Разработка недорогого электрода для эпимизиальной электромиографии: упрощенный рабочий процесс изготовления и тестирования
Summary
Наша цель состояла в том, чтобы предоставить обновленное, простое в использовании руководство по изготовлению и тестированию электродов эпимизиальной электромиографии. С этой целью мы предоставляем инструкции по поиску материалов и подробный пошаговый обзор процесса изготовления и тестирования.
Abstract
Электромиография (ЭМГ) является ценным диагностическим инструментом для выявления нервно-мышечных аномалий. Имплантируемые эпимизиальные электроды обычно используются для измерения сигналов ЭМГ в доклинических моделях. Несмотря на то, что существуют классические источники, описывающие принципы изготовления эпимизионных электродов, существует скудная иллюстративная информация, переводящая теорию электродов на практике. Чтобы исправить эту проблему, мы предоставляем обновленное, простое в использовании руководство по изготовлению и тестированию недорогих эпимизиальных электродов.
Электроды были изготовлены путем складывания и вставки двух платино-иридиевых фольг в предварительно вырезанную силиконовую основу для формирования контактных поверхностей. Затем к каждой контактной поверхности были приварены проволоки из нержавеющей стали с покрытием для формирования выводов электродов. Наконец, для герметизации электрода использовалась силиконовая смесь. Тестирование ex vivo было проведено для сравнения нашего изготовленного по индивидуальному заказу электрода со стандартным электродом в солевой ванне, где были обнаружены высокие уровни согласования сигналов (синусоида [внутриклассовая корреляция – ICC= 0,993], квадрат [ICC = 0,995], треугольник [ICC = 0,958]) и временная синхронность (синус [r = 0,987], квадрат [r = 0,990], треугольник [r = 0,931]) во всех формах сигнала. Низкие уровни импеданса электродов также были количественно определены с помощью спектроскопии электрохимического импеданса.
Также была проведена оценка производительности in vivo , в ходе которой широкая латеральная мышца крысы была хирургически обработана с помощью специально изготовленного электрода, а сигнализация была получена во время ходьбы в гору и вниз по склону. Как и ожидалось, пиковая активность ЭМГ была значительно ниже при ходьбе вниз по склону (0,008 ± 0,005 мВ), чем при подъеме в гору (0,031 ± 0,180 мВ, p = 0,005), что подтверждает валидность устройства. Надежность и биосовместимость устройства также поддерживались последовательной сигнализацией во время ровной ходьбы через 14 и 56 дней после имплантации (0,01 ± 0,007 мВ, 0,012 ± 0,007 мВ соответственно; p > 0,05) и отсутствием гистологического воспаления. В совокупности мы обеспечиваем обновленный рабочий процесс для изготовления и тестирования недорогих эпимизионных электродов.
Introduction
Электромиография (ЭМГ) является мощным инструментом для изучения электрической активности мышц. Записи ЭМГ могут быть особенно полезны на доклинических моделях животных для оценки эффективности вмешательств по лечению нервно-мышечной дисфункции. В этих моделях имплантируемые биосовместимые электроды обычно используются для оценки нейрофизиологического интерфейса между моторными нейронами и мышечными волокнами. Эти имплантируемые электроды могут обеспечивать локализованные измерения мышечного возбуждения и могут быть разнообразными с точки зрения конфигурации, формы и материала, при этом оптимальная конструкция в конечном итоге диктуется местоположением и предполагаемым использованием.
Несмотря на их пригодность для оценки мышечного возбуждения в доклинических моделях, использование эпимизиальных электродов может быть ограничено стоимостью. В результате многие исследователи используют изготовленные по индивидуальному заказу эпимизиальные электроды, которые производятся собственными силами. Несмотря на то, что существуют ресурсы, подробно описывающие основные аспекты изготовления, тестирования и использования электродов 1,2, существует потребность в обновленном руководстве с подробным описанием источника, изготовления и валидации эпимизионных электродов с использованием современных методов. Основываясь на фундаментальных работах Леба и Ганса3 и других ученых в области теории электродов, мы представляем современные инструкции по поиску и изготовлению недорогих эпимизиальных электродов и проверяем их производительность в серии экспериментов ex vivo и in vivo. Цель состоит в том, чтобы предложить дружественное руководство для других членов научного сообщества по поиску, изготовлению и тестированию недорогих эпимизиальных электродов для использования на животных, что позволит более широко количественно оценить мышечное возбуждение в доклинических моделях.
В этом протоколе мы предоставляем инструкцию по поиску, изготовлению и тестированию эпимизиальных электродов для использования на животных в современной электрофизиологической лаборатории. Параметры электродов, выбранные для изготовления, такие как форма, размеры, площадь контактной поверхности, расстояние между электродами, длина выводов и т. д., были выбраны в соответствии с нашими экспериментальными потребностями и были сопоставимы с коммерчески доступным стандартным эпимизионным электродом (см. Таблицу материалов). Мы рекомендуем другим группам изменить эти параметры в соответствии со своими потребностями, а также выбрать надежный электрод, который соответствует их сценарию использования.
Чтобы дать читателям относительно быстрое представление о работе электродов, мы также приводим пример протокола испытаний ex vivo с возможностью измерения импеданса электрода. Кроме того, мы приводим пример оценки производительности электродов in vivo. В эксперименте ex vivo специально изготовленный электрод сравнивался с отраслевым стандартом в солевой ванне, чтобы имитировать стабильные физиологические условия. Импеданс также оценивали ex vivo с помощью электрохимической импедансной спектроскопии (ЭИС). Эксперимент in vivo заключался в хирургической имплантации специально изготовленного электрода в латеральную мышцу широкой мышцы (VL) 16-недельной самки крысы породы Лонг Эванс (HsdBlu: LE, Envigo) для измерения сигнала ЭМГ в условиях, вызывающих высокий или низкий сигнал (подъем, ходьба под гору). Для оценки надежности изготовленного по индивидуальному заказу электрода сигнализация ЭМГ была получена во время горизонтальной ходьбы после полного хирургического восстановления и до жертвоприношения (через 14 дней и 56 дней после имплантации соответственно). Окрашивание гематоксилин-эозином (H&E) было проведено на инструментированной мышце для оценки биосовместимости электрода, изготовленного по индивидуальному заказу.
Protocol
Representative Results
Discussion
Наша цель состояла в том, чтобы оптимизировать процесс изготовления ЭМГ, обеспечив более широкое внедрение и внедрение конструкций эпимизиальных электродов, тем самым способствуя доступности и продвижению нервно-мышечных исследований. С этой целью мы представляем ?…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Эта работа была поддержана грантом Национального института артрита и скелетно-мышечных и кожных заболеваний R01AR081235 (Л. К. Лепли). Авторы благодарят следующих лиц за их вклад в изготовление и тестирование нашего биосовместимого электрода: Джоэла Пингела, Гранта Геллера, Ахила Рамеша, Джо Летнера, Джеки Тиана и Росса Бранкати.
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).
