يتم تقديم بروتوكول لتركيب وإعداد الأقطاب الكهربائية العضلية ، جنبا إلى جنب مع جهاز قياس مصغر قابل للتركيب على لتحليل تخطيط كهربية العضل (EMG) في دراسات الحركة. يتيح هذا النظام الإرسال اللاسلكي لبيانات مخطط كهربية العضل في الوقت الفعلي للتحقيق في استعادة الحركة في الفئران النموذجية للسكتة الدماغية.
مقالة منهجية
نظام قياس تخطيط كهربية العضل يمكن ارتداؤه في الوقت الفعلي للحيوانات الصغيرة
في هذه المقالة
ملخص
الملخص
تم تنفيذ طريقة قياس تخطيط كهربية العضل العضلي (EMG) لحيوانات التجارب بطرق مختلفة. من بين هذه الطرق ، يمكن أن يؤدي ربط الكابلات بأجهزة القياس الخارجية إلى تقييد حركة التجارب ، في حين أن الأجهزة القابلة للزرع قد تسبب آثارا جانبية غير مرغوب فيها بسبب الوجود المستمر لجهاز ذو حجم ووزن كبيرين. لمعالجة هذه المشكلات ، نقترح نظام قياس مخطط كهربية العضل منخفض التكلفة ولاسلكي وقابل للفصل وإجراء تجريبي. تركز هذه المقالة على التركيب الجراحي لأقطاب الأسلاك العضلية ذات الموصلات الصغيرة وتطوير النظام اللاسلكي. والجدير بالذكر أنه في هذا النظام ، يتم إدخال الأقطاب الكهربائية السلكية فقط في جسم. باستخدام هذا النظام ، يمكن إجراء قياسات مخطط كهربية العضل بسهولة عن طريق توصيل نظام الدائرة بموصل مثبت على ظهر ، مع إمكانية تحقيق المراقبة في الوقت الفعلي على جهاز كمبيوتر محمول. يتم شرح الطريقة المقترحة بطريقة مفصلة خطوة بخطوة ، متبوعة بعرض توضيحي يتضمن إدخال أقطاب كهربائية عضلية في الأطراف الخلفية للفأر. يتم إجراء تجربة جهاز المشي لدراسة الحركة ، ويتم الحصول على الإشارات الفيزيولوجية الكهربية الناتجة وتحليلها لاحقا.
المقدمة
يتضمن تخطيط كهربية العضل تسجيل الإمكانات الكهربائية الناتجة عن ألياف العضلات أثناء الانقباض. يتم تحديد هذه الخصائص من خلال إشارات التنشيط العصبية المرسلة من الخلايا العصبية الحركية إلى العضلات الفردية. يستخدم مخطط كهربية العضل على نطاق واسع في إعادة التأهيل والدراسات الحركية والدماغية والأعصاب ، ويمكن تصنيف طرق القياس على نطاق واسع إلى مخطط كهربية العضل السطحي (sEMG) ومخطط كهربية العضل العضلي (iEMG) < فئة الدعم = "xref" >1. توفر الأقطاب الكهربائية السطحية العديد من المزايا ، لا سيما في التطبيقات القابلة للارتداء ، لأنها غير جراحية وتتطلب عملية تحضير بسيطة< فئة الدعم = "xref">2. في sEMG المزروع ، تكون العملية الجراحية أبسط مقارنة ب iEMG ، حيث لا يحتاج القطب الكهربائي إلى اختراق العضلات. على الرغم من هذه المزايا ، فإن sEMG عرضة لتلوث الإشارة ، مثل الاضطرابات في واجهة القطب الكهربائي العضلي ، والقطع الأثرية للحركة ، وجودة ملامسة القطب ، والحديث المتبادل للإشارة من العضلات المجاورة< فئة sup = "xref">1. هذه التحديات مشكلة بشكل خاص عندما يتم وضع الأقطاب الكهربائية على مقربة ، كما هو الحال غالبا في الدراسات التي شملت صغيرة. من ناحية أخرى ، يتطلب iEMG إجراء جراحيا إضافيا لاختراق القطب. على الرغم من الخطوات الإجرائية الإضافية ، توفر هذه الطريقة تسجيلات مخطط كهربية العضل الخاصة بالعضلات بدقة أكبر وتداخل أقل ، حيث يتم تضمين الأقطاب الكهربائية بشكل دائم في الأنسجة العضلية < فئة الدعم = "xref" >3. في الدراسات الحركية للحيوانات الصغيرة ، يفضل iEMG لأن معلومات مخطط كهربية العضل الخاصة بالعضلات مع تركيب قطب كهربائي موثوق بها أمر بالغ الأهمية< فئة sup = "xref" >4.
