פיתוח אלקטרודת אלקטרומיוגרפיה אפימיסיאלית בעלות נמוכה: זרימת עבודה פשוטה לייצור ובדיקה
Summary
מטרתנו הייתה לספק מדריך מעודכן וקל למעקב על ייצור ובדיקה של אלקטרודות אלקטרומיוגרפיה אפימיסיאליות. לשם כך, אנו מספקים הוראות למיקור חומרים והדרכה מפורטת של תהליך הייצור והבדיקה.
Abstract
אלקטרומיוגרפיה (EMG) היא כלי אבחון רב ערך לאיתור הפרעות נוירומוסקולריות. אלקטרודות אפימיסיאליות מושתלות משמשות בדרך כלל למדידת אותות EMG במודלים פרה-קליניים. למרות שקיימים מקורות קלאסיים המתארים את עקרונות ייצור האלקטרודות האפימיסיאליות, קיימת דלילות של מידע להמחשה המתרגם את תורת האלקטרודות לפרקטיקה. כדי לתקן זאת, אנו מספקים מדריך מעודכן וקל למעקב על ייצור ובדיקה של אלקטרודה אפימיסיאלית בעלות נמוכה.
אלקטרודות נוצרו על ידי קיפול והחדרת שני רדידי פלטינה-אירידיום לתוך בסיס סיליקון חתוך מראש כדי ליצור את משטחי המגע. לאחר מכן, חוטי נירוסטה מצופים רותכו לכל משטח מגע כדי ליצור את מוליכי האלקטרודות. לבסוף, נעשה שימוש בתערובת סיליקון כדי לאטום את האלקטרודה. בדיקות Ex vivo נערכו כדי להשוות את האלקטרודה המותאמת אישית שלנו לאלקטרודה סטנדרטית בתעשייה באמבט מלוחים, שם נמצאו רמות גבוהות של הסכמת אות (סינוס [מתאם תוך-מעמדי – ICC= 0.993], ריבוע [ICC = 0.995], משולש [ICC = 0.958]), וסנכרון זמני (סינכרון זמני [r = 0.987], ריבוע [r = 0.990], משולש [r = 0.931]) בכל צורות הגל. רמות נמוכות של עכבת אלקטרודות כומתו גם באמצעות ספקטרוסקופיית עכבה אלקטרוכימית.
הערכת ביצועים in vivo נערכה גם כאשר שריר vastus lateralis של חולדה הותקן בניתוח עם אלקטרודה מותאמת אישית ואיתות נרכש במהלך הליכה בעלייה ובירידה. כצפוי, שיא פעילות EMG היה נמוך משמעותית במהלך הליכה בירידה (0.008 ± 0.005 mV) מאשר בעלייה (0.031 ± 0.180 mV, p = 0.005), מה שתומך בתוקפו של המכשיר. האמינות והתאימות הביולוגית של המכשיר נתמכו גם על ידי איתות עקבי במהלך הליכה ברמה לאחר 14 ימים ו -56 ימים לאחר ההשתלה (0.01 ± 0.007 mV, 0.012 ± 0.007 mV בהתאמה; p > 0.05) והיעדר דלקת היסטולוגית. יחד, אנו מספקים זרימת עבודה מעודכנת לייצור ובדיקה של אלקטרודות אפימיסיאליות בעלות נמוכה.
Introduction
אלקטרומיוגרפיה (EMG) היא כלי רב עוצמה לחקר הפעילות החשמלית של השריר. רישומי EMG יכולים להיות שימושיים במיוחד במודלים פרה-קליניים של בעלי חיים כדי להעריך את היעילות של התערבויות לטיפול בתפקוד עצבי-שרירי. במודלים אלה, אלקטרודות ביו-תואמות ביולוגיות מושתלות משמשות בדרך כלל להערכת הממשק הנוירופיזיולוגי בין נוירונים מוטוריים וסיבי שריר. אלקטרודות מושתלות אלה יכולות לספק מדידות מקומיות של עירור שרירים ויכולות להיות מגוונות מבחינת תצורתן, צורתן וחומרן, כאשר העיצוב האופטימלי מוכתב בסופו של דבר על ידי המיקום והשימוש המיועד.
