An Implantable System For Chronic In Vivo Electromyography

David Zealear; Yike Li; Shan Huang

doi:10.3791/60345

JoVE Journal > Neuroscience

Please note that all translations are automatically generated. Click here for the English version.

Neuroscience

Имплантируемая система для хронической в виво-электромиографии

Published: April 21, 2020

doi:

10.3791/60345

David Zealear¹, Yike Li¹, Shan Huang¹

¹Department of Otolaryngology,Vanderbilt University Medical Center

Summary

Здесь представлен протокол для изготовления имплантируемой системы для хронологической записи вызываемых и спонтанных электромиографических потенциалов. Система применяется к исследованию реиннервации ларинговых мышц после травмы нерва.

Abstract

Электромиография (ЕМГ) измеряет мышечную реакцию на электрическую стимуляцию или спонтанную активность моторных агрегатов и играет важную роль в оценке нервно-мышечной функции. Хроническая запись активности ЭМГ, отражающая состояние реиннервации мышц после травмы нерва, была ограничена, из-за инвазивного характера традиционных методов записи ЭМГ. В связи с этим имплантируемая система предназначена для долгосрочной записи In vivo EMG и стимуляции нервов. Он был применен и протестирован в исследовании по реиннервации ларингальных мышц. Эта система состоит из 1) двух биполярных электродов нерва манжеты и приводит для стимулирования каждого из двух нервов: периодические ларингиального нерва (RLN) и внутренней ветви верхнего ларингального нерва (SLN); 2) два EMG записи электродов и приводит для каждой из двух мышц ларинги: задней крикоаритоид (PCA) мышцы и thyroarytenoid-боковой крикоаритоид (TA-LCA) мышечный комплекс; и 3) сосуд кожи, пересекающих все имплантированные свинцовые терминалы с внешним предусилителем записи и стимулятором с помощью кабеля соединения. Провод приводит тефлонового покрытия, мульти-фиплата, типа 316 из нержавеющей стали. Они сверкают и могут растягиваться во время движения тела бодрствуя животного, чтобы предотвратить поломку свинца и миграцию электрода. Эта система имплантируется во время асептической хирургии. После этого, базовые записи ЭМГ выполняются до RLN трансected во второй операции по изучению реиннервации мышц. На протяжении всего исследования, несколько физиологических сессий проводятся в анестезируемом животном, чтобы получить вызванные и спонтанной деятельности ЭМГ, которая отражает состояние ренернервации ларинговых мышц. Система компактна, свободна от инфекции в ходе исследования и очень долговечна. Эта имплантируемая система может обеспечить надежную платформу для исследований, в которых требуется длительная запись или стимуляция нерва в обезображенном или свободно движущемся животном.

Introduction

Запись ЭМГ является полезным методом измерения электрической активности, производимой скелетной мышцей при активации электрической стимуляцией его нерва или спонтанной стрельбой моторных установок. Мониторинг эмг сигналов может быть использован для оценки нервно-мышечной передачи и мышечной биомеханики^1. Запись EMG также играет важную роль в характеристике качества и величины реиннервации мышц после травмы нерва^2,^,³^3,⁴⁴^. Тем не менее, несколько записей ЭМГ в течение всего периода ренерневации не могут быть достигнуты с помощью инвазивного подхода. Таким образом, имплантируемые устройства были разработаны и разработаны для повторной, хронической стимуляции и записи в нервно-мышечных системах⁹^6,^,^7,^,⁸^9,^,^10,^,^11,^,^12,^,¹³. Целью данной работы является описание протокола по изготовлению и имплантации стабильной системы получения надежных хронологических данных ЭМГ из гортани.

Эта система применяется здесь для изучения гортани мышечной ренервации. Краткий обзор гортани предоставляется для ориентации(рисунок 1). Точная координация между сенсорными и двигательными компонентами имеет важное значение для правильного мышечного движения во время дыхания, озвучивания и защиты дыхательных путей. Мышца PCA, расположенная в задней гортани, является единственным похитителем вокальной складки. Эта мышца спонтанно активируется во время вдохновения для увеличения глотальной области для вдыхания. Комплекс TA-LCA является основным аддукторам вокальной складки. Активация этого мышечного комплекса вместе с другим аддуктором (т.е. межаритеноидной мышцей) осредужает складку для производства вибрации и звука и закрывает складку для защиты дыхательных путей во время глотания.

Кроме того, моторные нейронные волокна иннерваты как похитителя, так и аддуктора мышц в RLN. Похититель и аддуктор мышцы можно отличить на основе состава моторного блока¹⁴^,¹⁵. Мышца PCA проявляет увеличение стрельбы во время гиперкапических и / или гипоксических условиях¹⁶ из-за присутствия инспираторных моторных единиц. В отличие от этого, рефлекторные глоттические блоки закрытия (RGC), которые закрывают glottis рефлекторно через активацию сенсорных рецепторов в слизистой части ларинга, присутствует в мышечном комплексе TA-LCA. Внутренняя ветвь верхнего ларингального нерва (SLN) несет афферентные волокна сенсорных рецепторов в гортани¹⁷. Хотя озвучивание в первую очередь функция аддуктора, как похититель и аддуктор моторных подразделений участвуют в этом высокоразвитом поведении ларинги.

Рисунок 1: Анатомия гортани. Компоненты этой имплантируемой системы также отображаются. SLN – превосходный ларингальный нерв; RLN – рецидивирующий ларингальный нерв; PCA – задняя крикоаритеноидная мышца; TA-LCA – тихоритиноидноидно-боковой крикоаритоидный мышечный комплекс; DBS – глубокая стимуляция мозга. Эта цифра была воспроизведена с разрешения Wiley²⁷. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть большую версию этой цифры.