تم الإبلاغ عن العديد من الأساليب للحصول على تسجيلات مخطط كهربية العضل من الأقطاب الكهربائية في الصغيرة. تستخدم كبلات الحبل بشكل شائع لتوصيل الأقطاب الكهربائية بمعدات القياس الخارجية< فئة الدعم = "xref" >5،6،7,8,9,10,11 ، يمكن زرع الأجهزة داخل الجسم12 ، أو يمكن وضع منصة لاسلكية يمكن ارتداؤها على<فئة sup = "xref">13. كبلات الحبل هي الطريقة الأكثر شيوعا نظرا لتوافر المعدات التجارية المتوافقة لهذا الغرض ؛ ومع ذلك ، فإن أسلاك الحبل تسبب إزعاجا للحيوانات ، وغالبا ما تكون حركتها مقيدة بالكابلات ، مما قد يؤثر على الدراسة. توفر الأجهزة القابلة للزرع حلولا لاسلكية ، لكن عمر البطارية المحدود قد يحد من مدة التجارب. بالإضافة إلى ذلك ، يمكن أن يسبب حجم ووزن الأجهزة المثبتة بشكل دائم الإجهاد وعدم الراحة للحيوانات ، مما قد يؤثر على الدراسة. تم اقتراح تقنيات نقل الطاقة اللاسلكية لمعالجة المشكلات في الأجهزة القابلة للزرع ، ولكن عادة ما يكون الحفاظ على رابط طاقة موثوق به لجهاز صغير أمرا صعبا للغاية< فئة الدعم = "xref" >14. علاوة على ذلك ، يمكن أن يؤدي التعرض للمجالات الكهرومغناطيسية العالية إلى عواقب غير متوقعة ، مثل انخفاض وظيفة المناعة والتغيرات التنكسية العصبية المحتملة في الدماغ < فئة الدعم = "xref" >15،< sup class = "xref" >16.
يمكن أيضا تنفيذ نظام الاستحواذ كمنصة لاسلكية يمكن ارتداؤها تتعامل مع معالجة الإشارات وتنقل تسجيلات EMG لاسلكيا إلى محطة أساسية. على الرغم من أن هذه هي الطريقة المفضلة ، إلا أنها تمثل تحديا تقنيا للمستخدمين ، وغالبا ما لا يتم تناول التفاصيل التجريبية بشكل كامل في الأدبيات.
في هذا العمل ، نقدم طريقة اكتساب مخطط كهربية العضل بسيطة ومنخفضة التكلفة وموثوقة لدراسات الحركة في الصغيرة. يتم زرع زوج من أقطاب iEMG في عضلات الأطراف الخلفية للفأر ، بينما يتم تثبيت بقية نظام اكتساب الإشارة ، بما في ذلك التضخيم ، والمحول التناظري إلى الرقمي ، والقياس عن بعد اللاسلكي ، على ظهر. يتم نقل بيانات EMG إلى جهاز كمبيوتر شخصي للمراقبة في الوقت الفعلي ، مع تسجيل البيانات محليا. يتم إجراء تجربة حركة جهاز المشي لإثبات النظام في دراسة التعافي من السكتة الدماغية.
البروتوكول
تم منح الموافقة على جميع الإجراءات والبروتوكولات الأخلاقية والتجريبية من قبل اللجنة المؤسسية لرعاية واستخدامه بموجب الطلب رقم. CGU1-2021-IA0041. تم استخدام فأر Sprague-Dawley البالغ من العمر 7 أسابيع في هذه الدراسة. تفاصيل الكواشف والمعدات مدرجة في جدول المواد.
< p class = "jove_title" >1. تحضير- تحضير الفئران في سن 7 أسابيع. من أجل السلامة ، قم بتجميع الفئران ذات الأوزان المتشابهة معا ، بحد أقصى ثلاثة فئران لكل قفص.
- تأكد من تكيف الفئران دون إجهاد قبل الجراحة. قم بتوفير الماء والطعام باستمرار ، واستبدل الفراش بشكل دوري.
- خلال فترة التكيف (حوالي 7 أيام) ، قم بتدريب على الجري على جهاز المشي بسرعة 16-25 م / دقيقة لمدة 5 دقائق كل يوم لمساعدتها على التأقلم مع جهاز المشي.
ملاحظة: إذا توقف الفئران أو رفض التحرك على النحو المنشود ، فاضغط برفق على أردافه للتشجيع.
2. تحضير القطب الكهربائي
- قم بإعداد خمسة أسلاك من الفولاذ المقاوم للصدأ مطلية بالبولي تترافلورو إيثيلين ، أربعة منها بطول 140 مم وواحد بطول 60 مم.
- اربط ثلاث عقدة علوية على سلك بطول 140 مم ، ووضعها عند 40 مم و 100 مم بالنسبة للعقدة (<فئة قوية = "xfig" >الشكل 1 أ).
ملاحظة: أثناء إدخال القطب الكهربائي السلكي في العضلة ، قد يكون من الصعب ضمان الاتصال الدقيق والحفاظ على الجزء المكشوف من القطب في وضع صحيح. لمعالجة هذا الأمر ، يتم إنشاء عقدة مانعة في السلك لمنع المزيد من الإدخال عند سحبها ، مما يضمن بقاء القطب مستقرا داخل العضلات. - بالنسبة للأسلاك مقاس 140 مم ، اترك فجوة 2 مم من العقدة على الجانب القصير ، ثم قم بتجريد العزل جزئيا باستخدام مكواة لحام بمقدار 2 مم. قم بتجريد العزل بالكامل من نهاية الجانب الطويل بمقدار 2 مم. بالنسبة للأقطاب الكهربائية مقاس 60 مم ، قم بإزالة العزل تماما من أحد طرفيه بمقدار 2 مم وفي الطرف الآخر بمقدار 10 مم (<فئة قوية = "xfig" >الشكل 1).
