Waiting
Procesando inicio de sesión ...

Trial ends in Request Full Access Tell Your Colleague About Jove
JoVE Journal Bioengineering
Click here for the English version

Bioengineering

Muskelmanchetten regenerativ perifer nervegrænseflade til forstærkning af intakte perifere nervesignaler

Published: January 13, 2022 doi: 10.3791/63222
Automatic Translation
1, 1, 1, 1, 1,2, 1,2
1Department of Surgery, Section of Plastic Surgery, The University of Michigan Health System, 2Department of Biomedical Engineering, The University of Michigan, Ann Arbor

Summary

Dette manuskript giver en innovativ metode til udvikling af en biologisk perifer nervegrænseflade kaldet Muscle Cuff Regenerative Peripheral Nerve Interface (MC-RPNI). Denne kirurgiske konstruktion kan forstærke dens tilknyttede perifere nerves motoriske efferente signaler for at lette nøjagtig detektion af motorisk hensigt og den potentielle kontrol af exoskeletanordninger.

Abstract

Robotiske exoskeletter har for nylig fået anerkendelse inden for rehabiliterende medicin som en lovende modalitet til funktionel restaurering for de personer med ekstremitetssvaghed. Imidlertid er deres anvendelse stort set begrænset til forskningsinstitutioner, der ofte fungerer som et middel til statisk ekstremitetsstøtte, da motordetekteringsmetoder forbliver upålidelige. Perifere nervegrænseflader er opstået som en potentiel løsning på denne mangel; På grund af deres iboende små amplituder kan disse signaler imidlertid være vanskelige at skelne fra baggrundsstøj, hvilket sænker deres samlede motordetekteringsnøjagtighed. Da de nuværende grænseflader er afhængige af abiotiske materialer, kan nedbrydning af iboende materiale forekomme sammen med fremmedlegemevævsreaktion over tid, hvilket yderligere påvirker deres nøjagtighed. Muscle Cuff Regenerative Peripheral Nerve Interface (MC-RPNI) blev designet til at overvinde disse bemærkede komplikationer. Bestående af et segment af frit muskeltransplantat fastgjort omkreds til en intakt perifer nerve, regenererer konstruktionen og bliver reinnervated af den indeholdte nerve over tid. Hos rotter har denne konstruktion vist evnen til at forstærke en perifer nerves motoriske efferente handlingspotentialer op til 100 gange den normale værdi gennem generering af sammensatte muskelaktionspotentialer (CMAP'er). Denne signalforstærkning letter detektion af motorens hensigt med høj nøjagtighed, hvilket potentielt muliggør pålidelig udnyttelse af exoskeletanordninger.

Introduction

I USA alene er ca. 130 millioner mennesker ramt af neuromuskulære og muskuloskeletale lidelser, hvilket resulterer i over 800 milliarder dollars i årlig økonomisk indvirkning 1,2. Denne gruppe af lidelser er typisk sekundær til patologi inden for nervesystemet, ved det neuromuskulære kryds eller inden for selve musklen3. På trods af de mange patologiske oprindelser deler flertallet en vis grad af ekstremitetssvaghed 1,3. Desværre er denne svaghed ofte permanent i betragtning af begrænsningerne i neurale og muskelvævsregenerering, især i forbindelse med alvorligt traume 4,5,6.

Ekstremitetssvaghedsbehandlingsalgoritmer har klassisk fokuseret på rehabiliterende og understøttende foranstaltninger, ofte afhængig af at udnytte mulighederne i de resterende intakte lemmer (stokke, kørestole osv.) 7. Denne strategi kommer imidlertid til kort for dem, hvis svaghed ikke er begrænset til en enkelt ekstremitet. Med nylige innovationer inden for robotteknologier er der udviklet avancerede exoskeletenheder, der gendanner ekstremitetsfunktionalitet til dem, der lever med ekstremitetssvaghed 8,9,10,11,12,13. Disse roboteksoskeletter er ofte drevne, bærbare enheder, der kan hjælpe med initiering og afslutning af bevægelse eller vedligeholdelse af lemmernes position, hvilket giver en varierende mængde kraft, der kan skræddersys individuelt til brugeren 8,9,10,11,12,13 . Disse enheder klassificeres som enten passive eller aktive afhængigt af, hvordan de yder motorisk assistance til brugeren: aktive enheder indeholder elektriske aktuatorer, der øger strømmen til brugeren, mens passive enheder lagrer energi fra brugerens bevægelser for at frigive den tilbage til brugeren, når det er nødvendigt14. Da aktive enheder har evnen til at øge en brugers strømfunktioner, bruges disse enheder langt oftere i indstillingen af ekstremitetssvaghed[14].

For at bestemme motorisk hensigt i denne population er moderne exoskeletter almindeligvis afhængige af mønstergenkendelsesalgoritmer genereret fra enten elektromyografi (EMG) af distale lemmermuskler 8,15,16,17 eller overfladeelektroencefalografi (sEEG) i hjernen18,19,20 . På trods af løftet om disse detektionsmetoder har begge muligheder betydelige begrænsninger, der udelukker udbredt brug af disse enheder. Da sEEG registrerer signaler på mikrovoltniveau transcranialt18,19,20, fokuserer kritikken ofte på manglende evne til at skelne disse signaler fra baggrundsstøj 21. Når baggrundsstøj ligner det ønskede optagesignal, producerer dette lave signal-støj-forhold (SNR'er), hvilket resulterer i unøjagtig motordetektion og klassificering22,23. Nøjagtig signaldetektion er desuden afhængig af stabil hovedbundskontakt med lav impedans21, som kan påvirkes betydeligt af tilstedeværelsen af groft / tykt hår, brugeraktivitet og endda svedtendens22,24. I modsætning hertil er EMG-signaler flere størrelser større i amplitude, hvilket letter større motorsignaldetekteringsnøjagtighed15,18,25. Dette har dog en pris, da nærliggende muskler kan forurene signalet, hvilket reducerer frihedsgraderne, der kan styres af enheden 16,17,25 og en manglende evne til at registrere dyb muskelbevægelse25,26,27,28. Vigtigst er det, at EMG ikke kan bruges som en kontrolmetode, når der er betydeligt muskelkompromis og fuldstændigt fravær af væv29.

For at fremme udviklingen af roboteksoskeletter kræves konsekvent og nøjagtig detektion af den tilsigtede brugers motoriske hensigt. Grænseflader, der udnytter det perifere nervesystem, er opstået som en lovende grænsefladeteknik på grund af deres relativt enkle adgang og funktionelle selektivitet. Nuværende perifere nervegrænseflademetoder kan være invasive eller ikke-invasive og falder typisk inden for en af tre kategorier: ekstraneurale elektroder 30,31,32,33, intrafascikulære elektroder 34,35,36 og penetrerende elektroder37,38,39,40 . Da perifere nervesignaler generelt er på niveau med mikrovolt, kan det være vanskeligt at skelne disse signaler fra lignende amplitude baggrundsstøj41,42, hvilket reducerer grænsefladens samlede motordetekteringsnøjagtighed. Disse lave signal-støj-forhold (SNR) forværres ofte over tid sekundært til forværring af elektrodeimpedans 43 produceret ved enten nedbrydning af enheden39,43 eller lokal fremmedlegemereaktion, der producerer arvæv omkring enheden og / eller lokal axonal degeneration37,44. Selvom disse mangler generelt kan løses med reoperation og implantation af en ny perifer nervegrænseflade, er dette ikke en levedygtig langsigtet løsning, da fremmedlegemeassocierede reaktioner fortsat vil forekomme.

