Summary
Detta manuskript ger en innovativ metod för att utveckla ett biologiskt perifert nervgränssnitt som kallas Muscle Cuff Regenerative Peripheral Nerve Interface (MC-RPNI). Denna kirurgiska konstruktion kan förstärka dess associerade perifera nervs motoriska efferenta signaler för att underlätta noggrann detektering av motorisk avsikt och potentiell kontroll av exoskelettanordningar.
Abstract
Robotexoskelett har nyligen fått erkännande inom rehabiliteringsmedicin som en lovande metod för funktionell restaurering för de individer med extremitetssvaghet. Användningen av dem är dock fortfarande till stor del begränsad till forskningsinstitutioner, som ofta fungerar som ett medel för statiskt extremitetsstöd eftersom motordetekteringsmetoder förblir opålitliga. Perifera nervgränssnitt har uppstått som en potentiell lösning på denna brist; På grund av deras i sig små amplituder kan dessa signaler dock vara svåra att skilja från bakgrundsbrus, vilket sänker deras totala motordetekteringsnoggrannhet. Eftersom nuvarande gränssnitt förlitar sig på abiotiska material kan inneboende materialnedbrytning ske tillsammans med främmande kroppsvävnadsreaktion över tid, vilket ytterligare påverkar deras noggrannhet. Muscle Cuff Regenerative Peripheral Nerve Interface (MC-RPNI) var utformad för att övervinna dessa noterade komplikationer. Bestående av ett segment av fritt muskeltransplantat som säkras omkretsvis till en intakt perifer nerv, regenererar konstruktionen och blir reinnerverad av den inneslutna nerven över tiden. Hos råttor har denna konstruktion visat förmågan att förstärka en perifer nervs motoriska efferenta åtgärdspotentialer upp till 100 gånger normalvärdet genom generering av sammansatta muskelåtgärdspotentialer (CMAP). Denna signalförstärkning underlättar detektering av motorisk avsikt med hög noggrannhet, vilket potentiellt möjliggör tillförlitligt utnyttjande av exoskelettanordningar.
Introduction
Bara i USA drabbas cirka 130 miljoner människor av neuromuskulära och muskuloskeletala störningar, vilket resulterar i över 800 miljarder dollar i årliga ekonomiska effekter 1,2. Denna grupp av störningar är vanligtvis sekundär till patologi i nervsystemet, vid den neuromuskulära korsningen eller inom själva muskeln3. Trots de olika patologiska ursprungen delar majoriteten en viss grad av extremitetssvaghet 1,3. Tyvärr är denna svaghet ofta permanent med tanke på begränsningarna i neural- och muskelvävnadsregenerering, särskilt vid allvarlig trauma 4,5,6.
Algoritmer för behandling av extremitetssvaghet har klassiskt fokuserat på rehabiliterande och stödjande åtgärder, ofta beroende av att utnyttja kapaciteten hos de återstående intakta lemmarna (käppar, rullstolar etc.) 7. Denna strategi är dock kort för dem vars svaghet inte är begränsad till en enda extremitet. Med de senaste innovationerna inom robotteknik har avancerade exoskelettanordningar utvecklats som återställer extremitetsfunktionaliteten till dem som lever med extremitetssvaghet 8,9,10,11,12,13. Dessa robotexoskelett är ofta drivna, bärbara enheter som kan hjälpa till med initiering och avslutning av rörelse eller underhåll av lemposition, vilket ger en varierande mängd kraft som kan skräddarsys individuellt för användaren 8,9,10,11,12,13 . Dessa enheter klassificeras som antingen passiva eller aktiva beroende på hur de ger motorhjälp till användaren: aktiva enheter innehåller elektriska ställdon som ökar kraften till användaren, medan passiva enheter lagrar energi från användarens rörelser för att släppa tillbaka den till användaren vid behov14. Eftersom aktiva enheter har förmågan att öka en användares strömkapacitet används dessa enheter mycket oftare vid inställningen av extremitetssvaghet[14].
För att bestämma motorns avsikt i denna population förlitar sig moderna exoskelett vanligtvis på mönsterigenkänningsalgoritmer genererade från antingen elektromyografi (EMG) av distala lemmuskler 8,15,16,17 eller ytelektroencefalografi (sEEG) i hjärnan18,19,20 . Trots löftet om dessa detekteringsmetoder har båda alternativen betydande begränsningar som utesluter utbredd användning av dessa enheter. Eftersom sEEG detekterar signaler på mikrovoltnivå transkraniellt18,19,20, fokuserar kritiken ofta på oförmågan att skilja dessa signaler från bakgrundsbrus 21. När bakgrundsbrus liknar den önskade inspelningssignalen ger detta låga signal-brusförhållanden (SNR), vilket resulterar i felaktig motordetektering och klassificering22,23. Exakt signaldetektering förlitar sig dessutom på stabil hårbottenkontakt med låg impedans21, som kan påverkas avsevärt av närvaron av grovt / tjockt hår, användaraktivitet och till och medsvettning 22,24. Däremot är EMG-signaler flera magnituder större i amplitud, vilket underlättar större motorsignaldetekteringsnoggrannhet15,18,25. Detta kostar dock eftersom närliggande muskler kan förorena signalen, vilket minskar frihetsgraderna som kan styras av enheten 16,17,25 och en oförmåga att upptäcka djup muskelrörelse25,26,27,28. Viktigast av allt, EMG kan inte användas som en kontrollmetod när det finns betydande muskelkompromiss och fullständig frånvaro av vävnad29.
