מוצג פרוטוקול להתקנה והכנה של אלקטרודות תוך שריריות, יחד עם מכשיר מדידה ממוזער הניתן להרכבה על בעלי חיים לניתוח אלקטרומיוגרפיה (EMG) במחקרי תנועה. מערכת זו מאפשרת שידור אלחוטי של נתוני EMG בזמן אמת לחקירת התאוששות תנועה בחולדות מודל שבץ.
מאמר שיטה
מערכת מדידת אלקטרומיוגרפיה לבישה בזמן אמת לבעלי חיים קטנים
במאמר זה
סיכום
תקציר
שיטת מדידת האלקטרומיוגרפיה התוך-שרירית (EMG) עבור חיות ניסוי יושמה בדרכים שונות. בין שיטות אלה, קשירת כבלים למכשירי מדידה חיצוניים יכולה להגביל את תנועתם של חיות ניסוי, בעוד שמכשירים מושתלים עלולים לגרום לתופעות לוואי לא רצויות עקב נוכחות מתמדת של מכשיר בעל גודל ומשקל ניכרים. כדי לטפל בבעיות אלה, אנו מציעים מערכת מדידת EMG בעלות נמוכה, אלחוטית וניתנת להסרה והליך ניסיוני. מאמר זה מתמקד בהתקנה כירורגית של אלקטרודות חוט תוך-שריריות עם מחברים קטנים ובפיתוח המערכת האלחוטית. יש לציין כי במערכת זו, רק אלקטרודות החוט מוחדרות לגוף החיה. באמצעות מערכת זו, ניתן לבצע מדידות EMG בקלות על ידי חיבור מערכת המעגלים למחבר המותקן על גב החיה, עם ניטור בזמן אמת שניתן להשיג במחשב נייד. השיטה המוצעת מוסברת בצורה מפורטת, שלב אחר שלב, ואחריה הדגמה הכוללת החדרת אלקטרודות תוך שריריות לגפיים האחוריות של חולדה. ניסוי הליכון נערך למחקר תנועה, והאותות האלקטרופיזיולוגיים המתקבלים מתקבלים ומנותחים לאחר מכן.
מבוא
אלקטרומיוגרפיה כוללת רישום פוטנציאלים חשמליים הנוצרים על ידי סיבי שריר במהלך ההתכווצות. תכונות אלה נקבעות על ידי אותות הפעלה עצביים הנשלחים מנוירונים מוטוריים לשרירים בודדים. EMG נמצא בשימוש נרחב במחקרים הקשורים לשיקום, מוטוריקה, מוח ועצבים, וניתן לסווג את שיטות המדידה באופן נרחב ל-EMG פני השטח (sEMG) ו-EMG תוך שרירי (iEMG)1. אלקטרודות פני השטח מציעות מספר יתרונות, במיוחד ביישומים לבישים, מכיוון שהן אינן פולשניות ודורשות תהליך הכנה פשוט2. ב-sEMG מושתל, התהליך הניתוחי פשוט יותר בהשוואה ל-iEMG, שבו האלקטרודה אינה צריכה לחדור לשריר. למרות יתרונות אלה, sEMG נוטה לזיהום אותות, כגון הפרעות בממשק השריר-אלקטרודה, חפצי תנועה, איכות מגע האלקטרודה ודיבור צולב של אותות משרירים סמוכים1. אתגרים אלה בעייתיים במיוחד כאשר האלקטרודות ממוקמות בסמיכות, כפי שקורה לעתים קרובות במחקרים הכוללים בעלי חיים קטנים. מצד שני, iEMG דורש הליך כירורגי נוסף לחדירת אלקטרודות. למרות השלבים הפרוצדורליים הנוספים, שיטה זו מספקת הקלטות EMG ספציפיות לשריר בדיוק רב יותר ופחות הצלבה, מכיוון שהאלקטרודות מוטמעות באופן קבוע ברקמת השריר3. במחקרים מוטוריים של בעלי חיים קטנים, iEMG מועדף מכיוון שמידע EMG ספציפי לשריר עם התקנת אלקטרודה אמינה הוא קריטי4.