For at undgå disse lokale vævsreaktioner, der genereres fra perifere nervers interaktion med abiotiske grænseflader, er det nødvendigt med en grænseflade, der indeholder en biologisk komponent. For at løse denne mangel blev den regenerative perifere nervegrænseflade (RPNI) udviklet til at integrere transected perifere nerver i de resterende lemmer hos dem med amputationer med proteser45,46,47,48. Fremstilling af RPNI involverer kirurgisk implantation af en transected perifer nerve i et segment af autolog fri muskeltransplantat, med revaskularisering, regenerering og reinnervation, der forekommer over tid. Gennem generering af milli-volt niveau sammensatte muskelaktionspotentialer (CMAP'er) er RPNI i stand til at forstærke sin indeholdte nerves mikrovoltniveausignal med flere størrelser, hvilket letter nøjagtig detektion af motorens hensigt45,48,49. Der har været en betydelig udvikling af RPNI i løbet af det sidste årti, med bemærkelsesværdig succes med at forstærke og transmittere efferente motoriske nervesignaler i både dyr50,51 ogmenneskelige 47 forsøg, hvilket letter protesekontrol med høj nøjagtighed med flere frihedsgrader.

Personer med ekstremitetssvaghed, men intakte perifere nerver, vil ligeledes drage fordel af høj nøjagtighedsdetektion af motorisk hensigt gennem perifere nervegrænseflader for at kontrollere exoskeletanordninger. Da RPNI blev udviklet til integration med transected perifere nerver, såsom hos personer med amputationer, var kirurgiske ændringer nødvendige. På baggrund af erfaringer med RPNI blev Muscle Cuff Regenerative Peripheral Nerve Interface (MC-RPNI) udviklet. Bestående af et lignende segment af frit muskeltransplantat som i RPNI, er det i stedet fastgjort omkreds til en intakt perifer nerve (figur 1). Over tid regenererer det og bliver reinnervated gennem collateral axonal spiring, der forstærker og oversætter disse efferente motoriske nervesignaler til EMG-signaler, der er flere størrelsesordener større52. Da MC-RPNI er biologisk oprindelse, undgår den den uundgåelige fremmedlegemereaktion, der opstår med perifere nervegrænseflader, der i øjeblikket er i brug52. Desuden giver MC-RPNI mulighed for at kontrollere flere frihedsgrader samtidigt, da de kan placeres på distalt dissekerede nerver til individuelle muskler uden væsentlig krydstale, som det tidligere er blevet demonstreret i RPNI'er49. Endelig kan MC-RPNI fungere uafhængigt af distal muskelfunktion, da den placeres på den proksimale nerve. I betragtning af sine fordele i forhold til de nuværende perifere nervegrænseflader har MC-RPNI et betydeligt løfte om at give en sikker, nøjagtig og pålidelig metode til exoskeletkontrol.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

Alle dyreforsøg og eksperimenter blev udført med godkendelse fra University of Michigan's Institutional Care and Use of Animals Committee (IACUC). Mandlige og kvindelige Fischer F344 og Lewis rotter (~ 200-300 g) ved 3-6 måneders alderen anvendes hyppigst i forsøg, men enhver stamme kan teoretisk anvendes. Hvis der anvendes donorrotter i stedet for autologe muskeltransplantater, skal donorrotter være isogene over for den eksperimentelle stamme. Rotter får fri adgang til mad og vand både før og efter. Efter terminale endepunktsevalueringer udføres eutanasi under dyb anæstesi med intra-hjerte kaliumchloridinjektion efterfulgt af en sekundær metode til bilateral pneumothorax.

1. Eksperimentel tilberedning af rotten

  1. Anæstetiser den eksperimentelle rotte ved hjælp af en opløsning af 5% isofluran i ilt ved 0,8-1,0 L / min i et induktionskammer. Når tilstrækkelig anæstesi er opnået og bekræftet med fravær af hornhinderefleks, skal du placere rotten på en rebreather næsekegle med isofluran sænket til 1,75% -2,25% til opretholdelse af anæstesi.
  2. Injicer en opløsning på 0,02-0,03 ml Carprofen (50 mg/ml) i 0,2 ml sterilt saltvand med 27 G nål i det subkutane plan mellem skulderbladene til peri- og postoperativ analgesi.
  3. Påfør steril øjensalve på begge øjne for at forhindre hornhindesår, mens de bedøves.
  4. Brug en elektrisk barbermaskine til at barbere den laterale del af de bilaterale underben, der strækker sig fra hofteleddet, over låret og til potens dorsale overflade.
  5. Steriliser det kirurgiske sted ved først at tørre med en alkoholforberedelsespud, efterfulgt af povidon-jodopløsningsapplikation, der slutter med en endelig rensning med en ny alkoholforberedelsespude for at fjerne den resterende povidon-jodopløsning. Gentag denne vekslende renseproces tre gange for at opretholde sterilitet.
    BEMÆRK: Dette kan være en dermatologisk irritation; Sørg for, at størstedelen af opløsningen fjernes.

2. Forberedelse af muskeltransplantatet

  1. Placer rotten på en varmepude under et kirurgisk mikroskop med en intraoral kropstemperatursonde efter eget valg til overvågning af kropstemperatur. Isofluran opretholdes ved 1,75% -2,25% og ilt ved 0,8-1,0 l / min.
  2. Lav et langsgående snit langs det forreste aspekt af den ønskede donorbagben, der strækker sig fra lige over anklen til lige under knæet med en # 15 skalpel.
  3. Dissekere gennem det underliggende subkutane væv ved hjælp af skarp irissaks for at udsætte den underliggende muskulatur og distale sener lige proksimale til ankelleddet. Tibialis anterior (TA) er den største og mest forreste af musklerne; extensor digitorum longus (EDL) musklen kan findes lige dybt og bageste til denne muskel. Isoler EDL-musklen og dens distale sene fra den omgivende muskulatur.
  4. Sørg for isolering af den korrekte sene ved at indsætte begge tænder på en tang eller irissaks under den distale sene lige proksimale til ankelleddet. Udøv opadgående pres på senen ved at åbne enten tangen eller irisaksen. Dette forslag bør medføre en samtidig forlængelse af alle tæerne samtidigt. Hvis der opstår isoleret ankeldorsiflexion, ankeleversion eller dorsiflexion med en enkelt tå, er den forkerte sene blevet isoleret.
  5. Udfør en distal tenotomi af EDL-musklen på ankelniveau med skarp irissaks og dissekere musklen fri for omgivende væv, der arbejder proximalt mod dens tendinøse oprindelse.
  6. Når den proksimale sene er visualiseret, skal du udføre en proksimal tenotomi ved hjælp af en skarp irissaks for at frigøre transplantatet.
  7. Trim begge tendinøse ender af muskeltransplantatet og skær til den ønskede længde med skarp irissaks.
    BEMÆRK: Transplantater, der måler 8-13 mm, er blevet brugt med succes; den mest almindelige længde, der anvendes, er dog 10 mm.
  8. På den ene side af muskeltransplantatet skal du lave et langsgående snit langs hele den trimmede længde for at lette placeringen af nerven i muskeltransplantatet og give kontakt med nerven med endomysium.
  9. Placer det forberedte muskeltransplantat i en saltvandsfugtet gasbind for at forhindre vævsudtørring.
  10. Luk huden, der ligger over donorstedet med 4-0 kromisk sutur på en løbende måde.

