Evaluación no invasiva de la función muscular respiratoria mediante el análisis de la señal mecanomiográfica en pacientes con enfermedad pulmonar obstructiva crónica

El estudio y evaluación de la función muscular respiratoria en enfermedades respiratorias a través de técnicas no invasivas representa un tema de gran interés, dado que hasta la fecha no existen métodos satisfactorios aplicables en situaciones clínicas. En la enfermedad pulmonar obstructiva crónica (EPOC), el trabajo mecánico de los músculos respiratorios aumenta dando lugar a la fatiga, disminución de los movimientos de la caja torácica, y por tanto una disminución de la eficiencia muscular respiratoria. Es conocido que el músculo diafragma, principal responsable de la actividad mecánica respiratoria, al igual que otros músculos esqueléticos vibra lateralmente durante su contracción. De ahí, que estas vibraciones puedan ser registradas mediante micrófonos, sensores piezoeléctricos o acelerómetros posicionados encima de la pared inferior del pecho en la zona de aposición del diafragma con la caja torácica. El registro de estas vibraciones da lugar a la señal mecanomiográfica del diafragma (MMGdi). El principal objetivo de esta tesis ha sido el estudio y caracterización no invasiva de la función muscular respiratoria en pacientes con EPOC a través de la señal MMGdi registrada mediante acelerómetros posicionados entre el séptimo y octavo espacios intercostales, en la línea axilar izquierda y derecha del cuerpo durante la realización de los protocolos respiratorios de carga incremental progresiva y de flujo incremental progresivo. Para mejorar la estimación de la amplitud de la señal MMGdi se han propuesto tres nuevos índices, que tienen en cuenta la naturaleza aleatoria y el ruido asociado en las señales MMGdi, y están basados en: el algoritmo de Lempel-Ziv (LZM), la entropía aproximada (fApEn), y la entropía muestral (fSampEn). Todos ellos son calculados con intervalos de cuantificación fijos y empleando ventanas móviles. Los resultados obtenidos con éstos índices han permitido estimar con mayor fiabilidad y robustez la amplitud de las señales MMGdi, en relación a los métodos clásicos utilizados en el estudio de señales miográficas. El estudio del valor medio de los parámetros analizados ha mostrado, que existe una tendencia incremental de éste en los parámetros de amplitud, y una tendencia decreciente en los parámetros frecuenciales (frecuencias media y máxima), con el incremento de la carga y/o flujo. En este sentido, se ha observado que el valor medio es mayor cuanto mayor es la severidad del paciente con EPOC. Por otra parte, se ha observado que existe una fuerte correlación entre los parámetros de amplitud y la presión inspiratoria máxima en el protocolo de flujo incremental progresivo, con una tendencia decreciente con la severidad. Del mismo modo la eficiencia muscular respiratoria, evaluada como la relación entre la fuerza que producen los músculos respiratorios (la presión inspiratoria en boca) y lo que gastan o necesitan para producir esta presión (la vibración de los músculos respiratorios evaluada mediante las señales MMGdi), ha mostrado en general una tendencia decreciente con el aumento de la severidad. Finalmente, los resultados que se desprenden de esta tesis indican que el estudio de la señal MMGdi representa una herramienta útil con un gran potencial para evaluar el grado de la severidad presente en sujetos con EPOC y su relación con la debilidad de la musculatura respiratoria, y por tanto su aplicación en estudios clínicos podría ser de gran ayuda para evaluar el desarrollo de la EPOC.The study and evaluation of the respiratory muscles function in people who suffer from respiratory diseases can be evaluated through the use of noninvasive techniques. This is a topic of great interest considering there are currently no existing methods that can be successfully applied in clinical situations. In chronic obstructive pulmonary disease (COPD), the mechanical work of the respiratory muscles increases, which could lead to muscular fatigue, decreased movement of the ribcage, and, therefore, a decrease in the respiratory muscle efficiency. The diaphragm muscle is the principal muscle of inspiration and the main mechanical responsible for the ventilation. Similar to other skeletal muscles the diaphragm laterally vibrates during its contraction. These vibrations can be recorded by microphones, piezoelectric sensors or accelerometers, which are placed above the lower chest wall in the area of apposition of the diaphragm to the ribcage. The record of these vibrations is known as mechanomyographic signal of the diaphragm muscle (MMGdi). The main objective of this thesis has been the study and noninvasive characterization of the respiratory muscles function in patients with COPD. This characterization has been made possible through the use of MMGdi signals recorded by accelerometers placed between the seventh and eighth intercostals spaces on the left and right anterior axillary lines of the body during two respiratory protocols. The first protocol is called progressive incremental load protocol and the second one progressive incremental flow protocol. In this thesis three new indices have been proposed to improve the MMGdi amplitude estimation. These indices take into account the random nature and the associated noise in the MMGdi signals, and are based on the: Lempel-Ziv algorithm (MLZ), approximate entropy (fApEn), and sample entropy (fSampEn). All of them are calculated with fixed quantization intervals and using moving windows. The obtained results with these new indices have shown improved reliability and robustness in the MMGdi amplitude estimation in comparison with classic methods used to study myographic signals. The study of the mean value of the analyzed parameters has shown an increasing trend of the amplitude parameters and a decreasing trend of the frequency parameters (mean and maximum frequencies) with increasing load and/or flow. Furthermore, we found that there was a direct relationship between these mean values and the severity of COPD; hence, the greater the mean value, the greater the severity of COPD. Moreover, we have seen that there is a strong correlation between the amplitude parameters and the maximum inspiratory pressure in the progressive incremental flow protocol with a decreasing trend as the severity of the patients increases. Likewise, the respiratory muscle efficiency, evaluated as the ratio between the force produced by the respiratory muscles (mouth inspiratory pressure) and what they need to produce this pressure (the vibration of respiratory muscles assessed by MMGdi signals), has also shown a generally decreasing trend as the severity of patients increases. Finally, the results of this thesis suggest that the study of the MMGdi signal is a useful tool with great potential to assess the relationship between respiratory muscle weakness and the degree of severity in patients with COPD. Therefore, the application of this innovative tool in clinical studies may be helpful to assess the development of COPD

