Elektriksel empedans miyografisi - Electrical impedance myography

Elektriksel empedans miyografisi
Amaçkas sağlığının değerlendirilmesi (invazif olmayan)

Elektriksel empedans miyografisiveya EIM, kas sağlığının değerlendirilmesine yönelik non-invaziv bir tekniktir ve kasın ölçülmesine dayanır. elektriksel empedans bireysel kasların veya kas gruplarının özellikleri. Teknik değerlendirme amacıyla kullanılmıştır. nöromüsküler hastalıklar hem tanıları için hem de ilerlemenin devam eden değerlendirmeleri için veya terapötik müdahale ile. Hastalıkla birlikte kas bileşimi ve mikroskobik yapı değişir ve EIM, hastalık patolojisinin bir sonucu olarak ortaya çıkan empedanstaki değişiklikleri ölçer.[1][2] EIM, özellikle potansiyelinin bir ALS Biomarker (biyolojik korelasyon veya vekil son nokta olarak da bilinir), 501 (c) (3) adlı kâr amacı gütmeyen bir kuruluş olan, ALS için tedavilerin ve tedavilerin keşfini hızlandırmaya adanmış bir 501 (c) (3) kuruluşu. 1M $ 'lık ALS Biomarker Challenge, Faz II ilaç denemelerini yarıya indirmek için yeterince hassas ve güvenilir bir biyobelirteç belirlemeye odaklandı.[3] Ödül, Beth Israel Deaconess Tıp Merkezi Nöroloji Bölümü Nöromüsküler Hastalıklar Bölümü şefi ve Harvard Tıp Fakültesi Nöroloji Profesörü, EIM tekniğini ve özel uygulamasını geliştirme çalışmaları nedeniyle Dr.Seward Rutkove'ye verildi. ALS'ye. Biyobelirteç olarak EIM'in, ALS için yeni tedavilerin daha hızlı ve verimli bir şekilde tanımlanmasını sağlayacağı umulmaktadır. EIM, aşağıdakiler de dahil olmak üzere çeşitli nöromüsküler koşullarda hastalık durumuna duyarlılık göstermiştir. radikülopati,[4] enflamatuar miyopati,[5] Duchenne kas distrofisi,[6] ve omuriliğe bağlı kas atrofisi.[7]

Nöromüsküler hastalık değerlendirmesine ek olarak, EIM ayrıca kas durumunun uygun ve hassas bir ölçümü olarak hizmet etme olasılığına sahiptir. Yaşlanan popülasyonlarda çalışın[8] ve ortopedik yaralanmaları olan kişiler[9] EIM'in kas atrofisine ve kullanılmamasına çok duyarlı olduğunu ve tersine muhtemelen kas kondisyonlanmasına ve hipertrofiye duyarlı olduğunu belirtir.[10] Son Uzay Mekiği görevindeki fareler de dahil olmak üzere fare ve sıçan modelleri üzerinde çalışın (STS-135 ),[11] bu potansiyel değerin doğrulanmasına yardımcı oldu.

Temel kavramlar

Elektriksel empedansa olan ilgi, fizyolog Louis Lapicque'in sinir hücrelerinin zarlarını modellemek için temel bir devre önermesi 20. yüzyılın başlarına kadar uzanıyor. Bilim adamları, bu modelin varyasyonlarını 1940'a kadar denedi. Kenneth Cole Hem hücre zarlarının hem de hücre içi sıvının empedans özelliklerini açıklayan bir devre modeli geliştirdi.[12]

Tüm empedans temelli yöntemler gibi, EIM, basitleştirilmiş bir kas dokusu modeline dayanır. RC devresi. Bu model, devrenin dirençli bileşenini hücre dışı ve hücre içi sıvıların direncine ve reaktif bileşeni hücre zarlarının kapasitif etkilerine bağlar.[13] Bireysel hücre zarlarının bütünlüğü, dokunun empedansı üzerinde önemli bir etkiye sahiptir; bu nedenle, bir kasın empedansı, hastalığın ilerlemesinde dokunun bozulmasını ölçmek için kullanılabilir. Nöromüsküler hastalıkta, kas lifi başta olmak üzere çeşitli faktörler, kasın kompozisyon ve mikro yapısal yönlerini etkileyebilir. atrofi ve diğer birçok patolojinin yanı sıra düzensizlik, kas distrofisinde meydana geldiği gibi yağ ve bağ dokularının birikmesi ve iltihabın varlığı. EIM, bir bütün olarak dokudaki bu değişiklikleri, empedans özelliklerini birden çok frekansta ve ana kas lifi yönüne göre birden çok açıda ölçerek yakalar.[2]

