Elektrisk impedans myografi
Elektrisk impedans myografi | |
---|---|
Syfte | bedömning av muskelhälsa (icke invasiv) |
Elektrisk impedansmyografi , eller EIM , är en icke-invasiv teknik för bedömning av muskelhälsa som är baserad på mätning av de elektriska impedansegenskaperna för enskilda muskler eller muskelgrupper. Tekniken har använts i syfte att utvärdera neuromuskulära sjukdomar både för deras diagnos och för deras pågående bedömning av progression eller med terapeutisk intervention. Muskelsammansättning och mikroskopisk struktur förändras med sjukdomen, och EIM mäter förändringar i impedans som uppstår som ett resultat av sjukdomspatologi. EIM har erkänts specifikt för sin potential som en ALS- biomarkör (även känd som en biologisk korrelat eller surrogatslutpunkt) av Prize4Life, en ideell organisation enligt 501(c)(3) som är dedikerad till att påskynda upptäckten av behandlingar och botemedel mot ALS. $1M ALS Biomarker Challenge fokuserade på att identifiera en biomarkör som är tillräckligt exakt och tillförlitlig för att halvera fas II-läkemedelsprövningarna. Priset tilldelades Dr Seward Rutkove, chef, avdelningen för neuromuskulära sjukdomar, vid avdelningen för neurologi vid Beth Israel Deaconess Medical Center och professor i neurologi vid Harvard Medical School, för hans arbete med att utveckla tekniken för EIM och dess specifika tillämpning till ALS. Förhoppningen är att EIM som biomarkör ska resultera i en snabbare och effektivare identifiering av nya behandlingar för ALS. EIM har visat känslighet för sjukdomsstatus i en mängd olika neuromuskulära tillstånd, inklusive radikulopati , inflammatorisk myopati , Duchennes muskeldystrofi och spinal muskelatrofi .
Utöver bedömningen av neuromuskulär sjukdom har EIM även utsikter att fungera som ett bekvämt och känsligt mått på muskeltillstånd. Arbete med åldrande befolkningar och individer med ortopediska skador indikerar att EIM är mycket känsligt för muskelatrofi och obruk och är omvänt sannolikt känsligt för muskelkonditionering och hypertrofi. Arbete med mus- och råttormodeller, inklusive en studie av möss ombord på det slutliga rymdfärjeuppdraget ( STS-135 ), har bidragit till att bekräfta detta potentiella värde.
Underliggande begrepp
Intresset för elektrisk impedans går tillbaka till början av 1900-talet, då fysiologen Louis Lapicque postulerade en elementär krets för att modellera membran av nervceller. Forskare experimenterade med variationer på denna modell fram till 1940, när Kenneth Cole utvecklade en kretsmodell som stod för impedansegenskaperna hos både cellmembran och intracellulär vätska.
Som alla impedansbaserade metoder bygger EIM på en förenklad modell av muskelvävnad som en RC-krets . Denna modell tillskriver den resistiva komponenten i kretsen till motståndet hos extracellulära och intracellulära vätskor, och den reaktiva komponenten till de kapacitiva effekterna av cellmembran. Integriteten hos individuella cellmembran har en betydande effekt på vävnadens impedans; därför kan en muskels impedans användas för att mäta vävnadens nedbrytning i sjukdomsprogression. Vid neuromuskulär sjukdom kan en mängd olika faktorer påverka de sammansättningsmässiga och mikrostrukturella aspekterna av muskler, inklusive framför allt muskelfiberatrofi och desorganisering, avlagring av fett och bindväv, som förekommer vid muskeldystrofi, och förekomsten av inflammation, bland många andra patologier. EIM fångar dessa förändringar i vävnaden som helhet genom att mäta dess impedansegenskaper över flera frekvenser och i flera vinklar i förhållande till muskelfiberns huvudriktning.
I EIM delas impedansen upp i resistans och reaktans , dess verkliga och imaginära komponenter. Utifrån detta kan man beräkna muskelns fas, som representerar den tidsförskjutning som en sinusoid genomgår när den passerar genom muskeln. För en given resistans (R) och reaktans (X) kan fasen (θ) beräknas. I pågående arbete verkar alla tre parametrarna spela viktiga roller beroende exakt på vilka sjukdomar som studeras och hur tekniken tillämpas.
EIM kan också påverkas av tjockleken på huden och subkutant fett som ligger över en muskelregion. Däremot kan elektroddesigner skapas som kan kringgå effekten i stor utsträckning och därmed fortfarande ge primär muskeldata. Dessutom kan användningen av multifrekvensmätningar också hjälpa till med denna process att lösa upp effekterna av fett från effekterna av muskler. Från denna information blir det också möjligt att sluta sig till/beräkna den ungefärliga mängden fett som ligger över en muskel i en given region.
Multifrekvensmätningar
Både resistans och reaktans beror på signalens ingångsfrekvens. Eftersom förändringar i frekvens förskjuter de relativa bidragen av resistans (vätska) och reaktans (membran) till impedans, kan multifrekvens EIM möjliggöra en mer omfattande bedömning av sjukdomen. Resistens, reaktans eller fas kan plottas som en funktion av frekvens för att visa skillnaderna i frekvensberoende mellan friska och sjuka grupper. Sjuka muskler uppvisar en ökning i reaktans och fas med ökande frekvens, medan reaktans- och fasvärden för friska muskler ökar med frekvensen till 50–100 kHz, då de börjar minska som en funktion av frekvensen. Frekvenser från 500 Hz till 2 MHz används för att bestämma frekvensspektrumet för en given muskel.
