г.). «Электроимпедансная миография в оценке атрофии неиспользования». Arch Phys Med Rehabil. 90 (10): 1806–10. Дои:10.1016 / j.apmr.2009.04.007. ЧВК 2829834. PMID 19801075.
  10. ^ Lungu C, Tarulli AW, Tarsy D, Mongiovi P, Vanderhorst VG, Rutkove SB (2011). «Количественная оценка мышечной асимметрии при шейной дистонии с помощью электрического импеданса: предварительная оценка». Клин нейрофизиол. 122 (5): 1027–31. Дои:10.1016 / j.clinph.2010.09.013. ЧВК 3044213. PMID 20943436.
  11. ^ Сун М., Ли Дж., Шпикер А.Дж., Спатц Дж., Эллман Р., Фергюсон В.Л., Бейтман Т.А., Розен Г.Д., Букссейн М., Рутков С.Б. (декабрь 2013 г.). «Космический полет и разгрузка задних конечностей вызывают аналогичные изменения в характеристиках электрического импеданса икроножной мышцы мыши». J Musculoskelet Neuronal Interact. 13 (4): 405–11. ЧВК 4653813. PMID 24292610.
  12. ^ McAdams, ET; Жосине Дж (1995). «Импеданс тканей: исторический обзор». Физиологические измерения. 16 (3 Приложение A): A1 – A13. Дои:10.1088 / 0967-3334 / 16 / 3A / 001. PMID 8528108.
  13. ^ а б Рутково, СБ; Аарон Р; Шиффман CA (2002). «Локальный биоимпедансный анализ в оценке нервно-мышечных заболеваний». Мышцы и нервы. 25 (3): 390–7. Дои:10.1002 / mus.10048. PMID 11870716. S2CID 26960323.
  14. ^ Сунг М., Спикер А.Дж., Нараянасвами П., Руткове С.Б. (2013). «Влияние подкожно-жировой клетчатки на миографию электрического импеданса при использовании портативной электродной решетки: случай для измерения реактивного сопротивления». Клин нейрофизиол. 124 (2): 400–4. Дои:10.1016 / j.clinph.2012.07.013. ЧВК 3543755. PMID 22917581.
  15. ^ 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. ЧВК 3984469. PMID 23314763.
  16. ^ "DEFINE_ME_WA". Получено 13 января 2016.
  17. ^ Шиффман, Калифорния; Кашури H; Аарон Р. (2008). «Электроимпедансная миография на частотах до 2 МГц». Физиологические измерения. 29 (6): S345–63. Bibcode:2008ФИМ ... 29С.345С. Дои:10.1088 / 0967-3334 / 29/6 / S29. PMID 18544820.
  18. ^ Эспер Г.Дж., Шиффман КА, Аарон Р., Ли К.С., Рутков С.Б. (2006). «Оценка нервно-мышечных заболеваний с помощью многочастотной электрической импедансной миографии». Мышечный нерв. 34 (5): 595–602. Дои:10.1002 / mus.20626. PMID 16881067. S2CID 22989701.CS1 maint: несколько имен: список авторов (связь)
  19. ^ Tarulli, AW; Подбородок AB; Partida RA; Рутково С.Б. (2006). «Электрический импеданс в скелетных мышцах крупного рогатого скота как модель для изучения неврологических заболеваний». Физиологические измерения. 27 (12): 1269–79. Bibcode:2006ФИМ ... 27.1269Т. Дои:10.1088/0967-3334/27/12/002. PMID 17135699.
  20. ^ Подбородок, AB; Гармириан LP; Nie R; Рутково С.Б. (2008). «Оптимизация измерения электрической анизотропии мышц». Мышцы и нервы. 37 (5): 560–5. Дои:10.1002 / mus.20981. ЧВК 2742672. PMID 18404614.
  21. ^ Огунника, ОТ; Scharfstien M; Cooper RC; Ma H; Доусон JL; Рутково С.Б. (2008). «Портативный электрический зонд для миографии с электрическим импедансом для оценки нервно-мышечных заболеваний». Conf Proc IEEE Eng Med Biol Soc. 2008: 3566–9. Дои:10.1109 / IEMBS.2008.4649976. ISBN 978-1-4244-1814-5. ЧВК 2706091. PMID 19163479.
  22. ^ «Мониторинг мышц». Обзор технологий MIT. Получено 13 января 2016.
  23. ^ "Скульпт Здоровье". Архивировано из оригинал 19 января 2016 г.. Получено 13 января 2016.
  24. ^ «Skulpt - Измерьте процент жира в организме и качество мышц». Череп. Получено 13 января 2016.
  25. ^ Цзя, Ли; Sanchez, B .; Руткове, С. Б. (2014). "Ошибка". Ежегодная международная конференция IEEE Engineering in Medicine and Biology Society. IEEE Engineering in Medicine and Biology Society. Ежегодная международная конференция. 2014: 514–7. Дои:10.1109 / EMBC.2014.6943641. ЧВК 4287983. PMID 25570009.
  26. ^ Rutkove SB, Caress JB, Cartwright MS, Burns TM, Warder J, David WS, Goyal N, Maragakis NJ, Clawson L, Benatar M, Usher S, Sharma KR, Gautam S, Narayanaswami P, Raynor EM, Watson ML, Shefner JM (2012). «Миография электрического импеданса как биомаркер для оценки прогрессирования БАС». Боковой склер амиотрофа. 13 (5): 439–45. Дои:10.3109/17482968.2012.688837. ЧВК 3422377. PMID 22670883.