Повреждение RLN может привести к вокальной разпаралич (VFP), который ставит под угрозу как похищение и аддукционные функции из-за гортани мышечной денервации¹⁴^,¹⁸^,¹⁹. Впоследствии, регенерация нервных волокон RLN и reinnervation мышц обычно происходит. Тем не менее, reinnervation является случайным процессом и приводит к неправильной, ненадлежащее воссоединение мышц в большинстве случаев. Это называется синкинез, в котором спонтанная активация похитителя и антагонистов аддуктора является неисправной и производит неэффективное или даже парадоксальное движение вокальных складок¹⁴^,¹⁹^,²⁰^,²¹. При синкинезисе, критическая функция, которая теряется является вокальный склад похищения, в результате чего неадекватная вентиляция. Хотя Есть текущие попытки лечения ларингиального синкинеза либо 1) блокирование глоттического закрытия с Ботокс²²^,²³ или 2) электрически стимулирующих глоттические отверстия с имплантируемым кардиостимулятором²⁴^,²⁵, нет клинического вмешательства, которое надежно предотвращает синкинез²⁶. Тем не менее, есть доказательства того, что электрическое кондиционирование мышцPC во время реиннервации на низкой частоте способствует надлежащей нервно-мышечной воссоединения и сводит к минимуму синкинез от происходящего. В настоящее время проводятся исследования для выяснения основных механизмов².

Основное внимание в этой работе, чтобы описать простую и недорогую имплантируемую систему для хронической стимуляции нерва и записи ЭМГ. Эта система может быть использована для исследования влияния низкочастотного электрического кондиционирования мышцы PCA на специфику ее последующего ренерневации. Сигналы ЭМГ, получаемые этой системой, могут отражать качество и количество ренернеринга ларинговых мышц с течением времени.