Influence of parameter selection in fixed sample entropy of surface diaphragm electromyography for estimating respiratory activity

Fixed sample entropy (fSampEn) is a robust technique that allows the evaluation of inspiratory effort in diaphragm electromyography (EMGdi) signals, and has potential utility in sleep studies. To appropriately estimate respiratory effort, fSampEn requires the adjustment of several parameters. The aims of the present study were to evaluate the influence of the embedding dimension m, the tolerance value r, the size of the moving window, and the sampling frequency, and to establish recommendations for estimating the respiratory activity when using the fSampEn on surface EMGdi recorded for different inspiratory efforts. Values of m equal to 1 and r ranging from 0.1 to 0.64, and m equal to 2 and r ranging from 0.13 to 0.45, were found to be suitable for evaluating respiratory activity. fSampEn was less affected by window size than classical amplitude parameters. Finally, variations in sampling frequency could influence fSampEn results. In conclusion, the findings suggest the potential utility of fSampEn for estimating muscle respiratory effort in further sleep studies.Peer ReviewedPostprint (published version

Surface mechanomyography and electromyography provide non-invasive indices of inspiratory muscle force and activation in healthy subjects

The current gold standard assessment of human inspiratory muscle function involves using invasive measures of transdiaphragmatic pressure (Pdi) or crural diaphragm electromyography (oesEMGdi). Mechanomyography is a non-invasive measure of muscle vibration associated with muscle contraction. Surface electromyogram and mechanomyogram, recorded transcutaneously using sensors placed over the lower intercostal spaces (sEMGlic and sMMGlic respectively), have been proposed to provide non-invasive indices of inspiratory muscle activation, but have not been directly compared to gold standard Pdi and oesEMGdi measures during voluntary respiratory manoeuvres. To validate the non-invasive techniques, the relationships between Pdi and sMMGlic, and between oesEMGdi and sEMGlic were measured simultaneously in 12 healthy subjects during an incremental inspiratory threshold loading protocol. Myographic signals were analysed using fixed sample entropy (fSampEn), which is less influenced by cardiac artefacts than conventional root mean square. Strong correlations were observed between: mean Pdi and mean fSampEn |sMMGlic| (left, 0.76; right, 0.81), the time-integrals of the Pdi and fSampEn |sMMGlic| (left, 0.78; right, 0.83), and mean fSampEn oesEMGdi and mean fSampEn sEMGlic (left, 0.84; right, 0.83). These findings suggest that sMMGlic and sEMGlic could provide useful non-invasive alternatives to Pdi and oesEMGdi for the assessment of inspiratory muscle function in health and disease.Peer ReviewedPostprint (published version