EIM'de empedans, direnç ve reaktans, gerçek ve hayali bileşenleri. Buradan, bir sinüzoidin kastan geçerken geçirdiği zaman değişimini temsil eden kas fazı hesaplanabilir.[13] Belirli bir direnç (R) ve reaktans (X) için faz (θ) hesaplanabilir. Mevcut çalışmada, üç parametrenin de tam olarak hangi hastalıkların çalışıldığına ve teknolojinin nasıl uygulandığına bağlı olarak önemli roller oynadığı görülmektedir.[1]

EIM ayrıca bir kas bölgesini örten deri ve deri altı yağ kalınlığından da etkilenebilir.[14] Bununla birlikte, etkiyi büyük ölçüde engelleyebilen ve böylece yine de birincil kas verilerini sağlayan elektrot tasarımları oluşturulabilir.[15] Dahası, çok frekanslı ölçümlerin kullanılması, yağın etkilerini kas etkilerinden ayırma sürecine de yardımcı olabilir.[16] Bu bilgilerden, belirli bir bölgedeki bir kası örten yaklaşık yağ miktarını çıkarmak / hesaplamak da mümkün hale gelir.

Çok frekanslı ölçümler

Hem direnç hem de reaktans, sinyalin giriş frekansına bağlıdır. Frekanstaki değişiklikler, direnç (sıvı) ve reaktansın (membran) göreceli katkılarını empedansa kaydırdığından, çok frekanslı EIM, hastalığın daha kapsamlı bir değerlendirmesine izin verebilir.[17] Direnç, reaktans veya faz, sağlıklı ve hastalıklı gruplar arasındaki frekans bağımlılığındaki farklılıkları göstermek için frekansın bir fonksiyonu olarak çizilebilir. Hastalıklı kas, artan frekansta reaktans ve fazda artış sergilerken, sağlıklı kasın reaktans ve faz değerleri frekansla 50-100 kHz'e kadar artar ve bu noktada frekansın bir fonksiyonu olarak azalmaya başlar.[18] Belirli bir kas için frekans spektrumunu belirlemek için 500 Hz ila 2 MHz arasında değişen frekanslar kullanılır.

Kas anizotropisi

Kas dokusunun elektriksel empedansı anizotropik; kas liflerine paralel akan akım, lifler boyunca ortogonal olarak akan akımdan farklı şekilde akar.[19] Bir kasta ortogonal olarak akan akım, daha fazla hücre zarı ile karşılaşır ve böylece direnç, reaktans ve faz değerlerini artırır. Kas liflerine göre farklı açılarda ölçümler alarak, belirli bir kasın anizotropisini belirlemek için EIM kullanılabilir. Anizotropi, bir grafik çizme direnci, reaktans veya faz olarak kas liflerinin yönüne göre açının bir fonksiyonu olarak veya enine (liflere dik) ölçümün boyuna ölçüme oranı (kas liflerine paralel) olarak gösterilme eğilimindedir. belirli bir empedans faktörünün.[20]

Kas anizotropisi de nöromüsküler hastalıkla birlikte değişir. EIM, nöromüsküler hastalık hastalarının ve sağlıklı kontrollerin anizotropi profilleri arasında bir fark olduğunu göstermiştir. Ek olarak, EIM miyopatik ve nörojenik hastalığı ayırt etmek için anizotropi kullanabilir.[2] Farklı nöromüsküler hastalık formlarının benzersiz anizotropileri vardır. Miyopatik hastalık azalmış anizotropi ile karakterizedir. Nörojenik hastalık daha az tahmin edilebilir bir anizotropi üretir. En düşük fazın açısı paralel konumdan kaydırılabilir ve bir bütün olarak anizotropi, genellikle sağlıklı bir kontrolden daha büyüktür.