Protocol

Это исследование было одобрено институциональным комитетом по уходу за животными и использованию (IACUC) Университета Вандербильта и было проведено в соответствии с Руководством по уходу и использованию лабораторных животных (Национальные институты здравоохранения, Бетесда, Мэриленд). Эта система включает в себя пять имплантируемых компонентов и один внешний кабель. 1. Два биполярного RLN Стимул Электрод манжеты, каждый с парой сулярных проводов свинца и терминала pins Используйте тефлонового покрытия, мульти-фиплант, тип 316 из нержавеющей стали проволоки (с изолированным диаметром 0,0078 ” или 0,198 мм) для каждого манжеты свинца провода. Вырезать 70 см длиной проволоки и свести его в 12 см весной с помощью скручивания устройства или закупить сборных сверкающих приводит. При необходимости протяните пружину, чтобы увеличить ее длину для каждого участка имплантата. Оставьте концы сверкаемых проводов прямо на 3 мм и длине 10 мм и разъясните их. Приспозчатая позолоченная медная женская булавка на 3 мм конце сверкающего свинца. Чтобы подготовить нервную манжету, вырежьте 5 мм сегмент силиконовой трубки (OD 0.156″, ID 0,094″; или OD 3,96 мм, ID 2,39 мм) из рулона трубки. Чтобы вставить свинец в трубку, используйте подкожную иглу 25 G, чтобы пробить трубную стену 1,5 мм от конца и вне центра близко к внутренней стене. Заполните 10 мм конце свинца в кончик иглы. Снимите иглу, чтобы депонетить часть в трубку. Согните назад голый конец провода за пределами трубки и поворот на свинец в точке входа в трубку.ПРИМЕЧАНИЕ: Для выполнения этих шагов используйте операционный микроскоп. Зонд может быть помещен в трубку, чтобы изгибать провод против внутренней стены. Цель состоит в том, чтобы позиционировать голую часть провода так, что стимулы могут быть доставлены в нерв, не рискуя механические повреждения нерва. Вставьте второй свинец 1,5 мм с противоположного конца трубки, используя ту же процедуру. Выровнять точку входа с точкой первого свинца. Проколите стену иглой так, чтобы голая часть провода откладывалась возле внутренней стены напротив первого свинца.ПРИМЕЧАНИЕ: Глядя вниз трубки, два стимула электродо должны сформировать 45 “V” форму, которая будет оседлать нерв один раз на месте и обеспечить текущую доставку через нерв от анода до катода. Сделайте S-образную щель в трубчатой стене напротив точек входа электрода с помощью пары изогнутых ножниц.ПРИМЕЧАНИЕ: Спиральные губы манжеты могут быть открыты, чтобы распоставить нерв внутри между электродами во время операции. Вставьте длину 6-0 монофилата, неабсорбируемый шов в стенку манжеты на каждом конце с помощью изогнутой микрохирургической иглы для возможного обеспечения манжеты вокруг нерва. Применить медицинский тип типа-А силиконовый гель, чтобы восстановить все подвергаются голые провода за манжеты. 2. Два биполярного SLN Стимул Электрод манжеты, каждый с парой сулярных проводов свинца и терминала pins Соберите SLN стимул электрод манжеты так же, как RLN стимул электрод манжеты. Тем не менее, используйте трубку меньшего диаметра (OD 0.125″, ID – 0,062″; или OD – 3,18 мм, ID – 1,57 мм), потому что нерв меньше в диаметре. 3. Два PCA мышцы EMG записи электродов, каждый с корковой провод свинца и терминалpin Pin Соберите свинец для мышечного электрода PCA, как это делается в шаге 1.1. Приспойка женский штифт на свинец, как это делается в шаге 1.2. Вставьте 10 мм конце мышцы PCA свинца в кончик глубокой стимуляции мозга (DBS) электрод, используя ту же стратегию для иглы свинца в манжету (шаг 1.4). Согните конец свинца, чтобы сформировать крючок и обрезать его, чтобы обеспечить в общей сложности 5 мм длина записи.ПРИМЕЧАНИЕ: В этом приложении, мышцы PCA и его ренервантивные нервные терминалы подвергаются электрическому кондиционированию. Стимулы генерируются имплантируемым генератором импульсов (IPG) и доставляются в мышцу ларингичерези через электрод DBS(рисунок 1,всет). Эта система адаптирована от терапевтической стимуляции мозга (например, болезнь Паркинсона). Электрод DBS будет вставлен в субмышечный карман и закреплен на месте. Если технология электрического кондиционирования мышцы не требуется, электрод PCA EMG может быть непосредственно вставлен в мышцу и закреплен крючком. 4. Два TA-LCA мышечный комплекс EMG Запись Электродов, каждый с корковым свинцом провода и терминала Pin Соберите свинец для tA-LCA мышечного электрода, как это делается в шаге 1.1. Приспойка женский штифт на свинец, как это делается в шаге 1.2. Акциз 5 мм х 10 мм прямоугольный кусок триэстера трансплантата. Сделайте отверстие в центре сетки с подкожной иглой 20 G. Введите 10 мм конце свинца в отверстие с дополнительными 3 мм катушки выступающие за отверстие. Прикрепите свинца к сетке с помощью 6-0 монофилом, неабсорбируемого шва.ПРИМЕЧАНИЕ: Этот кусок сетки будет использоваться для крепления электрода привести к щитовидной хряща над мышечным комплексом. Согните конец свинца, чтобы сформировать крючок и обрезать его, чтобы обеспечить в общей сложности 5 мм длина записи. 5. Сосуд для взаимосвязанных соединений между электродами и внешним оборудованием Используйте один ряд женский разъем полосы контактный, чтобы сделать сосуд. Отрежьте 2 части (каждый 17.5 mm в длине) от прокладки, каждое содержащ 8 отверстий штыря. Во-первых, грубой внешней поверхности каждого куска с наждачной бумагой, а затем склеить их вместе с фенол в дым овой капот, чтобы сделать двойной ряд разъем. Поместите разъем в воду 60–80 градусов в дымовой капот в течение 30 минут, чтобы обеспечить затвердевание клея.ПРИМЕЧАНИЕ: Этот формат сборки с двойным рядом обеспечит удобство в назначении пинхолов для лево-правого электродов. Вырежьте 25,6 мм длиной кусок от полосы, чтобы сделать лицо разъема (часть, которая будет выступать за пределами места имплантата для крепления кожи). Вырежьте скальпелем прямоугольное отверстие в середине лица 5,4 мм x 17,4 мм. Поместите разъем с двойным рядом внутри прямоугольного отверстия лицевой панели, пока он не будет покраснел поверхностью лица без выпячиния. Если разъем не вписывается в прямоугольное отверстие лицевого, отверстие может быть слегка увеличено файлом. Поскольку отверстия разъема не симметричны, вставьте край разъема с отверстиями большего диаметра в лицевую панель.ПРИМЕЧАНИЕ: В результате женский штырь, вставленный в противоположный край разъема с отверстием меньшего диаметра, будет щелкать и запираться на месте. Используйте фенол, чтобы склеить разъем и лицевой панели вместе. Поместите сборку в воду 60–80 градусов в дымовой капот в течение 30 минут, чтобы обеспечить затвердевание клея. Просверлите отверстие в 1,3 мм в каждом углу лицевой панели и с каждой стороны лицевой панели на полпути от концов в общей сложности шесть отверстий.ПРИМЕЧАНИЕ: Эти отверстия будут использоваться для шва конечного сосуда кожи на месте имплантата. Вырежьте 15-мм длинную трубку трикотажного триэстера, чтобы окружить сборку под лицевой поверхностью, что делает сборку биосовместимой. Чтобы зафиксировать трубку к сборке, используйте подкожную иглу для резьбы по проводам из нержавеющей стали через стену в трех одинаково расположенных положениях (каждый 3,8 мм друг от друга) по ее длине. Поместите одинаково расположенные выемки в каждом углу разъема, чтобы закрепить провода против поверхности сборки. Твист концы каждого провода с парой плоскогубцев, чтобы подпруга трубку к сборке, чтобы сформировать юбку. Сделайте постоянный след на полиэфирном пластырь енана на одном конце сосуда.