ملاحظة: يجب تنظيف طرف مكواة اللحام جيدا لمنع التلوث. - قم بإصلاح السلك عن طريق لحمه بملحق الموصل بعد إزالة العزل بالكامل (<فئة قوية = "xfig" >الشكل 2 ب ، ج).
- قم بتجميع الجزء المعدني الذي يتصل به السلك في الغلاف البلاستيكي (<فئة قوية = "xfig" >الشكل 2D ، E).
- قم بتوصيل الموصل بدليل بلاستيكي مطبوع ثلاثي الأبعاد (انظر جدول المواد) يتضمن ثقوبا لتثبيته على الجلد. لمنع الجزء الملحوم من ملامسة موقع الشق ، قم بتطبيق سيانواكريليت متوافق حيويا (<فئة قوية = "xfig" >الشكل 2F).
- قم بقص صفيحة نيكل بسمك 0.2 مم وثنيها لتلتف حول الموصل ، وتحميها لمنع الضرر المحتمل من قبل.
- ضع الجرذ في غرفة الحث (مصنوعة خصيصا باستخدام راتنج اصطناعي شفاف) وقم بإجراء التخدير باستخدام خليط من أكسيد النيتروز 70٪ و 30٪ أكسجين ، بتركيز إيزوفلوران 2٪ -3٪. قم بإعداد الأدوات الجراحية اللازمة (<فئة قوية = "xfig">الشكل 3).
- قم بإزالة الفراء باستخدام ماكينة قص الشعر الكهربائية وقم بإعداد الجلد بالكلورهيكسيدين والكحول لمنع العدوى أثناء الجراحة (<فئة قوية = "xfig" > الشكل 4 أ).
- قم بعمل شق حوالي 10-15 مم باستخدام مقص جراحي على الجلد حيث توجد العضلة المستهدفة المراد قياسها. نظرا لأن اللفافة تقع تحت الجلد ، والعضلات الموجودة تحتها ، استخدم المقص أولا لقطع الجلد ، ثم قم بإزالة اللفافة عن طريق مسحها برفق بقطعة قماش نظيفة.
- قم بعمل شق من 5-10 مم حول منطقة أسفل الظهر حيث سيتم توصيل الموصل.
- استخدم المكملة المعقمة لإنشاء ممر تحت الجلد حتى يمر السلك من الموصل إلى موضع العضلة المستهدفة (<فئة قوية = "xfig">الشكل 4 ب).
- مرر المبزيل من وضع العضلة ، تحت الجلد ، باتجاه موقع الشق على الجانب القطني.
- تحضير القطب الكهربائي والموصل من المرحلة السابقة. اضغط على الأقطاب الكهربائية السلكية في موقع الشق على الجانب القطني باستخدام الملقط واسحبها بعناية إلى الشق في العضلة المستهدفة. بمجرد سحب السلك إلى موقع العضلة المستهدفة ، ارجع إلى <الفئة القوية = "xfig">الشكل 4C.
- كما هو موضح في <فئة قوية = "xfig">الشكل 4D ، استخدم إبرة خياطة لاختراق سلك القطب الكهربائي في العضلة المستهدفة.
ملاحظة: العضلة المستهدفة لهذه التجربة هي المعدة الإنسي (MG) ، وهي واحدة من العضلات الرئيسية لتحليل المهام الحركية< فئة الدعم = "xref">17. نظرا لأن طول MG يبلغ حوالي 18 ملم في الفئران البالغة من العمر 7 أسابيع ، يجب وضع أقطاب كهربائية حول مركز العضلات ، مع تباعد حوالي 5 مم ، لتقليل تلف العضلات وضمان قياسات مخطط كهربية العضل الدقيقة. يوصى بأن يتجاوز طول السلك الذي يخترق العضلات 5 مم للتأكد من أن الجزء الذي تمت إزالة العزل على اتصال جيد بالعضلة. - قم بتوجيه السلك الذي مر عبر العضلات وخرجت منها مرة أخرى إلى نقطة إدخالها وقم بتثبيتها بعقدة علوية. قطع السلك المتبقي (<فئة قوية = "xfig" >الشكل 4E).
- بعد تثبيت القطب الكهربائي السلكي في العضلة المستهدفة ، قم بخياطة موقع الشق بخياطة أحادية 4-0.
- خياطة الشق أسفل الموصل. تأكد من إدخال السلك بالكامل في الجسم وخياطته بإحكام (<فئة قوية = "xfig" >الشكل 5 أ).
