Ontwikkeling van een goedkope epimysiale elektromyografie-elektrode: een vereenvoudigde workflow voor fabricage en testen
Summary
Ons doel was om een bijgewerkte, gemakkelijk te volgen gids te bieden voor de fabricage en het testen van epimysiale elektromyografie-elektroden. Daartoe geven we instructies voor de inkoop van materialen en een gedetailleerde doorloop van het fabricage- en testproces.
Abstract
Elektromyografie (EMG) is een waardevol diagnostisch hulpmiddel voor het opsporen van neuromusculaire afwijkingen. Implanteerbare epimysiale elektroden worden vaak gebruikt om EMG-signalen te meten in preklinische modellen. Hoewel er klassieke bronnen bestaan die de principes van epimysiale elektrodefabricage beschrijven, is er een schaarste aan illustratieve informatie die de elektrodetheorie naar de praktijk vertaalt. Om dit te verhelpen, bieden we een bijgewerkte, gemakkelijk te volgen gids voor het vervaardigen en testen van een goedkope epimysiale elektrode.
Elektroden werden gemaakt door twee platina-iridiumfolies te vouwen en in een voorgesneden siliconenbasis te plaatsen om de contactoppervlakken te vormen. Vervolgens werden gecoate roestvrijstalen draden aan elk contactoppervlak gelast om de elektrodedraden te vormen. Ten slotte werd een siliconenmengsel gebruikt om de elektrode af te dichten. Ex vivo-tests werden uitgevoerd om onze op maat gemaakte elektrode te vergelijken met een industriestandaardelektrode in een zoutoplossingbad, waar hoge niveaus van signaalovereenkomst (sinus [intraclass correlatie – ICC = 0,993], vierkant [ICC = 0,995], driehoek [ICC = 0,958]) en temporale synchronie (sinus [r = 0,987], vierkant [r = 0,990], driehoek [r = 0,931]) werden gevonden in alle golfvormen. Lage niveaus van elektrode-impedantie werden ook gekwantificeerd via elektrochemische impedantiespectroscopie.
Er werd ook een in vivo prestatiebeoordeling uitgevoerd waarbij de vastus lateralis-spier van een rat chirurgisch werd geïnstrumenteerd met de op maat gemaakte elektrode en signalering werd verkregen tijdens het bergopwaarts en bergafwaarts lopen. Zoals verwacht was de piek-EMG-activiteit significant lager tijdens bergafwaarts wandelen (0,008 ± 0,005 mV) dan bergopwaarts (0,031 ± 0,180 mV, p = 0,005), wat de geldigheid van het apparaat ondersteunt. De betrouwbaarheid en biocompatibiliteit van het apparaat werden ook ondersteund door consistente signalering tijdens niveaulopen 14 dagen en 56 dagen na implantatie (respectievelijk 0,01 ± 0,007 mV, 0,012 ± 0,007 mV; p > 0,05) en de afwezigheid van histologische ontsteking. Samen zorgen we voor een bijgewerkte workflow voor de fabricage en het testen van goedkope epimysiale elektroden.
Introduction
Elektromyografie (EMG) is een krachtig hulpmiddel voor het bestuderen van de elektrische activiteit van spieren. EMG-opnames kunnen vooral nuttig zijn in preklinische diermodellen om de effectiviteit van interventies voor de behandeling van neuromusculaire disfunctie te beoordelen. In deze modellen worden implanteerbare biocompatibele elektroden vaak gebruikt om de neurofysiologische interface tussen motorneuronen en spiervezels te beoordelen. Deze implanteerbare elektroden kunnen gelokaliseerde metingen van spierexcitatie leveren en kunnen divers zijn in termen van configuratie, vorm en materiaal, waarbij het optimale ontwerp uiteindelijk wordt bepaald door de locatie en het beoogde gebruik.