ПРИМЕЧАНИЕ: Используйте этот знак для ориентации, чтобы определить ростральный конец сосуда во время операции имплантата. В ростральном к каудальном направлении следующее назначение пин-электрода для каждого из двух рядов (левая сторона и правая сторона) должно быть следующим: PCA EMG, TA-LCA EMG, пустое отверстие, пустое отверстие, анод RLN, катод RLN, анод SLN и катод SLN. 6. Кабель подключения к записи предусилителя и стимулятора ПРИМЕЧАНИЕ: Кабель используется для соединения между имплантированным сосудом кожи и внешним оборудованием во время сеансов стимуляции нервов (разделы 8 и 10). Он состоит из 12 изолированных проводов, прекращающихся мужскими булавками для вставки в женские булавки в сосуд для кожи. Этот кабель состоит из двух частей: eMG записи плагина и нервной стимуляции проводов. Запись плагина необходима для изоляции низкого напряжения EMG сигналов от более высокого напряжения стимул артефактов, излучающих из стимула булавки. По той же причине, два отверстия в каждом ряду сосуда кожи остаются незанятыми, чтобы отделить записи булавки от стимуляции булавки. Чтобы сделать вилку записи EMG, используйте мужской разъем полосы (та же длина и ширина, но половина высоты женского разъема). Разрежьте его на две части, каждая из которых содержит только два отверстия. Прикрепите две части с помощью фенола клей с использованием того же подхода, чтобы сделать двойной ряд разъем в сосуде кожи (шаг 5.1). Возьмите четыре EMG записи проводов в кабеле и вставить их терминал аймечонных мужских булавок в каждом из четырех отверстий, пока они не зафиксировать на месте с советами, выступающими за край полосы. Используйте костный цемент, чтобы запечатать верхнюю часть штепсельной вилки, чтобы изолировать проводные узлы. Используйте оставшиеся восемь проводов в кабеле, прекращающихся в мужских булавках, чтобы сделать индивидуальные соединения с манжетами стимуляции нерва через их женские булавки. 7. Первая имплантация хирургии Получить 1-2-летний, 20-25 кг собачки любого пола с лицензированной фермы. Акклиматизировать животное перед асептическим имплантатом хирургии. Автоклавировать все оборудование перед операцией. Удерживайте пищу на 10-12 ч до операции. Подготовьте животное к операции. Побрить голову и шею животного и очистить кожу с алкоголем и бетадин скраб раствором. Анестезия животного путем внутривенного введения 2-4 мг/кг селетамина и золазепама комбинации, а затем 3% изолюран в кислороде через интубацию. Поместите животное на операционный стол с грелкой в положении на спине и хирургическим путем задрапировать животное. Мониторинг частоты сердечных приступов животных, частоты дыхания, температуры тела и насыщения кислородом, по крайней мере каждые 15 минут на протяжении всей операции, чтобы обеспечить физиологическую стабильность при умеренной плоскости анестезии. Сделайте разрез средней линии шеи от выемки щитовидной железы до манубрия. Вскрыть трахею, свободную от пищевода, и разоблачить нижнюю границу крикоидного хряща. Расположите манжету стимула на каждый из двусторонних SLNs и RLNs. Закройте губы каждой манжеты с помощью закрытых швов. Сделайте окно хряща с бипсией биопсии (4 мм в диаметре) на передней поверхности хряща щитовидной железы с каждой стороны. Выставляют боковые аспекты обоих мышечных комплексов TA-LCA. Вставьте электроды EMG записи в TA-LCA мышечных комплексов с помощью 23 G иглы, вставив колючку в кончик иглы. Шов электрод полиэстера патч на хрящ. Поместите электрод DBS вместе со своим спутником крючком-проводом EMG записи электрода под мышцей PCA с каждой стороны. Используйте эндоскоп, чтобы подтвердить, что стимуляция производит вокальные складки похищения для каждого канала. Якорь электродов DBS к cricoid хряща 4-0 неабсорбируемых швов. Вставьте все провода приводит нервной стимуляции-ЭМГ записи электродов в сосуд через их женские булавки. Нажмите булавки в отверстия с помощью инструмента вставки, вылепленного из гемостата. Печать нижней поверхности сосуда, чтобы изолировать свинцово-контактные соединения с помощью костного цемента. После того, как цемент затвердевает, поместите сосуд на ростральной конце разреза средней линии через кожу и шов его подкожных тканей через полиэфирную юбку. Прикрепите край кожи к соску швами, проходящими через отверстия в лицевой панели.ПРИМЕЧАНИЕ: Одна челюсть гемостата имеет конечную щель, ведущую к отверстием для встречного погружения. Провод свинца может быть расположен через щель в отверстие и встречный раковина размещены против головы штифта. Вторая челюсть расположена на противоположной стороне сосуда. Сжатие гемостата прижимает штифт в соответствующее отверстие сосуда. Сделайте разрез на левой шее, чтобы разоблачить мышцу трапеция. Выполните вскрытие, чтобы сделать субмышечный карман для размещения имплантируемого генератора импульсов. Туннель каждый DBS привести подкожно к разрезу шеи для вставки в IPG. Закройте все хирургические раны швами. Следите за животным внимательно до полного восстановления после операции. Обеспечить послеоперационные анальгетики (например, бупренорфин: 0,01-0,02 мг/кг) обычно для до 48 ч. Администрирование антибиотиков (например, цефподоксим: 10 мг/кг) устно животному в течение не менее 3 дней. Дом животное позолоченно после этого на протяжении всего исследования, и ограничить упражнения в течение 10 дней, чтобы нормальное заживление ран и стабилизации имплантированного устройства.ПРИМЕЧАНИЕ: Сосуд для кожи должен быть очищен ежедневно с тканью совместимый антисептический раствор. Кроме того, манекены мужские булавки должны быть вставлены в женские булавки сосуда кожи обычно, за исключением во время сессий записи ЭМГ. Этот маневр позволит избежать накопления мусора в сосуде, позволит эффективно горечью с внешним кабелем и предотвратит заражение. 8. Нерв стимуляции-EMG Записи сессий на базовом уровне ПРИМЕЧАНИЕ: Выполните эти сеансы 2x-3x после операции по имплантации (раздел 7) и перед операцией по трансекции нерва (раздел 9) для получения исходных сигналов ЭМГ, когда двусторонние RLNs не повреждены. Применить следующий протокол во время стандартной сессии стимуляции нервов -ЭМГ (разделы 8 и 10). Удерживайте пищу перед процедурой в течение 10-12 ч. Анестезируйте животное с помощью плитки и золазепама (первоначальная погрузочная доза 2-4 мг/кг путем внутривенной инъекции, затем поддерживать с 0,4 мг/кг в час через i.v. линию). Поместите животное на грелку в положении на спине и поддерживайте животное в состоянии умеренной анестезии. Мониторинг жизнедеятельности животного во время процедуры, как описано в шаге 7.2. Вставьте нулевой степени жесткий эндоскоп с прикрепленной видеокамерой CCD через ларингоскоп, чтобы визуализировать движение вокальной складки на уровне glottis. Интерфейс внешнего кабеля, который подключается к лабораторному стимулятору и предусилителям ЭМГ, к соску для кожи через вилку и булавки. Подключите выходы из предусилителей к устройству сбора данных и/или осциллоскопу для отображения, записи и измерения сигналов ЭМГ. Доставка стимулов (одноквадратно-волновые импульсы, 0,1-0,5 мс продолжительность, 0,5-2,0 мА амплитуда) влево и вправо RLNs, соответственно, для записи вызвало EMG ответы от двусторонних комплексов TA-LCA и PCA мышц при каждом условии. Доставка стимулов (одноквадратно-волновые импульсы, 0,1-0,5 мс продолжительность, 0,5-2,0 мА амплитуды) в левую и правую SLNs, соответственно, для записи вызвала EMG ответы от двусторонних комплексов TA-LCA и мышц PCA при каждом условии. Доставка CO2 смешивается с комнатным воздухом через рот животного, чтобы вызвать гиперкапнии и увеличить дыхательные усилия животного. Ограничьте воздействие на 1 мин, в течение которого будет происходить максимальный набор инспираторных моторных единиц. Запись спонтанной деятельности ЭМГ комплексов TA-LCA и мышц PCA при этом гиперкапнике. Следите за животным до полного выздоровления после наркоза и верните животное на объект. 9. Вторая хирургия для нервной трансекции и анастомоз Выполните вторую операцию через 10–14 дней после первой операции. Удерживайте пищу на 10-12 ч до операции. Анестезия животного, драпировка и мониторинг жизненно важных веществ внутриоперационно с использованием техники, описанной в шаге 7.2. Снимите швы и откройте разрез средней линии тупым вскрытием, когда это возможно. Избегайте повреждений предыдущей имплантации во время вскрытия. Разоблачить двусторонние RLNs путем вскрытия. Изолировать, трансектировать и анастомоз каждый нерв с 7-0 монофилат, неабсорбируемые швы, чтобы вызвать двусторонний паралич ларингии. Орошать разрез шеи стерильным сольнием и антибиотиком гентамицина. Закройте мышечные и подкожные ткани с помощью 3-0 поглощаемых швов. Закройте кожу 3-0 неабсорбируемыми швами монофиломента. Внимательно следите за животным до полного выздоровления после операции. Обеспечить анальгетики (например, бупренорфин: 0,01-0,02 мг/кг) обычно до 48 ч после операции. Дайте антибиотики (например, цефпоксим: 10 мг/кг) в устной форме животному в течение не менее 3 дней. Ограничьте животное от физических упражнений в течение 10 дней, чтобы нормальное заживление ран. 10. Нерв стимуляции-ЭМГ Записи сессий после двусторонних травм RLN Выполните эти сессии 1x в неделю в течение первых 3 месяцев, а затем раз в две недели после этого. Следуйте протоколу, описанному в разделе 8 для этих сессий.