3. Fælles peroneal nerveisolering og forberedelse

  1. Marker det kirurgiske snit, som vil strække sig fra en linje ~ 5 mm fra det iskiashak, der strækker sig til lige ringere end knæleddet. Sørg for, at denne markering er ringere end og vinklet væk fra lårbenet, der kan palperes nedenunder.
  2. Snit gennem huden og subkutant væv langs den markerede snitlinje med et # 15 blad. Skær forsigtigt gennem den underliggende biceps femoris fascia, og pas på ikke at strække sig gennem hele dybden af musklen, da iskiasnerven ligger lige under.
  3. Brug stump-tippet lille saks eller en hæmosat, dissekere forsigtigt gennem biceps femoris muskel.
    BEMÆRK: Iskiasnerven bevæger sig i dette rum bag biceps, orienteret i omtrent samme retning som snittet markeret på huden. Der er tre bemærkelsesværdige iskiasnervegrene: sural (mest bageste og mindste af nerverne), tibial (typisk mest anterior, men denne nerve dykker altid dybt ned til knæleddet) og almindelig peroneal (typisk placeret mellem tibial og sural, bevæger sig altid over knæleddet).
  4. Identificer den fælles peroneal (CP) nerve og isolere den omhyggeligt fra de omgivende nerver ved hjælp af et par mikrotang og mikrosaks. Fjern eventuelt omgivende bindevæv fra midten af 2 cm af nerven. Pas på ikke at knuse CP-nerven med tang i denne proces, da knusningsskade kan ændre slutpunktsresultater.
  5. Over den midterste del af den frigjorte CP-nerve skal du udføre et epineurielt vindue ved at fjerne 25% af epineuriet langs længden af nerven, der matcher den ønskede længde af muskeltransplantatet.
  6. For at udføre dette hold det proksimale epineurium med mikrotang, skær ind i epineuriumet umiddelbart underliggende med mikrodissektionssaks og fjern ~ 25% af epineurium, der rejser distalt langs nerven. Pas på at fjerne dette segment i ét stykke, da flere forsøg kan forårsage uregelmæssig epineurial fjernelse, hvilket øger risikoen for nerveskade.
    BEMÆRK: Nervevævet bag epineurium vil have en goo-lignende tekstur; Bemærk denne kvalitet af nerve sikrer, at det korrekte vævsplan er blevet fjernet.

4. MC-RPNI konstruktion fabrikation

  1. Fjern muskeltransplantatet fra det saltvandsfugtede gasbind og læg det under den centrale del af CP-nerven, hvor det epineuriale vindue blev oprettet. Drej nerven 180°, så det epineuriale vinduesparti kommer i kontakt med intakte muskler og ikke ligger til grund for den eventuelle suturlinje.
  2. Brug af en 8-0 nylonsutur, sutur epineurium af CP-nerven både proximalt og distalt til muskeltransplantatet i rillen skabt i trin 2.8 ved hjælp af enkle afbrudte suturer for at sikre epineurium til endomysium.
    BEMÆRK: Placer disse sting, hvilket sikrer, at musklen har normal hvilelængde. At strække eller komprimere musklen for meget kan påvirke regenererings- og signalkapaciteten senere.
  3. Omkreds indpak kanterne af muskeltransplantatet omkring den nu sikrede nerve og sutur på plads ved hjælp af simpel afbrudt 8-0 nylonsømme (~ 4-6 afhængigt af længden).
  4. Når hæmostase er opnået, skal du lukke biceps femoris fascia over konstruktionen med 5-0 krom sutur i løbende mode.
  5. Luk den overliggende hud på løbemode med en 4-0 krom sutur.
  6. Rens det kirurgiske område med en alkoholforberedelsespude og påfør antibiotisk salve.
  7. Afslut inhalationsbedøvelse og læg rotten i et rent bur isoleret fra burkammerater og lad den komme sig med mad og vand ad lib.
  8. Når rotten er kommet sig passende, skal du placere den tilbage med burkammerater i et rent bur.
    BEMÆRK: Disse konstruktioner kræver modning på mindst tre måneder for at producere tilstrækkelig nervesignalforstærkning.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

MC-RPNI kirurgisk fabrikation betragtes som en perioperativ fejl, hvis rotter ikke overlever fremkomsten fra kirurgisk anæstesi eller udvikler en infektion inden for en uge efter operationen. Tidligere forskning har vist, at en 3 måneders modningsperiode vil resultere i pålidelig signalforstærkning fra denne konstruktion42,45,48,49. På det tidspunkt eller derefter kan kirurgisk eksponering af konstruktionerne og evalueringen forekomme. Hvis MC-RPNI-fabrikationen var vellykket, skulle revaskulariseret muskel være let synlig på det oprindelige MC-RPNI-implantationssted (figur 2B). Succesfulde MC-RPNI'er vil desuden indgå kontrakt efter proksimal nervestimulering (Video 1). Til tider kan signifikant ardannelse og atrofisk muskeltransplantat være til stede (figur 2C), hvilket indikerer en svigt i revaskularisering / regenerering, typisk sekundær til for stor graft, forkert håndtering eller perioperativ vævsskade. Disse atrofiske transplantater har almindeligvis en vis grad af sammentrækning ved proksimal nervestimulering, men producerer lavere signalforstærkning. Samlet set betragtes det som en fabrikationsfejl, hvis MC-RPNI ved eksponering findes løsrevet fra nerven eller ikke har nogen sammentrækning ved proksimal nervestimulering.

Histologisk analyse af disse konstruktioner bør påvise levedygtigt nerve- og muskelvæv uden nogen signifikant fibrose eller ardannelse (figur 3). Immunohistokemi kan også udføres for at bekræfte tilstedeværelsen af innerverede neuromuskulære kryds med neurofilament som en generel nervemarkør i kombination med alfa-bungarotoxin som markør for postsynaptiske acetylcholinreceptorer (figur 4). Hvis den målimplanterede nerve ikke innerverer muskelkomponenten i MC-RPNI, vil immunfarvning ikke demonstrere nogen sikkerhedsmotoriske nervespirer, der krydser konstruktionen, eller nogen innerveret neuromuskulære kryds.

Elektrofysiologisk test kan udføres på disse konstruktioner når som helst efter modning, med offentliggjorte resultater, der viser stabile signaler specifikt i MC-RPNI ved 3 måneder52 og op til 3 år i RPNI'er hos mennesker47. Elektrofysiologiske testskemaer kan variere afhængigt af interesseområdet og det tilgængelige udstyr (figur 5), men evalueringer udføres oftest med tilvejebringelse af maksimal stimulering til den proksimale nerve med en krogelektrode efterfulgt af en registrering af sammensatte muskelaktionspotentialer (CMAP'er) genereret ved MC-RPNI (tabel 1 ). Optagelseselektroder kan variere alt efter brugerpræference, men epimysial patch / pad, epimysial bipolar sonde og penetrerende bipolære elektroder er blevet brugt eksperimentelt med succes. Den gennemsnitlige sammensatte nerveamplitude (CNAP) registreret ved CP-nerven efter mere proksimal nervestimulering var 119,47 μV ± 14,87 μV. Gennemsnitlig CMAP-amplitude registreret ved MC-RPNI efter lignende proksimal CP-nervestimulering var 3,28 mV ± 0,49 mV, hvilket resulterede i forstærkning af nervesignalet fra 11-87x med en samlet gennemsnitlig forstærkningsfaktor på 31,8 ± 7,70. Disse genererede CMAP-bølgeformer ligner udseende indfødte muskler, hvilket yderligere understøtter, at de er blevet reinnerveret af deres indeholdte nerve (figur 6B).

