Düşük Maliyetli Bir Epimisyal Elektromiyografi Elektrodunun Geliştirilmesi: Üretim ve Test için Basitleştirilmiş Bir İş Akışı
Summary
Amacımız, epimisyal elektromiyografi elektrotlarının üretimi ve test edilmesi hakkında güncellenmiş, takip etmesi kolay bir kılavuz sağlamaktı. Bu amaçla, malzeme tedariki için talimatlar ve üretim ve test sürecinin ayrıntılı bir incelemesini sağlıyoruz.
Abstract
Elektromiyografi (EMG), nöromüsküler anormallikleri tespit etmek için değerli bir tanı aracıdır. İmplante edilebilir epimisyal elektrotlar, klinik öncesi modellerde EMG sinyallerini ölçmek için yaygın olarak kullanılır. Epimisyal elektrot üretiminin ilkelerini tanımlayan klasik kaynaklar mevcut olsa da, elektrot teorisini pratiğe çeviren açıklayıcı bilgi seyrekliği vardır. Bunu düzeltmek için, düşük maliyetli bir epimisyal elektrotun üretilmesi ve test edilmesi hakkında güncellenmiş, takip etmesi kolay bir kılavuz sunuyoruz.
Elektrotlar, temas yüzeylerini oluşturmak için iki platin-iridyum folyonun önceden kesilmiş bir silikon tabana katlanması ve yerleştirilmesiyle yapıldı. Daha sonra, elektrot uçlarını oluşturmak için her bir temas yüzeyine kaplanmış paslanmaz çelik teller kaynaklandı. Son olarak, elektrodu kapatmak için bir silikon karışımı kullanıldı. Ex vivo test, özel olarak üretilmiş elektrodumuzu, tüm dalga formlarında yüksek düzeyde sinyal uyumu (sinüs [sınıf içi korelasyon – ICC= 0.993], kare [ICC = 0.995], üçgen [ICC = 0.958]) ve zamansal senkronizasyon (sinüs [r = 0.987], kare [r = 0.990], üçgen [r = 0.931]) bulunan bir tuzlu su banyosunda endüstri standardı bir elektrotla karşılaştırmak için yapılmıştır. Düşük elektrot empedansı seviyeleri de elektrokimyasal empedans spektroskopisi ile ölçüldü.
Bir sıçanın vastus lateralis kasının özel olarak üretilmiş elektrot ile cerrahi olarak enstrümantize edildiği ve yokuş yukarı ve yokuş aşağı yürüme sırasında sinyalizasyonun elde edildiği bir in vivo performans değerlendirmesi de yapıldı. Beklendiği gibi, tepe EMG aktivitesi yokuş aşağı yürüme sırasında (0.008 ± 0.005 mV) yokuş yukarı (0.031 ± 0.180 mV, p = 0.005) önemli ölçüde daha düşüktü ve bu da cihazın geçerliliğini destekledi. Cihazın güvenilirliği ve biyouyumluluğu, implantasyondan 14 gün ve 56 gün sonra düz yürüme sırasında tutarlı sinyalizasyon (sırasıyla 0.01 ± 0.007 mV, 0.012 ± 0.007 mV; p > 0.05) ve histolojik inflamasyonun olmaması ile desteklendi. Toplu olarak, düşük maliyetli epimisyal elektrotların üretimi ve test edilmesi için güncellenmiş bir iş akışı sağlıyoruz.
Introduction
Elektromiyografi (EMG), kasın elektriksel aktivitesini incelemek için güçlü bir araçtır. EMG kayıtları, nöromüsküler disfonksiyonu tedavi etmek için yapılan müdahalelerin etkinliğini değerlendirmek için klinik öncesi hayvan modellerinde özellikle yararlı olabilir. Bu modellerde, motor nöronlar ve kas lifleri arasındaki nörofizyolojik arayüzü değerlendirmek için implante edilebilir biyouyumlu elektrotlar yaygın olarak kullanılır. Bu implante edilebilir elektrotlar, kas uyarımının lokalize ölçümlerini sağlayabilir ve konfigürasyonları, şekilleri ve malzemeleri açısından çeşitli olabilir, optimal tasarım nihai olarak konum ve kullanım amacı tarafından belirlenir.
