本文介绍了一种用于安装和制备肌内电极的方案,以及一种可安装在动物身上、微型化的肌电图(EMG)测量装置,适用于运动研究中的EMG分析。该系统能够无线传输实时EMG数据,用于研究脑卒中模型大鼠的运动功能恢复。
本文介绍了一种用于安装和制备肌内电极的方案,以及一种可安装在动物身上、微型化的肌电图(EMG)测量装置,适用于运动研究中的EMG分析。该系统能够无线传输实时EMG数据,用于研究脑卒中模型大鼠的运动功能恢复。
用于实验动物的肌内肌电图(EMG)测量方法已有多种实现方式。在这些方法中,将缆线连接至外部测量设备会限制实验动物的活动,而植入式设备则可能因持续存在体积和重量较大的装置而引发不良副作用。为解决这些问题,我们提出一种低成本、无线、可拆卸的EMG测量系统及其实验操作流程。本文重点介绍带有小型连接器的肌内导线电极的手术植入方法以及无线系统的开发。值得注意的是,在该系统中,仅有导线电极被插入动物体内。使用该系统时,只需将电路系统连接至安装在动物背部的连接器,即可便捷地进行EMG测量,并可在笔记本电脑上实现实时监测。本文以详细、分步的方式阐述了所提出的方法,并通过将肌内电极植入大鼠后肢的实验进行演示。随后开展跑台实验以进行运动研究,并获取和分析相应的电生理信号。
肌电图涉及记录肌肉纤维在收缩过程中产生的电位。这些特性由运动神经元向单个肌肉发送的神经激活信号决定。肌电图广泛应用于康复、运动、脑和神经相关研究中,其测量方法 broadly 可分为表面肌电图(sEMG)和肌内肌电图(iEMG)1。表面电极具有多种优势,特别是在可穿戴应用中,因其具有非侵入性且准备过程简单2。在植入式 sEMG 中,手术过程相较于 iEMG 更为简便,因为电极无需穿透肌肉。尽管具有这些优势,sEMG 易受到信号污染的影响,例如肌肉-电极界面的干扰、运动伪影、电极接触质量以及来自邻近肌肉的信号串扰1。当电极放置位置彼此靠近时,这些问题尤为突出,而在涉及小型动物的研究中通常正是如此。另一方面,iEMG 需要额外的手术步骤以实现电极穿透肌肉。尽管操作步骤更多,但该方法可提供更精确、串扰更少的肌肉特异性肌电图记录,因为电极永久嵌入肌肉组织中3。在小型动物运动研究中,由于需要可靠的电极安装以获取肌肉特异性的肌电信息,因此更倾向于使用 iEMG4。
已有多种方法被报道用于从小型动物的电极获取肌电图(EMG)记录。通常使用系留电缆将电极连接到外部测量设备5,6,7,8,9,10,11,也可将设备植入体内12,或在动物体表佩戴无线可穿戴平台13。由于存在大量适用于此目的的商用兼容设备,系留电缆是最常报道的方法;然而,系留导线会引起动物不适,且其活动常受到电缆限制,可能影响研究结果。植入式设备可提供无线解决方案,但其有限的电池寿命可能限制实验持续时间。此外,永久安装设备的尺寸和重量可能给动物带来应激和不适,从而影响研究。已有研究提出无线能量传输技术以解决植入式设备的问题,但通常很难为小型设备维持稳定的能量连接14。而且,暴露于高强度电磁场可能引发不可预见的后果,例如免疫功能下降以及大脑潜在的神经退行性改变15,16。
采集系统也可实现为一种无线可穿戴平台,能够处理信号并无线传输肌电图记录至基站。尽管这是首选方法,但对用户而言存在技术挑战,且实验细节在文献中往往未得到充分阐述。
本研究介绍了一种用于小型动物运动研究的简单、低成本且可靠的肌电图(EMG)信号采集方法。将一对iEMG电极植入大鼠的后肢肌肉中,信号采集系统的其余部分(包括放大器、模数转换器和无线遥测装置)则安装在动物背部。EMG数据被传输至个人计算机,用于实时监测,并在本地记录数据。通过在卒中恢复研究中开展跑台运动实验,验证了该系统的有效性。
所有伦理和实验程序及方案均获得机构动物护理和使用委员会(申请编号:CGU1-2021-IA0041)的批准。本研究使用一只7周龄雄性Sprague-Dawley大鼠。试剂与设备的详细信息列于下文 材料表.
1. 动物准备
2. 电极制备
3. 手术
4. 印刷电路板(PCB)的设计与制作
5. 软件配置
6. 跑台实验
7. 数据分析
本研究介绍了一种简单的无线肌电图(EMG)信号采集方法。虽然需要进行手术操作,但仅需对电极插入和连接器固定部位进行部分切开,从而显著减轻动物的负担。在本演示中,电极被植入下肢,但使用相同方法也可在其他多个部位开展类似的电生理研究。该方法的优势在于无需使用束缚电缆,且不会限制动物行为,即可实现连续的电生理信号记录。电路PCB直径为9 mm,高度为3 mm,总重量为3 g。电池更换简便,所提出系统可实现对运动行为的连续监测。附图图7展示了连接器与设备的安装情况以及记录到的EMG波形。
本研究使用跑步机分析大鼠的运动模式。跑步机是分析动物运动的有效工具17,可用于评估肌肉或神经系统问题。尽管跑步机也可用于研究大鼠的自由运动,但本实验旨在专门分析由不同条件引起的运动异常。为实现这一目标,需要持续且重复的运动,因此跑步机是本研究目的的合适选择。
可采用多种方法结合肌电图(EMG)分析动物运动行为。在这些方法中,对称性指数已用于行为学分析21,22。对称性指数用于衡量身体两侧成对肌肉活动的平衡程度,我们已将其用于评估脑卒中后的功能恢复情况。