For at sikre, at MC-RPNI-fabrikation ikke forårsager negativ funktionel påvirkning, kan elektrofysiologisk og muskelkrafttest udføres på distalt-innerveret muskel. Størstedelen af testen er blevet udført på den ipsilaterale EDL-muskel, da den er let tilgængelig til test og er innerveret af den fælles peroneale nerve (den kontralaterale EDL høstes til MC-RPNI-fabrikation og vurderes derfor ikke). CMAP'er genereret af fysiologisk EDL-muskel efter proksimal CP-nervestimulering spænder typisk fra 20-30 mV52. Ved udførelse af denne test på rotter med implanterede MC-RPNI'er er EDL CMAP'er ikke signifikant forskellige, i gennemsnit 24,27 mV ± 1,34 mV. Når man sammenligner genererede CMAP-bølgeformer mellem disse to grupper, er de desuden bemærkelsesværdigt ens (figur 6C). Som et yderligere mål for distalt-innerveret muskelfunktion kan muskelkrafttest af muskelmusklen af interesse forfølges (tabel 2). Efter proksimal CP-nervestimulering er den gennemsnitlige EDL-maksimale tetaniske kraft, der genereres hos MC-RPNI-forsøgspersoner, 2451 mN ± 115 mN, svarende til den gennemsnitlige kraft på 2497 mN ± 122 mN opnået fra EDL-muskel hos kontrolpersoner52.

Det overordnede formål med MC-RPNI er at forstærke dets indeholdte nerves mikrovolt-niveau signal med flere størrelser, hvilket øger SNR-forholdet og dermed letter nøjagtig detektion af motorens hensigt. Denne forstærkning har vist sig at forekomme på en pålidelig måde i intervallet 10-20 gange 52, hvor nyere eksperimenter opnår forstærkningsfaktorer på over50 gange; Derfor, hvis en konstruktion ikke giver et lignende niveau af forstærkning, betragtes det som suboptimalt. Suboptimale resultater kan typisk tilskrives problemer på niveau med muskeltransplantatet i MC-RPNI, da ufuldstændig regenerering og dermed reinnervation kan resultere i lavere end standard CMAP, hvilket sænker konstruktionens samlede forstærkningsevner. Den genererede bølgeform er typisk svækket med et mærkbart unormalt udseende. Hvis muskeltransplantatet fejler fuldstændigt, kan signalet målt ved muskelkomponenten enten være ikke-eksisterende (sekundært til signifikant arvæv) eller spejle CNAP genereret ved opstrømsnerven.

Figure 1
Figur 1: Illustrativ skematisk af MC-RPNI. Målets perifere nerve kan ses i gult i det omgivende muskeltransplantat. MC-RPNI er i stand til at forstærke sin indeholdte nerves motoriske efferente handlingspotentialer på niveau med mikrovolt gennem generering af sammensatte muskelaktionspotentialer (CMAP'er) flere størrelser større. Dette letter detekteringen af motorisk hensigt, der let kan skelnes fra baggrundsstøj. Klik her for at se en større version af denne figur.

Figure 2
Figur 2: MC-RPNI in vivo. MC-RPNI er fremstillet ved hjælp af en autolog extensor digitorum longus (EDL) muskeltransplantat høstet fra det kontralaterale lem. Det er derefter omkredssikret til den fælles peroneale nerve, med et eksempel MC-RPNI skitseret i hvidt (A) på tidspunktet for den første fabrikation. Den samme MC-RPNI er igen afbildet i (B) på tidspunktet for slutpunktsevaluering 3 måneder efter. MC-RPNI har samme farve som den omgivende muskel og har bevaret en god del af volumenet. Et eksempel på et atrofisk muskeltransplantat er vist i (C). MC-RPNI har et lignende udseende som omgivende ar og bindevæv og har mistet betydelig volumen. Klik her for at se en større version af denne figur.

Figure 3
Figur 3: MC-RPNI histologi. (A) H&E af et MC-RPNI-tværsnit med M, der angiver muskelkomponenten, og N, nerven. (B) Tværsnit af den ipsilaterale distalt-innerverede EDL-muskel i en rotte med en MC-RPNI. (C) Tværsnit af EDL-muskel i en kontrolrotte uden MC-RPNI. Klik her for at se en større version af denne figur.

Figure 4
Figur 4: Immunostaining af MC-RPNI. Billedet øverst til venstre viser en langsgående sektion af en MC-RPNI-prøve med kerner noteret i blåt (DAPI) og nervevæv i grønt (neurofilament). Et nærbillede af en anden MC-RPNI er vist nederst til højre med flere neuromuskulære kryds til stede (alfa-bungarotoxin i rødt for acetylcholinreceptorer). Klik her for at se en større version af denne figur.

Figure 5
Figur 5: Opsætning af elektrofysiologisk slutpunktsevaluering. Elektrofysiologisk test kræver mindst tre elektroder: (1) en jordingselektrode - ikke afbildet; (2) en nervestimulerende bipolar elektrode; og (3) en bipolar optageelektrode. I denne opsætning kan en bipolar stimulerende krogelektrode ses i hvidt til højre for billedet placeret på den fælles peronealnerve. Den optagende bipolære sondeelektrode placeres på den distale MC-RPNI. Signaler registreres derefter fra MC-RPNI efter proksimal nervestimulering ved krogelektroden, indtil maksimale CMAP'er er opnået. Klik her for at se en større version af denne figur.

Figure 6
Figur 6: Standard elektrofysiologiske bølgeformer. Disse grafer viser typiske bølgeformer fanget under elektrofysiologisk analyse af en rotte med en implanteret MC-RPNI efter proksimal CP-nervestimulering. (A) I blåt er en CNAP (*) optaget fra CP-nerven proximal til MC-RPNI afbildet. Systemartefakten er angivet med en (**). (B) Den repræsentative CMAP registreret fra MC-RPNI efter den genererede CNAP i (A). (C) Den resulterende CMAP-bølgeform registreret fra den ipsilaterale distalt-innerverede EDL-muskel. Klik her for at se en større version af denne figur.

Rotte ID Rotte vægt (g) Nerve CNAP amplitude (μV) MC-RPNI CMAP Amplitude (mv) Nerve signal forstærkning faktor Latenstid (ms)
1 421 123.3 1.4 11.35 0.8
2 368 65.6 1.6 24.39 1.05
3 390 110.7 4.5 40.65 1.45
4 482 217.2 3.61 16.62 0.95
5 417 144.6 1.39 9.61 0.9
6 417 156.1 3.4 21.78 0.95
7 381 82 7.2 87.8 0.9
8 393 87.9 2.3 26.17 1.15
9 378 87.8 4.2 47.84 1
10 459 Nielsen 5.3 Nielsen 1.55
11 380 Nielsen 2.1 Nielsen 0.75
12 415 Nielsen 2.4 Nielsen 1

Tabel 1: Endpoint elektrofysiologisk analyse af MC-RPNI'er. Et udvalg af resultater opnået fra rotter, der gennemgår endepunktsanalyse ved 3 (rotter 1-9) og 6 (rotter 10-12) måneder efter fremstilling. Efter proksimal fælles peroneal (CP) nervestimulering blev sammensatte nerveaktionspotentialer (CNAP'er) registreret ved nedstrøms CP-nerven, og sammensatte muskelaktionspotentialer (CMAP'er) blev registreret ved nedstrøms MC-RPNI. Forstærkningsfaktoren for hver test kan ses i kolonnen til højre. Bemærk: For rotter 10-12 kunne CNAP-proximal til MC-RPNI ikke måles på grund af anatomiske begrænsninger, der skyldtes fremstilling af MC-RPNI for tæt på CP-nervens start fra iskiasnerven. Den gennemsnitlige registrerede CNAP-amplitude var 119,47 μV ± 14,87 μV, mens den gennemsnitlige CMAP-amplitude var 3,28 mV ± 0,49 mV, hvilket gav en gennemsnitlig forstærkningsfaktor på 31,8 ± 7,70.