För att främja utvecklingen av robotexoskelett krävs konsekvent och noggrann detektering av motorns avsikt hos den avsedda användaren. Gränssnitt som utnyttjar det perifera nervsystemet har uppstått som en lovande gränssnittsteknik, med tanke på deras relativt enkla åtkomst och funktionella selektivitet. Nuvarande perifera nervgränssnittsmetoder kan vara invasiva eller icke-invasiva och faller vanligtvis inom en av tre kategorier: extraneurala elektroder 30,31,32,33, intrafascikulära elektroder 34,35,36 och penetrerande elektroder37,38,39,40 . Eftersom perifera nervsignaler i allmänhet är på nivån för mikrovolt kan det vara svårt att skilja dessa signaler från liknande amplitudbakgrundsbrus41,42, vilket minskar gränssnittets totala motordetekteringsnoggrannhet. Dessa låga signal-brusförhållanden (SNR) förvärras ofta med tiden sekundärt till försämrad elektrodimpedans 43 som produceras från antingen nedbrytning av enheten39,43 eller lokal främmande kroppsreaktion som producerar ärrvävnad runt enheten och / eller lokal axonal degeneration37,44. Även om dessa brister i allmänhet kan lösas med reoperation och implantation av ett nytt perifert nervgränssnitt, är detta inte en livskraftig långsiktig lösning eftersom främmande kroppsassocierade reaktioner skulle fortsätta att inträffa.
För att undvika dessa lokala vävnadsreaktioner som genereras från perifera nervers interaktion med abiotiska gränssnitt är ett gränssnitt som innehåller en biologisk komponent nödvändig. För att ta itu med denna brist utvecklades det regenerativa perifera nervgränssnittet (RPNI) för att integrera transekterade perifera nerver i de återstående lemmarna hos dem med amputationer med protesanordningar45,46,47,48. Tillverkning av RPNI involverar kirurgisk implantation av en transekterad perifer nerv i ett segment av autologt fritt muskeltransplantat, med revaskularisering, regenerering och reinnervation som sker över tiden. Genom generering av milli-voltnivå sammansatta muskelåtgärdspotentialer (CMAP) kan RPNI förstärka sin inneslutna nervs mikrovoltnivåsignal med flera storlekar, vilket underlättar noggrann detektering av motorisk avsikt45,48,49. Det har skett en betydande utveckling av RPNI under det senaste decenniet, med anmärkningsvärd framgång med att förstärka och överföra efferenta motoriska nervsignaler i både djur50,51 ochmänskliga 47 försök, vilket underlättar protesanordningskontroll med hög noggrannhet med flera frihetsgrader.
Individer med extremitetssvaghet men intakta perifera nerver skulle på samma sätt dra nytta av hög noggrannhet detektion av motorisk avsikt genom perifera nervgränssnitt för att kontrollera exoskelettanordningar. Eftersom RPNI utvecklades för integration med transekterade perifera nerver, såsom hos personer med amputationer, var kirurgiska modifieringar nödvändiga. Baserat på erfarenhet av RPNI utvecklades Muscle Cuff Regenerative Peripheral Nerve Interface (MC-RPNI). Bestående av ett liknande segment av fritt muskeltransplantat som i RPNI, säkras det istället omkretsvis till en intakt perifer nerv (figur 1). Med tiden regenererar den och blir reinnerverad genom lateral axonal spridning, förstärker och översätter dessa efferenta motoriska nervsignaler till EMG-signaler som är flera storleksordningar större52. Eftersom MC-RPNI har biologiskt ursprung undviker den den oundvikliga främmande kroppsreaktionen som uppstår med perifera nervgränssnitt som för närvarande används52. Dessutom ger MC-RPNI förmågan att kontrollera flera frihetsgrader samtidigt eftersom de kan placeras på distalt dissekerade nerver till enskilda muskler utan signifikant korsprat, vilket tidigare har visats i RPNIs49. Slutligen kan MC-RPNI fungera oberoende av distal muskelfunktion eftersom den placeras på den proximala nerven. Med tanke på dess fördelar jämfört med nuvarande perifera nervgränssnitt har MC-RPNI ett stort löfte om att tillhandahålla en säker, exakt och pålitlig metod för exoskelettkontroll.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
Alla djurförsök och experiment utfördes med godkännande av University of Michigan's Institutional Care and Use of Animals Committee (IACUC). Manliga och kvinnliga Fischer F344 och Lewis råttor (~ 200-300 g) vid 3-6 månaders ålder används oftast i experiment, men alla stammar kan teoretiskt användas. Om donatorråttor används istället för autologa muskeltransplantat måste donatorråttor vara isogena för den experimentella stammen. Råttor ges fri tillgång till mat och vatten både före och efter operationen. Efter terminala slutpunktsutvärderingar utförs eutanasi under djupbedövning med intra-hjärtkaliumkloridinjektion följt av en sekundär metod för bilateral pneumotorax.
1. Experimentell beredning av råttan
- Bedöva den experimentella råttan med en lösning av 5% isofluran i syre vid 0,8-1,0 L / min i en induktionskammare. När adekvat anestesi har uppnåtts och bekräftats med frånvaro av hornhinnereflex, placera råttan på en rebreather näskotte med isofluran sänkt till 1,75% -2,25% för underhåll av anestesi.
- Injicera en lösning av 0,02-0,03 ml Carprofen (50 mg/ml) i 0,2 ml steril saltlösning med 27 G nål i det subkutana planet mellan skulderbladen för peri- och postoperativ analgesi.
- Applicera steril ögonsalva på båda ögonen för att förhindra hornhinnesår medan de bedövas.