Ölçüm yaklaşımları

Genel olarak, tekniği uygulamak için en az dört yüzey elektrodu ilgilenilen kasın üzerine yerleştirilir. Bir dakika alternatif akım dıştaki iki elektrot boyunca uygulanır ve voltaj sinyalleri iç elektrotlar tarafından kaydedilir. Uygulanan akımın frekansı ve elektrot dizisinin ana kas lifi yönü ile olan ilişkisi, kasın tam bir çok frekanslı ve çok yönlü değerlendirmesinin elde edilebilmesi için çeşitlidir.[5]

EIM, bir dizi farklı empedans analiz cihazı ile gerçekleştirilmiştir. Ticari olarak mevcut sistemler için kullanılan biyoimpedans analizi, bireysel kasların empedansını ölçmek için kalibre edilebilir. Uygun bir empedans analizörü, sinyali üretmek için bir kilitli amplifikatör ve yüzey elektrotlarından voltajları kaydetmek için Tektronix P6243 gibi bir düşük kapasitanslı prob kullanılarak özel olarak oluşturulabilir.[2]

Bununla birlikte, bu tür yöntemler, ilgili bir kas üzerinde dikkatli elektrot konumlandırma ihtiyacı ve elektrotların yanlış hizalanması ve yanlışlık potansiyeli göz önüne alındığında, uygulanması yavaş ve beceriksizdir. Buna göre, doğrudan hastanın üzerine yerleştirilebilen bir elektrot kafasına sahip çok sayıda bileşen kullanılarak bir başlangıç ​​elde tutulan sistem oluşturuldu.[21] Cihaz, isteğe bağlı yönelimlerde empedans ölçümleri gerçekleştirmek için seçilerek etkinleştirilebilen bir dizi elektrot plakasına sahipti.[22] Osiloskoplar, bir Hızlı Fourier dönüşümü yoluyla aynı anda birden fazla frekansta empedansı ölçmek için kullanılabilen bileşik bir sinüzoid sinyal üretecek şekilde programlandı.

Bu ilk sistem oluşturulduğundan beri, diğer el tipi ticari sistemler geliştirilmektedir, örneğin Skulpt, hem nöromüsküler hastalık değerlendirmesinde kullanılmak üzere[23] ve bir kas kalitesi (veya MQ) değerinin hesaplanması dahil olmak üzere fitness izleme için.[24] Bu son değer, belirli bir kesit alanı doku için kasın göreceli kuvvet üretme kapasitesinin yaklaşık bir değerlendirmesini sağlamayı amaçlamaktadır. Örneğin kas kalitesi, değerlendirmede kullanılan bir ölçüdür. sarkopeni.

Standart biyoelektrik empedans analizi ile karşılaştırma

Standart biyoelektrik empedans analizi (BIA), EIM gibi, insan vücudunun özelliklerini ölçmek için zayıf, yüksek frekanslı bir elektrik akımı kullanır. Standart BIA'da EIM'den farklı olarak el ve ayaklara yerleştirilen elektrotlar arasından elektrik akımı geçirilir ve tüm akım yolunun empedans özellikleri ölçülür. Bu nedenle, ölçülen empedans özellikleri, ekstremitelerin tüm uzunluğu, göğüs, karın ve pelvis dahil olmak üzere vücudun çoğunu kapsadıkları için nispeten spesifik değildir; buna göre, sadece yağsız vücut kütlesi ve yağ yüzdesinin tüm vücut ölçümlerinin özeti sunulabilir. Dahası, BIA'da akım en az dirençli yolda ilerler ve bu nedenle mevcut yolu değiştiren herhangi bir faktör verilerde değişkenliğe neden olur. Örneğin, hidrasyonun artmasıyla büyük damarların (örn. Damarlar) genişlemesi, düşük dirençli bir yol sunacak ve böylece ortaya çıkan verileri bozacaktır. Ek olarak, abdominal içerikteki değişiklikler verileri benzer şekilde değiştirecektir. Vücut pozisyonu, verilerdeki değişikliklere katkıda bulunan eklem pozisyonuyla birlikte önemli etkilere de sahip olabilir. EIM, aksine, tek tek kasların sadece yüzeysel yönlerini ölçer ve göreceli olarak vücut veya uzuv pozisyonu veya hidrasyon durumundan etkilenmez.[25] EIM ve standart BIA arasındaki farklar, amiyotrofik lateral sklerozda (ALS) yapılan bir çalışmada EIM'in 60 ALS hastasında ilerlemeyi etkili bir şekilde izleyebildiğini, BIA'nın ise olmadığını gösteren bir çalışmada örneklenmiştir.[26]