Rotte ID Maksimal trækning (mN) V Maksimal tetany (mN) V Hz Lo (mm)
1 927.13 3 2668.29 3 80 30.64
2 768.22 3.5 2677.85 3.5 80 31.15
3 646.99 3 2164.84 3 80 28.36
4 863.62 3.5 3109.67 3.5 150 31.07
5 774.48 1.5 2723.24 2 80 28.83
6 558.19 4 1930.22 4 120 29.46
7 753.97 1 2605.64 1 100 31.13
8 768.38 2 2897.08 2 100 31.86
9 559.9 1.5 1984.17 1.5 100 31.11
10 600.6 5.5 2416.09 5.5 80 32.51
11 770.27 5.5 2496.89 5.5 80 31.89
12 672.22 2.5 1740.04 2.5 50 31.34

Tabel 2: Muskelkraftanalyse af rotter med implanterede MC-RPNI'er. Muskelkrafttest blev udført på ipsilateral extensor digitorum longus (EDL) muskel for at afgøre, om MC-RPNI havde nogen indflydelse på distalt-innerveret muskelfunktion. Efter proksimal CP-nervestimulering blev kraftsporinger registreret, og aktiv kraft blev beregnet relevant for testen af interesse. Lo blev defineret som den optimale muskelhvilelængde, der producerede maksimal kraft. Den gennemsnitlige maksimale trækkraft registreret fra rotter med implanterede MC-RPNI'er var 722,0 mN ± 32,11 mN, og den gennemsnitlige maksimale tetaniske kraft, der blev registreret, var 2451 mN ± 115 mN, svarende til værdier opnået fra kontroldyr (maksimal trækning: 822,2 mN ± 41,11 mN; maksimal tetany: 2497 mN ± 122 mN).

Video 1: MC-RPNI-sammentrækning efter proksimal nerve elektrisk stimulering. Efter proximal nerve elektrisk stimulering tilvejebragt af krogelektroden til højre, kan synlig muskelkontraktion af MC-RPNI ses i midten. Klik her for at downloade denne video.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

MC-RPNI er en ny konstruktion, der giver mulighed for forstærkning af en intakt, perifer motornerves efferente handlingspotentialer for nøjagtigt at kontrollere en exoskeletanordning. Specifikt giver MC-RPNI en særlig fordel til de personer med ekstremitetssvaghed forårsaget af betydelig muskelsygdom og / eller fravær af muskler, hvor EMG-signaler ikke kan registreres. At reducere allerede kompromitteret muskelfunktion ville være ødelæggende i denne befolkning; MC-RPNI har imidlertid evnen til at tilvejebringe denne nervesignalforstærkning uden at skade distalt innerveret muskel52 (tabel 1 og tabel 2). Hos de personer med muskelbaseret eller lavere motorneuronsygdom er perifere sensoriske nerver typisk upåvirket af sygdomsprocessen53. Da fornemmelsen bevares, er det bydende nødvendigt at holde nerven i kontinuitet og undgå skade, og MC-RPNI ser ud til at undgå enhver skade på distalt innerverede mål som helhed baseret på histologi (figur 3), immunhistokemi (figur 4) og evaluering af muskelfunktion (tabel 2).

MC-RPNI er afhængig af begrebet collateral axonal spiring af den indeholdte perifere nerve, et koncept, der let demonstreres i både tidligere forskning52 og også i den velbeskrevne kirurgiske teknik af end-to-side neurorrhaphy54,55. For at sikre tilstrækkelig reinnervation af muskeltransplantatet under MC-RPNI-fabrikation og undgå negativ indvirkning på distalt-innerverede mål, er omhyggelig håndtering af nerven afgørende. Under dissektion af nerven kan traumer undgås gennem kortfattet håndtering af enten epineurium eller bindevæv alene. Imidlertid er potentialet for nerveskade i MC-RPNI-fabrikation det højeste under det epineuriale vinduestrin. For at undgå skarp transsektion af nervefibre anbefales det kun at udføre dette trin under et kirurgisk mikroskop med høj effekt (mindst 5x) efter flere muligheder for praksis på ikke-eksperimentelle rotter. Dette trin kan tage flere forsøg på at mestre, og det anbefales ikke først at udføre dette trin på rotter beregnet til eksperimentel analyse. Teoretisk set er neuroma i kontinuitet en komplikation, der kan opstå efter MC-RPNI-fabrikation, især i nærvær af betydelige nervetraumer. Denne komplikation er imidlertid ikke stødt på i løbet af de mange år under udvikling.

De fleste eksperimenter udført med MC-RPNI er blevet udført på den fælles peroneale nerve i betragtning af dens relative lette adgang samt evaluering af distalt-innerverede mål. Teoretisk set kan enhver perifer nerve med en motorkomponent erstattes. Rene sensoriske axoner kunne bruges, da muskelvæv har sensoriske komponenter (spindelfibre, Golgi-seneorganer osv.), Men disse eksperimenter er ikke blevet udført hidtil, og resultaterne er vanskelige at forudsige. For muskeltransplantatkomponenten i MC-RPNI varierer transplantater fra 20-150 mg afhængigt af rottens graftlængde og alder, og enhver lignende størrelse muskeltransplantat kan med succes anvendes. Regenerering af muskeltransplantat er delvis afhængig af evnen til at revaskularisere, og store / tykke transplantater er mere tilbøjelige til at gennemgå nekrose og fibrose, hvilket påvirker den samlede signalevne56. Forskning udført specifikt på RPNI'er har indikeret vellykket muskelregenerering og vedligeholdelse af signalforstærkning i transplantater op til 300 mg56. Med hensyn til rotterace anbefales Lewis og Fischer, da størstedelen af andre rotter, der anvendes til eksperimentelle formål, er kendt for at selvlemlæste sekundært til nerveskade57,58.

