Développement d’une électrode d’électromyographie épimysiale à faible coût : un flux de travail simplifié pour la fabrication et les tests
Summary
Notre objectif était de fournir un guide mis à jour et facile à suivre sur la fabrication et les tests d’électrodes d’électromyographie épimysiale. À cette fin, nous fournissons des instructions pour l’approvisionnement en matériaux et une présentation détaillée du processus de fabrication et de test.
Abstract
L’électromyographie (EMG) est un outil de diagnostic précieux pour détecter les anomalies neuromusculaires. Les électrodes épimysiales implantables sont couramment utilisées pour mesurer les signaux EMG dans les modèles précliniques. Bien qu’il existe des ressources classiques décrivant les principes de la fabrication des électrodes épimysiales, il existe une rareté d’informations illustratives traduisant la théorie des électrodes en pratique. Pour remédier à cela, nous fournissons un guide mis à jour et facile à suivre sur la fabrication et le test d’une électrode épimysiale à faible coût.
Les électrodes ont été fabriquées en pliant et en insérant deux feuilles de platine-iridium dans une base en silicone prédécoupée pour former les surfaces de contact. Ensuite, des fils d’acier inoxydable revêtus ont été soudés à chaque surface de contact pour former les fils d’électrode. Enfin, un mélange de silicone a été utilisé pour sceller l’électrode. Des tests ex vivo ont été effectués pour comparer notre électrode fabriquée sur mesure à une électrode standard de l’industrie dans un bain salin, où des niveaux élevés d’accord du signal (sinus [corrélation intraclasse – ICC = 0,993], carré [ICC = 0,995], triangle [ICC = 0,958]) et temporel synchronisé (sinus [r = 0,987], carré [r = 0,990], triangle [r = 0,931]) ont été trouvés dans toutes les formes d’onde. De faibles niveaux d’impédance d’électrode ont également été quantifiés par spectroscopie d’impédance électrochimique.
Une évaluation de la performance in vivo a également été réalisée où le muscle vaste latéral d’un rat a été instrumenté chirurgicalement avec l’électrode fabriquée sur mesure et la signalisation a été acquise pendant la marche en montée et en descente. Comme prévu, l’activité maximale de l’EMG était significativement plus faible pendant la marche en descente (0,008 ± 0,005 mV) qu’en montée (0,031 ± 0,180 mV, p = 0,005), ce qui confirme la validité de l’appareil. La fiabilité et la biocompatibilité du dispositif ont également été soutenues par une signalisation cohérente pendant la marche horizontale à 14 jours et 56 jours après l’implantation (0,01 ± 0,007 mV, 0,012 ± 0,007 mV respectivement ; p > 0,05) et l’absence d’inflammation histologique. Collectivement, nous fournissons un flux de travail mis à jour pour la fabrication et le test d’électrodes épimysiales à faible coût.
Introduction
L’électromyographie (EMG) est un outil puissant pour étudier l’activité électrique du muscle. Les enregistrements EMG peuvent être particulièrement utiles dans les modèles animaux précliniques pour évaluer l’efficacité des interventions visant à traiter le dysfonctionnement neuromusculaire. Dans ces modèles, des électrodes biocompatibles implantables sont couramment utilisées pour évaluer l’interface neurophysiologique entre les motoneurones et les fibres musculaires. Ces électrodes implantables peuvent fournir des mesures localisées de l’excitation musculaire et peuvent être diverses en termes de configuration, de forme et de matériau, la conception optimale étant finalement dictée par l’emplacement et l’utilisation prévue.
Malgré leur aptitude à évaluer l’excitation musculaire dans des modèles précliniques, l’utilisation d’électrodes épimysiales peut être limitée par le coût. Par conséquent, de nombreux chercheurs utilisent des électrodes épimysiales fabriquées sur mesure qui sont produites en interne. Bien qu’il existe des ressources détaillant les considérations fondamentales de la fabrication, de l’essai et de l’utilisation des électrodes 1,2, il est nécessaire de disposer d’un guide d’instruction mis à jour détaillant l’approvisionnement, la fabrication et la validation des électrodes épimysiales à l’aide de méthodes modernes. S’appuyant sur les travaux fondamentaux de Loeb et Gans3 et d’autres en théorie des électrodes, nous présentons des instructions modernes sur l’approvisionnement et la fabrication d’électrodes épimysiales à faible coût et testons leurs performances dans une série d’expériences ex vivo et in vivo. L’objectif est d’offrir un guide convivial à d’autres membres de la communauté scientifique pour trouver, fabriquer et tester en interne des électrodes épimysiales à faible coût à usage animal, permettant une quantification plus large de l’excitation musculaire dans des modèles précliniques.
Dans ce protocole, nous fournissons un guide pédagogique sur l’approvisionnement, la fabrication et les tests d’électrodes épimysiales à usage animal dans le laboratoire d’électrophysiologie moderne. Les paramètres d’électrode choisis pour la fabrication, tels que la forme, les dimensions, la surface de contact, la distance entre électrodes, la longueur du câble, etc., ont été sélectionnés pour répondre à nos besoins expérimentaux et étaient comparables à une électrode épimysiale standard de l’industrie disponible dans le commerce (voir le tableau des matériaux). Nous encourageons d’autres groupes à modifier ces paramètres en fonction de leurs besoins, en plus de choisir une électrode standard fiable qui correspond à leur cas d’utilisation.
Dans le but de donner aux lecteurs une idée relativement rapide des performances des électrodes, nous fournissons également un exemple de protocole de test ex vivo avec la possibilité de mesurer l’impédance des électrodes. De plus, nous donnons un exemple d’évaluation des performances des électrodes in vivo. L’expérience ex vivo a comparé l’électrode fabriquée sur mesure à une norme industrielle dans un bain salin pour imiter des conditions physiologiques stables. L’impédance a également été évaluée ex vivo par spectroscopie d’impédance électrochimique (EIS). L’expérience in vivo a consisté en l’implantation chirurgicale de l’électrode fabriquée sur mesure dans le muscle vaste latéral (VL) d’un rat Long Evans femelle de 16 semaines (HsdBlu : LE, Envigo) pour mesurer le signal EMG dans des conditions connues pour susciter un signal haut ou bas (marche en montée, en descente). Pour évaluer la fiabilité de l’électrode fabriquée sur mesure, la signalisation EMG a été acquise pendant la marche à niveau après une récupération chirurgicale complète et avant le sacrifice (14 jours et 56 jours après l’implantation, respectivement). Une coloration à l’hématoxyline-éosine (H&E) a été effectuée sur le muscle instrumenté afin d’évaluer la biocompatibilité de l’électrode fabriquée sur mesure.
Protocol
Representative Results
Discussion
Notre objectif était de rationaliser le processus de fabrication de l’EMG, en permettant une adoption et une mise en œuvre plus larges de conceptions d’électrodes épimysiales, favorisant ainsi l’accessibilité et faisant progresser la recherche neuromusculaire. À cette fin, nous présentons un guide convivial pour l’approvisionnement, la fabrication et le test d’électrodes épimysiales à faible coût en interne. Dans l’espoir de soutenir d’autres groupes de recherche, nous fournissons également des …
Declarações
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Ce travail a été soutenu par la subvention R01AR081235 de l’Institut national de l’arthrite et des maladies musculo-squelettiques et cutanées (à L. K. Lepley). Les auteurs remercient les personnes suivantes pour leur contribution à la fabrication et aux tests de notre électrode biocompatible : Joel Pingel, Grant Gueller, Akhil Ramesh, Joe Letner, Jacky Tian et 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 |
Referências
- 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).
.