- Använd en elektrisk rakhyvel och raka den laterala delen av de bilaterala underbenen, som sträcker sig från höftleden, över låret och till tassens dorsala yta.
- Sterilisera operationsstället genom att först torka av med en alkoholförberedande dyna, följt av applicering av povidon-jodlösning, som slutar med en slutlig rengöring med en ny alkoholförberedelseplatta för att ta bort den återstående povidon-jodlösningen. Upprepa denna alternerande rengöringsprocess tre gånger för att upprätthålla sterilitet.
OBS: Detta kan vara en dermatologisk irriterande; Se till att majoriteten av lösningen tas bort.
2. Förberedelse av muskeltransplantatet
- Placera råttan på en värmedyna under ett kirurgiskt mikroskop med en valfri intraoral kroppstemperatursond för övervakning av kroppstemperatur. Håll isofluran vid 1,75%-2,25% och syre vid 0,8-1,0 L/min.
- Gör ett längsgående snitt längs den främre delen av den önskade donatorbenet som sträcker sig från strax ovanför fotleden till strax under knäet med en #15 skalpell.
- Dissekera genom den underliggande subkutana vävnaden med hjälp av skarpa irissaxar för att exponera den underliggande muskulaturen och distala senor bara proximala till fotleden. Tibialis främre (TA) är den största och mest främre av musklerna; extensor digitorum longus (EDL) muskeln kan hittas bara djupt och bakom denna muskel. Isolera EDL-muskeln och dess distala sena från den omgivande muskulaturen.
- Säkerställ isolering av rätt sena genom att sätta in båda pinnarna på en pincett eller irisax under den distala senan bara proximal till fotleden. Utöva uppåttryck på senan genom att öppna antingen pincetten eller irisaxen. Denna rörelse bör ge en samtidig förlängning av alla tår samtidigt. Om isolerad fotled dorsiflexion, fotledseversion eller enstaka tå dorsiflexion inträffar, har fel sena isolerats.
- Utför en distal tenotomi i EDL-muskeln vid fotleden med skarp irisax och dissekera muskeln fri från omgivande vävnader som arbetar proximalt mot sitt tendinösa ursprung.
- När den proximala senan har visualiserats, utför en proximal tenotomi med skarp irisax för att frigöra transplantatet.
- Trimma båda tendinösa ändarna av muskeltransplantatet och skär till önskad längd med skarp irisax.
OBS: Transplantat som mäter 8-13 mm har använts med framgång; den vanligaste längden som används är dock 10 mm. - På ena sidan av muskeltransplantatet, gör ett längsgående snitt längs hela den trimmade längden för att underlätta placeringen av nerven i muskeltransplantatet och ge kontakt med nerven med endomysium.
- Placera det beredda muskeltransplantatet i en saltlösningsfuktad gasbindning för att förhindra uttorkning av vävnad.
- Stäng huden över givarplatsen med 4-0 krom sutur på ett löpande sätt.
3. Vanlig peroneal nervisolering och förberedelse
- Markera det kirurgiska snittet, som sträcker sig från en linje ~ 5 mm från ischiaskåran och sträcker sig till bara sämre än knäleden. Se till att denna märkning är sämre än och vinklad bort från lårbenet som kan palperas nedan.
- Skär genom huden och subkutana vävnader längs den markerade snittlinjen med ett #15-blad. Skär försiktigt genom den underliggande biceps femoris fascia, var noga med att inte sträcka dig genom hela muskeldjupet eftersom ischiasnerven ligger strax nedanför.
- Använd trubbiga spetsade små saxar eller en hemostat, dissekera försiktigt genom biceps femoris-muskeln.
OBS: Ischiasnerven färdas i detta utrymme som ligger bakom biceps, orienterad i ungefär samma riktning som snittet markerat på huden. Det finns tre anmärkningsvärda ischiasnervgrenar: sural (mest bakre och minsta av nerverna), tibial (vanligtvis mest främre, men denna nerv dyker alltid djupt till knäleden) och vanlig peroneal (vanligtvis belägen mellan tibial och sural, reser alltid ovanför knäleden). - Identifiera den gemensamma peroneala (CP) nerven och isolera den försiktigt från de omgivande nerverna med hjälp av ett par mikro-pincett och mikrosax. Ta bort eventuell omgivande bindväv från mitten av nervens mellersta 2 cm. Var försiktig så att du inte krossar CP-nerven med pincett i denna process, eftersom krossskada kan förändra slutpunktsresultaten.
- Över den centrala delen av den frigjorda CP-nerven, utför ett adrenalinfönster genom att ta bort 25% av epineurium längs nervens längd som matchar önskad längd på muskeltransplantatet.
- För att utföra detta håll det proximala epineuriumet med mikrotångar, skär in i epineurium omedelbart underliggande med mikrodissektionssax och ta bort ~ 25% av epineurium som reser distalt längs nerven. Var noga med att ta bort detta segment i ett stycke, eftersom flera försök kan orsaka oregelbunden epineurial borttagning, vilket ökar risken för nervskada.
OBS: Nervvävnaden som ligger till grund för epineurium kommer att ha en goo-liknande konsistens; Att notera denna nervkvalitet säkerställer att rätt vävnadsplan har tagits bort.
4. MC-RPNI-konstruktion tillverkning
- Ta bort muskeltransplantatet från den saltlösningsfuktade gasväven och placera den under den centrala delen av CP-nerven där adrenalinfönstret skapades. Rotera nerven 180° så att den epineuriala fönstersektionen kommer i kontakt med intakta muskler och inte ligger till grund för den eventuella suturlinjen.
