我们的目的是提供一份更新的、易于遵循的表肌电图电极制备与测试指南。为此,我们提供了材料采购的说明,以及电极制备和测试过程的详细操作步骤。
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我们的目的是提供一份更新的、易于遵循的表肌电图电极制备与测试指南。为此,我们提供了材料采购的说明,以及电极制备和测试过程的详细操作步骤。
肌电图(EMG)是检测神经肌肉异常的一种重要诊断工具。在临床前模型中,通常使用可植入的肌表电极来记录EMG信号。尽管已有经典文献描述了肌表电极制作的基本原理,但将电极理论转化为实际操作的图示化信息仍较为匮乏。为此,我们提供了一份更新的、易于遵循的指南,介绍低成本肌表电极的制作与测试方法。
通过将两片铂铱合金箔折叠并插入预制的硅胶基底中,形成接触表面,从而制备电极。随后,将涂覆的不锈钢导线焊接至每个接触表面,形成电极引线。最后,使用硅胶混合物对电极进行密封。离体测试在盐水浴中进行,以比较我们自行制备的电极与工业标准电极的性能,结果显示在所有波形下均具有高度的信号一致性(正弦波[组内相关系数 - ICC = 0.993],方波[ICC = 0.995],三角波[ICC = 0.958])和时间同步性(正弦波[r = 0.987],方波[r = 0.990],三角波[r = 0.931])。此外,通过电化学阻抗谱测得电极阻抗水平较低。
还进行了体内性能评估,将定制电极手术植入大鼠股外侧肌,并在上坡和下坡行走期间采集信号。与预期一致,下坡行走时的峰值肌电活动(0.008 ± 0.005 mV)显著低于上坡行走时(0.031 ± 0.180 mV,p = 0.005),支持了该装置的有效性。该装置的可靠性和生物相容性也得到了验证:植入后14天和56天在水平行走过程中信号保持稳定(分别为0.01 ± 0.007 mV 和 0.012 ± 0.007 mV;p > 0.05),且组织学检查未发现炎症反应。综上,我们提供了一套更新的低成本肌外膜电极制备与测试工作流程。
肌电图(EMG)是一种研究肌肉电活动的强大工具。在临床前动物模型中,EMG记录特别有助于评估治疗神经肌肉功能障碍干预措施的有效性。在这些模型中,通常使用可植入的生物相容性电极来评估运动神经元与肌纤维之间的神经生理界面。这些可植入电极能够提供肌肉兴奋的局部测量结果,其构型、形状和材料具有多样性,最佳设计最终取决于植入位置和预期用途。
尽管表肌电极适用于评估临床前模型中的肌肉兴奋性,但其应用可能受到成本的限制。因此,许多研究人员选择在实验室内自行制备定制的表肌电极。虽然目前已有一些资源详细介绍了电极制备、测试和使用的基本要点1,2,但仍缺乏一份采用现代方法详细介绍表肌电极材料获取、制备及验证的更新版操作指南。本研究基于Loeb和Gans3及其他学者在电极理论方面的奠基性工作,提供了关于低成本表肌电极材料获取与制备的现代操作说明,并通过一系列离体(ex vivo)和在体(in vivo)实验对其性能进行了测试。本指南旨在为科学界其他研究人员提供一种简便易行的方法,用于获取材料、制备和测试适用于动物实验的低成本自制表肌电极,从而推动在临床前模型中更广泛地量化肌肉兴奋性。
在本方案中,我们提供了现代电生理学实验室中用于动物实验的表肌膜电极的采购、制作与测试的指导说明。在电极制作过程中所选择的参数,如形状、尺寸、触点表面积、电极间距离、导线长度等,均根据我们的实验需求进行设定,并与一种 commercially available 行业标准表肌膜电极相类似(参见材料表)。我们鼓励其他研究团队根据自身实验需求调整这些参数,同时选择符合其具体应用需求的可靠行业标准电极。
为了使读者能够快速了解电极的性能,我们还提供了一个离体(ex vivo)测试方案示例,并可选择测量电极阻抗。此外,我们还给出了一个在体(in vivo)条件下评估电极性能的示例。离体实验通过在盐水浴中将自制电极与行业标准电极进行比较,以模拟稳定的生理环境。同时,采用电化学阻抗谱法(EIS)在离体条件下评估阻抗。在体实验包括将自制电极外科植入一只16周龄雌性Long Evans大鼠(HsdBlu: LE, Envigo)的股外侧肌(vastus lateralis, VL),在已知可诱发强或弱信号的条件下(如上坡、下坡行走)记录肌电(EMG)信号。为评估自制电极的可靠性,在手术完全恢复后、处死前的水平行走过程中采集EMG信号(分别在植入后14天和56天)。对植入电极的肌肉组织进行苏木精-伊红(H&E)染色,以评估自制电极的生物相容性。
