تطوير قطب كهربائي منخفض التكلفة لتخطيط كهربية العضل: سير عمل مبسط للتصنيع والاختبار
Summary
كان هدفنا هو توفير دليل محدث وسهل المتابعة حول تصنيع واختبار أقطاب تخطيط كهربية العضل. تحقيقا لهذه الغاية ، نقدم تعليمات لمصادر المواد وإرشادات مفصلة لعملية التصنيع والاختبار.
Abstract
تخطيط كهربية العضل (EMG) هو أداة تشخيصية قيمة للكشف عن التشوهات العصبية العضلية. تستخدم الأقطاب الكهربائية القابلة للزرع بشكل شائع لقياس إشارات EMG في النماذج قبل السريرية. على الرغم من وجود موارد كلاسيكية تصف مبادئ تصنيع القطب الكهربائي ، إلا أن هناك ندرة في المعلومات التوضيحية التي تترجم نظرية القطب إلى ممارسة. لعلاج هذا ، نقدم دليلا محدثا وسهل المتابعة حول تصنيع واختبار قطب كهربائي منخفض التكلفة.
تم تصنيع الأقطاب الكهربائية عن طريق طي وإدخال رقاقتين من البلاتين والإيريديوم في قاعدة سيليكون مقطوعة مسبقا لتشكيل الأسطح الملامسة. بعد ذلك ، تم لحام أسلاك الفولاذ المقاوم للصدأ المطلية بكل سطح تلامس لتشكيل أسلاك القطب. أخيرا ، تم استخدام خليط سيليكون لإغلاق القطب. تم إجراء اختبار خارج الجسم الحي لمقارنة قطبنا الكهربائي المصنع خصيصا بقطب قياسي صناعي في حمام ملحي ، حيث تم العثور على مستويات عالية من اتفاق الإشارة (جيب [الارتباط داخل الفئة – ICC = 0.993] ، مربع [ICC = 0.995] ، مثلث [ICC = 0.958]) ، والتزامن الزمني (جيب [r = 0.987] ، مربع [r = 0.990] ، مثلث [r = 0.931]) عبر جميع أشكال الموجة. كما تم قياس المستويات المنخفضة من مقاومة القطب عن طريق التحليل الطيفي للمعاوقة الكهروكيميائية.
كما تم إجراء تقييم للأداء في الجسم الحي حيث تم استخدام العضلة الوعائية الجانبية للفأر جراحيا باستخدام القطب الكهربائي المصنع خصيصا وتم الحصول على الإشارات أثناء المشي صعودا وهبوطا. كما هو متوقع ، كان نشاط EMG الذروة أقل بكثير أثناء المشي على المنحدرات (0.008 ± 0.005 مللي فولت) من الصعود (0.031 ± 0.180 مللي فولت ، p = 0.005) ، مما يدعم صلاحية الجهاز. كما تم دعم موثوقية الجهاز وتوافقه الحيوي من خلال الإشارات المتسقة أثناء المشي على المستوى في 14 يوما و 56 يوما بعد الزرع (0.01 ± 0.007 مللي فولت ، 0.012 ± 0.007 مللي فولت على التوالي ؛ p > 0.05) وغياب الالتهاب النسيجي. بشكل جماعي ، نقدم سير عمل محدث لتصنيع واختبار أقطاب إبيميسية منخفضة التكلفة.
Introduction
تخطيط كهربية العضل (EMG) هو أداة قوية لدراسة النشاط الكهربائي للعضلات. يمكن أن تكون تسجيلات EMG مفيدة بشكل خاص في النماذج الحيوانية قبل السريرية لتقييم فعالية التدخلات لعلاج الخلل العصبي العضلي. في هذه النماذج ، تستخدم الأقطاب الكهربائية المتوافقة حيويا القابلة للزرع بشكل شائع لتقييم الواجهة الفسيولوجية العصبية بين الخلايا العصبية الحركية والألياف العضلية. يمكن أن توفر هذه الأقطاب الكهربائية القابلة للزرع قياسات موضعية لإثارة العضلات ويمكن أن تكون متنوعة من حيث تكوينها وشكلها وموادها ، مع التصميم الأمثل الذي يمليه الموقع والاستخدام المقصود في النهاية.