Klinik öncesi modellerde kas uyarımını değerlendirmek için uygunluklarına rağmen, epimisyal elektrotların kullanımı maliyetle sınırlandırılabilir. Sonuç olarak, birçok araştırmacı, şirket içinde üretilen özel olarak üretilmiş epimisyal elektrotlar kullanır. Elektrot üretimi, testi ve kullanımı 1,2 ile ilgili temel hususları detaylandıran kaynaklar mevcut olsa da, modern yöntemler kullanılarak epimisyal elektrotların tedarikini, üretimini ve doğrulanmasını detaylandıran güncellenmiş bir talimat kılavuzuna ihtiyaç vardır. Loeb ve Gans3’ün ve diğerlerinin elektrot teorisindeki temel çalışmalarından yola çıkarak, düşük maliyetli epimisyal elektrotların tedariki ve üretimi hakkında modern talimatlar sunuyoruz ve performanslarını bir dizi ex vivo ve in vivo deneyde test ediyoruz. Amaç, bilim camiasındaki diğer kişilere, hayvan kullanımı için kurum içi düşük maliyetli epimisyal elektrotları tedarik etmek, üretmek ve test etmek için kullanıcı dostu bir rehber sunmak ve klinik öncesi modellerde kas uyarımının daha geniş bir şekilde ölçülmesini sağlamaktır.
Bu protokolde, modern elektrofizyoloji laboratuvarında hayvan kullanımı için epimisyal elektrotların tedariki, üretimi ve test edilmesi için bir talimat kılavuzu sunuyoruz. İmalat için seçilen şekil, boyutlar, temas yüzeyi alanı, elektrotlar arası mesafe, kurşun uzunluğu vb. gibi elektrot parametreleri, deneysel ihtiyaçlarımıza uyacak şekilde seçilmiştir ve ticari olarak temin edilebilen bir endüstri standardı epimisyal elektrotla karşılaştırılabilirdir ( bkz. Diğer grupları, kullanım durumlarına uygun güvenilir bir endüstri standardı elektrot seçmenin yanı sıra bu parametreleri ihtiyaçlarına göre değiştirmeye teşvik ediyoruz.
Okuyuculara nispeten hızlı bir elektrot performansı hissi vermek amacıyla, elektrot empedansını ölçme seçeneği ile bir ex vivo test protokolü örneği de sunuyoruz. Ek olarak, in vivo elektrot performansının örnek bir değerlendirmesini veriyoruz. Ex vivo deney, stabil fizyolojik koşulları taklit etmek için özel olarak üretilmiş elektrotu tuzlu su banyosundaki bir endüstri standardıyla karşılaştırdı. Empedans ayrıca elektrokimyasal empedans spektroskopisi (EIS) ile ex vivo olarak değerlendirildi. İn vivo deney, özel olarak üretilmiş elektrotun, yüksek veya düşük bir sinyal ortaya çıkardığı bilinen koşullar sırasında (yokuş yukarı, yokuş aşağı yürüme) EMG sinyalini ölçmek için 16 haftalık bir dişi Long Evans sıçanına (HsdBlu: LE, Envigo) vastus lateralis (VL) kasına cerrahi implantasyonundan oluşuyordu. Özel olarak üretilen elektrotun güvenilirliğini değerlendirmek için, tam cerrahi iyileşmeyi takiben ve fedakârlıktan önce (implantasyondan 14 gün ve 56 gün sonra) düz yürüyüş sırasında EMG sinyali alındı. Özel olarak üretilen elektrotun biyouyumluluğunu değerlendirmek için aletli kas üzerinde hematoksilen-eozin (H&E) boyaması yapıldı.
Protocol
Representative Results
Discussion
Amacımız, EMG üretim sürecini kolaylaştırmak, epimisyal elektrot tasarımlarının daha geniş çapta benimsenmesini ve uygulanmasını sağlamak, böylece erişilebilirliği teşvik etmek ve nöromüsküler araştırmaları ilerletmekti. Bu amaçla, düşük maliyetli epimisyal elektrotları şirket içinde tedarik etmek, üretmek ve test etmek için kullanıcı dostu bir kılavuz sunuyoruz. Diğer araştırma gruplarını destekleme umuduyla, araştırma çabaları için kurum i?…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Bu çalışma Ulusal Artrit ve Kas-İskelet ve Deri Hastalıkları Enstitüsü Grant R01AR081235 tarafından desteklenmiştir (L. K. Lepley’e). Yazarlar, biyouyumlu elektrotumuzun üretilmesine ve test edilmesine katkılarından dolayı aşağıdaki kişilere teşekkür eder: Joel Pingel, Grant Gueller, Akhil Ramesh, Joe Letner, Jacky Tian ve 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).