Samlet set har de nuværende erfaringer med MC-RPNI-fabrikation givet en fejlrate på <5%. De mest almindelige konstruktionsfejl, der ses, tilskrives typisk muskeltransplantatsegmentet, hvorefter de på eksponeringen bemærkes at være enten atrofiske eller løsrevet fra nerven. Løsrevne MC-RPNI'er skyldes normalt utilstrækkelig suturering på fremstillingstidspunktet, hvilket fører til "åbning" af det omkredsindpakkede muskeltransplantat og eventuel delvis ekstrudering af den indeholdte nerve. Imidlertid bevarer disse MC-RPNI'er normalt en vis grad (omend reduceret) signalforstærkningsfunktioner, da en del af transplantatet stadig er fastgjort til nerven. Atrofiske MC-RPNI'er er tydelige ved eksponering, da de mangler det typiske skeletmuskeludseende, der ofte ikke kan skelnes fra arvæv med lyserød til grå / hvid farve (figur 2C). Atrofi af muskelvævet kan skyldes mange faktorer, herunder infektion, for stor / tyk af et muskeltransplantat, akut blodtabsanæmi, muskel- og / eller nerveskade under fabrikation samt svigt i de epineuriale sikringssuturer, der forårsager stempel af transplantatet på nerven, hvilket reducerer revaskularisering. Ved elektrofysiologisk test producerer atrofiske MC-RPNI'er typisk ringe eller ingen signalforstærkning; hvis der anvendes højfølsomme elektroder, kan optagelser af den underliggende nerves CNAP registreres gennem den atrofiske muskel. Hvis der konstateres signifikant atrofi hos flere forsøgspersoner, skal man vende tilbage til protokollen og bestemme, hvilke trin der kræver justering. Selvfølgelig, hvis der ikke registreres signaler, når der udføres evalueringer, er det vigtigt at fejlfinde og ikke antage, at konstruktionen er en fejl. Fejlfinding af enhedens opsætning er altafgørende, da mangel på signaler kan være sekundær til beskadigede elektroder (anbefaler impedans <16 Ω), forkert elektrodekonfiguration eller endda utilstrækkelig proksimal nervestimulering (nogle nerver kræver 0,5-5 mA elektrisk stimulering for at begynde at producere CMAP'er ved nedstrøms MC-RPNI).

Nuværende metoder til grænseflade mellem menneske og maskine til brug af exoskelet hos dem med ekstremitetssvaghed er typisk afhængige af optagelser opnået fra enten perifere nerver eller EMG fra muskelvæv. Som tidligere diskuteret giver MC-RPNI betydelige fordele med hensyn til exoskeletkontrol for de personer med alvorligt beskadiget eller fraværende muskelvæv, hvor EMG-optagelser ikke er mulige29. MC-RPNI tilbyder også en fordel i forhold til nuværende perifere nervegrænseflademuligheder, herunder ekstraneurale elektroder 30,31,32,33, intrafascikulære elektroder 34,35,36 og penetrerende elektroder37,38,39,40 . Da iboende nervesignaler almindeligvis er på niveau med mikrovolt, har MC-RPNI evnen til at forstærke disse nervesignaler over 30 gange, hvilket letter nøjagtig detektion af motorens hensigt fra baggrundsstøj og dermed muliggør pålidelig exoskeletkontrol. Ved kronisk brug kæmper de nuværende elektrodebaserede metoder i sidste ende for at overvinde komplikationer, der er forbundet med materialets levetid in vivo og fremmedlegemereaktion, komplikationer, som MC-RPNI er i stand til at undgå i betragtning af dets biologiske oprindelse. Over tid resulterer disse fremmedlegemereaktioner i vævsskade, dannelse af arvæv og eventuel axonal demyelinisering og degeneration. Eksperimenter udført i op til seks måneder har ikke afsløret tegn på neuronal skade, ar eller fibrose / degeneration af distalt innerveret muskelvæv (figur 3), og i kombination med RPNI-stabilitet noteret hos mennesker over en treårig observationsperiode47 er det rimeligt at konkludere, at MC-RPNI'er med succes kunne interface med perifere nerver på skalaen fra år til årtier.

MC-RPNI er beregnet til at blive brugt til exoskeletkontrol i en række patologier, herunder dem, der opstår på nervesystemets niveau såvel som selve musklen. For eksempel kan muskelbaserede patologier omfatte tilstande, der spænder fra traumer, muskeldystrofi, inflammatoriske myopatier og myasthenia gravis. På trods af den dybe muskelskade og svaghed, der kan resultere i disse tilstande 1,2,3, har flertallet fungerende lavere motorneuroner, der ville lette MC-RPNI-reinnervation og påvisning af motorisk hensigt. For de tilstande, der resulterer i udbredt muskelsygdom (muskeldystrofi osv.), Er det bestemt muligt, at den frie muskeltransplantatkomponent kan påvirkes, hvilket begrænser forstærkningspotentialet. I betragtning af at detektion af selv en enkelt motorenhed (10-400 μV)59 kan give forstærkning af perifere nervesignaler, er det imidlertid rimeligt at antage, at MC-RPNI ville indeholde nok motorenheder inden for sit mindre, definerede område til at lette exoskeletkontrol i denne population. En væsentlig begrænsning af konstruktionen er imidlertid i de patologier, der resulterer i signifikant reducerede øvre og / eller nedre motorneuroner, såsom i slagtilfælde, rygmarvsskade, rygmarvsmuskelatrofi (SMA) og amyotrofisk lateral sklerose (ALS). Uden en passende perifer nervefiberpopulation til at reinnervere MC-RPNI, kan den ikke regenerere og give signalforstærkning, hvilket fører til konstruktionsfejl. Eksperimenter udføres for at bestemme den mindste population af funktionelle perifere nervefibre, der kræves til tilstrækkelig MC-RPNI-funktion.

MC-RPNIs forgænger, RPNI, har vist umådelig succes med nøjagtig kontrol af drevne proteser hos mennesker gennem forstærkning og registrering af signaler genereret fra transected perifere nerver. Mest bemærkelsesværdigt er det i stand til at gøre det på skalaen fra måneder til år uden genoperation eller rekalibrering af proteseenheden. Almindelige klager over nuværende metoder til grænseflade mellem menneske og maskine til exoskeletkontrolcenter om signalforurening fra krydstale og behovet for hyppig rekalibrering i EMG-afhængige metoder26,27,28 og ustabilitet i perifer nervegrænseflade over tid, der nødvendiggør sekundære operationer37,39,44 . MC-RPNI er imidlertid i stand til at undgå disse komplikationer i betragtning af dets biologiske sammensætning såvel som strategiske placeringsfunktioner. Det er bydende nødvendigt at etablere en grundig forståelse af denne konstruktion for at bane vejen for brug i mennesker og den eventuelle udbredte anvendelse af nøjagtige, pålidelige exoskeletanordninger hos dem, der lever med ekstremitetssvaghed.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

Forfatterne har ingen afsløringer.

Acknowledgments

Forfatterne takker Jana Moon for hendes ekspert lab management og teknisk bistand og Charles Hwang for hans billeddannelse ekspertise. Eksperimenter i dette papir blev delvist finansieret gennem Plastic Surgery Foundation-tilskud til SS (3135146.4) samt National Institute of Child Health and Human Development under Award Number 1F32HD100286-01 til SS og National Institute of Arthritis and Musculoskeletal and Skin Diseases fra National Institutes of Health under tildelingsnummer P30 AR069620.

