Our purpose was to provide an updated, easy-to-follow guide on the fabrication and testing of epimysial electromyography electrodes. To that end, we provide instructions for material sourcing and a detailed walkthrough of the fabrication and testing process.
筋電図検査(EMG)は、神経筋の異常を検出するための貴重な診断ツールです。埋め込み型エピミシール電極は、前臨床モデルでEMG信号を測定するために一般的に使用されます。エピミシアル電極製造の原理を説明する古典的な資料は存在しますが、電極理論を実践に変換する説明的な情報はまばらです。これを改善するために、低コストのエピミジアル電極の製造とテストに関する最新のわかりやすいガイドを提供しています。
電極は、2つのプラチナイリジウム箔を折り畳み、事前にカットされたシリコーンベースに挿入して接触面を形成することによって作られました。次に、被覆されたステンレス鋼線を各接触面に溶接して電極リードを形成しました。最後に、電極をシールするためにシリコーン混合物を使用しました。 生理 食塩水浴中で、特注の電極を業界標準の電極と比較するためにEx vivo試験を実施しました。その結果、すべての波形で高レベルの信号一致(正弦波[クラス内相関 – ICC= 0.993]、二乗[ICC=0.995]、三角[ICC=0.958])、および時間同期性(正弦波[r = 0.987]、二乗[r = 0.990]、三角[r=0.931])が見られました。低レベルの電極インピーダンスも、電気化学インピーダンス分光法によって定量化されました。
また、ラットの外側広筋を特注電極で外科的に計装し、上り坂と下り坂の歩行中にシグナル伝達を獲得したin vivo 性能評価も実施しました。予想通り、下り坂の歩行時(0.008 ± 0.005 mV)は上り坂(0.031 ± 0.180 mV、p = 0.005)よりもピーク筋電図活動が有意に低く、このデバイスの有効性を裏付けています。このデバイスの信頼性と生体適合性は、移植後14日および56日での水平歩行時の一貫したシグナル伝達(それぞれ0.01 ± 0.007 mV、0.012 ± 0.007 mV、p > 0.05)および組織学的炎症がないことによっても支持されました。私たちは、低コストのエピミシアル電極の作製と試験のための最新のワークフローを提供しています。
筋電図検査(EMG)は、筋肉の電気的活動を研究するための強力なツールです。EMG記録は、神経筋機能障害を治療するための介入の有効性を評価するために、前臨床動物モデルで特に役立ちます。これらのモデルでは、運動ニューロンと筋線維の間の神経生理学的界面を評価するために、埋め込み型生体適合性電極が一般的に使用されています。これらの埋め込み型電極は、筋肉の興奮を局所的に測定することができ、その構成、形状、および材料の点で多様であり、最適な設計は最終的に場所と使用目的によって決定されます。
前臨床モデルにおける筋興奮の評価に適しているにもかかわらず、エピミズム電極の使用はコストによって制限される可能性があります。その結果、多くの研究者は、自社で製造されたカスタムメイドのエピミシアル電極を使用しています。電極の製造、試験、および使用に関する基本的な考慮事項を詳述したリソースは存在しますが 1,2、最新の方法を使用したエピミシアル電極の調達、製造、および検証を詳述した最新の教育ガイドが必要です。Loeb と Gans3 などの電極理論の基礎研究に基づいて、低コストのエピミシアル電極の調達と製造に関する最新の指示を提示し、一連の ex vivo および in vivo 実験でその性能をテストします。その目的は、科学界の他の人々が動物用の低コストのエピミジア電極を社内で調達、製造、およびテストするためのユーザーフレンドリーなガイドを提供することであり、前臨床モデルにおける筋肉興奮のより広範な定量化を可能にすることです。
このプロトコルでは、現代の電気生理学研究室で動物が使用するエピミシアル電極の調達、製造、および試験に関する指導ガイドを提供します。形状、寸法、接触表面積、電極間距離、リード長など、製造用に選択された電極パラメータは、実験ニーズに合わせて選択され、市販の業界標準のエピミジアル電極と同等でした( 材料の表を参照)。他のグループには、これらのパラメータをニーズに合わせて変更するだけでなく、ユースケースに適した信頼性の高い業界標準の電極を選択することをお勧めします。
読者に電極性能を比較的迅速に理解していただくために、電極インピーダンスを測定するオプションを備えた ex vivo 試験プロトコルの例も提供しています。さらに、 in vivoでの電極性能の評価を例に挙げます。 ex vivo 実験では、カスタム作製の電極を生理食塩水浴で業界標準と比較し、安定した生理学的条件を模倣しました。インピーダンスは、電気化学インピーダンス分光法(EIS)を介して ex vivo でも評価されました。 in vivo 実験は、16週齢の雌Long Evansラット(HsdBlu:LE、Envigo)の外側広筋(VL)にカスタム作製の電極を外科的に移植して、高信号または低信号(上り坂、下り坂の歩行)を誘発することが知られている条件下でEMG信号を測定することで構成されました。カスタム作製電極の信頼性を評価するために、EMGシグナル伝達は、完全な外科的回復後および犠牲前(それぞれ移植後14日および56日)のレベルウォーキング中に取得されました。ヘマトキシリン-エオシン(H&E)染色を計装した筋肉に対して実施し、カスタム作製電極の生体適合性を評価しました。
Our objective was to streamline the EMG fabrication process, enabling broader adoption and implementation of epimysial electrode designs, thus promoting accessibility, and advancing neuromuscular research. To this end, we present a user-friendly guide for sourcing, fabricating, and testing low-cost epimysial electrodes in-house. In hopes of supporting other research groups, we also provide supplemental 3D printing templates to facilitate the production of in-house epimysial electrodes for their research endeavors.
<p…The authors have nothing to disclose.
This work was supported by the National Institute of Arthritis and Musculoskeletal and Skin Diseases Grant R01AR081235 (to L. K. Lepley). The authors thank the following individuals for their contribution to the fabrication and testing of our biocompatible electrode: Joel Pingel, Grant Gueller, Akhil Ramesh, Joe Letner, Jacky Tian, and Ross Brancati.
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 |
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