저비용 Epimysial Electromysial Electromyography Electrodede 개발: 제조 및 테스트를 위한 간소화된 워크플로우
Summary
우리의 목적은 epimysial electromysial electromyography 전극의 제조 및 테스트에 대한 업데이트되고 따라하기 쉬운 가이드를 제공하는 것이었습니다. 이를 위해 재료 소싱에 대한 지침과 제조 및 테스트 프로세스에 대한 자세한 안내를 제공합니다.
Abstract
근전도(EMG)는 신경근 이상을 감지하는 데 유용한 진단 도구입니다. 이식 가능한 상피 전극은 일반적으로 전임상 모델에서 EMG 신호를 측정하는 데 사용됩니다. epimysial electrode fabrication의 원리를 설명하는 고전적 자료가 존재하지만, 전극 이론을 실습으로 번역하는 예시 정보는 드뭅니다. 이 문제를 해결하기 위해 저비용 epimysial 전극 제조 및 테스트에 대한 업데이트되고 따라하기 쉬운 가이드를 제공합니다.
전극은 두 개의 백금-이리듐 호일을 접고 미리 절단된 실리콘 베이스에 삽입하여 접촉면을 형성하여 만들었습니다. 다음으로, 코팅된 스테인리스강 와이어를 각 접촉면에 용접하여 전극 리드를 형성했습니다. 마지막으로 실리콘 혼합물을 사용하여 전극을 밀봉했습니다. Ex vivo 테스트는 모든 파형에서 높은 수준의 신호 일치(사인파[클래스 내 상관 – ICC= 0.993], 정사각형[ICC = 0.995], 삼각형[ICC = 0.958]) 및 시간 동시성(사인 [r = 0.987], 제곱[r = 0.990], 삼각형 [r= 0.931])과 맞춤 제작 전극을 산업 표준 전극과 비교하기 위해 수행되었습니다. 낮은 수준의 전극 임피던스는 또한 전기화학 임피던스 분광법을 통해 정량화되었습니다.
생체 내 성능 평가도 수행되어 쥐의 광대 외측근을 맞춤형 전극으로 외과적으로 계측하고 오르막 및 내리막 보행 중에 신호를 획득했습니다. 예상대로 내리막 걷기(0.008 ± 0.005mV)가 오르막길(0.031 ± 0.180mV, p = 0.005)보다 훨씬 낮았으며, 이는 장치의 유효성을 뒷받침합니다. 장치의 신뢰성과 생체 적합성은 이식 후 14일 및 56일째(각각 0.01 ± 0.007mV, 0.012 ± 0.007mV, p > 0.05)에 수평 보행 중 일관된 신호 전달과 조직학적 염증의 부재에 의해 뒷받침되었습니다. 총체적으로, 우리는 저비용 epimysial 전극의 제조 및 테스트를 위한 업데이트된 워크플로우를 제공합니다.
Introduction
근전도(EMG)는 근육의 전기적 활동을 연구하기 위한 강력한 도구입니다. EMG 기록은 신경근 기능 장애를 치료하기 위한 중재의 효과를 평가하기 위해 전임상 동물 모델에서 특히 유용할 수 있습니다. 이러한 모델에서는 이식 가능한 생체 적합성 전극을 사용하여 운동 뉴런과 근육 섬유 사이의 신경 생리학적 인터페이스를 평가합니다. 이러한 이식형 전극은 근육 흥분에 대한 국부적인 측정을 제공할 수 있으며 구성, 모양 및 재료 측면에서 다양할 수 있으며 궁극적으로 위치와 의도된 용도에 따라 최적의 설계가 결정됩니다.
전임상 모델에서 근육 흥분을 평가하기 위한 적합성에도 불구하고 상부 전극의 사용은 비용에 의해 제한될 수 있습니다. 그 결과, 많은 연구자들이 사내에서 생산된 맞춤형 상피 전극을 사용합니다. 전극 제조, 테스트및 사용에 대한 기본 고려 사항을 자세히 설명하는 리소스가 존재하지만1,2 현대적인 방법을 사용하여 epimysial 전극의 소싱, 제조 및 검증을 자세히 설명하는 업데이트된 지침 가이드가 필요합니다. Loeb 및 Gans3 및 기타 전극 이론의 기초 연구에 영향을 받아 저비용 epimysial 전극의 소싱 및 제조에 대한 현대적인 지침을 제시하고 일련의 생체 외 및 생체 내 실험에서 성능을 테스트합니다. 목표는 과학계의 다른 사람들이 동물용 저비용 epimysial 전극을 사내에서 소싱, 제조 및 테스트할 수 있도록 사용자 친화적인 가이드를 제공하여 전임상 모델에서 근육 흥분을 보다 광범위하게 정량화할 수 있도록 하는 것입니다.