图 1:导线电极制备过程。(A)导线结构及其绝缘层去除位置示意图。将导线插入肌肉时应打三个结,以防止插入过深。(B)导线末端的绝缘层完全去除。(C)部分去除绝缘层以利于与肌肉接触。请点击此处查看该图的放大版本。

图 2:导线电极与连接器组装流程。(A)准备组装所需材料。(B)将导线插入金属部件中。(C)将导线焊接到金属部件上。(D)将导线从塑料外壳的开口中拉出。(E)将导线和金属部件插入塑料外壳中。(F)完成所有导线的组装,并使用氰基丙烯酸酯胶水将塑料外壳固定到缝合导向器(灰色部分)上。请点击此处查看该图的放大版本。

图3:手术操作所需器械。 本操作所需的一套手术器械,包括(1)缝合针,(2)镊子,(3)镊子,(4)手术剪,(5)精细剪,(6-7)止血钳,(8)持针器,以及(9)已准备好的电极。 请点击此处查看此图的放大版本。

图 4:电极导线连接步骤。(A)背部和腿部的切口位置。(B)通过切口插入持针器以夹住导线。(C)将导线从切口中拉出。(D)在目标肌肉处的缝合技术,将电极置于肌肉最粗部位周围,间距为 5 mm。(E)手术完成后的最终状态。请点击此处查看该图的放大版本。

图5:连接器的放置。(A)在连接器下方进行缝合。(B)使用缝合线固定连接器。(C)在连接器上方涂抹粘合剂,并放置金属屏蔽层以提供保护。请点击此处查看该图的放大版本。