Muskelanisotropi
Elektrisk impedans för muskelvävnad är anisotropisk ; ström som flyter parallellt med muskelfibrer flyter annorlunda än ström som flyter ortogonalt över fibrerna. Ström som flyter ortogonalt över en muskel möter fler cellmembran, vilket ökar motstånds-, reaktans- och fasvärdena. Genom att göra mätningar i olika vinklar med avseende på muskelfibrer kan EIM användas för att bestämma anisotropin för en given muskel. Anisotropi tenderar att visas antingen som ett diagram som plottar motstånd, reaktans eller fas som en funktion av vinkeln i förhållande till muskelfibrernas riktning eller som ett förhållande mellan tvärgående (vinkelrät mot fibrer) mätning och longitudinell mätning (parallell med muskelfibrer) av en given impedansfaktor.
Muskelanisotropi förändras också med neuromuskulär sjukdom. EIM har visat en skillnad mellan anisotropiprofiler hos patienter med neuromuskulär sjukdom och friska kontroller. Dessutom kan EIM använda anisotropi för att skilja mellan myopatisk och neurogen sjukdom. Olika former av neuromuskulär sjukdom har unika anisotropier. Myopatisk sjukdom kännetecknas av minskad anisotropi. Neurogen sjukdom ger en mindre förutsägbar anisotropi. Vinkeln för den lägsta fasen kan förskjutas från den parallella positionen, och anisotropin som helhet är ofta större än den för en frisk kontroll.
Mätning närmar sig
I allmänhet, för att tillämpa tekniken, placeras minst fyra ytelektroder över muskeln av intresse. En liten växelström appliceras över de två yttre elektroderna och spänningssignaler registreras av de inre elektroderna. Frekvensen av den applicerade strömmen och förhållandet mellan elektroduppsättningen och huvudmuskelfiberriktningen varieras så att en fullständig multifrekvens- och multiriktningsbedömning av muskeln kan uppnås.
EIM har utförts med ett antal olika impedansanalysanordningar. Kommersiellt tillgängliga system som används för bioimpedansanalys kan kalibreras för att mäta impedansen hos individuella muskler. En lämplig impedansanalysator kan också specialbyggas med hjälp av en låsningsförstärkare för att producera signalen och en sond med låg kapacitans, såsom Tektronix P6243, för att registrera spänningar från ytelektroderna.
Sådana metoder är emellertid långsamma och klumpiga att tillämpa med tanke på behovet av noggrann elektrodpositionering över en muskel av intresse och risken för felinställning av elektroder och felaktigheter. Följaktligen konstruerades ett initialt handhållet system med användning av flera komponenter med ett elektrodhuvud som kunde placeras direkt på patienten. Enheten hade en rad elektrodplattor, som kunde aktiveras selektivt för att utföra impedansmätningar i godtyckliga orienteringar. Oscilloskopen programmerades för att producera en sammansatt sinussignal, som kunde användas för att mäta impedansen vid flera frekvenser samtidigt via en Fast Fourier-transform.
Sedan det första systemet skapades utvecklas andra handhållna kommersiella system, såsom Skulpt, för användning i både neuromuskulär sjukdomsbedömning och för konditionsövervakning, inklusive beräkning av ett muskelkvalitetsvärde (eller MQ). Detta senare värde syftar till att ge en ungefärlig bedömning av muskelns relativa kraftgenererande förmåga för en given tvärsnittsarea av vävnaden. Muskelkvalitet, till exempel, är ett mått som används vid bedömning av sarkopeni .
Jämförelse med standard bioelektrisk impedansanalys
Standard bioelektrisk impedansanalys (BIA), liksom EIM, använder också en svag, högfrekvent elektrisk ström för att mäta människokroppens egenskaper. I standard BIA, till skillnad från EIM, leds elektrisk ström mellan elektroder placerade på händer och fötter, och impedansegenskaperna för hela strömvägen mäts. Således är de uppmätta impedansegenskaperna relativt ospecifika eftersom de omfattar mycket av kroppen inklusive hela längden av extremiteterna, bröstet, buken och bäckenet; Följaktligen kan endast sammanfattande helkroppsmått på mager kroppsmassa och % fett erbjudas. Dessutom, i BIA, färdas ström längs vägen med minsta motstånd, och sålunda kommer alla faktorer som ändrar strömvägen att orsaka variabilitet i data. Till exempel kommer expansionen av stora kärl (t.ex. vener) med ökande hydrering att erbjuda en väg med låg motståndskraft och därmed förvränga de resulterande data. Dessutom kommer förändringar i bukinnehållet att ändra data på liknande sätt. Kroppsställning kan också ha betydande effekter, med ledposition som bidrar till variationer i data. EIM, däremot, mäter endast de ytliga aspekterna av individuella muskler och är relativt opåverkad av kropps- eller extremitetsposition eller hydreringsstatus. Skillnaderna mellan EIM och standard BIA exemplifierades i en studie i amyotrofisk lateralskleros (ALS) som visade att EIM effektivt kunde spåra progression hos 60 ALS-patienter medan BIA inte var det.