Referanslar

  1. ^ a b Rutkove, Seward (2009). "Elektriksel empedans miyografisi: Arka plan, mevcut durum ve gelecekteki talimatlar". Kas Siniri. 40 (6): 936–946. doi:10.1002 / mus.21362. PMC  2824130. PMID  19768754.
  2. ^ a b c d Garmirian, LP; Chin AB; Rutkove SB (2008). "Kas anizotropisinin ölçülmesiyle nörojenik ile miyopatik hastalıkların ayrımı". Kas ve Sinir. 39 (1): 16–24. doi:10.1002 / mus.21115. PMC  2719295. PMID  19058193.
  3. ^ "Prize4Life - Prize Model - Biomarker Prize". Alındı 13 Ocak 2016.
  4. ^ Rutkove SB, Esper GJ, Lee KS, Aaron R, Shiffman CA (2005). Radikülopatinin saptanmasında "Elektriksel empedans miyografisi". Kas ve Sinir. 32 (3): 335–41. doi:10.1002 / mus.20377. PMID  15948202. S2CID  37562321.
  5. ^ a b Tarulli, AW; Esper GJ; Pırasa; Aaron R; Shiffman CA; Rutkove SB (2005). "Enflamatuar miyopatinin yatak başı değerlendirmesinde elektriksel empedans miyografisi". Nöroloji. 65 (3): 451–2. doi:10.1212 / 01.wnl.0000172338.95064.cb. PMID  16087913. S2CID  19732371.
  6. ^ Rutkove SB, Geisbush TR, Mijailovic A, Shklyar I, Pasternak A, Visyak N, Wu JS, Zaidman C, Darras BT (Tem 2014). "Bir klinik deney ortamında Duchenne kas distrofisinin değerlendirilmesi için elektriksel empedans miyografisinin ve kantitatif ultrasonun kesitsel değerlendirmesi". Pediatr Neurol. 51 (1): 88–92. doi:10.1016 / j.pediatrneurol.2014.02.015. PMC  4063877. PMID  24814059.
  7. ^ Rutkove SB, Gregas MC, Darras BT (Mayıs 2012). "Spinal musküler atrofide elektriksel empedans miyografisi: boylamsal bir çalışma". Kas Siniri. 45 (5): 642–7. doi:10.1002 / mus.23233. PMID  22499089. S2CID  2615976.
  8. ^ Kortman HG, Wilder SC, Geisbush TR, Narayanaswami P, Rutkove SB (2013). "İskelet kasının elektriksel empedans değerlerinde yaş ve cinsiyetle ilişkili farklılıklar". Physiol Meas. 34 (12): 1611–22. Bibcode:2013PhyM ... 34.1611K. doi:10.1088/0967-3334/34/12/1611. PMC  3895401. PMID  24165434.
  9. ^ Tarulli AW, Duggal N, Esper GJ, Garmirian LP, Fogerson PM, Lin CH, Rutkove SB (Ekim 2009). "Kullanılmama atrofisinin değerlendirilmesinde elektriksel empedans miyografisi". Arch Phys Med Rehabil. 90 (10): 1806–10. doi:10.1016 / j.apmr.2009.04.007. PMC  2829834. PMID  19801075.
  10. ^ Lungu C, Tarulli AW, Tarsy D, Mongiovi P, Vanderhorst VG, Rutkove SB (2011). "Servikal Distonide Kas Asimetrilerinin Elektriksel Empedans ile Ölçülmesi: Bir Ön Değerlendirme". Clin Neurophysiol. 122 (5): 1027–31. doi:10.1016 / j.clinph.2010.09.013. PMC  3044213. PMID  20943436.
  11. ^ Sung M, Li J, Spieker AJ, Spatz J, Ellman R, Ferguson VL, Bateman TA, Rosen GD, Bouxsein M, Rutkove SB (Aralık 2013). "Uzay uçuşu ve arka bacak boşaltma, fare gastroknemius kasının elektriksel empedans özelliklerinde benzer değişikliklere neden olur". J Musculoskelet Nöronal Etkileşim. 13 (4): 405–11. PMC  4653813. PMID  24292610.
  12. ^ McAdams, ET; Jossinet J (1995). "Doku empedansı: tarihsel bir bakış". Fizyolojik Ölçüm. 16 (3 Ek A): A1 – A13. doi:10.1088 / 0967-3334 / 16 / 3A / 001. PMID  8528108.