على الرغم من ملاءمتها لتقييم إثارة العضلات في النماذج قبل السريرية ، يمكن أن يكون استخدام الأقطاب الكهربائية epimysial محدودا بالتكلفة. نتيجة لذلك ، يستخدم العديد من الباحثين أقطاب كهربائية ملفقة حسب الطلب يتم إنتاجها داخليا. على الرغم من وجود موارد توضح بالتفصيل الاعتبارات الأساسية لتصنيع الأقطاب الكهربائية واختبارها واستخدامها1،2 ، إلا أن هناك حاجة إلى دليل تعليمي محدث يوضح بالتفصيل مصادر الأقطاب الكهربائية وتصنيعها والتحقق من صحتها باستخدام الأساليب الحديثة. استنادا إلى الأعمال التأسيسية ل Loeb و Gans3 وآخرين في نظرية الأقطاب الكهربائية ، نقدم تعليمات حديثة حول مصادر وتصنيع أقطاب إبيميسية منخفضة التكلفة واختبار أدائها في سلسلة من التجارب خارج الجسم الحي وفي الجسم الحي . والهدف من ذلك هو تقديم دليل سهل الاستخدام للآخرين في المجتمع العلمي لمصدر وتصنيع واختبار أقطاب كهربائية داخلية منخفضة التكلفة للاستخدام الحيواني ، مما يتيح القياس الكمي الأوسع لإثارة العضلات في النماذج قبل السريرية.
في هذا البروتوكول ، نقدم دليلا إرشاديا لتحديد مصادر وتصنيع واختبار الأقطاب الكهربائية للاستخدام الحيواني في مختبر الفيزيولوجيا الكهربية الحديث. تم اختيار معلمات القطب الكهربائي المختارة للتصنيع ، مثل الشكل والأبعاد ومساحة سطح التلامس والمسافة بين الأقطاب الكهربائية وطول الرصاص وما إلى ذلك ، لتناسب احتياجاتنا التجريبية وكانت قابلة للمقارنة مع قطب كهربائي قياسي متاح تجاريا (انظر جدول المواد). نحن نشجع المجموعات الأخرى على تعديل هذه المعلمات لتناسب احتياجاتهم بالإضافة إلى اختيار قطب كهربائي قياسي موثوق به في الصناعة يطابق حالة الاستخدام الخاصة بهم.
في محاولة لإعطاء القراء إحساسا سريعا نسبيا بأداء القطب ، نقدم أيضا مثالا على بروتوكول اختبار خارج الجسم الحي مع خيار قياس مقاومة القطب الكهربائي. بالإضافة إلى ذلك ، نقدم مثالا على تقييم أداء القطب في الجسم الحي. قارنت التجربة خارج الجسم الحي القطب الكهربائي المصنع خصيصا بمعيار صناعي في حمام ملحي لتقليد الظروف الفسيولوجية المستقرة. كما تم تقييم المعاوقة خارج الجسم الحي عبر التحليل الطيفي للمعاوقة الكهروكيميائية (EIS). تألفت التجربة في الجسم الحي من الزرع الجراحي للقطب الكهربائي المصنع خصيصا في عضلة الأوعية الجانبية (VL) لأنثى فأر Long Evans البالغة من العمر 16 أسبوعا (HsdBlu: LE ، Envigo) لقياس إشارة EMG خلال الظروف المعروفة باستنباط إشارة عالية أو منخفضة (صعودا ، نزولا على المنحدرات). لتقييم موثوقية القطب الكهربائي المصنع خصيصا ، تم الحصول على إشارات EMG أثناء المشي على مستوى بعد الشفاء الجراحي الكامل وقبل التضحية (14 يوما و 56 يوما بعد الزرع ، على التوالي). تم إجراء تلطيخ الهيماتوكسيلين-يوزين (H&E) على العضلات المزودة بأجهزة لتقييم التوافق الحيوي للقطب الكهربائي المصنع خصيصا.
Protocol
Representative Results
Discussion
كان هدفنا هو تبسيط عملية تصنيع EMG ، مما يتيح اعتماد وتنفيذ تصميمات الأقطاب الكهربائية على نطاق أوسع ، وبالتالي تعزيز إمكانية الوصول ، وتطوير البحوث العصبية العضلية. تحقيقا لهذه الغاية ، نقدم دليلا سهل الاستخدام لتحديد مصادر وتصنيع واختبار الأقطاب الكهربائية منخفضة الت?…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
تم دعم هذا العمل من قبل المعهد الوطني لالتهاب المفاصل وأمراض الجهاز العضلي الهيكلي والأمراض الجلدية R01AR081235 (إلى L. K. Lepley). يشكر المؤلفون الأفراد التالية أسماؤهم على مساهمتهم في تصنيع واختبار قطبنا المتوافق حيويا: جويل بينجل ، جرانت جيلر ، أخيل راميش ، جو ليتنر ، جاكي تيان ، وروس برانكاتي.
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).