Representative Results

Примеры компонентов показаны на рисунке 2. Слева направо на рисунке 2A являются манжеты стимула нерва, TA-LCA записи электрода, PCA записи электрода, и сосуд интерфейса кожи, соответственно. Относительный размер этих компонентов можно оценить. Сосуд для кожи(рисунок 2B) имеет два ряда отверстий, в которые вставляются женские булавки в конце каждого сверкаемого провода(рисунок 2D). Они вставляются напротив лицевой панели (стрелка) во время операции имплантации. Сосуд имеет полиэфирную юбку(рисунок 2C),прикрепленную к боковинам разъема. Эта юбка предназначена для крепления сосуда в положении путем инфильтрации соединительной ткани. Каждый тефлоновый покрытием из нержавеющей стали EMG свинца(рисунок 2E) deinsulated (5 мм) на кончике, чтобы сформировать крючок формы электрода для записи мышц. Манжета стимуляции имеет два электрода резьбой против внутренней стенки манжеты. Они разделены расстоянием 2 мм(рисунок 2F)и образуют форму “V”(рисунок 2G),чтобы обеспечить текущую доставку через нерв. Рисунок 2: Компоненты системы имплантатов. (A) Слева направо является нерв стимул манжеты, TA-LCA записи электрода, PCA записи электрода, и сосуд интерфейса кожи, соответственно. (B) Сосуд кожи, показывающий два ряда отверстий. (C) Сосуд, показывающий полиэфирную юбку, прикрепленную к боковинам разъема. (D) Короленная проволока, содержащая женские булавки, которые будут вставлены в B. (E) Тефлоновые покрытием из нержавеющей стали ЭМГ свинца deinsulated (5 мм) на кончике, чтобы сформировать крючок формы электрода для записи мышц. (F) Стимуляция манжеты имеет два электрода резьбой против внутренней стенки манжеты, которые разделены на 2 мм. (G)”V” формирование формы электродов для обеспечения текущей доставки через нерв. Эта цифра была изменена с разрешения27. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть большую версию этой цифры. На рисунке 3 показан имплантированный сосуд для кожи и то, как кабель от внешнего оборудования взаимосвязан с сосудами. Следует отметить, что манекены мужские булавки (не показано) вставляются в женские булавки сосуда, чтобы держать их свободными от мусора между сессиями записи. Рисунок 3: Сосуд кожи и интерфейс кабеля. (A) Имплантированный сосуд кожи на передней шее без манекена мужские булавки показано. (B) Изображение изображает, как стимул контакты и EMG записи штепсельной вилки (стрелка) кабеля от внешнего оборудования интерфейсируется с сосудом во время нервной стимуляции-EMG записи сессии. Эта цифра была изменена с разрешения27. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть большую версию этой цифры. На рисунке 4 показана запись ЭМГ с одной из базовых сессий с нетронутыми RLNs. Рисунок 4: Записи ЭМГ из мышц ларинги с нормальной иннервации. (A) Пример записи из мышцы PCA, где стимуляция RLN производит артефакт стимула (стрелка), а затем большой вызвал потенциал ЭМГ. (B) Пример записи tA-LCA мышечного комплекса, в котором sLN стимуляции производит артефакт стимула (стрелка). Представлено здесь(a)короткая задержка моносинаптической реакции мышц и (б) больше задержки полисинаптических RGC ответ. (C) Вспышки (стрелки) спонтанной активности ЭМГ, записанные из мышцы PCA во время нормального вдохновения. (D) Увеличение активности внушаемого ЭМГ в течение доставки CO2. Эта цифра была изменена с разрешения27. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть большую версию этой цифры. В записи из мышцы PCA (Рисунок 4A), RLN стимуляции производит артефакт стимула (стрелка), а затем большой вызвал EMG потенциал. Максимальные реакции, вызванные RLN, обеспечивают хороший индекс общей величины нормальной иннервации, а также уровень реиннервации после последующего нейрорхафи, независимо от типа моторного блока. Это верно, потому что RLN содержит нервные волокна как inspiratory и рефлекторной глоттической закрытия (RGC) моторных единиц. RLN стимуляции набирает оба типа единиц. Вызывается EMG двигательной единицы деятельности исправляется и интегрированы в течение 20 мс период времени для получения количественного измерения мышечной иннервации. В записи из TA-LCA мышечного комплекса (Рисунок 4B), SLN стимуляции производит стимул артефакт (стрелка). За этим артефактом следует кратковременный моносинаптический мышечный ответ (а) и более длительная полисинаптическая реакция RGC (b). Потенциал (а) является прямым ответом от крикотиреоидной мышцы, потому что эта мышца invated поблизости внешней ветви SLN. Бродячая активация этой ветви обычно происходит во время стимуляции нервной манжеты внутренней ветви, чтобы активировать ответ RGC. Потенциал крикотиреоза фиктиреоза регистрируется электродом TA-LCA, так как эта мышца расположена рядом с комплексом. Предыдущие исследования показали, что потенциал крикотиреоза, вызванный стимуляцией внутренней ветви, может быть выборочно отменен путем раздела внешней ветви SLN (Целер, неопубликованные наблюдения). Максимальные реакции EMG, вызванные SLN, отражают величину естественной иннервации комплекса TA-LCA через сенсорный двигательный путь RGC. До RLN нейрорхафии, нет RGC иннервации мышцы PCA, так что не SLN потенциал должен быть обнаружен из этой мышцы. После нерва transection и ремонт, SLN-вызванные потенциалы отражают количество правильного RGC reinnervation комплекса TA-LCA и неправильное reinnervation RGC мышцы PCA. Активность RGC количественно выяснение и интеграция в течение 20 мс периода времени, чтобы захватить всю форму волны RGC. В (Рисунок 4C), всплески (стрелки) спонтанной активности ЭМГ регистрируются из мышцы PCA во время нормального вдохновения. Эта активность эмг увеличивается в течение доставки CO2, как показано на рисунке 4D (Рисунок 4D) при более медленной скорости развертки. Спонтанная активность PCA EMG дает хорошую оценку величины нормальной иннервации этой мышцы ее оригинальными инспираторными мотонейронами. Существует не вспиранный иннервации комплекса TA-LCA, так что не вспорожние потенциалы должны быть обнаружены из этих мышц. Это потому, что только инспираторные моторные единицы участвуют в похищении голосовой складки при максимальной инспиративной усилия в обезопасительном животном. После нервной траневики и ремонта, спонтанные потенциалы инспирации отражают величину правильного реиннервации мышцы PCA и величину неправильного реинненервации комплекса TA-LCA. Записи инспираторной деятельности ЭМГ усиливаются, исправляются и интегрируются в течение 8-х с течением времени.