  13. ^ a b Rutkove, SB; Aaron R; Shiffman CA (2002). "Nöromüsküler hastalıkların değerlendirilmesinde lokalize biyoempedans analizi". Kas ve Sinir. 25 (3): 390–7. doi:10.1002 / mus.10048. PMID  11870716. S2CID  26960323.
  14. ^ Sung M, Spieker AJ, Narayanaswami P, Rutkove SB (2013). "Elde tutulan bir elektrot dizisi kullanılırken deri altı yağın elektriksel empedans miyografisi üzerindeki etkisi: reaktans ölçümü için durum". Clin Neurophysiol. 124 (2): 400–4. doi:10.1016 / j.clinph.2012.07.013. PMC  3543755. PMID  22917581.
  15. ^ Jafarpoor M, Li J, Beyaz JK, Rutkove SB (2013). "Sonlu Elemanlar Yöntemi ile Kasın Elektriksel Empedans Ölçümleri için Elektrot Yapılandırmasının Optimize Edilmesi" (PDF). IEEE Trans Biomed Müh. 60 (5): 1446–52. doi:10.1109 / TBME.2012.2237030. PMC  3984469. PMID  23314763.
  16. ^ "DEFINE_ME_WA". Alındı 13 Ocak 2016.
  17. ^ Shiffman, CA; Kashuri H; Aaron R (2008). "2 MHz'e kadar frekanslarda elektriksel empedans miyografisi". Fizyolojik Ölçüm. 29 (6): S345–63. Bibcode:2008PhyM ... 29S.345S. doi:10.1088 / 0967-3334 / 29/6 / S29. PMID  18544820.
  18. ^ Esper GJ, Shiffman CA, Aaron R, Lee KS, Rutkove SB (2006). "Çok frekanslı elektriksel empedans miyografi ile nöromüsküler hastalığı değerlendirme". Kas Siniri. 34 (5): 595–602. doi:10.1002 / mus.20626. PMID  16881067. S2CID  22989701.CS1 bakimi: birden çok ad: yazarlar listesi (bağlantı)
  19. ^ Tarulli, AW; Chin AB; Partida RA; Rutkove SB (2006). "Nörolojik hastalık çalışması için bir model olarak sığır iskelet kasında elektriksel empedans". Fizyolojik Ölçüm. 27 (12): 1269–79. Bibcode:2006PhyM ... 27.1269T. doi:10.1088/0967-3334/27/12/002. PMID  17135699.
  20. ^ Chin, AB; Garmirian LP; Nie R; Rutkove SB (2008). "Kasın elektriksel anizotropisinin ölçümünü optimize etme". Kas ve Sinir. 37 (5): 560–5. doi:10.1002 / mus.20981. PMC  2742672. PMID  18404614.
  21. ^ Ogunnika, OT; Scharfstien M; Cooper RC; Ma H; Dawson JL; Rutkove SB (2008). "Nöromüsküler Hastalığın Değerlendirilmesi için Elde Taşınabilir Bir Elektrik Empedans Miyografi Sondası". Conf Proc IEEE Eng Med Biol Soc. 2008: 3566–9. doi:10.1109 / IEMBS.2008.4649976. ISBN  978-1-4244-1814-5. PMC  2706091. PMID  19163479.
  22. ^ "Kası İzleme". MIT Technology Review. Alındı 13 Ocak 2016.
  23. ^ "Skulpt Health". Arşivlenen orijinal 19 Ocak 2016. Alındı 13 Ocak 2016.
  24. ^ "Skulpt - Vücut Yağ Yüzdesini ve Kas Kalitesini Ölçün". SKULPT. Alındı 13 Ocak 2016.
  25. ^ Jia, Li; Sanchez, B .; Rutkove, S.B. (2014). "Hata". IEEE Engineering in Medicine and Biology Society'nin Yıllık Uluslararası Konferansı. IEEE Engineering in Medicine and Biology Society. Yıllık Uluslararası Konferans. 2014: 514–7. doi:10.1109 / EMBC.2014.6943641. PMC  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). "ALS ilerlemesini değerlendirmek için bir biyolojik belirteç olarak elektriksel empedans miyografisi". Amyotroph Lateral Scler. 13 (5): 439–45. doi:10.3109/17482968.2012.688837. PMC  3422377. PMID  22670883.