Reducción de interferencia cardíaca en señales MMG diafragmáticas de un protocolo de carga incremental sostenida mediante filtrado adaptativo RLS

En este trabajo se aplicó el filtrado adaptativo empleando el algoritmo RLS para reducir la interferencia de origen cardíaco en las señales mecanomiográficas diafragmáticas (MMGdi) registradas durante un protocolo de carga incremental sostenida. La señal MMGdi fue dividida en tramos con y sin ruido cardíaco, CRC y SRC, respectivamente. En cada tramo se estudio el comportamiento de la densidad espectral de potencia (DEP), y los parámetros de amplitud RMS y ARV para cada una de las cargas inspiratorias que conforman el test. Los resultados obtenidos, empleando filtro adaptativo de orden =50, con el algoritmo RLS y valores de - = 1, permiten reducir considerablemente la interferencia cardíaca en las señales MMGdi.Postprint (published version

Evaluación de diferentes algoritmos adaptativos para la atenuación de la interferencia cardiaca en señales mecanomiográficas simuladas

El estudio de la señal mecanomiográfica del músculo diafragma (MMGdi) es una técnica utilizada para evaluar el esfuerzo muscular respiratorio. El estudio de la relación entre los parámetros de amplitud y frecuencia de esta señal con el esfuerzo respiratorio realizado es de gran interés para investigadores y médicos debido a su potencial de diagnóstico sobre la función muscular respiratoria. Las señales MMGdi se ven afectas por una componente interferente correspondiente a la actividad vibratoria cardíaca o interferencia mecanocardiográfica (MCG). Para reducir o atenuar esta actividad se puede utilizar una cancelación adaptativa de interferencias (CAI). En este trabajo se ha evaluado el esquema de CAI propuesto mediante una señal MMGdi sintética generada con amplitud y frecuencia controlada a la que se le ha añadido ruido MCG real adquirido durante apnea. El coeficiente de correlación de Pearson (r) entre la amplitud y la frecuencia teóricas, y la amplitud y la frecuencia evaluadas mediante el RMS y la frecuencia media del espectro, respectivamente, disminuye considerablemente cuando se añade el ruido cardíaco a la señal MMGdi sintética: pasa de 0.95 a 0.87 para la amplitud, y de 0.97 a 0.76 para la frecuencia. Con los algoritmos de CAI propuestos el efecto del ruido MCG sobre la actividad MMGdi se reduce considerablemente (r de 0.93 para la amplitud y 0.97 para la frecuencia media). El método de CAI propuesto en este trabajo es una técnica adecuada para atenuar la interferencia MCG en señales MMGdi.Postprint (published version

Relación entre la presión inspiratoria pico y la activación mecánica de los músculos inspiratorios durante respiración tranquila en pacientes con EPOC

En la enfermedad pulmonar obstructiva crónica (EPOC) la fuerza muscular inspiratoria (FMI) y la eficiencia mecánica de los músculos inspiratorios (EMMI) podrían verse reducidas como consecuencia de la hiperinsuflación. En este trabajo se registraron la presión inspiratoria en boca (PIpico) y la activación mecánica de los músculos inspiratorios en 10 pacientes EPOC severos y muy severos, durante respiración tranquila. Para determinar la activación mecánica de los músculos inspiratorios se empleó la señal mecanomiográfica diafragmática: MMGdi. La amplitud de la señal MMGdi fue estimada a través de índices lineales (ARV: valor rectificado medio) y no lineales (MLZ: Lempel-Ziv multiestado, y fSampEn: entropía muestral con valores de tolerancia fijos). Nuestra hipótesis es que el ratio entre PIpico, que refleja la FMI, y la amplitud de la señal MMGdi constituye una expresión de la EMMI. Los resultados obtenidos muestran ligeras diferencias entre la PIpico registrada en EPOC severos y muy severos, así como una correlación débil a moderada con los parámetros de función pulmonar y los índices estudiados. Sin embargo, mientras mayor es el grado de severidad (que supone un mayor grado de hiperinsuflación) mayor es el nivel de activación mecánica de los músculos inspiratorios. La activación mecánica de los músculos inspiratorios y la EMMI estimadas mediante MLZ estuvieron mejor correlacionadas con la función pulmonar que ARV y fSampEn. Por consiguiente, la estimación de la actividad mecánica del diafragma mediante el MLZ de la señal MMGdi podría mejorar la estimación no invasiva de la FMI y la EMMI, incluso para niveles muy bajos de esfuerzo inspiratorio.Peer ReviewedPostprint (author’s final draft