Discussion

В этой статье описаны шаги, необходимые в производстве новой, экономичной и имплантируемой системы для стимуляции ларингальных нервов и записи ответов ЭМГ от ларинговых мышц в долгосрочной перспективе. Протокол является несложным и может производить имплантат, который является достаточно компактным, чтобы быть использованы в животных, как малые, как крыса. Следует подчеркнуть несколько важных шагов. Во-первых, свинцовые провода должны быть смонтированы тщательно и равномерно, чтобы предотвратить де-изоляцию свинца, извиваясь или поломки. Если катящаяся машина недоступна, сборные смоченные провода могут быть получены на коммерческой цене. Во-вторых, стратегия вставки свинцовых проводов в силиконовую трубку, чтобы сформировать “V”, который колеблется нерв имеет решающее значение для содействия текущей доставки через нерв внутри манжеты. Если обе провода расположены на одной стороне трубки, может произойти шунтирование тока между электродами. Важно также, что приводит расположены против трубки внутренней стенки, чтобы избежать возможности ломтик травмы нерва.

В-третьих, во время операции по имплантации, ларингиальные нервы должны быть тщательно вскрыты, чтобы предотвратить повреждение. На более поздней стадии имплантации, при вставке булавок в сосуд, сила должна быть применена к штырю в выравнивании к его отверстию, чтобы предотвратить внезапное изгиб головы штифта. Впоследствии костной цемент следует тщательно распределить по дну сосуда для полной изоляции и профилактики перекрестного разговора между каналами. Наконец, профилактика инфекции имеет решающее значение для обеспечения целостности системы имплантатов с течением времени. Это может быть достигнуто путем сочетания нескольких маневров: добавление юбки в сосуд, введение антибиотиков, ежедневная очистка раны и сосуда с тканью совместимый антисептический раствор, и размещение манекен мужской булавки в женские булавки сосуда, чтобы держать их чистыми от мусора между сессиями.

Протокол был доказан успешным в этой модели гортани собаки. Тем не менее, некоторые изменения или альтернативные стратегии могут быть рассмотрены для других приложений. Например, обезвреженные зондирующие наконечники электродов PCA и TA-LCA EMG закреплены в мышцах внешними средствами – либо полиэфирным трансплантатом, либо электродом DBS. В приложении, в котором внешний якорь не нужен или выполняется, колючка электрода сама по себе может служить в качестве якоря. В таком случае, тефлоновых покрытием, нержавеющей стали, монофиламента проволоки может быть предпочтительнее мультифилеплата проволоки в виду его большей прочности растяжения, обеспечивая колючка, которая является более стабильной в ткани. Однако следует отметить, что провода с мультифилепламентом могут быть менее подвержены поломке. Альтернативной стратегией изготовления и сборки сосуда для кожи является 3D-печать с использованием биосовместимых полимеров (например, MED610 от Stratasys). Это может упростить производственный процесс.

После операции по имплантации и восстановлению животного, физиологические сеансы проводятся с RLNs по-прежнему нетронутыми для получения исходных данных. Во время сеанса, отсутствие сигналов ЭМГ от ларинговой мышцы может произойти после стимуляции RLN. Для того, чтобы устранить причину(Таблица 1), следует сначала определить, является ли движение голосовой складки присутствует. Если он присутствует, это означает, что нерв эффективно активируется манжетой, но есть проблема с свинцом ЭМГ. В этой ситуации, пользователи должны дополнительно взглянуть на артефакт стимула EMG. Если артефакт ЭМГ отсутствует, вероятно, будет разрыв в входе ЭМГ в предусилитель. Шестьдесят цикл шума также будет присутствовать и большой в амплитуде. Если артефакт большой, шунтирование от контакта стимула до значкя записи может быть ответственным за насыщение предусилителя канала и уничтожение ответа EMG. Если артефакт в норме, то свинец ЭМГ, скорее всего, вывихнул мышцу и не может обнаружить его активность. С другой стороны, если движение голосовой складки отсутствует, то нерв не активируется. Если артефакт отсутствует, может быть разрыв в цепи стимуляции, предотвращая активацию нерва. Если артефакт кажется нормальным, нерв, возможно, был ранен во время операции имплантата или манжеты, возможно, мигрировали от нерва. Аналогичная стратегия может быть применена для устранения неполадок причины отсутствующих сигналов ЭМГ во время стимуляции SLN.

Стимулированный нерв	Целевая мышца (ы)	Ipsilateral голосовое движение складки	Артефакт стимула	Причины
RLN	PCA и/или TA-LCA	Да	Отсутствует (60-цикл шума настоящее время)	Разрыв в входе ЕМГ в преусилитель (например, свинец, штифт, кабель);
			Большой	Перекрестный разговор между штилем и записывающими штырями в сосуде
			Нормальной	Вывих электрода ЭМГ
		Нет	Отсутствует	Прекращение в цепи стимуляции
		Нет	Нормальной	1. Травма RLN; 2. Вывихман манжеты
Sln	TA-LCA	Да	Отсутствует (60-цикл шума настоящее время)	Разрыв в входе ЕМГ в преусилитель (например, свинец, штифт, кабель);
			Большой	Перекрестный разговор между штилем и записывающими штырями в сосуде
			Нормальной	Вывих электрода ЭМГ
		Нет	Отсутствует	Прекращение в цепи стимуляции
		Нет	Нормальной	1. Травма SLN или RLN; 2. Вывихман манжеты

Таблица 1: Руководство по устранению неполадок.