- قم بتأمين الموصل بالجلد الظهري للحيوان باستخدام خيط خياطة ، كما هو موضح في <الفئة القوية = "xfig">الشكل 5B.
ملاحظة: تأكد من تثبيت الدرع بإحكام لمنع من مضغ الموصل. بالنسبة للتسكين ، تم إعطاء كاربروفين (5 مجم / كغ) تحت الجلد. - بمجرد اكتمال العملية الجراحية ، توقف عن التخدير وقم بإعداد قفص لتعافي.
- قم بتشغيل مصباح حراري لمنع انخفاض درجة حرارة جسم ، وراقب موقع الجراحة بحثا عن أي تشوهات ، مثل علامات العدوى أو الالتهاب أو التورم. تطهير موقع الشق جيدا ووضع المرهم إذا لزم الأمر. بمجرد أن يتعافى الجرذ من التخدير ، قم بإزالة المصباح الحراري.
- راقب سلوك الفئران ، بما في ذلك الشهية والشرب والتبول.
ملاحظة: بعد الجراحة ، اترك يرتاح لمدة يومين قبل إجراء أي اختبارات.
4. تصميم وتصنيع لوحة الدوائر المطبوعة (PCB)
- صمم الدائرة لقياس مخطط كهربية العضل ورقمنتها لتشمل دائرتين متكاملتين لمكبر الصوت التناظري (ICs) ووحدة تحكم دقيقة (MCU). تأكد من أن مكبر الصوت يحتوي على عرض نطاق ترددي من 5-740 هرتز وكسب 1300 فولت / فولت
ملاحظة: قم بتعديل كسب مكبر الصوت وعرض النطاق الترددي وفقا للمتطلبات المحددة للحيوان إذا لزم الأمر < فئة sup = "xref" >18. - قم بتضمين وحدة Bluetooth مدمجة في MCU للاتصال اللاسلكي لنقل البيانات المقاسة إلى الجهاز المضيف. تم استخدام هوائي رقاقة يعمل بسرعة 2,4 جيجاهرتز لهذه التجربة.
- استخدم بطارية ليثيوم بو قابلة لإعادة الشحن بجهد 3.7 فولت جنبا إلى جنب مع IC مخصص لإدارة الطاقة لهذه الدراسة.
- قم بتصنيع ثنائي الفينيل متعدد الكلور للدوائر المتكاملة المذكورة أعلاه على ركيزة FR4. قم بإنشاء ثنائي الفينيل متعدد الكلور بأشكال مختلفة لتلبية متطلبات محددة. راجع الشكل التكميلي 1 ، والشكل التكميلي 2 ، والشكل التكميلي 3.
- قم بملء المكونات الإلكترونية على ثنائي الفينيل متعدد الكلور إما عن طريق اللحام أو باستخدام مسدس حراري.
5. تكوين البرنامج
- البرامج الثابته
- قم بإعداد البرنامج الثابت (ملف الترميز التكميلي 1) لتكوين ADC ثنائي القناة بدقة 8 بت ومعدل أخذ عينات يبلغ 2 kSPs. قم بتهيئة البيانات المحولة رقميا إلى مصفوفة ونقلها عبر Bluetooth منخفض الطاقة (BLE) باستخدام أداة تطوير البرامج المخصصة.
- قم بتحميل البرنامج الثابت إلى MCU قبل النشر.
- برنامج المراقبة في الوقت الحقيقي
- قم بإعداد برنامج لرسم البيانات المستلمة عبر BLE في الوقت الفعلي. في هذه الدراسة ، تم تطوير تطبيق تخطيط يستند إلى Python ، والذي يخزن أيضا البيانات الأولية في موقع محدد (ملف الترميز التكميلي 2).
ملاحظة: يمكن أن يواجه النظام تأخير في المخزن المؤقت لأخذ العينات يبلغ 50 مللي ثانية على الأكثر وتأخير اتصال لاسلكي يبلغ حوالي 10 مللي ثانية19,20.
- قم بإعداد برنامج لرسم البيانات المستلمة عبر BLE في الوقت الفعلي. في هذه الدراسة ، تم تطوير تطبيق تخطيط يستند إلى Python ، والذي يخزن أيضا البيانات الأولية في موقع محدد (ملف الترميز التكميلي 2).
- قم بتوصيل البطارية بالدائرة المعدة وقم بتوصيل ثنائي الفينيل متعدد الكلور بالموصل ، كما هو موضح في <فئة قوية = "xfig" > الشكل 6 أ.
- قم بتنفيذ برنامج المراقبة على جهاز الكمبيوتر وقم بإنشاء اتصال لاسلكي مع دائرة ثنائي الفينيل متعدد الكلور.
- ضع الجرذ على جهاز المشي وراقب شكل موجة مخطط كهربية العضل. في هذه الدراسة ، تم ضبط جهاز المشي بسرعة 25 م / دقيقة (<فئة قوية = "xfig" > الشكل 6 ب).
7. تحليل البيانات
- قم بتحميل بيانات EMG المخزنة في . تنسيق CSV.
- تطبيق طرق معالجة الإشارات لإزالة الضوضاء غير المرغوب فيها وإشارات التداخل.