图 6:肌电图信号采集演示。 (A)肌电图采集系统安装在大鼠身上的照片。(B)以 25 m/min 的速度进行跑步机测试。 请点击此处查看该图的放大版本。

图7:实测EMG信号与包络化EMG波形。(A)实测EMG信号的原始波形。(B)用于提取包络的滤波后EMG信号。(C)带有对称性指数分析阈值线的包络化波形。请点击此处查看该图的放大版本。
补充 图1:印刷电路板(PCB)电路布局示意图。印刷电路板(PCB)电路布局的示意图,展示了各组件及其连接方式的排列情况。请点击此处下载该图。
补充 图2:背面电路板的PCB电路设计。印刷电路板(PCB)背面层的设计,详细展示了元器件布局和电路布线。请点击此处下载该图。
补充 图3:顶层PCB电路设计。印刷电路板(PCB)顶层的设计,展示了元器件布局和电气连接。请点击此处下载该图。
补充代码文件 1:ADC 配置的固件准备。用于准备固件以配置一个双通道、8 位分辨率、采样速率为每秒 2 个样本(kSPs)的模数转换器(ADC)的操作说明。请点击此处下载该文件。
补充代码文件 2:基于 Python 的绘图应用程序。本研究中用于数据可视化与分析的基于 Python 的绘图应用程序说明。请点击此处下载该文件
本研究介绍了一种体积小、易于实现、低成本且无线的肌电图(EMG)信号采集系统。该系统无需依赖任何有线外部测量设备,有效避免了因电缆连接导致的信号衰减。通过将连接器安装在背部而非头部,显著简化了手术过程,降低了并发症风险。该设计还可减少平台与侧壁碰撞的可能性,从而避免产生信号伪迹。此外,由于集中质量不再施加于头部,减轻了颈部疲劳。
该方案包含多个关键步骤, notably 精确制备肌内电极和仔细安放连接器。确保准确剥离绝缘层并正确打结,对于防止电极植入过程中过度插入至关重要1。此外,术后密切监测手术部位对于早期发现潜在并发症至关重要,从而保障实验动物的健康福祉。
尽管所提出的技术具有较强的稳健性,但某些改进措施可进一步提升其有效性。例如,根据特定肌肉的大小调整电极长度,可改善接触质量。此外,若在测量过程中出现信号丢失或噪声干扰,可尝试检查连接情况,并确保设备已妥善屏蔽电磁干扰6。为手术团队提供充分的培训也有助于减少操作误差,从而提高整体成功率。
尽管该设备具有诸多优势,但其重量约为3 g,对于大鼠而言并无问题,但可能会给体型更小或更年轻的小鼠带来不适。这种不适可能影响小鼠的步态模式,从而干扰行为学分析。 通过 EMGore;若将大鼠单独留在笼中,该装置或连接器无法得到保护,存在损坏风险13设备不使用时采用金属外壳进行保护,但未来可进一步改进此设计。
该系统的重要性在于其能够在无需连接导线设备的情况下,提供连续且高质量的肌电图(EMG)记录。传统方法,包括使用连接导线和大型可植入装置,常常限制动物的活动,并可能引发应激反应,从而导致实验结果产生偏差5。该技术在保持数据采集高保真度的同时,提供了一种更为人道的方法,这对于在多种实验条件下理解运动功能及其恢复过程至关重要3。
在未来的研究中,该技术具有多种应用前景。尽管当前研究主要针对步态过程中肌肉对称性的评估,集中于腓肠肌内侧头(MG)肌肉,但该方法可调整用于其他肌肉,甚至可扩展至心电图(ECG)测量。增加电极数量将能够实现从多个位点同步采集信号11,从而促进对肌肉协调性与功能的全面分析。这一进展有望为中风康复及其他神经肌肉疾病的康复策略提供新的见解。
综上所述,所提出的肌电图采集系统在动物运动研究领域具有重要意义。该系统通过克服现有方法的局限性,并为未来的研究提供了一个多功能平台,在多种实验条件下有望加深我们对运动功能及其恢复机制的理解。
所有作者均无利益冲突。
本研究由韩国国家研究基金会(NRF-2020M3A9E4104385)和国家纳米制造中心纳米医疗设备开发项目(编号:1711160154)资助。
| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| 0.2 mm 厚度镍板 | 任何可用的供应商 | ||
| 3D打印丝材 | cubicon | A-100 | |
| 7周龄大鼠 | JABIO | SD(DBL)[7W M] | |
| 粘合剂 | Okong | 1028453 | 用于固定屏蔽罩 |
| ANT1 | Johanson Technology Inc. | 2450AT07A0100001T | |
| C1、C15、C16、C20 | Vishay | 1n | 0201(0603)公制 |
| C10, C13 | Vishay | 100p | 0201(0603)公制 |
| C11, C12 | Vishay | 4p | 0201(0603)公制 |
| C14, C19 | Vishay | 0.39n | 0201(0603)公制 |
| C2, C17 | Vishay | 22n | 0201(0603)公制 |
| C3、C5、C6 | Vishay | 0.1 μ | 0201(0603)公制 |
| C4,C18 | Vishay | 2.2 μ | 0201(0603)公制 |
| C7 | Vishay | 4.7μ | 0402(1005)公制 |
| C8, C21 | Vishay | 1u | 0201(0603)公制 |
| C9 | Vishay | 1p | 0201(0603)公制 |
| 笼 | JEUNG DO B&与 | JD-C-02 | |
| 清洁布 | kimberly | 41112 | |
| 连接器配件 | Harwin | M20-1060400 | 塑料外壳 |
| 连接器配件 | Harwin | M20-1180042 | 金属部件 |
| 电动理发剪 | 嗡鸣 | RFC-928 | |
| 热风枪 | 快速 | 861DW | |
| IC1, IC3 | 模拟设备 | AD8232 | 用于肌电图测量的模拟前端 |
| IC2 | 北欧半导体 | nRF52832-CIAA | |
| 异氟烷 | Hana Pharm | 657801261 | |
| L1 | Vishay | 3.3n | 0201(0603)公制 |
| 锂聚合物电池 | TheHan | TW402025 | 13 mm × 10 mm × 4 mm,30 mAh |
| 排针 | Harwin | M22-2530505 | |
| R1, R2, R9, R10, R13, R14, R21, R22 | Vishay | 10 M | 0201(0603)公制 |
| R11, R23 | Vishay | 100k | 0201(0603)公制 |
| R12,R24 | Vishay | 1M | 0201(0603)公制 |
| R3、R4、R5、R7、R15、R16、R17、R19 | Vishay | 180k | 0201(0603)公制 |
| R6,R18 | Vishay | 160k | 0201(0603)公制 |
| R8, R20 | Vishay | 768k | 0201(0603)公制 |
| 焊锡丝 | α金属 | SACX0307 | |
| 电烙铁 | Hakko | FX-951 | |
| 涂有特氟龙的不锈钢丝 | A-M Systems | 793200 | |
| 缝合针 | AILEE | 301289 | |
| 缝合线 | Ethicon | 604G | |
| 跑步机 | 大钟生物 | DJ2-243 | |
| U1 | Torex Semiconductor | XC6204B332DR-G | |
| Y1 | Murata Electronics | XRCTD32M000N1P1AR0 |
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