- Använda en 8-0 nylonsutur, suturera epineurium av CP-nerven både proximalt och distalt till muskeltransplantatet i spåret som skapades i steg 2.8 med enkla avbrutna suturer för att säkra epineurium till endomysium.
OBS: Placera dessa stygn och se till att muskeln har normal vilolängd. Att sträcka eller komprimera muskeln för mycket kan påverka regenererings- och signalförmågan senare. - Omkrets linda in kanterna på muskeltransplantatet som omger den nu säkrade nerven och suturen på plats med enkel avbruten 8-0 Nylonstygn (~4-6 beroende på längd).
- När hemostas har uppnåtts, stäng biceps femoris fascia över konstruktionen med 5-0 krom sutur på löpande sätt.
- Stäng den överliggande huden på löpande sätt med en 4-0 krom sutur.
- Rengör det kirurgiska området med en alkoholförberedande kudde och applicera antibiotikasalva.
- Avbryt inhalationsbedövningsmedel och placera råttan i en ren bur isolerad från burkamrater och låt återhämta sig med mat och vatten ad lib.
- När råttan har återhämtat sig på lämpligt sätt, placera den tillbaka med burkamrater i en ren bur.
OBS: Dessa konstruktioner kräver mognad på minst tre månader för att producera tillräcklig nervsignalförstärkning.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
MC-RPNI kirurgisk tillverkning anses vara ett perioperativt misslyckande om råttor inte överlever uppkomst från kirurgisk anestesi eller utvecklar en infektion inom en vecka efter operationen. Tidigare forskning har visat att en mognadsperiod på 3 månader kommer att resultera i tillförlitlig signalförstärkning från denna konstruktion42,45,48,49. Vid den tiden eller därefter kan kirurgisk exponering av konstruktionerna och utvärderingen ske. Om MC-RPNI-tillverkningen lyckades bör revaskulariserade muskler vara väl synliga på det ursprungliga MC-RPNI-implantationsstället (figur 2B). Framgångsrika MC-RPNI kommer dessutom att dra ihop sig efter proximal nervstimulering (Video 1). Ibland kan signifikant ärrbildning och atrofiskt muskeltransplantat vara närvarande (figur 2C), vilket indikerar ett misslyckande av revaskularisering / regenerering som vanligtvis är sekundärt till för stort transplantat, felaktig hantering eller perioperativ vävnadsskada. Dessa atrofiska transplantat har vanligtvis en viss grad av sammandragning vid proximal nervstimulering men producerar lägre signalförstärkning. Sammantaget anses det vara ett tillverkningsfel om MC-RPNI vid exponering hittas lossnat från nerven eller inte har någon sammandragning vid proximal nervstimulering.
Histologisk analys av dessa konstruktioner bör visa livskraftig nerv- och muskelvävnad utan någon signifikant fibros eller ärrbildning (figur 3). Immunohistokemi kan också utföras för att bekräfta närvaron av innerverade neuromuskulära korsningar med neurofilament som en allmän nervmarkör i kombination med alfa-bungarotoxin som en markör för postsynaptiska acetylkolinreceptorer (Figur 4). Om den målimplanterade nerven misslyckas med att innervera muskelkomponenten i MC-RPNI, skulle immunfärgning inte visa några säkerhetsmotoriska nervspiror som passerar konstruktionen eller några innerverade neuromuskulära korsningar.
Elektrofysiologisk testning kan utföras på dessa konstruktioner när som helst efter mognad, med publicerade resultat som visar stabila signaler specifikt i MC-RPNI vid 3 månader52 och upp till 3 år i RPNI hos människor47. Elektrofysiologiska testscheman kan variera beroende på intresseområde och tillgänglig utrustning (figur 5), men utvärderingar utförs oftast med maximal stimulering till den proximala nerven med en krokelektrod följt av en registrering av sammansatta muskelåtgärdspotentialer (CMAP) som genereras vid MC-RPNI (tabell 1 ). Inspelningselektroder kan variera beroende på användarens preferenser, men epimysial patch / pad, epimysial bipolär sond och penetrerande bipolära elektroder har använts experimentellt med framgång. Den genomsnittliga sammansatta nervamplituden (CNAP) som registrerades vid CP-nerven efter mer proximal nervstimulering var 119,47 μV ± 14,87 μV. Genomsnittlig CMAP-amplitud registrerad vid MC-RPNI efter liknande proximal CP-nervstimulering var 3,28 mV ± 0,49 mV, vilket resulterade i förstärkning av nervsignalen från 11-87x, med en total genomsnittlig förstärkningsfaktor på 31,8 ± 7,70. Dessa genererade CMAP-vågformer liknar till utseendet på inhemska muskler, vilket ytterligare stöder att de har blivit reinnerverade av sin inneslutna nerv (figur 6B).
För att säkerställa att MC-RPNI-tillverkning inte orsakar negativ funktionell påverkan kan elektrofysiologiska och muskelkraftstester utföras på distalt innerverade muskler. Majoriteten av testerna har utförts på den ipsilaterala EDL-muskeln eftersom den är lättillgänglig för testning och innerveras av den vanliga peroneala nerven (den kontralaterala EDL skördas för MC-RPNI-tillverkning och bedöms därmed inte). CMAP som genereras av fysiologisk EDL-muskel efter proximal CP-nervstimulering varierar vanligtvis från 20-30 mV52. När du utför detta test på råttor med implanterade MC-RPNIs är EDL CMAP inte signifikant olika, i genomsnitt 24,27 mV ± 1,34 mV. Dessutom, när man jämför genererade CMAP-vågformer mellan dessa två grupper, är de anmärkningsvärt lika (figur 6C). Som ett ytterligare mått på distalt innerverad muskelfunktion kan muskelkrafttestning av muskeln av intresse eftersträvas (tabell 2). Efter proximal CP-nervstimulering är den genomsnittliga EDL-maximala tetaniska kraften som genereras hos MC-RPNI-ämnen 2451 mN ± 115 mN, liknande den genomsnittliga kraften på 2497 mN ± 122 mN erhållen från EDL-muskel hos kontrollpersoner52.
