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

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

Evaluación de la vía aérea superior en sujetos con SAHS mediante análisis del sonido respiratorio durante vigilia

El Síndrome de Apnea-Hipopnea del Sueño (SAHS) actualmente se diagnostica mediante la Polisomnografía (PSG), una prueba cara y costosa. Se han propuesto diversas alternativas para ayudar al cribado previo de SAHS. En estudios previos demostramos que los sujetos con SAHS se pueden identificar a partir de las frecuencias de resonancia (formantes) de la respiración nocturna. En este trabajo se extiende el estudio al sonido respiratorio registrado en vigilia. Se seleccionaron diversos ciclos de inspiración y expiración consecutivas en 23 sujetos con diversos grados de SAHS durante el estado de vigilia previo a la PSG. Mediante un modelo autoregresivo (AR) se estimaron los formantes y el área transversal (CSA) de la vía. Se observa que los formantes en determinadas bandas tienen una frecuencia mayor (p<0.04) en sujetos con SAHS leve-moderado, con un Índice de Apnea-Hipopnea (AHI) menor que 30, respecto a los sujetos con SAHS severo (AHI=30). En paralelo, el área promedio de la vía aérea en las zonas con obstrucción muestra una tendencia decreciente (r=-0.498) con la severidad de la patología. Las características de los formantes, combinadas con medidas antropométricas, permiten clasificar a los sujetos con SAHS severo con una sensibilidad (especificidad) de hasta un 84.6% (88.9%). En conclusión, el sonido respiratorio registrado durante vigilia proporciona información valiosa sobre el estado de la vía aérea superior que puede ayudar a identificar un SAHS severo.Postprint (published version

Assessment of the non-linear response of the fSampEn on simulated EMG signals

© 2021 IEEE. Personal use of this material is permitted. Permission from IEEE must be obtained for all other uses, in any current or future media, including reprinting /republishing this material for advertising or promotional purposes, creating new collective works, for resale or redistribution to servers or lists, or reuse of any copyrighted component of this work in other worksFixed sample entropy (fSampEn) is a promising technique for the analysis of respiratory electromyographic (EMG) signals. Its use has shown outperformance of amplitude-based estimators such as the root mean square (RMS) in the evaluation of respiratory EMG signals with cardiac noise and a high correlation with respiratory signals, allowing changes in respiratory muscle activity to be tracked. However, the relationship between the fSampEn response to a given muscle activation has not been investigated. The aim of this study was to analyze the nature of the fSampEn measurements that are produced as the EMG activity increases linearly. Simulated EMG signals were generated and increased linearly. The effect of the parameters r and the size of the moving window N of the fSampEn were evaluated and compared with those obtained using the RMS. The RMS showed a linear trend throughout the study. A non-linear, sigmoidal-like behavior was found when analyzing the EMG signals using the fSampEn. The lower the values of r, the higher the non-linearity observed in the fSampEn results. Greater moving windows reduced the variation produced by too small values of r.Peer ReviewedPostprint (author's final draft

Noninvasive assessment of inspiratory muscle neuromechanical coupling during inspiratory threshold loading

Diaphragm neuromechanical coupling (NMC), which reflects the efficiency of conversion of neural activation to transdiaphragmatic pressure (Pdi), is increasingly recognized to be a useful clinical index of diaphragm function and respiratory mechanics in neuromuscular weakness and cardiorespiratory disease. However, the current gold standard assessment of diaphragm NMC requires invasive measurements of Pdi and crural diaphragm electromyography (oesEMGdi), which complicates the measurement of diaphragm NMC in clinical practice. This is the first study to compare invasive measurements of diaphragm NMC (iNMC) using the relationship between Pdi and oesEMGdi, with noninvasive assessment of NMC (nNMC) using surface mechanomyography (sMMGlic) and electromyography (sEMGlic) of lower chest wall inspiratory muscles. Both invasive and noninvasive measurements were recorded in twelve healthy adult subjects during an inspiratory threshold loading protocol. A linear relationship between noninvasive sMMGlic and sEMGlic measurements was found, resulting in little change in nNMC with increasing inspiratory load. By contrast, a curvilinear relationship between invasive Pdi and oesEMGdi measurements was observed, such that there was a progressive increase in iNMC with increasing inspiratory threshold load. Progressive recruitment of lower ribcage muscles, serving to enhance the mechanical advantage of the diaphragm, may explain the more linear relationship between sMMGlic and sEMGlic (both representing lower intercostal plus costal diaphragm activity) than between Pdi and crural oesEMGdi. Noninvasive indices of NMC derived from sEMGlic and sMMGlic may prove to be useful indices of lower chest wall inspiratory muscle NMC, particularly in settings that do not have access to invasive measures of diaphragm function.Peer ReviewedPostprint (published version

Evaluación del registro y transmisión de señales electromiográficas mediante un dispositivo inalámbrico

Los dispositivos vestibles son aquellos dispositivos que se incorporan a piezas de ropa u otros accesorios que se puedan llevar cómodamente en el cuerpo. Estos dispositivos funcionan habitualmente mediante la comunicación inalámbrica. Esta comunicación consiste en la transmisión de información entre dos o más puntos que no están conectados mediante un conductor eléctrico. Shimmer es un dispositivo multisensor vestible con unas prestaciones muy altas que lo diferencian de otros dispositivos y que permite de una forma simple la medida de parámetros cinemáticos y fisiológicos que pueden ser capturados y visualizados en tiempo real. Sin embargo, estos dispositivos pueden presentar pérdidas de datos durante la adquisición de señales biomédicas. En este estudio se ha evaluado la pérdida de datos durante la adquisición de señales cinemáticas y fisiológicas. Se han realizado registros electromiográficos de músculos esqueléticos usando las distintas vías de registro y configuraciones que ofrece el dispositivo. Los registros se han realizado en un sujeto sano. Se ha observado que a medida que se incrementa la frecuencia de muestreo y a un mayor número de canales, la cantidad de pérdidas aumenta. En general, a una frecuencia de muestreo de 512 Hz el dispositivo Shimmer es capaz de obtener señales sin pérdidas sin importar la vía de registro utilizada.Postprint (author's final draft

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

Evaluation of a wearable device to determine cardiorespiratory parameters from surface diaphragm electromyography

Using wearable devices in clinical routines could reduce healthcare costs and improve the quality of assessment in patients with chronic respiratory diseases. The purpose of this study is to evaluate the capability of a Shimmer3 wearable device device to extract reliable cardiorespiratory parameters from surface diaphragm electromyography (EMGdi). Twenty healthy volunteers underwent an incremental load respiratory test whilst EMGdi was recorded with a Shimmer3 wearable device (EMGdiW). Simultaneously, a second EMGdi (EMGdiL), the inspiratory mouth pressure (Pmouth) and the lead-I electrocardiogram (ECG) were recorded via a standard wired laboratory acquisition system. Different cardiorespiratory parameters have been extracted from both EMGdiW and EMGdiL signals.: heart rate, respiratory rate, respiratory muscle activity and mean frequency of EMGdi signals. Alongside these, similar parameters were also extracted from reference signals (Pmouth and ECG). High correlations were found between the data extracted from the EMGdiW and the reference signal data: heart rate (R = 0.947), respiratory rate (R = 0.940), respiratory muscle activity (R = 0.877), and mean frequency (R = 0.895). Moreover, similar increments in EMGdiW and EMGdiL activity were observed when Pmouth was raised, enabling the study of respiratory muscle activation. In summary, the Shimmer3 device is a promising and cost-effective solution for ambulatory monitoring of respiratory muscle function in chronic respiratory diseases.Postprint (author's final draft

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