Entwicklung einer kostengünstigen epimysialen Elektromyographie-Elektrode: Ein vereinfachter Arbeitsablauf für Herstellung und Prüfung
Summary
Unser Ziel war es, einen aktualisierten, leicht verständlichen Leitfaden für die Herstellung und Prüfung von epimysialen Elektromyographie-Elektroden bereitzustellen. Zu diesem Zweck bieten wir Anweisungen für die Materialbeschaffung und eine detaillierte Anleitung zum Herstellungs- und Prüfprozess.
Abstract
Die Elektromyographie (EMG) ist ein wertvolles diagnostisches Instrument zur Erkennung neuromuskulärer Anomalien. Implantierbare epimysiale Elektroden werden häufig zur Messung von EMG-Signalen in präklinischen Modellen verwendet. Obwohl es klassische Ressourcen gibt, die die Prinzipien der epimysialen Elektrodenherstellung beschreiben, gibt es nur wenige anschauliche Informationen, die die Elektrodentheorie in die Praxis umsetzen. Um hier Abhilfe zu schaffen, stellen wir einen aktualisierten, leicht verständlichen Leitfaden zur Herstellung und Prüfung einer kostengünstigen Epimysialelektrode zur Verfügung.
Die Elektroden wurden hergestellt, indem zwei Platin-Iridium-Folien gefaltet und in eine vorgeschnittene Silikonbasis eingelegt wurden, um die Kontaktflächen zu bilden. Anschließend wurden an jede Kontaktfläche beschichtete Edelstahldrähte geschweißt, um die Elektrodenleitungen zu bilden. Zuletzt wurde eine Silikonmischung verwendet, um die Elektrode abzudichten. Ex-vivo-Tests wurden durchgeführt, um unsere kundenspezifische Elektrode mit einer Industriestandard-Elektrode in einem Salzbad zu vergleichen, wobei über alle Wellenformen hinweg ein hohes Maß an Signalübereinstimmung (Sinus [Intraklassenkorrelation – ICC= 0,993], Quadrat [ICC = 0,995], Dreieck [ICC = 0,958]) und zeitliche Synchronie (Sinus [r = 0,987], Quadrat [r = 0,990], Dreieck [r= 0,931]) festgestellt wurde. Niedrige Elektrodenimpedanzen wurden auch mittels elektrochemischer Impedanzspektroskopie quantifiziert.
Es wurde auch eine In-vivo-Leistungsbewertung durchgeführt, bei der der Musculus vastus lateralis einer Ratte chirurgisch mit der speziell angefertigten Elektrode instrumentiert und die Signalübertragung beim Auf- und Absteigen erfasst wurde. Wie erwartet war die maximale EMG-Aktivität beim Gehen bergab (0,008 ± 0,005 mV) signifikant niedriger als bergauf (0,031 ± 0,180 mV, p = 0,005), was die Validität des Geräts unterstützt. Die Zuverlässigkeit und Biokompatibilität des Geräts wurde auch durch eine konsistente Signalübertragung während des Gehens 14 Tage und 56 Tage nach der Implantation (0,01 ± 0,007 mV, 0,012 ± 0,007 mV; p > 0,05) und das Fehlen histologischer Entzündungen unterstützt. Gemeinsam bieten wir einen aktualisierten Workflow für die Herstellung und Prüfung kostengünstiger epimysieller Elektroden.
Introduction
Die Elektromyographie (EMG) ist ein leistungsfähiges Instrument zur Untersuchung der elektrischen Aktivität von Muskeln. EMG-Aufzeichnungen können besonders in präklinischen Tiermodellen nützlich sein, um die Wirksamkeit von Interventionen zur Behandlung neuromuskulärer Dysfunktion zu beurteilen. In diesen Modellen werden häufig implantierbare biokompatible Elektroden verwendet, um die neurophysiologische Schnittstelle zwischen Motoneuronen und Muskelfasern zu beurteilen. Diese implantierbaren Elektroden können lokalisierte Messungen der Muskelerregung liefern und können in Bezug auf ihre Konfiguration, Form und ihr Material unterschiedlich sein, wobei das optimale Design letztendlich von der Position und dem Verwendungszweck abhängt.