ملاحظة: يمكن إجراء المزيد من الكشف عن المغلف والتحليل الطيفي لتحليل إجهاد العضلات وتماثلها في النشاط الحركي.
النتائج
يتم في هذه الدراسة عرض طريقة لاسلكية بسيطة لاكتساب تخطيط كهربائية العضلات (EMG). وعلى الرغم من ضرورة إجراء جراحة، إلا أنه يتم إجراء شق جزئي فقط في المنطقة المحددة لإدخال الأقطاب الكهربائية وتثبيت الموصل، مما يقلل بشكل كبير من العبء على الحيوان. في هذا العرض التوضيحي، أُدخلت الأقطاب الكهربائية في الأطراف السفلية، ولكن يمكن إجراء دراسات فسيولوجية كهربائية مماثلة في مناطق أخرى مختلفة باستخدام الطريقة نفسها. توفر هذه المقاربة ميزة القياس المستمر للإشارات الفسيولوجية الكهربائية دون الحاجة إلى كابلات ربط ودون فرض قيود سلوكية. يبلغ قطر لوحة الدائرة المطبوعة (PCB) 9 mm، وارتفاعها 3 mm، ويزن إجماليها 3 g. كما أن استبدال البطارية عملية بسيطة، ويتيح النظام المقترح المراقبة المستمرة للسلوك الحركي. تظهر صورة توضح تركيب الموصل والجهاز، بالإضافة إلى شكل موجة EMG، في الشكل 7.
في هذه الدراسة، تم استخدام جهاز المشي (treadmill) لتحليل أنماط حركة الجرذان. ويعد جهاز المشي أداة فعالة لتحليل حركة الحيوان17، مما يسمح بتقييم المشاكل العضلية أو العصبية. وبينما يمكن استخدامه أيضاً لدراسة الحركة الحرة في الجرذان، تهدف هذه التجربة تحديداً إلى تحليل التشوهات الحركية الناتجة عن حالات مختلفة. ولتحقيق ذلك، يتطلب الأمر حركة مستمرة ومتكررة، مما يجعل جهاز المشي خياراً مناسباً لأغراضنا.
يمكن استخدام طرق متنوعة لتحليل حركة الحيوان باستخدام تخطيط كهربائية العضلات (EMG). ومن بين هذه الطرق، استُخدم مؤشر التماثل في التحليل السلوكي21,22. ويقيس مؤشر التماثل توازن النشاط بين عضلتين على جانبي الجسم، وقد استخدمناه لتقييم التعافي من السكتة الدماغية.
الشكل 1: عملية تحضير القطب الكهربائي السلكي. (A) توضيح لبنية السلك وموضع إزالة العزل. يجب ربط ثلاث عُقد عند إدخال الأسلاك في العضلات لمنع الإدخال المفرط. (B) تمت إزالة العزل بالكامل عند حافة السلك. (C) تمت إزالة العزل جزئيًا لتسهيل التلامس العضلي. يرجى النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الشكل.
الشكل 2: عملية تجميع القطب السلكي والموصل. (أ) تحضير المواد اللازمة للتجميع. (ب) إدخال السلك في المكون المعدني. (ج) لحام السلك بالمكونات المعدنية. (د) سحب السلك عبر فتحة الغلاف البلاستيكي. (هـ) إدخال السلك والمكونات المعدنية في الغلاف البلاستيكي. (و) إتمام عملية التجميع لجميع الأسلاك واستخدام لاصق السيانوأكريليت لتثبيت الغلاف البلاستيكي بدليل الغرز (الجزء الرمادي). يرجى النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الشكل.
الشكل 3: الأدوات الجراحية المطلوبة للإجراء. مجموعة من الأدوات الجراحية اللازمة للإجراء، وتشمل (1) إبرة خياطة، (2) ملقط، (3) ملقط، (4) مقص جراحي، (5) مقص دقيق، (6-7) ملاقط وقف النزيف، (8) حامل إبرة، و (9) قطب كهربائي مجهز. يرجى النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الشكل.
الشكل 4: إجراء تثبيت سلك القطب الكهربائي. (أ) مواضع الشقوق الجراحية على الظهر والساق. (ب) إدخال حامل الإبرة عبر الشق للإمساك بالسلك. (ج) سحب السلك من الشق الجراحي. (د) تقنية الخياطة عند العضلة المستهدفة، مع وضع الأقطاب الكهربائية حول الجزء الأكثر سمكاً من العضلة بفاصل قدره 5 mm. (هـ) الحالة النهائية بعد اكتمال العملية. يرجى النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الشكل.
الشكل 5وضع الموصل. (A) الخياطة تحت الموصل. (B) تثبيت الموصل باستخدام سلك خياطة. (سيوضع المادة اللاصقة فوق الموصل وتركيب درع معدني للحماية. يرجى النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الشكل.
الشكل 6: توضيح لعملية اكتساب إشارات EMG. (أ) صورة لنظام اكتساب إشارات EMG مثبت على جرذ. (ب) إجراء اختبار جهاز المشي بسرعة 25 m/min. يرجى النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الشكل.