Следует отметить, что в нынешнем применении этой технологии существуют два незначительных ограничения. Во-первых, внезапное изгиб женской булавки во время вставки в сосуд произошел в нескольких случаях. К счастью, булавки можно выпрямить и вставить в свои отверстия успешно. Если повреждение штыря непоправимо, свинец и весь его компонент должны быть заменены. Таким образом, резервные компоненты должны быть легко доступны до операции. Во-вторых, время, необходимое для завершения хирургической имплантации, является длительным (10 ч). Длительная продолжительность частично отражает большое количество компонентов стимуляции и перекодирования, необходимых для этого исследования: четыре нерва, четыре мышцы, сосуд и IPG. Если с помощью этой технологии требуется меньше компонентов, время имплантации должно быть значительно сокращено (например, модель крысиного языка^28).

Этот технологический подход вводит несколько функций, которые имеют преимущество перед существующими методами. Скручивание свинцовых проводов является самой новой и важной особенностью этой системы. Смоделированные приводит обычно не доступны для некоммерческих экспериментов животных, несмотря на многие преимущества, которые они предоставляют. Во время имплантации сверканный свинец может быть расширен до нужной длины. Кроме того, он будет растягиваться в бодрствования, движущихся животных для предотвращения дислокации электрода кончик или пролом провода после имплантации. Эта функция обеспечивает долговечность имплантата и стабильную стимуляцию нерва и запись мышц в долгосрочной перспективе. Кроме того, добавление ткани совместимыюбки юбки вокруг сосуда предотвращает воздействие раны на это инородное тело и способствует нормальному фиброзу и заживление ран в отсутствие инфекции. Предыдущие исследования без этой юбки привели к ранней инфекции и преждевременному прекращению эксперимента. Наконец, эта система имплантатов компактна и многоканальной, что позволяет эффективно едать данные от многочисленных нервно-мышечных структур в животных моделях различных размеров.

Этот технический подход был адаптирован и успешно переведен на крысиную модель. Это исследование было разработано для исследования влияния электрического кондиционирования в предотвращении атрофии мышц языка и дисфункции у стареющей крысы. Гипоглоссальные нервы были имплантированы с электродами манжеты для кондиционирования и язык имплантированных с EMG записи электродов²⁸. Эта технология также может быть использована в других исследовательских приложениях. Как расширение текущего протокола в гортани, эффекты электрического кондиционирования на содействие селективной ренерневации в настоящее время изучается в мышцах лица кролика. Это исследование может заложить основу для профилактики лицевого синкинеза у пациентов с параличом Белла, общее и изнурительное заболевание. Окончательный потенциальный использование этой технологии заключается в стимулировании и записи от бодрствования, свободно движущихся животных. В настоящее время такие данные получены по внешнему кабелю от бодрствуют, безудержными крысами^28. В будущем эта экономичная система может также сочетаться с технологией дистанционной записи-стимуляции (например, телеметрия) для активации или зондирования нервно-мышечных систем по беспроводной сети.

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

Авторы благодарят д-ра Хунмэй Ву за ее вклад в уход за животными и сбор данных на протяжении всего исследования. Мы благодарим Эми Нанналли, Джейми Адкок и Фила Уильямса за помощь в стерильных операциях. Неоценимые знания и самоотверженность сотрудников фонда по уходу за животными Университета Вандербильта были неоценимы. Это исследование было поддержано грантом NIH U01DC016033.

Materials

20 G x 1" Gauge hypodermic needle	BD	305175
23 G x 1" Gauge hypodermic needle	BD	305145
25 G x 1" Gauge hypodermic needle	BD	305125
3-0 absorbable sutures, COATED VICRYL	Ethicon	J219H
3-0 monofilament, nonabsorbable sutures, Prolene	Ethicon	8684G
4-0 monofilament, nonabsorbable sutures, Prolene	Ethicon	8871H
6-0 monofilament, nonabsorbable taper needle suture, Prolene	Ethicon	8805
7-0 monofilament, nonabsorbable sutures, Prolene	Ethicon	M8735
Adhesive silicone solvent-Hexamethydisiloxane 98%	ACROS	code 194790100	for dilution of modical adhesive silicone
Bone cement	Zimmer	1102-16	20g powder 10ml liquid
Buprenorphine (Buprenex, ampules of 1ml)	Reckitt Benckiser Healthcare (UK) Ltd	12496-0757-1
CCD video camera attached to the endoscope	Sony	MCC500MD
Cefpodoxime (Simplicef 100mg tablets)	Zoetis	5228
Data acquisition device , PowerLab 16/35	ADInstruments, Inc	5761-E
Deep-brain stimulation (DBS) electrodes	Abbott	6172ANS
Digital oscilloscope	Tektronix	DPO71304SX
Implantable pulse generator (IPG), Infinity	Abbott	6660ANS
Knitted polyester graft	Meadox Medical Inc	92220	20mm in diameter
Medical Grade Polyethylene Micro Tubing	Amazon.com	BB31695-PE/13-10	OD 0.156", ID 0.094"
Metal female pin	Allied Electronics & Automation	220-S02-100
Metal male pin	CDM electronics	220-p02-1
Prefabricated coiled leads	Medical innovations Inc.
Silastic Laboratory Tubing	Cole-Parmer	2415569	OD 0.125", ID 0.062"
Silastic Medical Adhesive Silicone	Dow corning	Type A, 2 oz
Stainless steel monofilament wire	The Harris Products Group	type 316	0.008" (coated), 0.005" (bare)
Sterile Disposable Biopsy Punch (4mm)	Sklar Instruments	96-1146
Strip connector	CDM electronics	2.6 x 11.6 x 101.5 mm	single row, round, through hole
Teflon-coated multi-filament stainless steel wire	Medwire	Part 316, ss7/44T
Tiletamine and Zolazepam combination, Telazol – 5mL	Zoetis	004866
Tissue-compatible antiseptic solution, Nolvasan – 1 Gal.	Zoetis	540561
Zero-degree rigid endoscope	Karl Storz	8712AA

