Desenvolvimento de um eletrodo de eletromiografia epimísia de baixo custo: um fluxo de trabalho simplificado para fabricação e teste
Summary
Nosso objetivo era fornecer um guia atualizado e fácil de seguir sobre a fabricação e teste de eletrodos de eletromiografia epimísia. Para esse fim, fornecemos instruções para o fornecimento de materiais e um passo a passo detalhado do processo de fabricação e teste.
Abstract
A eletromiografia (EMG) é uma ferramenta diagnóstica valiosa para detectar anormalidades neuromusculares. Eletrodos epimísios implantáveis são comumente usados para medir sinais EMG em modelos pré-clínicos. Embora existam recursos clássicos que descrevem os princípios da fabricação de eletrodos epimísios, há uma escassez de informações ilustrativas que traduzem a teoria dos eletrodos para a prática. Para remediar isso, fornecemos um guia atualizado e fácil de seguir sobre como fabricar e testar um eletrodo epimísio de baixo custo.
Os eletrodos foram feitos dobrando e inserindo duas folhas de platina-irídio em uma base de silicone pré-cortada para formar as superfícies de contato. Em seguida, fios de aço inoxidável revestidos foram soldados a cada superfície de contato para formar os fios do eletrodo. Por fim, uma mistura de silicone foi usada para selar o eletrodo. Testes ex vivo foram conduzidos para comparar nosso eletrodo fabricado sob medida com um eletrodo padrão da indústria em um banho salino, onde altos níveis de concordância de sinal (seno [correlação intraclasse – ICC = 0,993], quadrado [ICC = 0,995], triângulo [ICC = 0,958]) e sincronia temporal (seno [r = 0,987], quadrado [r = 0,990], triângulo [r = 0,931]) foram encontrados em todas as formas de onda. Baixos níveis de impedância do eletrodo também foram quantificados por espectroscopia de impedância eletroquímica.
Uma avaliação de desempenho in vivo também foi realizada onde o músculo vasto lateral de um rato foi instrumentado cirurgicamente com o eletrodo fabricado sob medida e a sinalização foi adquirida durante a caminhada em subidas e descidas. Como esperado, o pico de atividade EMG foi significativamente menor durante a descida (0,008 ± 0,005 mV) do que em subidas (0,031 ± 0,180 mV, p = 0,005), apoiando a validade do dispositivo. A confiabilidade e a biocompatibilidade do dispositivo também foram apoiadas pela sinalização consistente durante a caminhada nivelada aos 14 dias e 56 dias após o implante (0,01 ± 0,007 mV, 0,012 ± 0,007 mV, respectivamente; p > 0,05) e a ausência de inflamação histológica. Coletivamente, fornecemos um fluxo de trabalho atualizado para a fabricação e teste de eletrodos epimísios de baixo custo.
Introduction
A eletromiografia (EMG) é uma ferramenta poderosa para estudar a atividade elétrica do músculo. Os registros EMG podem ser especialmente úteis em modelos animais pré-clínicos para avaliar a eficácia das intervenções para tratar a disfunção neuromuscular. Nesses modelos, eletrodos biocompatíveis implantáveis são comumente usados para avaliar a interface neurofisiológica entre neurônios motores e fibras musculares. Esses eletrodos implantáveis podem fornecer medições localizadas de excitação muscular e podem ser diversos em termos de configuração, forma e material, com o design ideal ditado pela localização e uso pretendido.
Apesar de sua adequação para avaliar a excitação muscular em modelos pré-clínicos, o uso de eletrodos epimísios pode ser limitado pelo custo. Como resultado, muitos investigadores usam eletrodos epimísios fabricados sob medida que são produzidos internamente. Embora existam recursos detalhando as considerações fundamentais de fabricação, teste e uso de eletrodos 1,2, há necessidade de um guia instrucional atualizado detalhando o fornecimento, fabricação e validação de eletrodos epimísios usando métodos modernos. Informados pelos trabalhos fundamentais de Loeb e Gans3 e outros na teoria dos eletrodos, apresentamos instruções modernas sobre o fornecimento e fabricação de eletrodos epimísios de baixo custo e testamos seu desempenho em uma série de experimentos ex vivo e in vivo. O objetivo é oferecer um guia amigável para outros membros da comunidade científica obterem, fabricarem e testarem eletrodos epimísios internos de baixo custo para uso animal, permitindo a quantificação mais ampla da excitação muscular em modelos pré-clínicos.
Neste protocolo, fornecemos um guia de instruções para o fornecimento, fabricação e teste de eletrodos epimísios para uso animal no moderno laboratório de eletrofisiologia. Os parâmetros do eletrodo escolhidos para fabricação, como forma, dimensões, área de superfície de contato, distância entre eletrodos, comprimento do eletrodo, etc., foram selecionados para atender às nossas necessidades experimentais e eram comparáveis a um eletrodo epimísio padrão da indústria disponível comercialmente (consulte a Tabela de Materiais). Incentivamos outros grupos a modificar esses parâmetros para atender às suas necessidades, além de selecionar um eletrodo padrão da indústria confiável que corresponda ao seu caso de uso.
Em um esforço para dar aos leitores uma noção relativamente rápida do desempenho do eletrodo, também fornecemos um exemplo de um protocolo de teste ex vivo com a opção de medir a impedância do eletrodo. Além disso, damos um exemplo de avaliação do desempenho do eletrodo in vivo. O experimento ex vivo comparou o eletrodo fabricado sob medida com um padrão da indústria em um banho de solução salina para imitar condições fisiológicas estáveis. A impedância também foi avaliada ex vivo por meio de espectroscopia de impedância eletroquímica (EIS). O experimento in vivo consistiu na implantação cirúrgica do eletrodo fabricado sob medida no músculo vasto lateral (VL) de uma rata Long Evans fêmea de 16 semanas de idade (HsdBlu: LE, Envigo) para medir o sinal EMG durante condições conhecidas por provocar um sinal alto ou baixo (caminhada em subida, descida). Para avaliar a confiabilidade do eletrodo fabricado sob medida, a sinalização EMG foi adquirida durante a caminhada nivelada após a recuperação cirúrgica completa e antes do sacrifício (14 dias e 56 dias após o implante, respectivamente). A coloração com hematoxilina-eosina (H&E) foi realizada no músculo instrumentado para avaliar a biocompatibilidade do eletrodo fabricado sob medida.
Protocol
Representative Results
Discussion
Nosso objetivo era agilizar o processo de fabricação de EMG, permitindo uma adoção e implementação mais amplas de projetos de eletrodos epimísios, promovendo assim a acessibilidade e avançando na pesquisa neuromuscular. Para isso, apresentamos um guia fácil de usar para fornecimento, fabricação e teste de eletrodos epimísios de baixo custo internamente. Na esperança de apoiar outros grupos de pesquisa, também fornecemos modelos suplementares de impressão 3D para facilitar …
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Este trabalho foi apoiado pelo Instituto Nacional de Artrite e Doenças Musculoesqueléticas e de Pele Grant R01AR081235 (para LK Lepley). Os autores agradecem aos seguintes indivíduos por sua contribuição para a fabricação e teste de nosso eletrodo biocompatível: Joel Pingel, Grant Gueller, Akhil Ramesh, Joe Letner, Jacky Tian e 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
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