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体内实验是在密歇根大学机构动物护理与使用委员会(IACUC 批准号 #PRO00010765)的批准下,并依照美国国立卫生研究院关于实验动物护理和使用的指南进行的。
1. 电极的获取与制备
注意:图1 概括了所有关键制备步骤的概览,并附有二维码链接,提供额外的可视化操作指南。

图1.电极制备步骤。(A)在硅胶基底上打孔。(B)使用折叠夹具制成U形金属箔。(C)将U形金属箔插入打孔后的硅胶基底中。(D)硅胶基底包含12个金属箔,用于形成6个双极电极。(E)在基底上贴上医用胶带,以固定金属箔,便于从切割夹具中取出。(F)将硅胶基底从切割夹具中取出。(G)剥除PFA涂层的不锈钢导线裸露部分,并使用微型TIG焊机将其焊接至竖直的金属箔臂上。(H)对齐裸露导线,涂覆硅胶-甲苯密封剂,并静置固化。(I)将硅胶基底分割为单个电极,并在超声波清洗仪中清洗。请点击此处查看该图的放大版本。
2. 离体 测试

图 2:离体测试:盐水浴中包含自制电极、工业标准电极、两个刺激电极以及接地源。通过信号发生器向盐水浴中输入正弦波、方波和三角波,并使用数据采集平台记录各电极检测到的波形,以评估信号一致性与时间同步性。注意:图中未显示电化学阻抗谱。 请点击此处查看该图的放大版本。
3. 体内 测试
注意: 体内 测试程序描述了我们的实验应用场景。建议对定制制造的肌外膜电极进行测试 体内 以符合用户预期实验条件的方式。
4. 生物相容性测试
5. 推荐的统计分析方法
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离体性能
组内相关系数(ICC)显示,定制电极与工业标准电极在所有波形下均表现出高度一致性(正弦波 [ICC = 0.993],方波 [ICC = 0.995],三角波 [ICC = 0.958];p < .001)。Bland-Altman 图同样显示两种电极之间的信号具有高度一致性。Bland-Altman 图与 Pearson 相关性分析结果汇总于图3,表明定制电极与工业标准电极之间存在强烈的正相关性。Pearson 相关性分析显示,定制电极与工业标准电极在所有波形下均具有较高的时间同步性(正弦波 [r = 0.987],方波 [r = 0.990],三角波 [r = 0.931])。
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我们的目标是简化肌电图(EMG)电极的制备流程,推动表肌电极设计的广泛应用与实施,从而提升可及性,并促进神经肌肉系统研究的发展。为此,我们提供了一份用户友好的指南,用于在实验室内自主采购、制备和测试低成本的表肌电极。为了支持其他研究团队,我们还提供了补充的3D打印模板,以协助各研究机构自主生产适用于其研究工作的表肌电极。
研究人员在考虑采用这些制备技术时,应考虑以下几点:1)本工作流程中指定的电极参数(形状、尺寸、接触表面积、电极间距离、引线长度等)是为适应我们的实验模型而选定的,针对不同的应用需求需进行相应调整;2)将引线焊接至接触箔片是关键步骤,需要经过练习才能成功操作;调整焊接过程中的脉冲宽度和焊接能量可提高成功率;3)必须对引线施加张力,并在焊接后评估界面性能,以检验引线与接触表面之间的连接质量;4)最后的制备步骤是使用硅胶对电极进行涂层和密封,这一过程看似简单,但对电极的最佳性能至关重要。硅胶涂层应尽量薄且相对光滑,以防止植入时对皮肤组织造成刺激;但涂层过薄可能会影响电极性能。建议研究人员根据自身具体需求调整硅胶与甲苯的比例,以获得坚固、薄且光滑的硅胶密封层。
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作者声明,他们不存在任何已知的相互竞争的经济利益或可能被认为影响本文所报告工作的个人关系。
本工作由关节炎与肌肉骨骼及皮肤病研究所资助,资助号为 R01AR081235(授予 L. K. Lepley)。作者感谢以下人员在生物相容性电极的制备与测试过程中所做出的贡献:Joel Pingel、Grant Gueller、Akhil Ramesh、Joe Letner、Jacky Tian 和 Ross Brancati。
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| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| 电极材料 | |||
| 数量 & 每个电极的价格 | |||