Det övergripande syftet med MC-RPNI är att förstärka dess inneslutna nervs mikrovoltnivåsignal med flera storlekar, vilket ökar SNR-förhållandet och därmed underlättar noggrann detektering av motorisk avsikt. Denna förstärkning har visat sig ske på ett tillförlitligt sätt i intervallet 10-20 gånger 52, med nyare experiment som uppnår förstärkningsfaktorer på över50 gånger; Därför, om en konstruktion inte ger en liknande förstärkningsnivå, anses den vara suboptimal. Suboptimala resultat kan vanligtvis hänföras till problem vid muskeltransplantatets nivå i MC-RPNI, eftersom ofullständig regenerering och därmed reinnervation kan resultera i lägre än standard CMAP, vilket sänker konstruktionens totala förstärkningsförmåga. Den genererade vågformen dämpas vanligtvis med ett märkbart onormalt utseende. Om muskeltransplantatet misslyckas helt kan signalen som mäts vid muskelkomponenten antingen vara obefintlig (sekundär till signifikant ärrvävnad) eller spegla CNAP som genereras vid uppströmsnerven.
Figur 1: Illustrativ schematisk för MC-RPNI. Målets perifera nerv kan ses i gult i det omgivande muskeltransplantatet. MC-RPNI kan förstärka sin inneslutna nervs motoriska efferenta åtgärdspotentialer på nivån av mikrovolt genom generering av sammansatta muskelåtgärdspotentialer (CMAP) flera magnituder större. Detta underlättar detekteringen av motorisk avsikt som lätt kan skiljas från bakgrundsbrus. Klicka här för att se en större version av denna siffra.
Figur 2: MC-RPNI in vivo. MC-RPNI tillverkas med hjälp av ett autologt extensor digitorum longus (EDL) muskeltransplantat skördat från den kontralaterala lemmen. Det är sedan omkretsfäst vid den gemensamma peroneala nerven, med ett exempel MC-RPNI skisserat i vitt (A) vid tidpunkten för den första tillverkningen. Samma MC-RPNI avbildas igen i (B) vid tidpunkten för slutpunktsutvärdering 3 månader efter. MC-RPNI har liknande färg som den omgivande muskeln och har behållit en stor del av volymen. Ett exempel på ett atrofiskt muskeltransplantat visas i (C). MC-RPNI har ett liknande utseende som omgivande ärr och bindväv och har tappat betydande volym. Klicka här för att se en större version av denna siffra.
Figur 3: MC-RPNI-histologi. (A) H&E av ett MC-RPNI-tvärsnitt med M som indikerar muskelkomponenten och N, nerven. B) Tvärsnitt av den ipsilaterala distalt innerverade EDL-muskeln hos en råtta med MC-RPNI. (C) Tvärsnitt av EDL-muskeln i en kontrollråtta utan MC-RPNI. Klicka här för att se en större version av denna siffra.
Figur 4: Immunfärgning av MC-RPNI. Bilden längst upp till vänster visar en längsgående sektion av ett MC-RPNI-prov med kärnor noterade i blått (DAPI) och nervvävnad i grönt (neurofilament). En närbild av en annan MC-RPNI visas längst ner till höger med flera neuromuskulära korsningar närvarande (alfa-bungarotoxin i rött för acetylkolinreceptorer). Klicka här för att se en större version av denna siffra.
Figur 5: Inställning av elektrofysiologisk utvärdering av slutpunkt. Elektrofysiologisk testning kräver minst tre elektroder: (1) en jordningselektrod - inte avbildad; (2) en nervstimulerande bipolär elektrod; och (3) en bipolär inspelningselektrod. I denna inställning kan en bipolär stimulerande krokelektrod ses i vitt till höger om bilden placerad på den gemensamma peroneala nerven. Den registrerande bipolära sondelektroden placeras på den distala MC-RPNI. Signaler registreras sedan från MC-RPNI efter proximal nervstimulering vid krokelektroden tills maximala CMAP uppnås. Klicka här för att se en större version av denna siffra.
Figur 6: Standard elektrofysiologiska vågformer. Dessa grafer visar typiska vågformer som fångats under elektrofysiologisk analys av en råtta med en implanterad MC-RPNI efter proximal CP-nervstimulering. (A) I blått avbildas en CNAP (*) som registrerats från CP-nerven proximal till MC-RPNI. Systemartefakten anges med en (**). B) Den representativa CMAP som registrerats från MC-RPNI efter den genererade CNAP i punkt A. (C) Den resulterande CMAP-vågformen registrerad från den ipsilaterala distalt innerverade EDL-muskeln. Klicka här för att se en större version av denna siffra.
