Methods for assessment of electrical activity of smooth muscles

Abstract

Recording of the smooth stomach muscles' electrical activity can be performed by means of Electrogastrography (EGG), a non-invasive technique for acquisition that can provide valuable information regarding the functionality of the gut. While this method had been introduced for over nine decades, it still did not reach its full potential. The main reason for this is the lack of standardization that subsequently led to the limited reproducibility and comparability between different investigations. Additionally, variability between many proposed recording approaches could make EGG unappealing for broader application. The aim was to provide an evaluation of a simplified recording protocol that could be obtained by using only one bipolar channel for a relatively short duration (20 minutes) in a static environment with limited subject movements. Insights into the most suitable surface electrode placement for EGG recording was also presented. Subsequently, different processing methods, including Fractional Order Calculus and Video-based approach for the cancelation of motion artifacts – one of the main pitfalls in the EGG technique, was examined. For EGG, it is common to apply long-term protocols in a static environment. Our second goal was to introduce and investigate the opposite approach – short-term recording in a dynamic environment. Research in the field of EGG-based assessment of gut activity in relation to motion sickness symptoms induced by Virtual Reality and Driving Simulation was performed. Furthermore, three novel features for the description of EGG signal (Root Mean Square, Median Frequency, and Crest Factor) were proposed and its applicability for the assessment of gastric response during virtual and simulated experiences was evaluated. In conclusion, in a static environment, the EGG protocol can be simplified, and its duration can be reduced. In contrast, in a dynamic environment, it is possible to acquire a reliable EGG signal with appropriate recommendations stated in this Doctoral dissertation. With the application of novel processing techniques and features, EGG could be a useful tool for the assessment of cybersickness and simulator sickness.

Снимање електричне активности глатких мишића желуца може се реализовати употребом електрогастрографије (ЕГГ), неинвазивне методе која пружа значајне информације везане за функционисање органа за варење. Упркост чињеници да је откривена пре више од девет деценија, ова техника још увек није остварила свој пун потенцијал. Основни разлог за то је недостатак стандардизације који условљава ограничења у смислу поновљивости и упоредивости између различитих истраживања. Додатно, варијабилност која је присутна у примени различитих препоручених поступака снимања, може смањити интерес за употребу ЕГГ-а код широког опсега потенцијалних корисника. Наш циљ је био да пружимо евалуацију поједностављене методе мерења тј. протокола који укључује само један канал током релативно кратког временског периода (20 минута) у статичким условима са ограниченим кретањем субјекта тј. у мировању. Такође, приказали смо наше ставове у вези најприкладније позиције површинских електрода за ЕГГ снимање. Презентовали смо и резултате испитивања метода, на бази обраде видео снимка као и фракционог диференцијалног рачуна, за отклањање артефаката помераја – једног од највећих изазова са којима је суочена ЕГГ метода. За ЕГГ је уобичајено да се користе дуготрајни протоколи у статичким условима. Наш други циљ био је да представимо и оценимо употребљивост супротног приступа – краткотрајних снимања у динамичким условима. Реализовали смо истраживање на пољу оцене активности желуца током појаве симптома мучнине изазване виртуелном реалношћу и симулацијом вожње. За потребе методе за оцену електричне активности желуца, предложили смо три нова параметра за квантификацију ЕГГ сигнала (ефективну вредност амплитуде, медијану и крест фактор) и извршили процену њихове прикладности за оцену гастроинтестиналног тракта током коришћења виртуелне реалности и симулатора вожње. Закључак је да ЕГГ протокол у статичким условима може бити упрошћен и његово трајање може бити редуковано, док је у динамичким условима могуће снимити одговарајући ЕГГ сигнал, али уз праћење препорука наведених у овој тези. Употребом нових техника за процесирање сигнала и прорачун одговарајућих параметара, ЕГГ може бити корисна техника за оцену мучнине изазване коришћењем симулатора и производа виртуелне реалности