Trotz ihrer Eignung für die Beurteilung der Muskelerregung in präklinischen Modellen kann der Einsatz von epimysialen Elektroden durch die Kosten begrenzt sein. Daher verwenden viele Forscher maßgeschneiderte Epimysienelektroden, die im eigenen Haus hergestellt werden. Obwohl Ressourcen vorhanden sind, in denen die grundlegenden Überlegungen zur Herstellung, Prüfungund Verwendung von Elektroden 1,2 detailliert beschrieben werden, besteht ein Bedarf an einem aktualisierten Anleitungsleitfaden, in dem die Beschaffung, Herstellung und Validierung von Epimysienelektroden unter Verwendung moderner Methoden detailliert beschrieben wird. Basierend auf den grundlegenden Arbeiten von Loeb und Gans3 und anderen in der Elektrodentheorie präsentieren wir moderne Anleitungen zur Beschaffung und Herstellung kostengünstiger epimysieller Elektroden und testen ihre Leistungsfähigkeit in einer Reihe von ex vivo und in vivo Experimenten. Ziel ist es, anderen in der wissenschaftlichen Gemeinschaft einen benutzerfreundlichen Leitfaden für die Beschaffung, Herstellung und Prüfung von kostengünstigen Epimysienelektroden für den Tiergebrauch zu bieten, der eine breitere Quantifizierung der Muskelerregung in präklinischen Modellen ermöglicht.
In diesem Protokoll stellen wir eine Anleitung für die Beschaffung, Herstellung und Prüfung von Epimysialelektroden für den Einsatz bei Tieren im modernen Elektrophysiologielabor zur Verfügung. Die für die Herstellung ausgewählten Elektrodenparameter wie Form, Abmessungen, Kontaktfläche, Zwischenelektrodenabstand, Leitungslänge usw. wurden entsprechend unseren experimentellen Anforderungen ausgewählt und waren vergleichbar mit einer kommerziell erhältlichen Epimysialelektrode nach Industriestandard (siehe Materialtabelle). Wir ermutigen andere Gruppen, diese Parameter an ihre Bedürfnisse anzupassen und eine zuverlässige Elektrode nach Industriestandard auszuwählen, die ihrem Anwendungsfall entspricht.
Um den Lesern einen relativ schnellen Eindruck von der Elektrodenleistung zu vermitteln, stellen wir auch ein Beispiel für ein Ex-vivo-Testprotokoll mit der Option zur Messung der Elektrodenimpedanz zur Verfügung. Zusätzlich geben wir ein Beispiel für eine Bewertung der Elektrodenleistung in vivo. Das Ex-vivo-Experiment verglich die speziell angefertigte Elektrode mit einem Industriestandard in einem Salzbad, um stabile physiologische Bedingungen nachzuahmen. Die Impedanz wurde auch ex vivo mittels elektrochemischer Impedanzspektroskopie (EIS) bestimmt. Das In-vivo-Experiment bestand aus der chirurgischen Implantation der maßgefertigten Elektrode in den Musculus vastus lateralis (VL) einer 16 Wochen alten weiblichen Long-Evans-Ratte (HsdBlu: LE, Envigo), um das EMG-Signal unter Bedingungen zu messen, von denen bekannt ist, dass sie ein hohes oder tiefes Signal auslösen (bergauf, bergab gehend). Um die Zuverlässigkeit der individuell angefertigten Elektrode zu beurteilen, wurde die EMG-Signalgebung während des waagerechten Gehens nach vollständiger chirurgischer Genesung und vor der Opferung (14 Tage bzw. 56 Tage nach der Implantation) erfasst. An dem instrumentierten Muskel wurde eine Hämatoxylin-Eosin (H&E)-Färbung durchgeführt, um die Biokompatibilität der individuell angefertigten Elektrode zu beurteilen.
Protocol
Representative Results
Discussion
Unser Ziel war es, den EMG-Herstellungsprozess zu rationalisieren, eine breitere Akzeptanz und Implementierung von epimysialen Elektrodendesigns zu ermöglichen, um so die Zugänglichkeit zu fördern und die neuromuskuläre Forschung voranzutreiben. Zu diesem Zweck stellen wir einen benutzerfreundlichen Leitfaden für die Beschaffung, Herstellung und Prüfung kostengünstiger Epimysialelektroden im eigenen Haus vor. In der Hoffnung, andere Forschungsgruppen unterstützen zu können, stellen wir auch ergänzende 3D-Druckv…
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Diese Arbeit wurde vom National Institute of Arthritis and Musculoskeletal and Skin Diseases Grant R01AR081235 (an L. K. Lepley) unterstützt. Die Autoren danken den folgenden Personen für ihren Beitrag zur Herstellung und Prüfung unserer biokompatiblen Elektrode: Joel Pingel, Grant Gueller, Akhil Ramesh, Joe Letner, Jacky Tian und Ross Brancati.
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 |
References
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