| Rått-ID | Råttans vikt (g) | Nerv-CNAP-amplitud (μV) | MC-RPNI CMAP-amplitud (mv) | Nervsignalförstärkningsfaktor | Svarstid (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 | n/a | 5.3 | n/a | 1.55 |
| 11 | 380 | n/a | 2.1 | n/a | 0.75 |
| 12 | 415 | n/a | 2.4 | n/a | 1 |
Tabell 1: Endpoint elektrofysiologisk analys av MC-RPNIs. Ett urval av resultat erhållna från råttor som genomgår slutpunktsanalys vid 3 (råttor 1-9) och 6 (råttor 10-12) månader efter tillverkning. Efter proximal vanlig peroneal (CP) nervstimulering registrerades sammansatta nervåtgärdspotentialer (CNAP) vid nedströms CP-nerven och sammansatta muskelverkanspotentialer (CMAP) registrerades vid nedströms MC-RPNI. Förstärkningsfaktorn för varje test kan ses i kolumnen till höger. Obs: för råttor 10-12 kunde CNAP-proximala till MC-RPNI inte mätas med tanke på anatomiska begränsningar som berodde på att MC-RPNI tillverkades för nära CP-nervens start från ischiasnerven. Den genomsnittliga CNAP-amplituden som registrerades var 119,47 μV ± 14,87 μV medan den genomsnittliga CMAP-amplituden var 3,28 mV ± 0,49 mV, vilket gav en genomsnittlig förstärkningsfaktor på 31,8 ± 7,70.
| Rått-ID | Maximal Twitch (mN) | V | Maximal Tetany (mN) | V | Hz | LOM (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 |
Tabell 2: Muskelkraftanalys av råttor med implanterade MC-RPNIs. Muskelkraftstestning utfördes på ipsilateral extensor digitorum longus (EDL) muskel för att avgöra om MC-RPNI hade någon inverkan på distalt innerverad muskelfunktion. Efter proximal CP-nervstimulering registrerades kraftspårningar och aktiv kraft beräknades relevant för testet av intresse. Lo definierades som den optimala muskelvilolängden som gav maximal kraft. Genomsnittlig maximal ryckkraft som registrerades från råttor med implanterade MC-RPNI var 722,0 mN ± 32,11 mN och genomsnittlig maximal tetanisk kraft som registrerades var 2451 mN ± 115 mN, liknande värden som erhållits från kontrolldjur (maximal ryckning: 822,2 mN ± 41,11 mN; maximal tetany: 2497 mN ± 122 mN).
Video 1: MC-RPNI-sammandragning efter proximal nervelektrisk stimulering. Efter proximal nervelektrisk stimulering som tillhandahålls av krokelektroden till höger kan synlig muskelkontraktion av MC-RPNI ses i mitten. Klicka här för att ladda ner den här videon.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
MC-RPNI är en ny konstruktion som möjliggör förstärkning av en intakt, perifer motornervs efferenta åtgärdspotentialer för att exakt styra en exoskelettanordning. Specifikt ger MC-RPNI en särskild fördel för de individer med extremitetssvaghet orsakad av signifikant muskelsjukdom och / eller frånvaro av muskler där EMG-signaler inte kan registreras. Att minska redan nedsatt muskelfunktion skulle vara förödande i denna befolkning; MC-RPNI har emellertid förmågan att tillhandahålla denna nervsignalförstärkning utan att skada distalt innerverad muskel52 (tabell 1 och tabell 2). Hos de individer med muskelbaserad eller lägre motorneuronsjukdom är perifera sensoriska nerver vanligtvis opåverkade av sjukdomsprocessen53. När känslan bevaras är det absolut nödvändigt att hålla nerven i kontinuitet och undvika skada, och MC-RPNI verkar undvika nackdelar för distalt innerverade mål som helhet baserat på histologi (figur 3), immunhistokemi (figur 4) och utvärdering av muskelfunktion (tabell 2).
MC-RPNI förlitar sig på begreppet lateral axonal spridning av den inneslutna perifera nerven, ett koncept som lätt demonstreras i både tidigare forskning52 och även i den väl beskrivna kirurgiska tekniken för end-to-side neurorrhaphy54,55. För att säkerställa adekvat reinnervation av muskeltransplantatet under MC-RPNI-tillverkning och undvika negativ påverkan på distalt innerverade mål är noggrann hantering av nerven absolut nödvändig. Under dissektion av nerven kan trauma undvikas genom kortfattad hantering av antingen epineurium eller endast bindväv. Risken för nervskada vid MC-RPNI-tillverkning är dock den högsta under steget för epineurialfönster. För att undvika skarp transsektion av nervfibrer rekommenderas att detta steg endast utförs under ett kirurgiskt mikroskop med hög effekt (minst 5x) efter flera möjligheter till övning på icke-experimentella råttor. Detta steg kan ta flera försök att behärska, och det rekommenderas inte att först utföra detta steg på råttor avsedda för experimentell analys. Teoretiskt sett är neurom-i-kontinuitet en komplikation som kan uppstå efter MC-RPNI-tillverkning, särskilt i närvaro av signifikant nervtrauma. Denna komplikation har dock inte uppstått under de många åren i utveckling.
Majoriteten av experimenten som utförts med MC-RPNI har utförts på den gemensamma peroneala nerven med tanke på dess relativa lättillgänglighet samt utvärdering av distalt innerverade mål. Teoretiskt sett kan vilken perifer nerv som helst med en motorkomponent ersättas. Rena sensoriska axoner kan användas eftersom muskelvävnad har sensoriska komponenter (spindelfibrer, Golgi-senorgan etc.), men dessa experiment har hittills inte utförts och resultaten är svåra att förutsäga. För muskeltransplantatkomponenten i MC-RPNI varierar transplantaten från 20-150 mg beroende på transplantatlängd och råttans ålder, och alla muskeltransplantat av liknande storlek kan framgångsrikt användas. Regenerering av muskeltransplantat beror delvis på förmågan att revaskularisera, och stora / tjocka transplantat är mer benägna att genomgå nekros och fibros, vilket påverkar den totala signalförmågan56. Forskning som utförts specifikt på RPNI har visat framgångsrik muskelregenerering och underhåll av signalförstärkning i transplantat upp till 300 mg56. När det gäller råttras rekommenderas Lewis och Fischer eftersom majoriteten av andra råttor som används för experimentella ändamål är kända för att självstympa sekundärt till nervskada57,58.