이 프로토콜에서는 현대 전기생리학 실험실에서 동물용 상피 전극의 소싱, 제조 및 테스트에 대한 교육 가이드를 제공합니다. 모양, 치수, 접촉 표면적, 전극 간 거리, 리드 길이 등과 같은 제조를 위해 선택된 전극 매개변수는 우리의 실험적 요구 사항에 맞게 선택되었으며 상업적으로 이용 가능한 산업 표준 epimysial 전극과 유사했습니다( 재료 표 참조). 우리는 다른 그룹이 사용 사례와 일치하는 신뢰할 수 있는 산업 표준 전극을 선택하는 것 외에도 필요에 맞게 이러한 매개변수를 수정하도록 권장합니다.
독자가 전극 성능을 비교적 빠르게 이해할 수 있도록 하기 위한 노력의 일환으로, 전극 임피던스 측정 옵션이 있는 생체 외 테스트 프로토콜의 예도 제공합니다. 또한 in vivo 전극 성능에 대한 평가 예를 제공합니다. 체외 실험에서는 안정적인 생리학적 조건을 모방하기 위해 맞춤형 제작된 전극을 식염수 배조의 산업 표준과 비교했습니다. 임피던스는 또한 전기화학적 임피던스 분광법(EIS)을 통해 생체 외 에서 평가되었습니다. 생체 내 실험은 16주 된 암컷 Long Evans 쥐(HsdBlu: LE, Envigo)의 광대 외측(VL) 근육에 맞춤 제작 전극을 외과적으로 이식하여 높거나 낮은 신호(오르막, 내리막 걷기)를 유도하는 것으로 알려진 조건에서 EMG 신호를 측정하는 것으로 구성되었습니다. 맞춤형 제작 전극의 신뢰성을 평가하기 위해 완전한 수술 회복 후 및 희생 전(이식 후 각각 14일 및 56일) 수평 보행 중에 EMG 신호 신호를 획득했습니다. Hematoxylin-eosin(H&E) 염색은 맞춤형 전극의 생체 적합성을 평가하기 위해 계장화된 근육에 대해 수행되었습니다.
Protocol
Representative Results
Discussion
우리의 목표는 EMG 제조 공정을 간소화하여 상피 전극 설계의 광범위한 채택 및 구현을 가능하게 하여 접근성을 높이고 신경근 연구를 발전시키는 것이었습니다. 이를 위해 저비용 epimysial 전극을 사내에서 소싱, 제조 및 테스트할 수 있는 사용자 친화적인 가이드를 제공합니다. 다른 연구 그룹을 지원하기 위해 우리는 또한 연구 노력을 위한 사내 epimysial electrodes의 생산을 용이하게 하기 위해 추가…
Offenlegungen
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
이 연구는 미국 국립 관절염 및 근골격계 및 피부 질환 연구소(National Institute of Arthritis and Musculoskeletal and Skin Diseases)의 R01AR081235지원을 받았습니다. 저자들은 생체 적합성 전극의 제조 및 테스트에 기여한 Joel Pingel, Grant Gueller, Akhil Ramesh, Joe Letner, Jacky Tian 및 Ross Brancati에게 감사를 표합니다.