الشكل 7: شكل موجة EMG المقاسة وموجة EMG المغلفة. (أ) شكل الموجة الخام لإشارة EMG المقاسة. (ب) إشارة EMG المرشحة المستخدمة للحصول على الغلاف. (ج) شكل الموجة المغلف مع خط عتبة لتحليل مؤشر التماثل. يرجى النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الشكل.
الشكل التكميلي 1: مخطط تخطيطي لدائرة PCB. تمثيل تخطيطي لتخطيط دائرة لوحة الدوائر المطبوعة (PCB)، يوضح ترتيب المكونات والوصلات. يرجى النقر هنا لتحميل هذا الشكل.
الشكل التكميلي 2: تصميم دائرة لوحة الدوائر المطبوعة (PCB) للطبقة الخلفية. تصميم الطبقة الخلفية للوحة الدوائر المطبوعة (PCB)، ويوضح تفاصيل مواضع المكونات ومسارات الدوائر الكهربائية. يرجى النقر هنا لتنزيل هذا الشكل.
الشكل التكميلي 3: تصميم دائرة PCB للطبقة العلوية. تصميم الطبقة العلوية للوحة الدائرة المطبوعة (PCB)، والذي يوضح توزيع المكونات والتوصيلات الكهربائية. يرجى النقر هنا لتحميل هذا الشكل.
ملف البرمجة التكميلي 1: تحضير البرامج الثابتة لتهيئة المحول التناظري الرقمي (ADC)تعليمات تحضير البرنامج الثابت لتكوين محول تناظري رقمي (ADC) ثنائي القناة بدقة 8 بت ومعدل أخذ عينات يبلغ عينتين في الثانية (kSPs). يرجى النقر هنا لتحميل هذا الملف.
ملف الترميز التكميلي 2: تطبيق رسم بياني قائم على لغة Python. وصف لتطبيق الرسم البياني القائم على لغة Python والمستخدم في هذه الدراسة لتصوير البيانات وتحليلها. يرجى النقر هنا لتنزيل هذا الملف.
المناقشة
يقدم هذا العمل نظام اكتساب تخطيط كهربية العضل (EMG) صغير وسهل التنفيذ ومنخفض التكلفة ولاسلكي. يمنع النظام بشكل فعال تدهور الإشارة الناجم عن الكابلات ، لأنه لا يعتمد على أي معدات قياس خارجية سلكية. من خلال تركيب الموصل على الظهر بدلا من الرأس ، تصبح العملية الجراحية أسهل بكثير ، مما يقلل من خطر حدوث مضاعفات. يقلل هذا الإعداد أيضا من فرص اصطدام المنصة بالجدران الجانبية ، مما قد يؤدي إلى إشارة إلى قطع أثرية. بالإضافة إلى ذلك ، فإنه يخفف من إجهاد الرقبة ، حيث لا يتم وضع الوزن المركز على الرأس.
يتضمن البروتوكول العديد من الخطوات الحاسمة ، لا سيما التحضير الدقيق للأقطاب الكهربائية العضلية ووضع الموصلات بعناية. يعد التأكد من تجريد العزل بدقة وربط العقد بشكل صحيح أمرا ضروريا لمنع الإدخال المفرط أثناء وضع القطبالكهربائي 1. علاوة على ذلك ، تعد مراقبة موقع الجراحة بعد العملية أمرا بالغ الأهمية لتحديد المضاعفات المحتملة مبكرا ، وبالتالي ضمان رفاهية المعنية.
في حين أن التقنية المقترحة قوية ، إلا أن بعض التعديلات قد تعزز فعاليتها. على سبيل المثال ، يمكن أن يؤدي ضبط طول الأقطاب الكهربائية بناء على حجم العضلات المحدد إلى تحسين جودة الاتصال. بالإضافة إلى ذلك ، في حالة فقدان الإشارة أو الضوضاء أثناء القياسات ، قد يتضمن استكشاف الأخطاء وإصلاحها فحص التوصيلات والتأكد من أن الجهاز محمي بشكل صحيح من التداخل الكهرومغناطيسي6. يمكن أن يؤدي توفير التدريب الكافي للفريق الجراحي أيضا إلى تخفيف الأخطاء الإجرائية ، وتحسين معدلات النجاح الإجمالية.
على الرغم من مزاياه ، يزن الجهاز حوالي 3 جرام ، وهو أمر لا يمثل مشكلة للفئران ولكنه قد يسبب عدم الراحة للفئران الصغيرة أو الأصغر سنا. يمكن أن يؤثر هذا الانزعاج على أنماط مشيتهم ، وبالتالي يؤثر على التحليل السلوكي عبر EMGore. لا يمكن حماية الجهاز أو الموصل إذا ترك الجرذ دون رقابة في القفص ، مما يشكل خطر التلف13. تم تنفيذ غلاف معدني للحماية عندما لا يكون الجهاز قيد الاستخدام ، ولكن المزيد من التطورات يمكن أن تعزز هذا الجانب.