Entropía aproximada móvil con valores de tolerancia fijos como medida de las variaciones de amplitud en señales biomédicas

En este trabajo se presenta un nuevo método para cuantificar las variaciones de amplitud en señales biomédicas empleando la entropía aproximada (ApEn) en ventanas móviles y con valores de tolerancia (r) fijos. Los valores límites de r se corresponden con el máximo y mínimo de la desviación estándar obtenida en todas las ventanas móviles. A esta nueva métrica se le ha denominado ApEnf: entropía aproxima con valores de r fijos. ApEnf se aplicó en señales mecanomiográficas (MMG) diafragmáticas registradas en perros, para valores de r entre 0.01 y 0.4. Los resultados obtenidos indican que al aumentar el valor de r (hasta un cierto valor) las variaciones de amplitud son mejor definidas (señales menos ruidosas), aumentando así la correlación con la señal de presión inspiratoria. Además, en presencia de ruidos de tipo impulsional, sinusoidal y gaussiano, ApEnf para valores de r medios es menos afectado que el RMS.Postprint (author’s final draft

Evaluación de la actividad de los músculos inspiratorios mediante señales mecanomiográficas en pacientes con EPOC durante un protocolo de carga incremental

El estudio de señales mecanomiográficas (MMG) de músculos respiratorios es una técnica prometedora para evaluar el esfuerzo muscular respiratorio. En este trabajo se han analizado las señales MMG del músculo diafragma derecho e izquierdo registradas en pacientes con Enfermedad Pulmonar Obstructiva Crónica (EPOC) durante un protocolo de carga incremental. La población de estudio está compuesta por un grupo de 6 pacientes con EPOC severa (FEV1>50% ref and DLCO<50% ref). Se ha obtenido una alta correlación positiva entre la presión inspiratoria máxima (PImax) desarrollada y diferentes parámetros de amplitud de las señales MMG izquierda y derecha (RMS, izquierda: 0.68±0.11 – derecha: 0.69±0.12; entropía de Rényi, izquierda: 0.73±0.10 – derecha: 0.77±0.08; Lempel-Ziv Multiestado, izquierda: 0.73±0.17 – derecha: 0.74±0.08), y una correlación negativa entre la PImax y la frecuencia máxima de la señal MMG (izquierda: -0.39±0.19 – derecha: -0.65±0.09). Además hemos encontrado que la pendiente de la evolución con el incremento de carga de los parámetros de amplitud de la señal MMG, tiene una correlación positiva con el parámetro funcional respiratorio %FEV1/FVC de los 6 pacientes EPOC analizados (RMS, izquierda: 0.38 – derecha: 0.41; entropía de Rényi, izquierda: 0.45 – derecha: 0.63; Lempel-Ziv Multiestado, izquierda: 0.39 – derecha: 0.64). Estos resultados sugieren que la información proporcionada por las señales MMG podría ser utilizada para evaluar el esfuerzo respiratorio y la eficiencia muscular en pacientes EPOC.Postprint (published version

Assessment of inspiratory muscle activation using surface diaphragm mechanomyography and crural diaphragm electromyography

The relationship between surface diaphragm mechanomyography (sMMGdi), as a noninvasive measure of inspiratory muscle mechanical activation, and crural diaphragm electromyography (oesEMGdi), as the invasive gold standard measure of diaphragm electrical activation, had not previously been examined. To investigate this relationship, oesEMGdi and sMMGdi were measured simultaneously in 6 healthy subjects during an incremental inspiratory threshold loading protocol, and analyzed using fixed sample entropy (fSampEn). A positive curvilinear relationship was observed between mean fSampEn sMMGdi and oesEMGdi (r = 0.67). Accordingly, an increasing electromechanical ratio was also observed with increasing inspiratory load. These findings suggest that sMMGdi could provide useful noninvasive measures of inspiratory muscle mechanical activation.Peer ReviewedPostprint (published version

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