Ondanks hun geschiktheid voor het beoordelen van spierexcitatie in preklinische modellen, kan het gebruik van epimysiale elektroden worden beperkt door de kosten. Als gevolg hiervan gebruiken veel onderzoekers op maat gemaakte epimysiale elektroden die in eigen huis worden geproduceerd. Hoewel er bronnen bestaan waarin de fundamentele overwegingen van de fabricage, het testen en het gebruik van elektrodenworden beschreven 1,2, is er behoefte aan een bijgewerkte instructiegids waarin de inkoop, fabricage en validatie van epimysiale elektroden met behulp van moderne methoden worden beschreven. Geïnformeerd door de fundamentele werken van Loeb en Gans3 en anderen in de elektrodetheorie, presenteren we moderne instructies over de inkoop en fabricage van goedkope epimysiale elektroden en testen we hun prestaties in een reeks ex vivo en in vivo experimenten. Het doel is om een gebruiksvriendelijke gids te bieden voor anderen in de wetenschappelijke gemeenschap om in-house goedkope epimysiale elektroden voor dierlijk gebruik te vinden, te fabriceren en te testen, waardoor de bredere kwantificering van spierexcitatie in preklinische modellen mogelijk wordt.
In dit protocol bieden we een instructiegids voor het verkrijgen, vervaardigen en testen van epimysiale elektroden voor dierlijk gebruik in het moderne elektrofysiologische laboratorium. De elektrodeparameters die voor de fabricage werden gekozen, zoals de vorm, de afmetingen, het contactoppervlak, de afstand tussen de elektroden, de kabellengte, enz., werden geselecteerd om aan onze experimentele behoeften te voldoen en waren vergelijkbaar met een in de handel verkrijgbare epimysiale elektrode volgens de industriestandaard (zie de Tabel met materialen). We moedigen andere groepen aan om deze parameters aan te passen aan hun behoeften, naast het selecteren van een betrouwbare industriestandaard elektrode die past bij hun gebruikssituatie.
In een poging om lezers een relatief snel gevoel van elektrodeprestaties te geven, geven we ook een voorbeeld van een ex vivo testprotocol met de mogelijkheid om de elektrode-impedantie te meten. Daarnaast geven we een voorbeeld van een beoordeling van de elektrodeprestaties in vivo. Het ex vivo-experiment vergeleek de op maat gemaakte elektrode met een industriestandaard in een zoutbad om stabiele fysiologische omstandigheden na te bootsen. De impedantie werd ook ex vivo beoordeeld via elektrochemische impedantiespectroscopie (EIS). Het in vivo experiment bestond uit de chirurgische implantatie van de op maat gemaakte elektrode in de vastus lateralis (VL) spier van een 16 weken oude vrouwelijke Long Evans-rat (HsdBlu: LE, Envigo) om het EMG-signaal te meten tijdens omstandigheden waarvan bekend is dat ze een hoog of laag signaal opwekken (bergopwaarts, bergafwaarts lopen). Om de betrouwbaarheid van de op maat gemaakte elektrode te beoordelen, werd EMG-signalering verkregen tijdens het lopen op niveau na volledig chirurgisch herstel en voorafgaand aan het offer (respectievelijk 14 dagen en 56 dagen na implantatie). Hematoxyline-eosine (H&E) kleuring werd uitgevoerd op de geïnstrumenteerde spier om de biocompatibiliteit van de op maat gemaakte elektrode te beoordelen.
Protocol
Representative Results
Discussion
Ons doel was om het EMG-fabricageproces te stroomlijnen, waardoor een bredere acceptatie en implementatie van epimysiale elektrodeontwerpen mogelijk zou worden, waardoor de toegankelijkheid zou worden bevorderd en neuromusculair onderzoek zou worden bevorderd. Daartoe presenteren we een gebruiksvriendelijke gids voor het in-house zoeken, fabriceren en testen van goedkope epimysiale elektroden. In de hoop andere onderzoeksgroepen te ondersteunen, bieden we ook aanvullende 3D-printsjablone…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Dit werk werd ondersteund door het National Institute of Arthritis and Musculoskeletal and Skin Diseases Grant R01AR081235 (aan L. K. Lepley). De auteurs bedanken de volgende personen voor hun bijdrage aan de fabricage en het testen van onze biocompatibele elektrode: Joel Pingel, Grant Gueller, Akhil Ramesh, Joe Letner, Jacky Tian en 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
- 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).