Materials
| Electrode Materials | |||
| Quantity & price per electrode | |||
| Contact surface | Prince and Izant PT90/IR10 1.25 mm x 5 mm foil | Catalog #1040055 | 2 per electrode $7.50 per foil $15.00 per electrode |
| PFA coated stainless-steel electrode lead wire | A-M Systems Multi-Stranded PFA-Coated Stainless Steel Wire 50.8 µm strand diameter | Catalog #793500 | Dependent on desired lead length (e.g., 9 inch lead wires x2) $128 per 25 ft spool $5.12 per foot $0.42 per inch (x18) $7.68 per electrode |
| Folding jig | 3D printed (see .gcode file) |
NA | NA |
| Sealant for electrode body | Nusil Med-1137 liquid silicone | Catalog #MED-1137 | 1 gram $344.66 per 2 oz. (59.15 mL) $5.83 per electrode |
| Silicone base | Implantech Alliedsil Silicone Sheeting-Reinforced, Long Term Implantable (8” x 6”) .007 thick | Catalog #701-07 | 10mm x 5mm sheet $225.00 per 8 x 6 inch $0.36 per electrode (10 mm x 5 mm) |
| Thinner for sealant mixture | Toluene 99.5% ACS Reagent 500mL or Xylene ACS 99.5% | Catalog #179418-500 ML | 0.75 mL $25.53 per 500 mL $0.38 per electrode |
| Template for perforating silicone base | Cutting jig – 3D printed (see CAD file) |
NA | NA |
| Custom-fabricated electrode: $29.25 | |||
| Industry standard electrode (EP105 EMG Patch Electrode, 2 contacts, single-sided, 7mm x 4mm, MicroProbe for Life Science): $305.00 | |||
| Additional Fabrication Materials | |||
| Quantity & price per electrode | |||
| 3D printing software | Solidworks (Solidworks, 2022) | ||
| Micro-Tig welder | Micro-Tig Welder (CD1000SPM, Single Pulse Research and Light Production Resistance Spot Welder, Sunstone) | SKU 301010 | $3,500 |
| Ultrasonic bath | Ultrasonic bath (CPX Series Ultrasonic Bath, Fisherbrand). | 15-337-403 | NA |
| Ex Vivo Testing Materials | |||
| Quantity & price per electrode | |||
| Data acquisition platform and software | DigitalLynx 4sX Base Cheetah version 6.0 (Neuralynx Inc.) | NA | EMG acquisition hardware and software |
| Electrode interface board (EIB) | EIB, EIB16-QC, Neuralynx Inc. | 31-0603-0007 | NA |
| Signal generator | 5 MHz Function Generator, B&K Precision | 4005DDS220V | $387.46 |
| Potentiostat | PGSTAT1 potentiostat (EcoChemie, Utrecht, Netherlands) | NA | NA |
| Stainless steel screw | Fine Science Tools | 19010-00 | $98 |
| Ex Vivo Testing Materials | |||
| Quantity & price per electrode | |||
| Rodent treadmill | Exer 3/6 Open Treadmill, Columbus Instruments | NA | NA |
| Dental cement | Excel Formula® Pourable Dental Material, St. George Technology Inc. | #24211 | $125.60 |
| Light microscope | Keyence BZ-X800, Keyence Corporation, Osaka, Japan | NA | NA |
| Motion capture system | Optitrack Color Camera, Optitrack, NaturalPoint Inc. | NA | NA |
| Peak detection algorithm | “SciPy.signal.find_peaks – SciPy v1.8.1 Manual”, 2022 | NA | NA |
| Python software | Python Software Foundation. Python Language Reference, version 3.9. Available at http://www.python.org | NA | NA |
| Rat | HsdBlu: LE, Envigo | 140 | NA |
| Statistical sotware | GraphPad Prism version 10.0.0 (GraphPad Software, Boston, Massachusetts USA) | NA | NA |
Referenzen
- Grandjean, P. A., Mortimer, J. T. Recruitment properties of monopolar and bipolar epimysial electrodes. Ann. Biomed. Eng. 14 (1), 53-66 (1986).
- Memberg, W. D., Stage, T. G., Kirsch, R. F. A fully implanted intramuscular bipolar myoelectric signal recording electrode. Neuromodulation J. Int. Neuromodulation Soc. 17 (8), 794-799 (2014).
- Loeb, G. E., Gans, C. . Electromyography for Experimentalists. , (1986).
- Boehler, C., Carli, S., Fadiga, L., Stieglitz, T., Asplund, M. Tutorial: guidelines for standardized performance tests for electrodes intended for neural interfaces and bioelectronics. Nat. Protoc. 15 (11), 3557-3578 (2020).
