Wireless modular multi-sensor systems for the analysis of mechanical coupling between respiration and locomotion in mammals

Bances, Enrique GND

Die Kopplung zwischen Fortbewegung und Atmung (Locomotion-Respiration-Coupling LRC) basiert bei Säugetieren nach den gängigen Modellvorstellungen sowohl auf mechanischen als auch neuromuskulären Bindungen zwischen beiden Prozessen. Zur artübergreifenden Analyse dieser Interaktionen fehlt es bisher an einfach anpassbaren, modularen Systemen. Damit fehlt es an belastbaren Messdaten zur Beantwortung der Fragen, wie Fortbewegungszyklen zum Atemfluss beitragen oder wie die Atemmuskelkontraktionen die Fortbewegung beeinflussen. Die meisten der bisherigen artspezifischen Studien konzentrierten sich auf LRC während des Laufens, aber einige analysierten auch andere Aktivitäten wie Radfahren, Fliegen (Vögel) oder Tauchen. In dieser Arbeit wurde basierend auf einem modularen Multisensor-Funksystem eine neuartige Methode entwickelt, die es ermöglicht, die Interaktion zwischen Fortbewegung und Atmung bei Säugetieren zu analysieren. Das entwickelte System besteht aus vier Komponenten für die LRC-Analyse: (1) einer Thoraxbinnendruckmessung basierend auf einem implantierbaren Gerät, (2) ein Volumenstrommodul zur Messung des lokomotorisch getriebenen Luftvolumens (LDV - Locomotor driven air volume) während des Atemzyklus, (3) ein Schrittidentifikationsmodul zur Berechnung des LRC-Verhältnisses (Schritt/Atem) und (4) ein Muskelaktivitätsmodul zur Analyse des Verhaltens des Atemmuskels während der Kopplung. Diese Module sind freizügig kombinierbar. Die drahtlose Kommunikation erlaubt es, Untersuchungen im Freifeld durchzuführen, wobei sich das Tier (oder der Mensch) im Gegensatz zu früheren Studien, in denen sich das Subjekt mit einer konstanten Geschwindigkeit auf einem Laufband bewegt, frei mit einer selbstgewählten Laufgeschwindigkeit bewegen kann. Diese Möglichkeit könnte das Stressniveau von Tieren während der Experimente signifikant reduzieren, die Analyseergebnisse liegen absehbar näher am "natürlichen" Laufverhalten (unrestrained) als jene von Laufbandstudien (restrained). Als experimenteller Test des Systems wurde die Methode am Menschen angewendet. Das Respiratory Flow Module (RFM) wurde basierend auf einer „ergonomischen Maske“ und einem Strömungssensor entwickelt. Das Respiratory Muscles Module (RMM) nutzte vier Oberflächen-Elektromyographie-Sensoren (sEMG) an der Bauch- und Brustmuskulatur. Am Knöchel jedes Beines befanden sich zwei Beschleunigungssensoren, um den Fuß-Boden-Kontakt zu erkennen. Fünfzehn Teilnehmer wurden bei einem Sprint-Lauftest in einem Sportzentrum (50 m x 30 m) der Technischen Universität Ilmenau beobachtet. Die erhaltenen Ergebnisse bestätigten ein variables LRC-Verhältnis von 2:1, 3:1, 4:1 wie in früheren Studien gezeigt wurde, zeigte jedoch zusätzlich im Falle des LDV die Nutzung der annähernd maximal möglichen Amplitude (Vitalkapazität) auf. Das Experiment belegt, dass die neue Methode zur Untersuchung von Säugetieren verwendet werden kann.

Locomotor-respiratory coupling (LRC) is a mechanical and neuromuscular link between respiration and locomotion in mammals. In the last several decades many researchers have developed studies in this field measuring LRC in different mammals. However, until now it was not exactly established how many locomotion cycles contribute to the respiratory flow or how the respiratory muscle contractions affect the locomotion cycles. Most of these studies were focused on LRC during running, but some also analyzed other activities like cycling, flying (birds), diving. In this work a novel method was developed based on a modular multi-sensor wireless system which allows analyzing the interaction between locomotion and respiration in mammals. The developed system consists of four modules for the LRC analysis: (1) a thoracic pressure measurement based on an implantable device, (2) a volumetric flow module to measure the locomotor driven air volume (LDV) during the breathing cycle, (3) a step identification module to calculate the LRC ratio (stride/breath), and (4) a muscular activity module to analyze the behavior of the respiratory muscle during the coupling. The wireless communication allows performing studies in open field, where the animal can move freely with a self selected running pace, contrary to previous studies where the object moves at a steady speed on a treadmill. These characteristics could significantly reduce the stress level of animals during the experiments. The method was applied to humans as an experimental test of the system, the Respiratory Flow Module (RFM) was designed based on an ergonomic mask and flow sensor. The Respiratory Muscles Module (RMM) had four surface Electromyography (sEMG) sensors located at the abdominal and thoracic respiratory muscles and two accelerometers were located at the ankle of each leg to detect the foot-ground contact. Fifteen participants were evaluated in a sprint running test at a sport center (50 m x 30 m) of Technische Universität Ilmenau. The obtained results confirmed a variable LRC ratio of 2:1, 3:1, 4:1, as was shown in previous studies. However, in the case of LDV it reached almost the maximum amplitude of the vital capacity. The performed experiment showed that our novel method could also be used to study other mammals.

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Bances, Enrique: Wireless modular multi-sensor systems for the analysis of mechanical coupling between respiration and locomotion in mammals. Ilmenau 2018.

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