此处介绍的是一种用于制造植入式系统的协议,用于在体内按时间顺序记录唤起和自发的肌电图电位。该系统适用于神经损伤后喉部肌肉再生的调查。
电成像 (EMG) 测量肌肉对电刺激或运动单元自发活动的反应,并在评估神经肌肉功能方面起重要作用。由于传统EMG记录技术的侵入性,反映神经损伤后肌肉再生状态的EMG活性的慢性记录受到限制。在这方面,一个植入系统被设计为长期,体内EMG记录和神经刺激。在一项有关喉肌再生的研究中,它已被应用和测试。该系统由1)两个双极电极神经袖口组成,用于刺激两种神经的引线:复发性喉神经(RLN)和上级喉神经(SLN)的内部分支;2) 两个EMG记录电极和引线为两个喉肌:后杏仁体(PCA)肌肉和胸腺素-侧杏仁体(TA-LCA)肌肉复合;和 3) 皮肤插座使用连接电缆将所有植入的引线端子连接到外部记录前置放大器和刺激器。导线引线为铁氟龙涂层、多丝状、316 型不锈钢。它们盘绕在清醒动物的身体运动过程中可以拉伸,以防止铅断裂和电极迁移。该系统在无菌手术期间植入。之后,在第二次手术中进行RLN转断之前进行基线EMG记录,以研究肌肉再生。在整个研究中,在麻醉动物中进行多次生理训练,以获得反映喉肌再生状态的唤起和自发的EMG活动。该系统结构紧凑,在研究过程中无感染,且高度耐用。这种植入式系统可以为麻醉或自由移动的动物提供一个需要长期记录或神经刺激的研究可靠平台。
EMG 记录是一种有用的技术,用于测量骨骼肌在神经电刺激或运动单元自发燃烧激活时产生的电活动。监测EMG信号可用于评估神经肌肉传播和肌肉生物力学1。EMG记录在描述神经损伤后,3,4,肌肉重新摄氏的质量和幅度方面也起着重要作用。然而,在整个重新化期间,无法通过侵入性方法实现多个 EMG 记录。因此,植入式装置已设计及开发,用于神经肌肉系统,,,6、7、8、9、10、11、12、137,8的重复、慢性刺激11,12和13记录。6910本文的目的是描述一种用于制造和植入稳定系统的协议,以便从喉部获得可靠的按时间顺序排列的EMG数据。
该系统应用于喉肌再生研究。提供喉部概况(图1)。感觉和运动部件之间的精确协调对于呼吸、开票和气道保护期间适当的肌肉运动至关重要。PCA肌肉,位于后喉,是声乐折叠的唯一绑架者。这种肌肉在灵感中自发激活,以增加吸入的腺区面积。TA-LCA 复合体是声乐折叠的主要引物。激活此肌肉复合物与另一个加引器(即间体肌)的折叠进行振动和声音生成,并在吞咽过程中关闭褶皱以进行气道保护。
此外,运动神经元纤维在RLN中内化绑架者和加感肌肉。绑架者和加引器肌肉可以区分基于运动单位组成14,15。14,PCA 肌肉在高卡普和/或缺氧条件16期间表现出更多的射击,因为存在吸气运动单元。相反,反射性凝血闭合(RGC)运动单元,通过激活喉黏液内的感觉受体,反身地关闭腺体,存在于TA-LCA肌肉复合体中。上级喉神经(SLN)的内部分支携带喉部17中感觉受体的发泡纤维。虽然开票主要是一种加带功能,但绑架者和加感器马达单元都参与这种高度进化的喉部行为。
图1:喉部解剖。还显示了此可植入系统的组件。SLN = 卓越的喉神经;RLN = 复发性喉神经;PCA = 后杏仁肌;TA-LCA = 胸腺素 – 侧杏状肌复合体;星展银行 = 深度脑刺激。这个数字是经威利27号许可转载的。请点击此处查看此图形的较大版本。
对RLN的伤害可能导致声褶瘫(VFP),这会损害绑架和加带功能,由于喉肌变性14,18,19。14,18,19随后,RLN神经纤维的再生和肌肉的再生通常发生。然而,重新生成是一个随机的过程,在大多数情况下会导致定向错误、不适当的肌肉重新连接。这被称为合成,其中自发激活绑架者和加引对手是错误的,并产生无效,甚至矛盾的运动的声乐折叠14,19,20,21。14,19,20,21使用同步,失去的关键功能是声褶皱绑架,导致通风不足。虽然有正在进行的尝试治疗喉部同步因子由1)阻止肉毒杆菌22,23,23或2)电刺激性开口与植入心脏起搏器24,25,,25有没有临床干预,可靠地防止同步因子26。然而,有证据表明,在低频重新授信过程中PCA肌肉的电调节促进适当的神经肌肉重新连接,并尽量减少同步发生。目前正在进行研究,以阐明基本机制2。
本文的重点是描述一种简单、廉价的慢性神经刺激和EMG记录植入系统。该系统可用于研究PCA肌肉的低频电调理对其后续再授的特异性的影响。该系统获得的EMG信号可以反映随着时间的推移喉肌再生的质量和数量。
本文介绍了制造一种新颖、经济且可植入的系统,用于刺激喉神经和长期记录喉部肌肉EMG反应所需的步骤。该协议并不复杂,可以产生一种可以紧凑,可以像老鼠一样小的动物中使用的植入物。有几个关键步骤需要强调。首先,导线应仔细均匀地盘绕,以防止铅脱绝缘、扭结或断裂。如果没有线圈机,则可以以商业方式获得预制盘绕引线。其次,将铅丝插入硅胶管以形成横跨神经的”V”策略对于促进通过袖口内的神经电流输送至关重要。如果两根引线都放在管的同一侧,则电极之间的电流可能会分流。引线定位在管内壁上,以避免神经切片损伤的可能性也很重要。