- Patel, P. R., et al. Insertion of linear 8.4 µm diameter 16 channel carbon fiber electrode arrays for single unit recordings. J. Neural Eng. 12 (4), 046009 (2015).
- Richie, J. M., et al. Open-source toolkit: benchtop carbon fiber microelectrode array for nerve recording. J. Vis. Exp. (176), e63099 (2021).
- Sarolic, A., Skalic, I., Deftu, A., Sapunar, D. Impedance measurement of bipolar stimulation electrodes immersed in medium. , 1-2 (2018).
- Pritchett-Corning, K. R., Mulder, G. B., Luo, Y., White, W. J. Principles of rodent surgery for the New Surgeon. J. Vis. Exp.: JoVE. (47), e2586 (2011).
- Zealear, D., Li, Y., Huang, S. An implantable system for chronic in vivo electromyography. J. Vis. Exp. JoVE. (158), e60345 (2020).
- Butterfield, T. A., Leonard, T. R., Herzog, W. Differential serial sarcomere number adaptations in knee extensor muscles of rats is contraction type dependent. J. Appl. Physiol. Bethesda Md 1985. 99 (4), 1352-1358 (2005).
- Farago, E., MacIsaac, D., Suk, M., Chan, A. D. C. A review of techniques for surface electromyography signal quality analysis. IEEE Rev. Biomed. Eng. 16, 472-486 (2023).
- Raez, M. B. I., Hussain, M. S., Mohd-Yasin, F. Techniques of EMG signal analysis: detection, processing, classification and applications. Biol. Proced. Online. 8, 11-35 (2006).
- Tankisi, H., et al. Standards of instrumentation of EMG. Clin. Neurophysiol. 131 (1), 243-258 (2020).
- Kumar, A., Accorsi, A., Younghwa, R., Mahasweta, G. Do’s and don’ts in the preparation of muscle cryosections for histological analysis. J. Vis. Exp. JoVE. (99), e52793 (2015).
- Wang, C., Yue, F., Kuang, S. Muscle histology characterization using H&E staining and muscle fiber type classification using immunofluorescence staining. Bio-Protoc. 7 (10), e2279 (2017).
- Kreifeldt, J. G. Signal versus noise characteristics of filtered EMG used as a control source. IEEE Trans. Biomed. Eng. BME-18 (1), 16-22 (1971).
- Farina, D., Yoshida, K., Stieglitz, T., Koch, K. P. Multichannel thin-film electrode for intramuscular electromyographic recordings. J. Appl. Physiol. 104 (3), 821-827 (2008).
- Muceli, S., et al. Decoding motor neuron activity from epimysial thin-film electrode recordings following targeted muscle reinnervation. J. Neural Eng. 16 (1), 016010 (2018).
- Guo, L., Guvanasen, G., Tuthill, C., Nichols, T., Deweerth, S. . Characterization of a Stretchable Multielectrode Array for Epimysial Recording. , 694 (2011).
- Zwarts, M. J., Stegeman, D. F. Multichannel surface EMG: basic aspects and clinical utility. Muscle Nerve. 28 (1), 1-17 (2003).
- Koch, K. P., Leinenbach, C., Stieglitz, T. Fabrication and test of robust spherical epimysial electrodes for lower limb stimulation. Aalb. Den. , (2000).
- Uhlir, J. P., Triolo, R. J., Davis, J. A., Bieri, C. Performance of epimysial stimulating electrodes in the lower extremities of individuals with spinal cord injury. IEEE Trans. Neural Syst. Rehabil. Eng. 12 (2), 279-287 (2004).
- Deer, T. R., et al. The appropriate use of neurostimulation: new and evolving neurostimulation therapies and applicable treatment for chronic pain and selected disease states. Neuromodulation Technol. Neural Interface. 17 (6), 599-615 (2014).
- Ortiz-Catalan, M., Brånemark, R., Håkansson, B., Delbeke, J. On the viability of implantable electrodes for the natural control of artificial limbs: Review and discussion. Biomed. Eng. OnLine. 11, 33 (2012).
- Sando, I. C., et al. Regenerative peripheral nerve interface for prostheses control: electrode comparison. J. Reconstr. Microsurg. 32 (3), 194-199 (2016).
.