References

Electromyography. Wikipedia, The Free Encyclopedia Available from: https://en.wikipedia.org/wiki/Electromyography (2019)
Zealear, D. L., et al. Stimulation of denervated muscle promotes selective reinnervation, prevents synkinesis, and restores function. The Laryngoscope. 124 (5), 180-187 (2014).
Gaweł, M. Electrodiagnostics: MUNE and MUNIX as methods of estimating the number of motor units – biomarkers in lower motor neurone disease. Neurologia i neurochirurgia polska. 53 (4), 251-257 (2019).
Foerster, G., Mueller, A. H. Laryngeal EMG: Preferential damage of the posterior cricoarytenoid muscle branches especially in iatrogenic recurrent laryngeal nerve lesions. Laryngoscope. 128 (5), 1152-1156 (2018).
Lin, R. J., Smith, L. J., Munin, M. C., Sridharan, S., Rosen, C. A. Innervation status in chronic vocal fold paralysis and implications for laryngeal reinnervation. Laryngoscope. 128 (7), 1628-1633 (2018).
Koh, T. J., Leonard, T. R. An implantable electrical interface for in vivo studies of the neuromuscular system. Journal of Neuroscience Methods. 70 (1), 27-32 (1996).
Grimonprez, A., et al. A Preclinical Study of Laryngeal Motor-Evoked Potentials as a Marker Vagus Nerve Activation. International Journal of Neural Systems. 25 (8), 1550034 (2015).
Haidar, Y. M., et al. Selective recurrent laryngeal nerve stimulation using a penetrating electrode array in the feline model. The Laryngoscope. 128 (7), 1606-1614 (2018).
Kneisz, L., Unger, E., Lanmüller, H., Mayr, W. In Vitro Testing of an Implantable Wireless Telemetry System for Long-Term Electromyography Recordings in Large Animals. Artificial Organs. 39 (10), 897-902 (2015).
Inzelberg, L., Rand, D., Steinberg, S., David-Pur, M., Hanein, Y. A Wearable High-Resolution Facial Electromyography for Long Term Recordings in Freely Behaving Humans. Scientific Reports. 8 (1), (2018).
Horn, K. M., Pong, M., Batni, S. R., Levy, S. M., Gibson, A. R. Functional specialization within the cat red nucleus. Journal of Neurophysiology. 87 (1), 469-477 (2002).
Larson, C. R., Kistler, M. K. The relationship of periaqueductal gray neurons to vocalization and laryngeal EMG in the behaving monkey. Experimental Brain Research. 63 (3), 596-606 (1986).
Zealear, D., Larson, C. A Microelectrode Study of Laryngeal Motoneurons in the Nucleus Ambiguus of the Awake Vocalizing Monkey. Vocal Fold Physiology Volume. 2, 229-238 (1988).
Zealear, D. L., Billante, C. R. Neurophysiology of vocal fold paralysis. Otolaryngologic Clinics of North America. 37 (1), 1-23 (2004).
Zealear, D. L., et al. Electrical Stimulation of a Denervated Muscle Promotes Selective Reinnervation by Native Over Foreign Motoneurons. Journal of Neurophysiology. 87 (4), 2195-2199 (2002).
Insalaco, G., Kuna, S. T., Cibella, F., Villeponteaux, R. D. Thyroarytenoid muscle activity during hypoxia, hypercapnia, and voluntary hyperventilation in humans. Journal of Applied Physiology. 69 (1), 268-273 (1990).
Ludlow, C. L., Van Pelt, F., Koda, J. Characteristics of Late Responses to Superior Laryngeal Nerve Stimulation in Humans. Annals of Otology, Rhinology & Laryngology. 101 (2), 127-134 (1992).
Li, Y., et al. Comparison of Ventilation and Voice Outcomes between Unilateral Laryngeal Pacing and Unilateral Cordotomy for the Treatment of Bilateral Vocal Fold Paralysis. ORL. 75 (2), 68-73 (2013).
Mueller, A. H. Laryngeal pacing for bilateral vocal fold immobility. Current Opinion in Otolaryngology & Head and Neck Surgery. 19 (6), 439-443 (2011).
Crumley, R. L. Laryngeal Synkinesis Revisited. Annals of Otology, Rhinology & Laryngology. 109 (4), 365-371 (2000).
Hydman, J., Mattsson, P. Collateral reinnervation by the superior laryngeal nerve after recurrent laryngeal nerve injury. Muscle & Nerve. 38 (4), 1280-1289 (2008).
Marie, J. P., Navarre, I., Lerosey, Y., Magnier, P., Dehesdin, D., Andrieu Guitrancourt, J. Bilateral laryngeal movement disorder and synkinesia: value of botulism toxin. Apropos of a case. Rev Laryngol Otol Rhinol (Bord). 119 (4), 261-264 (1998).
Zealear, D. L., Billante, C. R., Sant’anna, G. D., Courey, M. S., Netterville, J. L. Electrically stimulated glottal opening combined with adductor muscle botox blockade restores both ventilation and voice in a patient with bilateral laryngeal paralysis. Annals of Otology, Rhinology and Laryngology. 111 (6), 500-506 (2002).
Zealear, D. L., et al. Reanimation of the paralyzed human larynx with an implantable electrical stimulation device. Laryngoscope. 113 (7), 1149-1156 (2003).
Mueller, A. H., et al. Laryngeal pacing via an implantable stimulator for the rehabilitation of subjects suffering from bilateral vocal fold paralysis: A prospective first-in-human study. Laryngoscope. 126 (8), 1810-1816 (2016).
Li, Y., Garrett, G., Zealear, D. Current Treatment Options for Bilateral Vocal Fold Paralysis: A State-of-the-Art Review. Clinical and Experimental Otorhinolaryngology. 10 (3), 203-212 (2017).
Li, Y., Huang, S., Zealear, D. An implantable system for In Vivo chronic electromyographic study in the larynx. Muscle & Nerve. 55 (5), 706-714 (2017).
Connor, N. P., et al. Tongue muscle plasticity following hypoglossal nerve stimulation in aged rats. Muscle & Nerve. 47 (2), 230-240 (2013).

Play Video

PDF

DOI

DOWNLOAD MATERIALS LIST

Cite This Article

Zealear, D., Li, Y., Huang, S. An Implantable System For Chronic In Vivo Electromyography. J. Vis. Exp. (158), e60345, doi:10.3791/60345 (2020).

Automatically Generated