Materials

Name Company Catalog Number Comments
#15 Scalpel Aspen Surgical, Inc Ref 371115 Rib-Back Carbon Steel Surgical Blades (#15)
2-N-thin film load cell (S100) Strain Measurement Devices, Inc SMD100-0002 Measures force generated by the attached muscle
4-0 Chromic Suture Ethicon SKU# 1654G P-3 Reverse Cutting Needle
5-0 Chromic Suture Ethicon SKU# 687G P-3 Reverse Cutting Needle
8-0 Monofilament Suture AROSurgical T06A08N14-13 Black polyamide monofilament suture on a threaded tapered needle
Experimental Rats Envigo F344-NH-sd Rats are Fischer F344 Strain
Fine Forceps - mirror finish Fine Science Tools 11413-11 Fine tipped forceps with mirror finish ideal for handling delicate structures like nerves
Fluriso (Isofluorane) VetOne 13985-528-40 Inhalational Anesthetic
Force Measurement Jig Red Rock n/a Custom designed force measurement jig that allows for immobilization of hindlimb to allow for accurate muscle force recording
MATLAB software Mathworks, Inc PR-MATLAB-MU-MW-707-NNU Calculates active force for each recorded force trace from passive and total force measurements
Nicolet Viasys EMG EP System Nicolet MFI-NCL-VIKING-SELECT-2CH-EMG Portable EMG and nerve signal recording system capable of simultaneous 2 channel recordings from nerve and/or muscle
Oxygen Cryogenic Gases UN1072 Standard medical grade oxygen canisters
Potassium Chloride APP Pharmaceuticals 63323-965-20 Injectable form, 2 mEq/mL
Povidone Iodine USP MediChoice 65517-0009-1 10% Topical Solution, can use one bottle for multiple surgical preps
Puralube Vet Opthalmic Ointment Dechra 17033-211-38 Corneal protective ointment for use during procedure
Rimadyl (Caprofen) Zoetis, Inc. NADA# 141-199 Injectable form, 50 mg/mL
Stereo Microscope Leica Model M60 User can adjust magnification to their preference
Surgical Instruments Fine Science Tools Various User can choose instruments according to personal preference or from what is currently available in their lab
Triple Antibiotic Ointment MediChoice 39892-0830-2 Ointment comes in sterile, disposable packets
Vannas Spring Scissors - 2mm cutting edge Fine Science Tools 15000-04 Curved micro-dissection scissors used to perform the epineurial window
VaporStick 3 Surgivet V7015 Anesthesia tower with space for isofluorane and oxygen canister
Webcol Alcohol Prep Coviden Ref 6818 Alcohol prep wipes; use a new wipe for each prep