Sammantaget har nuvarande erfarenheter av MC-RPNI-tillverkning gett en felfrekvens på <5%. De vanligaste konstruktionsfelen som ses tillskrivs vanligtvis muskeltransplantatsegmentet, varpå de vid exponeringen noteras att de antingen är atrofiska eller lossnade från nerven. Lossnade MC-RPNI beror vanligtvis på otillräcklig suturering vid tillverkningstillfället, vilket leder till "öppning" av det omkretsförpackade muskeltransplantatet och eventuell partiell extrudering av den inneslutna nerven. Dessa MC-RPNI behåller dock vanligtvis en viss grad (om än reducerad) av signalförstärkningsfunktioner eftersom en del av transplantatet fortfarande är säkrat för nerven. Atrofiska MC-RPNI är uppenbara vid exponering eftersom de saknar det typiska skelettmuskelutseendet, ofta oskiljbara från ärrvävnad med ljusrosa till grå / vit färg (figur 2C). Atrofi i muskelvävnaden kan bero på många faktorer, inklusive infektion, för stor / tjock av ett muskeltransplantat, akut blodförlustanemi, muskel- och / eller nervskada under tillverkning, liksom misslyckandet av adrenalinbindande suturer som orsakar kolvning av transplantatet på nerven, vilket minskar revaskularisering. Vid elektrofysiologisk testning producerar atrofiska MC-RPNI vanligtvis liten eller ingen signalförstärkning; om man använder högkänsliga elektroder kan inspelningar av den underliggande nervens CNAP registreras genom den atrofiska muskeln. Om signifikant atrofi noteras hos flera experimentella ämnen måste man återgå till protokollet och bestämma vilka steg som kräver justering. Naturligtvis, om inga signaler registreras när du utför utvärderingar, är det viktigt att felsöka och inte anta att konstruktionen är ett fel. Felsökning av enhetens inställning är av största vikt, eftersom brist på signaler kan vara sekundär till skadade elektroder (rekommendera impedans <16 Ω), felaktig elektrodkonfiguration eller till och med otillräcklig proximal nervstimulering (vissa nerver kräver 0,5-5 mA elektrisk stimulering för att börja producera CMAP vid nedströms MC-RPNI).
Nuvarande metoder för gränssnitt mellan människa och maskin för exoskelettanvändning hos dem med extremitetssvaghet förlitar sig vanligtvis på inspelningar erhållna från antingen perifera nerver eller EMG från muskelvävnad. Som diskuterats tidigare ger MC-RPNI betydande fördelar när det gäller exoskelettkontroll för de individer med allvarligt skadad eller frånvarande muskelvävnad där EMG-inspelningar inte är möjliga29. MC-RPNI erbjuder också en fördel jämfört med nuvarande perifera nervgränssnittsalternativ, inklusive extraneurala elektroder 30,31,32,33, intrafascikulära elektroder 34,35,36 och penetrerande elektroder37,38,39,40 . Eftersom inneboende nervsignaler vanligtvis är på nivån av mikrovolt, har MC-RPNI förmågan att förstärka dessa nervsignaler över 30 gånger, vilket underlättar exakt detektering av motorisk avsikt från bakgrundsbrus och därmed möjliggör tillförlitlig exoskelettkontroll. Med kronisk användning kämpar nuvarande elektrodbaserade metoder i slutändan för att övervinna komplikationer som är inneboende i materialets livslängd in vivo och främmande kroppsreaktion, komplikationer som MC-RPNI kan undvika med tanke på dess biologiska ursprung. Med tiden resulterar dessa främmande kroppsreaktioner i vävnadsskada, ärrvävnadsbildning och eventuell axonal demyelinering och degeneration. Experiment utförda upp till sex månader har inte avslöjat några tecken på neuronal skada, ärr eller fibros / degeneration av distalt innerverad muskelvävnad (figur 3), och i kombination med RPNI-stabilitet noterad hos försökspersoner under en treårig observationsperiod47 är det rimligt att dra slutsatsen att MC-RPNI framgångsrikt kunde samverka med perifera nerver på skalan från år till årtionden.
MC-RPNI är avsedd att användas för exoskelettkontroll i en mängd olika patologier, inklusive de som uppstår på nervsystemet såväl som själva muskeln. Till exempel kan muskelbaserade patologier inkludera tillstånd som sträcker sig från trauma, muskeldystrofi, inflammatoriska myopatier och myasthenia gravis. Trots de djupa muskelskador och svagheter som kan resultera i dessa tillstånd 1,2,3, har majoriteten fungerande lägre motorneuroner som skulle underlätta MC-RPNI-reinnervation och detektion av motorisk avsikt. För de tillstånd som resulterar i utbredd muskelsjukdom (muskeldystrofi etc.) är det säkert möjligt att den fria muskeltransplantatkomponenten kan påverkas, vilket begränsar förstärkningspotentialen. Med tanke på att detektion av till och med en enda motorenhet (10-400 μV)59 kan ge förstärkning av perifera nervsignaler, är det rimligt att anta att MC-RPNI skulle innehålla tillräckligt med motorenheter inom sitt mindre, definierade område för att underlätta exoskelettkontroll i denna population. En signifikant begränsning av konstruktionen är dock i de patologier som resulterar i signifikant reducerade övre och / eller nedre motorneuroner, såsom vid stroke, ryggmärgsskada, ryggradsmuskelatrofi (SMA) och amyotrofisk lateralskleros (ALS). Utan en lämplig perifer nervfiberpopulation för att reinnervera MC-RPNI kan den inte regenerera och ge signalförstärkning, vilket leder till konstruktionsfel. Experiment utförs för att bestämma den minsta populationen av funktionella perifera nervfibrer som krävs för adekvat MC-RPNI-funktion.