تكمن أهمية هذا النظام في قدرته على توفير تسجيلات مستمرة وعالية الجودة لمخطط كهربية العضل دون القيود التي تفرضها الأجهزة المربوطة. غالبا ما تحد الطرق التقليدية ، بما في ذلك كابلات الحبل والأجهزة الكبيرة القابلة للزرع ، من حركة وقد تسبب الإجهاد ، وبالتالي تشوه النتائج5. تقدم هذه التقنية نهجا أكثر إنسانية مع الحفاظ على الدقة العالية في جمع البيانات ، وهو أمر بالغ الأهمية لفهم الوظيفة الحركية والتعافي في سياقات تجريبية مختلفة3.
في العمل المستقبلي ، هناك العديد من التطبيقات لهذه التقنية. بينما ركزت الدراسة الحالية على عضلة المعدة الإنسي (MG) لتقييم تناظر العضلات أثناء المشي ، يمكن تكييف المنهجية للعضلات الأخرى وحتى تمديدها إلى قياسات تخطيط كهربية القلب (ECG). ستؤدي زيادة عدد الأقطاب الكهربائية إلى تمكين جمع الإشارات المتزامنة من مواقع متعددة11 ، مما يسهل التحليلات الشاملة لتنسيق العضلات ووظيفتها. يمكن أن يؤدي هذا التقدم إلى رؤى حول استراتيجيات إعادة التأهيل للتعافي من السكتة الدماغية والحالات العصبية العضلية الأخرى.
في الختام ، يقدم نظام الاستحواذ المقترح على مخطط كهربية العضل تقدما كبيرا في مجال دراسات حركة. من خلال معالجة قيود الأساليب الحالية وتوفير منصة متعددة الاستخدامات للبحث المستقبلي ، فإن هذا النظام يبشر بتعزيز فهمنا لوظيفة المحرك والتعافي في مختلف البيئات التجريبية.
الإفصاحات
جميع المؤلفين ليس لديهم تضارب في المصالح.
شكر وتقدير
تم تمويل هذا البحث من قبل المؤسسة الوطنية للبحوث الكورية (NRF-2020M3A9E4104385) ومشروع تطوير الأجهزة الطبية النانوية التابع لمركز Nano Fab الوطني (رقم المنحة: 1711160154).
المواد
| الاسم | الشركة | رقم فهرسي | التعليقات |
|---|---|---|---|
| 0.2 مم سماكة لوحة النيكل | أي بائع | ||
| 3D طباعة خيوط | cubicon | A-100 | |
| 7 أسابيع RAT | JABIO | SD (DBL) [7W M] | |
| لاصق | Okong 1028453 | لتأمين الدرع | |
| ANT1 | Johanson Technology Inc. | 2450AT07A0100001T | |
| C1 ، C15 ، C16 ، C20 | Vishay | 1n | 0201 (0603) متري |
| C10 ، C13 | Vishay | 100p | 0201 (0603) متري |
| C11 ، C12 | Vishay | 4p | 0201 (0603) متري |
| C14 ، C19 | Vishay | 0.39n | 0201 (0603) متري |
| C2 ، C17 | Vishay | 22n | 0201 (0603) متري |
| C3 ، C5 ، C6 | Vishay | 0.1u | 0201 (0603) متري |
| C4 ، C18 | Vishay | 2.2u | 0201 (0603) متري |
| C7 | Vishay | 4.7u | 0402 (1005) متري |
| C8 ، C21 | Vishay | 1u | 0201 (0603) متري |
| C9 | Vishay | 1p | 0201 (0603) متري |
| قفص | JEUNG DO B & P | JD-C-02 | |
| قطعة قماش نظيفة | كيمبرلي | 41112 | |
| ملحق موصل | Harwin | M20-1060400 | ملحق موصل الإسكان البلاستيكي |
| Harwin | M20-1180042 | جزء معدني | |
| ماكينة قص شعر كهربائية | Buzz | RFC-928 | |
| مسدس حراري | QUICK | 861DW | |
| IC1 ، IC3 | جهاز تناظري | AD8232 | لقياس مخطط كهربية العضل AFE |
| IC2 | أشباه الموصلات الاسكندنافية | nRF52832-CIAA | |
| Isoflurane | Hana Pharm | 657801261 | |
| L1 | Vishay | 3.3n | 0201 (0603) بطارية ليثيوم بو مترية |
| TheHan | TW402025 | 13 مم * 10 مم * 4 مم ، رأس دبوس 30 مللي أمبير | |
| في الساعة Harwin | M22-2530505 | ||
| R1 ، R2 ، R9 ، R10 ، R13 ، R14 ، R21 ، R22 | Vishay | 10M | 0201 (0603) متري |
| R11 ، R23 | Vishay | 100k | 0201 (0603) متري |
| R12 ، R24 | Vishay | 1M | 0201 (0603) متري |
| R3 ، R4 ، R5 ، R7 ، R15 ، R16 ، R17 ، R19 | Vishay | 180k | 0201 (0603) متري |
| R6 ، R18 | Vishay | 160k | 0201 (0603) متري |
| R8 ، R20 | Vishay | 768k | 0201 (0603) متري |
| سلك اللحام | ألفا المعدن | SACX0307 | |
| الحديد | Hakko | FX-951 | |
| أسلاك الفولاذ المقاوم للصدأ المطلية بأنظمة تفلون | AM793200 | ||
| إبرة خياطة ؛ | AILEE | 301289 | |
| خياطة الأسلاك | Ethicon | 604G | |
| جهاز المشي | Daejong Bio | DJ2-243 | |
| U1 | Torex أشباه الموصلات | XC6204B332DR-G | |
| Y1 | Murata | Electronics XRCTD32M000N1P1AR0 |
المراجع
- Farina, D., Enoka, R. M. Evolution of surface electromyography: From muscle electrophysiology towards neural recording and interfacing. J Electromyogr Kinesiol. 71, 102796(2023).