第三,在植入手术中,应仔细解剖喉部神经,以防止损伤。在植入的后期,当将销插入插座时,应用力施加到与孔对齐的销上,以防止销头突然弯曲。随后,骨水泥应彻底分布在贮器底部,以完全绝缘并防止通道之间的串扰。最后,预防感染对于确保植入物系统随时间的健全至关重要。它可以通过多种操作的组合来实现:在贮器中添加一条裙子,给抗生素服用抗生素,每天用与组织兼容的防腐剂溶液清洁伤口和贮器,以及将假公针放入容器的母针中,使其在会议之间清理碎屑。
该协议已被证明是成功的,在这个狗喉模型。但是,对于其他应用程序,可能会考虑某些修改或替代策略。例如,PCA 和 TA-LCA EMG 电极的脱绝缘传感尖端通过外部手段(聚酯移植物或 DBS 电极)固定在肌肉中。在不需要或执行外部锚定的应用中,仅电极的棒子就可以作为锚点。在这种情况下,铁氟龙涂层,不锈钢,单丝丝可能比多丝丝更可取,由于其更大的拉伸强度,提供一个在组织上更稳定的棒。但是,应该注意的是,多丝线可能不太容易断裂。制造和组装皮肤贮器的替代策略是使用生物相容性聚合物进行 3D 打印(例如,Stratasys 的 MED610)。这可能会简化制造过程。
在植入手术和动物恢复后,在RLN仍然完好无损下进行生理会话,以获得基线数据。在会话期间,在 RLN 刺激后,可能会出现来自喉肌的 EMG 信号。为了排除故障原因(表1),应首先确定是否存在声褶皱运动。如果存在,这意味着神经被袖口有效激活,但 EMG 引线有问题。在此情况下,用户应进一步查看 EMG 刺激伪影。如果 EMG 伪影不存在,则前置放大器的 EMG 输入中可能会出现不连续性。六十个周期噪声也会存在,振幅也很大。如果伪影较大,则从刺激引脚分流到记录引脚可能负责使通道前置放大器饱和并消除 EMG 响应。如果工件是正常的,则 EMG 引线可能脱离肌肉,无法检测到其活性。另一方面,如果声乐折叠运动不存在,那么神经就不会被激活。如果伪影不存在,刺激回路中可能存在不连续性,从而防止神经激活。如果工件看起来正常,神经可能在植入手术期间受伤,或者袖口可能从神经中移出。在 SLN 刺激期间,可以应用类似的策略来排除 EMG 信号缺失的原因。
刺激神经 | 目标肌肉 | Ipsi边声折叠运动 | 刺激伪影 | 原因 |
RLN | PCA 和/或 TA-LCA | 是的 | 不存在(存在 60 周期噪声) | EMG 输入到前置放大器的不连续性(例如引线、引脚、电缆); |
大 | 接收器上的插断针和记录引脚之间的串扰 | |||
正常 | EMG电极的错位 | |||
不 | 缺席 | 刺激回路的不连续性 | ||
正常 | 1. RLN伤害;2. 袖口错位 | |||
SLN | TA-LCA | 是的 | 不存在(存在 60 周期噪声) | EMG 输入到前置放大器的不连续性(例如引线、引脚、电缆); |
大 | 接收器上的插断针和记录引脚之间的串扰 | |||
正常 | EMG电极的错位 | |||
不 | 缺席 | 刺激回路的不连续性 | ||
正常 | 1. SLN 或 RLN 伤害;2. 袖口错位 |
表 1:故障排除指南。
应该指出,该技术目前的应用有两个次要限制。首先,在插入插座时,母销突然弯曲,多次发生。幸运的是,引脚可以成功拉直并插入其孔中。如果销损坏不可修复,则需要更换引线及其整个部件。因此,备份组件应在手术前随时可用。其次,完成手术植入所需的时间很长(+10小时)。持续时间长部分反映了本研究所需的大量刺激和重新编码组件:四个神经、四个肌肉、一个贮器和一个IPG。如果使用这种技术需要的组件更少,植入时间应显著缩短(例如,大鼠舌头模型28)。
这种技术方法引入了几个功能,这些功能比现有方法具有优势。引线的线圈是该系统最新颖、最重要的特点。尽管卷绕引线提供了许多好处,但通常不能用于非商业性动物实验。在植入过程中,卷绕引线可以扩展到所需长度。此外,它会伸展在清醒的,移动的动物,以防止电尖脱位或电线断裂后植入。此功能可确保植入物的使用寿命以及长期稳定的神经刺激和肌肉记录。此外,在贮器周围添加一条与组织相容的裙子可防止伤口接触此异物,并在无感染的情况下促进正常的纤维化和伤口愈合。以前没有这种裙子的研究导致早期感染和过早终止实验。最后,该植入系统结构紧凑,多渠道,允许从不同大小的动物模型中的众多神经肌肉结构获得有效数据。
这种技术方法已经调整,并成功地转化为老鼠模型。本研究旨在研究电调节对预防老年大鼠舌肌肉萎缩和功能障碍的影响。低光泽神经被植入袖口电极进行调理,舌头植入EMG记录电极28。该技术还可用于其他研究应用。作为目前协议在动物喉部的延伸,电调节对促进选择性再授的作用目前正在研究在兔子面部肌肉。这项研究可能为预防贝尔麻痹患者的面部同步性提供基础,这是一种常见且使人衰弱的病症。这项技术的最终潜在用途是刺激和记录从清醒的,自由移动的动物。目前,这些数据是通过外部电缆从清醒的,无拘无束的老鼠28。将来,这个经济系统也可以与远程记录刺激技术(例如遥测)相结合,以无线方式激活或探测神经肌肉系统。
The authors have nothing to disclose.
作者感谢吴红梅博士在整个研究中对动物护理和数据收集的贡献。我们感谢艾米·纳纳利、杰米·阿德科克和菲尔·威廉姆斯帮助进行无菌手术。范德比尔特大学动物护理设施的工作人员的专业知识和奉献精神是无价的。这项研究得到了NIH授予U01DC016033的支持。