| 接触面 | Prince 和 Izant PT90/IR10 1.25 mm × 5 mm 箔片 | 目录号 #1040055 | 每电极2个 每片7.50美元 每个电极15.00美元 |
| PFA 包被的不锈钢电极引线 | A-M Systems 多股 PFA 包被不锈钢丝 50.8 µm 丝径 | 目录号 #793500 | 根据所需的导线长度而定(例如,9 英寸导线 × 2) 每25英尺线轴128美元 每英尺5.12美元 每英寸0.42美元(x18) 每枚电极 7.68 美元 |
| 折叠夹具 | 3D打印 (参见 .gcode 文件) | NA | NA |
| 电极本体密封剂 | Nusil Med-1137 液态硅胶 | 目录号 #MED-1137 | 1 克 344.66美元/2盎司(59.15 mL) 每个电极5.83美元 |
| 硅胶基底 | Implantech Alliedsil 硅胶片 - 增强型,长期可植入(8” × 6”0.007 英寸厚 | 目录号 #701-07 | 10 mm × 5 mm 片材 8 x 6 英寸每片 225.00 美元 每枚电极0.36美元(10 mm × 5 mm) |
| 密封剂混合物稀释剂 | 甲苯 99.5% ACS 级试剂 500 mL 或二甲苯 ACS 级 99.5% | 目录号 #179418-500 ML | 0.75 mL 500 mL 25.53 美元 每枚电极0.38美元 |
| 硅胶基底打孔模板 | 切割夹具 – 3D打印 (参见CAD文件) | NA | NA |
| 定制电极: $29.25 | |||
| 行业标准电极(EP105 EMG贴片电极,2个触点,单面,7 mm × 4 mm,MicroProbe for Life Science):305.00美元 | |||
| 附加制备材料 | |||
| 数量 & 每个电极的价格 | |||
| 3D打印软件 | Solidworks (Solidworks, 2022) | ||
| 微型Tig焊机 | 微型Tig焊机(CD1000SPM,单脉冲研究与轻型生产电阻点焊机,Sunstone) | SKU 301010 | $3,500 |
| 超声波清洗机 | 超声波清洗机(CPX系列超声波清洗机,Fisherbrand) | 15-337-403 | NA |
| 体外测试材料 | |||
| 数量 & 每个电极的价格 | |||
| 数据采集平台与软件 | DigitalLynx 4sX Base Cheetah 版本 6.0(Neuralynx 公司) | NA | 肌电图采集硬件与软件 |
| 电极接口板(EIB) | EIB,EIB16-QC,Neuralynx 公司 | 31-0603-0007 | NA |
| 信号发生器 | 5 MHz函数发生器,B&K 精度 | 4005DDS220V | $387.46 |
| 恒电位仪 | PGSTAT1 电化学工作站(EcoChemie,荷兰乌得勒支) | 无可用内容 | NA |
| 不锈钢螺钉 | Fine Science Tools | 19010-00 | $98 |
| 体外测试材料 | |||
| 数量 & 每个电极的价格 | |||
| 啮齿类动物跑台 | Exer 3/6 开放式跑步机,Columbus Instruments | NA | NA |
| 牙科水泥 | Excel 公式® 可浇注牙科材料,St. George Technology Inc. | #24211 | $125.60 |
| 光学显微镜 | Keyence BZ-X800,Keyence Corporation,大阪,日本 | NA | NA |
| 运动捕捉系统 | Optitrack 彩色相机,Optitrack,NaturalPoint 公司 | NA | NA |
| 峰值检测算法 | “SciPy.signal.find_peaks - SciPy v1.8.1 手册”, 2022 | NA | NA |
| Python 软件 | Python 软件基金会。Python 语言参考,版本 3.9。可从 http://www.python.org 获取 | 无可用内容 | NA |
| 大鼠 | HsdBlu:LE,Envigo | 140 | NA |
| 统计软件 | GraphPad Prism 版本 10.0.0(GraphPad Software,美国马萨诸塞州波士顿) | NA | NA |
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