למרות התאמתם להערכת עירור שרירים במודלים פרה-קליניים, השימוש באלקטרודות אפימיסיאליות יכול להיות מוגבל בעלות. כתוצאה מכך, חוקרים רבים משתמשים באלקטרודות אפימיסיאליות מפוברקות בהתאמה אישית המיוצרות בבית. למרות שקיימים משאבים המפרטים את השיקולים הבסיסיים של ייצור, בדיקה ושימוש באלקטרודות 1,2, יש צורך במדריך הדרכה מעודכן המפרט את המקור, הייצור והאימות של אלקטרודות אפימיסיאליות בשיטות מודרניות. בהתבסס על עבודות היסוד של Loeb ו- Gans3 ואחרים בתורת האלקטרודות, אנו מציגים הוראות מודרניות על מיקור וייצור של אלקטרודות אפימיסיאליות בעלות נמוכה ובודקים את ביצועיהן בסדרה של ניסויים ex vivo ו– in vivo. המטרה היא להציע מדריך ידידותי למשתמש עבור אחרים בקהילה המדעית כדי למקור, לייצר ולבדוק אלקטרודות אפימיסיאליות בעלות נמוכה לשימוש בבעלי חיים, המאפשר כימות רחב יותר של עירור שרירים במודלים פרה-קליניים.
בפרוטוקול זה, אנו מספקים מדריך הדרכה למקור, ייצור ובדיקה של אלקטרודות אפימיסיאליות לשימוש בבעלי חיים במעבדה המודרנית לאלקטרופיזיולוגיה. פרמטרים של אלקטרודות שנבחרו לייצור, כגון הצורה, המידות, שטח הפנים במגע, מרחק האינטראלקטרודה, אורך העופרת וכו’, נבחרו כדי להתאים לצרכי הניסוי שלנו והיו דומים לאלקטרודה אפימיסיאלית בתקן מסחרי בתעשייה (ראה טבלת חומרים). אנו מעודדים קבוצות אחרות לשנות פרמטרים אלה כך שיתאימו לצרכיהן, בנוסף לבחירת אלקטרודה אמינה בתקן התעשייה התואמת את מקרה השימוש שלהן.
במאמץ לתת לקוראים תחושה מהירה יחסית של ביצועי אלקטרודות, אנו מספקים גם דוגמה לפרוטוקול בדיקת ex vivo עם אפשרות למדוד עכבת אלקטרודות. בנוסף, אנו נותנים הערכה לדוגמה של ביצועי אלקטרודות in vivo. ניסוי ex vivo השווה את האלקטרודה המיוצרת בהתאמה אישית לסטנדרט בתעשייה באמבט מלח כדי לחקות תנאים פיזיולוגיים יציבים. העכבה הוערכה גם ex vivo באמצעות ספקטרוסקופיית עכבה אלקטרוכימית (EIS). ניסוי in vivo כלל השתלה כירורגית של אלקטרודה מותאמת אישית בשריר vastus lateralis (VL) של נקבת חולדת לונג אוונס בת 16 שבועות (HsdBlu: LE, Envigo) כדי למדוד את אות ה- EMG בתנאים הידועים כמעוררים אות גבוה או נמוך (הליכה בעלייה, במורד). כדי להעריך את אמינות האלקטרודה המותאמת אישית, איתות EMG נרכש במהלך הליכה מפלסית לאחר התאוששות כירורגית מלאה ולפני הקרבה (14 יום ו-56 ימים לאחר ההשתלה, בהתאמה). צביעת Hematoxylin-eosin (H&E) בוצעה על השריר המכשור כדי להעריך את התאימות הביולוגית של האלקטרודה המותאמת אישית.
Protocol
Representative Results
Discussion
מטרתנו הייתה לייעל את תהליך ייצור האלקטרודות האלקטרומגנטיות, לאפשר אימוץ ויישום רחב יותר של עיצובי אלקטרודות אפימיסיאליות, ובכך לקדם נגישות ולקדם מחקר עצבי-שרירי. לשם כך, אנו מציגים מדריך ידידותי למשתמש למיקור, ייצור ובדיקה של אלקטרודות אפימיסיאליות בעלות נמוכה בתוך החברה. בתקווה לתמוך ?…
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
עבודה זו נתמכה על ידי המכון הלאומי לדלקת פרקים ומחלות שרירים ושלד ומחלות עור R01AR081235 (ל L. K. Lepley). המחברים מודים לאנשים הבאים על תרומתם לייצור ולבדיקה של האלקטרודה התואמת ביולוגית שלנו: ג’ואל פינגל, גרנט גולר, אקהיל ראמש, ג’ו לטנר, ג’קי טיאן ורוס ברנקטי.
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
- 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).
.