- Kim, C., et al. A wearable ECG monitoring system using microneedle electrodes for small animals. IEEE Sens J. 23 (18), 21873-21881 (2023).
- Kristl, A. C., Akay, T., Miri, A. Recording forelimb muscle activity in head-fixed mice with chronically implanted EMG electrodes. J Vis Exp. 205, e66584(2024).
- Manuel, M., Chardon, M., Tysseling, V., Heckman, C. J. Scaling of motor output, from mouse to humans. Physiology. 34 (1), 5-13 (2019).
- Scholle, H. C., et al. A surface EMG multi-electrode technique for characterizing muscle activation patterns in mice during treadmill locomotion. J Neurosci Methods. 146 (2), 174-182 (2005).
- Tysseling, V. M., et al. Design and evaluation of a chronic EMG multichannel detection system for long-term recordings of hindlimb muscles in behaving mice. J Electromyogr Kinesiol. 23 (3), 531-539 (2013).
- Shafer, B., Welle, C., Vasudevan, S. A rat model for assessing the long-term safety and performance of peripheral nerve electrode arrays. J Neurosci Methods. 328, 108437(2019).
- Teruya, P. Y., et al. Quantifying muscle alterations in a Parkinson's disease animal model using electromyographic biomarkers. Med Biol Eng Comput. 59 (9), 1735-1749 (2021).
- Kloefkorn, H., et al. Non-invasive three-state sleep-wake staging in mice using electric field sensors. J Neurosci Methods. 344, 108834(2020).
- Jensen, V. N., Romer, S. H., Turner, S. M., Crone, S. A. Repeated measurement of respiratory muscle activity and ventilation in mouse models of neuromuscular disease. J Vis Exp. (122), e55599(2017).
- Zealear, D., Li, Y., Huang, S. An implantable system for chronic in vivo electromyography. J Vis Exp. (158), e60345(2020).
- Shon, A., Brakel, K., Hook, M., Park, H. Fully implantable plantar cutaneous augmentation system for rats using closed-loop electrical nerve stimulation. IEEE Trans Biomed Circuits Syst. 15 (2), 326-338 (2021).
- Ouyang, W., et al. A wireless and battery-less implant for multimodal closed-loop neuromodulation in small animals. Nat Biomed Eng. 7 (10), 1252-1269 (2023).
- Zhou, Y., Liu, C., Huang, Y. Wireless power transfer for implanted medical applications: A review. Energies. 13 (11), 2837(2020).
- Zymantiene, J., et al. Effect of electromagnetic field exposure on mouse brain morphological and histopathological profiling. J Vet Res. 64 (2), 319-324 (2020).
- Ebrahim, S., Azab, A., Albasha, M., Albishti, N. The biological effects of electromagnetic fields on human and experimental animals. Int Res J Nat Appl Sci. 3, 106-121 (2016).
- Wakeling, J. M., Tijs, C., Konow, N., Biewener, A. A. Modeling muscle function using experimentally determined subject-specific muscle properties. J Biomech. 117, 110242(2021).
- Westerga, J., Gramsbergen, A. Changes in the electromyogram of two major hindlimb muscles during locomotor development in the rat. Exp Brain Res. 92 (3), 479-488 (1993).
- Tosi, J., Taffoni, F., Santacatterina, M., Sannino, R., Formica, D. Performance evaluation of Bluetooth low energy: A systematic review. Sensors. 17 (12), 28988(2017).
- IEEE Health Informatics-PoC medical device communication Part 00101: Guide-Guidelines for the use of RF wireless technology. IEEE Std 11073-00101-2008. , 1-125 (2008).
- Xu, Y., et al. Rehabilitation effects of fatigue-controlled treadmill training after stroke: A rat model study. Front Bioeng Biotechnol. 8, 590013(2020).
- Nigg, S., Vienneau, J., Maurer, C., Nigg, B. M. Development of a symmetry index using discrete variables. Gait Posture. 38 (1), 115-119 (2013).
إعادة الطباعة والأذونات
طلب إذن لإعادة استخدام النص أو الأشكال في مقالة JoVE هذه
طلب إذن