20 G x 1" Gauge hypodermic needle | BD | 305175 | |
23 G x 1" Gauge hypodermic needle | BD | 305145 | |
25 G x 1" Gauge hypodermic needle | BD | 305125 | |
3-0 absorbable sutures, COATED VICRYL | Ethicon | J219H | |
3-0 monofilament, nonabsorbable sutures, Prolene | Ethicon | 8684G | |
4-0 monofilament, nonabsorbable sutures, Prolene | Ethicon | 8871H | |
6-0 monofilament, nonabsorbable taper needle suture, Prolene | Ethicon | 8805 | |
7-0 monofilament, nonabsorbable sutures, Prolene | Ethicon | M8735 | |
Adhesive silicone solvent-Hexamethydisiloxane 98% | ACROS | code 194790100 | for dilution of modical adhesive silicone |
Bone cement | Zimmer | 1102-16 | 20g powder 10ml liquid |
Buprenorphine (Buprenex, ampules of 1ml) | Reckitt Benckiser Healthcare (UK) Ltd | 12496-0757-1 | |
CCD video camera attached to the endoscope | Sony | MCC500MD | |
Cefpodoxime (Simplicef 100mg tablets) | Zoetis | 5228 | |
Data acquisition device , PowerLab 16/35 | ADInstruments, Inc | 5761-E | |
Deep-brain stimulation (DBS) electrodes | Abbott | 6172ANS | |
Digital oscilloscope | Tektronix | DPO71304SX | |
Implantable pulse generator (IPG), Infinity | Abbott | 6660ANS | |
Knitted polyester graft | Meadox Medical Inc | 92220 | 20mm in diameter |
Medical Grade Polyethylene Micro Tubing | Amazon.com | BB31695-PE/13-10 | OD 0.156", ID 0.094" |
Metal female pin | Allied Electronics & Automation | 220-S02-100 | |
Metal male pin | CDM electronics | 220-p02-1 | |
Prefabricated coiled leads | Medical innovations Inc. | ||
Silastic Laboratory Tubing | Cole-Parmer | 2415569 | OD 0.125", ID 0.062" |
Silastic Medical Adhesive Silicone | Dow corning | Type A, 2 oz | |
Stainless steel monofilament wire | The Harris Products Group | type 316 | 0.008" (coated), 0.005" (bare) |
Sterile Disposable Biopsy Punch (4mm) | Sklar Instruments | 96-1146 | |
Strip connector | CDM electronics | 2.6 x 11.6 x 101.5 mm | single row, round, through hole |
Teflon-coated multi-filament stainless steel wire | Medwire | Part 316, ss7/44T | |
Tiletamine and Zolazepam combination, Telazol – 5mL | Zoetis | 004866 | |
Tissue-compatible antiseptic solution, Nolvasan – 1 Gal. | Zoetis | 540561 | |
Zero-degree rigid endoscope | Karl Storz | 8712AA |