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. Andersson, G. S. The burden of musculoskeletal diseases in the United States : prevalence, societal, and economic cost. American Academy of Orthopaedic Surgeons. , Rosemont, IL. (1942).
  2. Yelin, E. H., Weinstein, S., King, T. The burden of musculoskeletal diseases in the United States. Seminars in Arthritis and Rheumatism. 46 (3), 259-260 (2016).
  3. McDonald, C. M. Clinical Approach to the Diagnostic Evaluation of Hereditary and Acquired Neuromuscular Diseases. Physical Medicine and Rehabilitation Clinics of North America. 23 (3), 495-563 (2021).
  4. Sass, F. A., et al. Immunology Guides Skeletal Muscle Regeneration. International Journal of Molecular Sciences. 19 (3), 835 (2018).
  5. Bruggeman, K. F., et al. Harnessing stem cells and biomaterials to promote neural repair. British Journal of Pharmacology. 176 (3), 355-368 (2019).
  6. Vijayavenkataraman, S. Nerve guide conduits for peripheral nerve injury repair: A review on design, materials and fabrication methods. Acta Biomaterialia. 106, 54-69 (2020).
  7. O'Dell, M. W., Lin, C. C., Harrison, V. Stroke rehabilitation: strategies to enhance motor recovery. Annual Review of Medicine. 60, 55-68 (2009).
  8. Ambrosini, E., et al. The combined action of a passive exoskeleton and an EMG-controlled neuroprosthesis for upper limb stroke rehabilitation: First results of the RETRAINER project. International Conference on Rehabilitation Robotics (ICORR). , 56-61 (2017).
  9. Veerbeek, J. M., et al. Effects of robot-assisted therapy for the upper limb after stroke. Neurorehabilitation & Neural Repair. 31 (2), 107-121 (2017).
  10. Heo, P., et al. Current hand exoskeleton technologies for rehabilitation and assistive engineering. Journal of Precision Engineering and Manufacturing. 13 (5), 807-824 (2012).
  11. Kwakkel, G., Kollen, B. J., Krebs, H. I. Effects of robot-assisted therapy on upper limb recovery after stroke: A systematic review. Neurorehabilitation & Neural Repair. 22 (2), 111-121 (2007).
  12. Brewer, B. R., McDowell, S. K., Worthen-Chaudhari, L. C. Poststroke Upper Extremity Rehabilitation: A Review of Robotic Systems and Clinical Results. Topics in Stroke Rehabilitation. 14 (6), 22-44 (2007).
  13. Kalita, B., Narayan, J., Dwivedy, S. K. Development of active lower limb robotic-based orthosis and exoskeleton devices: A systematic review. International Journal of Social Robotics. 13, 775-793 (2021).
  14. Bosch, T., et al. The effects of a passive exoskeleton on muscle activity, discomfort and endurance time in forward bending work. Applied Ergonomics. 54, 212-217 (2016).
  15. Secciani, N., et al. A novel application of a surface ElectroMyoGraphy-based control strategy for a hand exoskeleton system: A single-case study. International Journal of Advanced Robotic Systems. 16 (1), 1729881419828197 (2019).
  16. Bützer, T., et al. PEXO - A pediatric whole hand exoskeleton for grasping assistance in task-oriented training. IEEE 16th International Conference on Rehabilitation Robotics (ICORR). , 108-114 (2019).
  17. Meeker, C., et al. EMG pattern classification to control a hand orthosis for functional grasp assistance after stroke. IEEE International Conference on Rehabilitation Robotics (ICORR). , 1203-1210 (2017).
  18. Witkowski, M., et al. Enhancing brain-machine interface (BMI) control of a hand exoskeleton using electrooculography (EOG). Journal of NeuroEngineering and Rehabilitation. 11 (1), 165 (2014).
  19. Cantillo-Negrete, J., et al. Motor imagery-based brain-computer interface coupled to a robotic hand orthosis aimed for neurorehabilitation of stroke patients. Journal of Healthcare Engineering. 2018, 1624637 (2018).
  20. Bhagat, N. A., et al. Design and optimization of an EEG-based brain machine interface (BMI) to an upper-limb exoskeleton for stroke survivors. Frontiers in Neuroscience. 10, 122 (2016).
  21. Habibzadeh Tonekabony Shad, E., Molinas, M., Ytterdal, T. Impedance and noise of passive and active dry EEG electrodes: A review. IEEE Sensors Journal. 20 (24), 14565-14577 (2020).
  22. Tariq, M., Trivailo, P. M., Simic, M. EEG-based BCI control schemes for lower-limb assistive-robots. Frontiers in Human Neuroscience. 12, 312-312 (2018).
  23. Gwin, J. T., Ferris, D. High-density EEG and independent component analysis mixture models distinguish knee contractions from ankle contractions. Annual International Conference of the IEEE Engineering in Medicine and Biology Society. 2011, 4195-4198 (2011).
  24. Tariq, M., Trivailo, P. M., Simic, M. Classification of left and right foot kinaesthetic motor imagery using common spatial pattern. Biomedical Physics & Engineering Express. 6 (1), 015008 (2019).
  25. Ryser, F., et al. Fully embedded myoelectric control for a wearable robotic hand orthosis. iInternational Conference on Rehabilitation Robotics (ICORR). , 615-621 (2017).
  26. Reeves, J., Starbuck, C., Nester, C. EMG gait data from indwelling electrodes is attenuated over time and changes independent of any experimental effect. Journal of Electromyography and Kinesiology. 54, 102461 (2020).
  27. Huang, J., et al. Control of upper-limb power-assist exoskeleton using a human-robot interface based on motion intention recognition. IEEE Transactions on Automation Science and Engineering. 12 (4), 1257-1270 (2015).
  28. Rodrigues, C., et al. Comparison of intramuscular and surface electromyography recordings towards the control of wearable robots for incomplete spinal cord injury rehabilitation. 2020 8th IEEE RAS/EMBS International Conference for Biomedical Robotics and Biomechatronics (BioRob). , 564-569 (2020).
  29. Rasool, G., et al. Spatial analysis of multichannel surface EMG in hemiplegic stroke. IEEE Transactions on Neural Systems and Rehabilitation Engineering : A Publication of the IEEE Engineering in Medicine and Biology Society. 25 (10), 1802-1811 (2017).
  30. Stieglitz, T., et al. Non-invasive measurement of torque development in the rat foot: measurement setup and results from stimulation of the sciatic nerve with polyimide-based cuff electrodes. IEEE Transactions on Neural Systems and Rehabilitation Engineering. 11 (4), 427-437 (2003).
  31. Polasek, K. H., et al. Human nerve stimulation thresholds and selectivity using a multi-contact nerve cuff electrode. IEEE Transactions on Neural Systems and Rehabilitation Engineering. 15 (1), 76-82 (2007).
  32. Kenney, L., et al. An implantable two channel drop foot stimulator: initial clinical results. Artificial Organs. 26 (3), 267-270 (2002).
  33. Ortiz-Catalan, M., et al. Patterned stimulation of peripheral nerves produces natural sensations with regards to location but not quality. IEEE Transactions on Medical Robotics and Bionics. 1 (3), 199-203 (2019).
  34. Boretius, T., et al. A transverse intrafascicular multichannel electrode (TIME) to interface with the peripheral nerve. Biosensors and Bioelectronics. 26 (1), 62-69 (2010).
  35. Petrini, F. M., et al. Six-month assessment of a hand prosthesis with intraneural tactile feedback. Annals of Neurology. 8 (1), 137-154 (2019).
  36. Jung, R., et al. Bionic intrafascicular interfaces for recording and stimulating peripheral nerve fibers. Bioelectronics in Medicine. 1 (1), 55-69 (2017).
  37. Christensen, M. B., et al. The foreign body response to the Utah Slant Electrode Array in the cat sciatic nerve. Acta Biomaterialia. 10 (11), 4650-4660 (2014).
  38. Zollo, L., et al. Restoring tactile sensations via neural interfaces for real-time force-and-slippage closed-loop control of bionic hands. Science Robotics. 4 (27), (2019).
  39. George, J. A., et al. Long-term performance of Utah slanted electrode arrays and intramuscular electromyographic leads implanted chronically in human arm nerves and muscles. Journal of Neural Engineering. 17 (5), 056042 (2020).
  40. Wendelken, S., et al. Restoration of motor control and proprioceptive and cutaneous sensation in humans with prior upper-limb amputation via multiple Utah Slanted Electrode Arrays (USEAs) implanted in residual peripheral arm nerves. Journal of NeuroEngineering and Rehabilitation. 14 (1), 121 (2017).
  41. Yang, Z., et al. Noise characterization, modeling, and reduction for in vivo neural recording. Proceedings of the 23rd Annual Conference on Neural Information Processing Systems (NIPS 09). , 2160-2168 (2009).
  42. Ursu, D. C., et al. In vivo characterization of regenerative peripheral nerve interface function. Journal of Neural Engineering. 13 (2), 026012 (2016).
  43. Lotti, F., et al. Invasive intraneural interfaces: Foreign body reaction issues. Frontiers in Neuroscience. 11, 497-497 (2017).
  44. Stiller, A. M., et al. A meta-analysis of intracortical device stiffness and its correlation with histological outcomes. Micromachines. 9 (9), 443 (2018).
  45. Kung, T. A., et al. Regenerative peripheral nerve interface viability and signal transduction with an implanted electrode. Plastic and Reconstructive Surgery. 133 (6), 1380-1394 (2014).
  46. Kubiak, C. A., Kemp, S. W. P., Cederna, P. S. Regenerative peripheral nerve interface for management of postamputation neuroma. JAMA Surgery. 153 (7), 681-682 (2018).
  47. Vu, P. P., et al. A regenerative peripheral nerve interface allows real-time control of an artificial hand in upper limb amputees. Science Translational Medicine. 12 (533), (2020).
  48. Svientek, S. R., et al. Fabrication of the composite regenerative peripheral nerve interface (C-RPNI) in the adult rat. Journal of Visualized Experiments: JoVE. (156), e60841 (2020).
  49. Ursu, D., et al. Adjacent regenerative peripheral nerve interfaces produce phase-antagonist signals during voluntary walking in rats. Journal of NeuroEngineering and Rehabilitation. 14 (1), 33 (2017).
  50. Vu, P. P., et al. Closed-loop continuous hand control via chronic recording of regenerative peripheral nerve interfaces. IEEE Transactions on Neural Systems and Rehabilitation Engineering. 26 (2), 515-526 (2018).
  51. Urbanchek, M. G., et al. Development of a Regenerative Peripheral Nerve Interface for Control of a Neuroprosthetic Limb. BioMed Research International. 2016, 5726730 (2016).
  52. Kubiak, C. A., et al. Physiologic signaling and viability of the Muscle Cuff Regenerative Peripheral Nerve Interface (MC-RPNI) for intact peripheral nerves. Journal of Neural Engineering. 18 (4), (2021).
  53. Rocha, J. A., et al. Diagnostic investigation and multidisciplinary management in motor neuron disease. Journal of Neurology. 252 (12), 1435-1447 (2005).
  54. Haastert, K., et al. Nerve repair by end-to-side nerve coaptation: histologic and morphometric evaluation of axonal origin in a rat sciatic nerve model. Neurosurgery. 66 (3), 567-576 (2010).
  55. Hayashi, A., et al. Collateral sprouting occurs following end-to-side neurorrhaphy. Plastic and Reconstructive Surgery. 114 (1), 129-137 (2004).
  56. Hu, Y., et al. Regenerative peripheral nerve interface free muscle graft mass and function. Muscle & Nerve. 63 (3), 421-429 (2021).
  57. Carr, M. M., et al. Strain differences in autotomy in rats undergoing sciatic nerve transection or repair. Annals of Plastic Surgery. 28 (6), 538-544 (1992).
  58. Sporel-Özakat, R. E., et al. A simple method for reducing autotomy in rats after peripheral nerve lesions. Journal of Neuroscience Methods. 36 (2), 263-265 (1991).
  59. Lemon, R. N., Mantel, G. W. H., Rea, P. A. Recording and identification of single motor units in the free-to-move primate hand. Experimental Brain Research. 81 (1), (1990).

Tags

Bioengineering udgave 179 perifer nerve muskelmanchet exoskelet MC-RPNI menneske-maskine interface neuromuskulær grænseflade
Muskelmanchetten regenerativ perifer nervegrænseflade til forstærkning af intakte perifere nervesignaler
Play Video
PDF DOI DOWNLOAD MATERIALS LIST

Cite this Article

Svientek, S. R., Wisely, J. P.,… More

Svientek, S. R., Wisely, J. P., Dehdashtian, A., Bratley, J. V., Cederna, P. S., Kemp, S. W. P. The Muscle Cuff Regenerative Peripheral Nerve Interface for the Amplification of Intact Peripheral Nerve Signals. J. Vis. Exp. (179), e63222, doi:10.3791/63222 (2022).

Less
Copy Citation Download Citation Reprints and Permissions
View Video

Get cutting-edge science videos from JoVE sent straight to your inbox every month.

Waiting X
Simple Hit Counter