Étude comparative quantitative des positions d’électrodes pour l’électromyographie de surface respiratoire

Contexte académique

L’électromyographie de surface respiratoire (Surface Electromyography, SEMG) est une technique non invasive utilisée pour enregistrer l’activité électrique des muscles respiratoires. Elle est largement appliquée pour analyser l’effort respiratoire, la dyssynchronisation patient-ventilateur et l’entraînement respiratoire. Cependant, en raison de l’absence de schémas standardisés pour le placement des électrodes, les positions et configurations utilisées dans différentes études varient considérablement, ce qui limite la comparabilité des résultats et affecte la diffusion clinique. Par conséquent, la détermination des positions optimales des électrodes est essentielle pour améliorer l’acceptation clinique de la SEMG respiratoire. Cette étude vise à fournir une base scientifique pour la standardisation de la SEMG respiratoire en comparant quantitativement les performances des dérivations bipolaires unilatérales et bilatérales.

Source de l’article

Cet article a été rédigé par Andra Oltmann, Jan Graßhoff, Nils Lange, Tobias Knopp et Philipp Rostalski, tous affiliés à l’Institut Fraunhofer IMTE et à l’Université de Lübeck (Allemagne). L’étude a été publiée dans la revue IEEE Transactions on Biomedical Engineering et a bénéficié du financement du Fonds européen de développement régional, du gouvernement fédéral allemand et de l’État de Schleswig-Holstein en 2023.

Protocole de recherche

Sujets de l’étude

L’étude a inclus 20 adultes en bonne santé (10 hommes et 10 femmes), âgés de 26 à 30 ans, avec un indice de masse corporelle (IMC) inférieur à 50 kg/m². Tous les participants ont signé un consentement éclairé avant l’étude, qui a été approuvée par le comité d’éthique de l’Université de Lübeck.

Placement des électrodes

L’étude a utilisé 64 électrodes en gel (Kendall H124SG), placées selon un schéma basé sur des repères anatomiques. Les positions incluaient la ligne axillaire moyenne (Midaxillary Line, MAL), la ligne axillaire antérieure (Anterior Axillary Line, AAL), la ligne claviculaire médiane (Midclavicular Line, MCL) et la ligne parasternale (Parasternal Line, PSL). L’espacement entre les électrodes était de 25 millimètres, couvrant les zones d’activité du diaphragme et des muscles intercostaux. De plus, des électrodes pour un ECG 12 dérivations et une paire d’électrodes sur les muscles sterno-cléido-mastoïdiens ont été placées.

Acquisition des signaux

Un amplificateur TMSI SAGA 64+ a été utilisé pour enregistrer les signaux SEMG monophasiques sur 64 canaux, avec une fréquence d’échantillonnage de 2000 Hz. Simultanément, un système Biopac a mesuré les données de débit et de pression des voies respiratoires, et un microcontrôleur a permis la synchronisation des signaux.

Protocole de l’étude

L’étude comprenait trois tâches respiratoires :
1. Respiration calme : 300 secondes sans charge supplémentaire.
2. Test de pression inspiratoire maximale (MIP) : 5 efforts inspiratoires maximaux pour évaluer la force globale des muscles respiratoires.
3. Respiration contre résistance : 15 respirations profondes avec une résistance correspondant à 20 % de la MIP.

Traitement des signaux

Le traitement des signaux comprenait les étapes suivantes :
1. Lissage des signaux de pression et de débit des voies respiratoires avec un filtre de moyenne mobile de 100 millisecondes.
2. Détection des positions des ondes R de l’ECG à l’aide de l’algorithme Pan-Tompkins.
3. Suppression des interférences de ligne électrique à l’aide d’un filtre coupe-bande Butterworth.
4. Réduction des interférences cardiaques via un algorithme de débruitage par ondelettes.
5. Calcul de l’enveloppe des signaux monophasiques ou biphasiques.

Analyse des données

L’étude a utilisé trois métriques de performance pour comparer quantitativement les dérivations électriques :
1. Rapport signal/bruit (SNRbase) : rapport entre l’activité musculaire inspiratoire et le bruit de base.
2. Rapport signal/bruit expiratoire (SNRexp) : rapport entre l’activité musculaire inspiratoire et l’activité musculaire expiratoire.
3. Interférence ECG (SNR EMG-ECG) : rapport entre la puissance des ondes R et l’activité musculaire inspiratoire.

Résultats principaux

Activité du diaphragme

1. Meilleures performances des dérivations bilatérales : Les dérivations bilatérales sur la MCL (en particulier à 2,5 cm au-dessus de la marge costale) ont montré les meilleures performances sur toutes les métriques.
   
2. Moindre performance des dérivations unilatérales : Les valeurs de SNRbase et SNRexp des dérivations unilatérales étaient significativement inférieures à celles des dérivations bilatérales, avec moins d’interférences ECG.
   
3. Meilleures positions d’électrodes : Les dérivations MCL se sont révélées optimales pour mesurer l’activité du diaphragme, tandis que les performances des dérivations MAL et AAL étaient inférieures.

Activité des muscles intercostaux

1. Meilleures performances des dérivations bilatérales PSL : Les dérivations bilatérales sur la PSL au niveau du deuxième espace intercostal ont montré les meilleures performances.
   
2. Flexibilité du placement des électrodes : Les électrodes peuvent être déplacées près de la ligne parasternale pour s’adapter aux besoins cliniques.
   
3. Moindre performance des dérivations unilatérales : Les valeurs de SNRbase et SNRexp des dérivations unilatérales étaient inférieures à celles des dérivations bilatérales.

Conclusion

Cette étude recommande, à travers une comparaison quantitative des positions des électrodes, d’utiliser des dérivations bilatérales MCL (à 2,5 cm au-dessus de la marge costale) pour mesurer l’activité du diaphragme, et des dérivations bilatérales PSL (au deuxième espace intercostal) pour mesurer l’activité des muscles intercostaux. Ces résultats fournissent une base importante pour la standardisation des mesures de SEMG respiratoire, contribuant à améliorer son acceptation et sa valeur clinique.

Points forts de l’étude

1. Comparaison systématique : Première comparaison systématique des performances des dérivations unilatérales et bilatérales pour mesurer l’activité du diaphragme et des muscles intercostaux.
   
2. Indicateurs quantitatifs : Introduction de trois métriques de performance pour évaluer l’impact des positions des électrodes sur la qualité du signal.
   
3. Valeur clinique : Fourniture d’une base scientifique pour la standardisation de la SEMG respiratoire, favorisant son application clinique.

Autres informations

L’étude a également révélé que la flexibilité du placement des électrodes est importante dans la pratique clinique, notamment lorsque la paroi thoracique du patient est limitée ou présente des cicatrices post-chirurgicales. De plus, les résultats suggèrent que le degré d’interférence ECG peut être optimisé en ajustant la position des électrodes.