MC-RPNIs föregångare, RPNI, har visat omätlig framgång med noggrann kontroll av drivna proteser hos människor genom förstärkning och registrering av signaler som genereras från transekterade perifera nerver. Framför allt kan den göra det på skalan från månader till år utan reoperation eller omkalibrering av protesanordningen. Vanliga klagomål med nuvarande metoder för gränssnitt mellan människa och maskin för exoskelettkontrollcenter om signalkontaminering från korsprat och behovet av frekvent omkalibrering i EMG-beroende metoder26,27,28, och perifer nervgränssnittsinstabilitet över tid som kräver sekundära operationer37,39,44 . MC-RPNI kan dock undvika dessa komplikationer med tanke på dess biologiska smink samt strategiska placeringsförmåga. Det är absolut nödvändigt att skapa en grundlig förståelse för denna konstruktion för att bana väg för användning hos människor och den eventuella utbredda användningen av exakta, pålitliga exoskelettanordningar hos dem som lever med extremitetssvaghet.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
Författarna har inga upplysningar.
Acknowledgments
Författarna tackar Jana Moon för hennes expertlabbhantering och tekniska hjälp och Charles Hwang för hans bildexpertis. Experiment i detta papper finansierades delvis genom Plastic Surgery Foundation-bidrag till SS (3135146.4) samt National Institute of Child Health and Human Development under Award Number 1F32HD100286-01 till SS och National Institute of Arthritis and Musculoskeletal and Skin Diseases of the National Institutes of Health under Award Number 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 |
References
- 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).
- 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).
- 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).
- Sass, F. A., et al. Immunology Guides Skeletal Muscle Regeneration. International Journal of Molecular Sciences. 19 (3), 835 (2018).
- Bruggeman, K. F., et al. Harnessing stem cells and biomaterials to promote neural repair. British Journal of Pharmacology. 176 (3), 355-368 (2019).
- Vijayavenkataraman, S. Nerve guide conduits for peripheral nerve injury repair: A review on design, materials and fabrication methods. Acta Biomaterialia. 106, 54-69 (2020).
- O'Dell, M. W., Lin, C. C., Harrison, V. Stroke rehabilitation: strategies to enhance motor recovery. Annual Review of Medicine. 60, 55-68 (2009).
- 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).
- Veerbeek, J. M., et al. Effects of robot-assisted therapy for the upper limb after stroke. Neurorehabilitation & Neural Repair. 31 (2), 107-121 (2017).
- Heo, P., et al. Current hand exoskeleton technologies for rehabilitation and assistive engineering. Journal of Precision Engineering and Manufacturing. 13 (5), 807-824 (2012).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- Ryser, F., et al. Fully embedded myoelectric control for a wearable robotic hand orthosis. iInternational Conference on Rehabilitation Robotics (ICORR). , 615-621 (2017).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- Kenney, L., et al. An implantable two channel drop foot stimulator: initial clinical results. Artificial Organs. 26 (3), 267-270 (2002).
- 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).
- Boretius, T., et al. A transverse intrafascicular multichannel electrode (TIME) to interface with the peripheral nerve. Biosensors and Bioelectronics. 26 (1), 62-69 (2010).
- Petrini, F. M., et al. Six-month assessment of a hand prosthesis with intraneural tactile feedback. Annals of Neurology. 8 (1), 137-154 (2019).
- Jung, R., et al. Bionic intrafascicular interfaces for recording and stimulating peripheral nerve fibers. Bioelectronics in Medicine. 1 (1), 55-69 (2017).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- Ursu, D. C., et al. In vivo characterization of regenerative peripheral nerve interface function. Journal of Neural Engineering. 13 (2), 026012 (2016).
- Lotti, F., et al. Invasive intraneural interfaces: Foreign body reaction issues. Frontiers in Neuroscience. 11, 497-497 (2017).
- Stiller, A. M., et al. A meta-analysis of intracortical device stiffness and its correlation with histological outcomes. Micromachines. 9 (9), 443 (2018).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- Urbanchek, M. G., et al. Development of a Regenerative Peripheral Nerve Interface for Control of a Neuroprosthetic Limb. BioMed Research International. 2016, 5726730 (2016).
- 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).
- Rocha, J. A., et al. Diagnostic investigation and multidisciplinary management in motor neuron disease. Journal of Neurology. 252 (12), 1435-1447 (2005).
- 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).
- Hayashi, A., et al. Collateral sprouting occurs following end-to-side neurorrhaphy. Plastic and Reconstructive Surgery. 114 (1), 129-137 (2004).
- Hu, Y., et al. Regenerative peripheral nerve interface free muscle graft mass and function. Muscle & Nerve. 63 (3), 421-429 (2021).
- 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).
- 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).
- 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).