דווח על מספר גישות לרכישת רישומי EMG מאלקטרודות בבעלי חיים קטנים. כבלי קשירה משמשים בדרך כלל לחיבור אלקטרודות לציוד מדידה חיצוני5,6,7,8,9,10,11, ניתן להשתיל מכשירים בתוך הגוף12, או להציב פלטפורמה לבישה אלחוטית על החיה13. כבלי קשירה הם השיטה המדווחת ביותר בשל זמינותו של ציוד מסחרי תואם למטרה זו; עם זאת, חוטי הקשירה גורמים לאי נוחות לבעלי החיים, ותנועתם מוגבלת לעתים קרובות על ידי הכבלים, מה שעלול להשפיע על המחקר. מכשירים מושתלים מציעים פתרונות אלחוטיים, אך חיי הסוללה המוגבלים שלהם עשויים להגביל את משך הניסויים. בנוסף, הגודל והמשקל של מכשירים המותקנים באופן קבוע עלולים לגרום ללחץ ואי נוחות לבעלי החיים, מה שעלול להשפיע על המחקר. טכניקות העברת כוח אלחוטיות הוצעו כדי לטפל בבעיות במכשירים מושתלים, אך שמירה על קישור אנרגיה אמין למכשיר קטן היא בדרך כלל קשה מאוד14. יתר על כן, חשיפה לשדות אלקטרומגנטיים גבוהים עלולה להוביל לתוצאות בלתי צפויות, כגון תפקוד חיסוני מופחת ושינויים ניווניים פוטנציאליים במוח15,16.
מערכת הרכישה יכולה להיות מיושמת גם כפלטפורמה אלחוטית לבישה המטפלת בעיבוד אותות ומעבירה באופן אלחוטי את הקלטות ה-EMG לתחנת בסיס. למרות שזו השיטה המועדפת, היא מהווה אתגר טכני עבור המשתמשים, ופרטי הניסוי לרוב אינם מטופלים במלואם בספרות.
בעבודה זו אנו מציגים שיטת רכישת EMG פשוטה, זולה ואמינה למחקרי תנועה בבעלי חיים קטנים. זוג אלקטרודות iEMG מושתלות בשרירי הגפיים האחוריות של חולדה, בעוד ששאר מערכת קליטת האותות, כולל הגברה, ממיר אנלוגי לדיגיטלי וטלמטריה אלחוטית, מותקנת על גב החיה. נתוני ה-EMG מועברים למחשב אישי לניטור בזמן אמת, כאשר הנתונים נרשמים באופן מקומי. ניסוי תנועה בהליכון נערך כדי להדגים את המערכת במחקר התאוששות משבץ מוחי.
פרוטוקול
אישור כל הנהלים והפרוטוקולים האתיים והניסויים ניתן על ידי הוועדה המוסדית לטיפול ושימוש בבעלי חיים תחת בקשה מס'. CGU1-2021-IA0041. במחקר זה נעשה שימוש בחולדת Sprague-Dawley זכר בן 7 שבועות. פרטי הריאגנטים והציוד מפורטים בטבלת החומרים.
1. הכנת בעלי חיים
- הכינו חולדות בגיל 7 שבועות. למען הבטיחות, יש לשכן חולדות במשקלים דומים יחד, עם מקסימום שלוש חולדות בכלוב.
- ודא שהחולדות מסתגלות ללא לחץ לפני הניתוח. ספק מים ומזון באופן עקבי, והחלף את המצעים מעת לעת.
- במהלך תקופת ההסתגלות (כ-7 ימים), אימנו את בעלי החיים לרוץ על הליכון במהירות של 16-25 מ'/דקה למשך 5 דקות בכל יום כדי לעזור להם להתאקלם להליכון.
הערה: אם חולדה נעצרת או מסרבת לזוז כמתוכנן, הקש בעדינות על ישבנה לעידוד.
2. הכנת אלקטרודות
- הכן חמישה חוטי נירוסטה המצופים בפוליטטרפלואורואתילן, ארבעה מהם באורך של 140 מ"מ ואחד באורך של 60 מ"מ.
- קשרו שלושה קשרים על חוט באורך 140 מ"מ, והניחו אותם ב-40 מ"מ ו-100 מ"מ ביחס לקשר (איור 1A).
הערה: במהלך החדרת אלקטרודת החוט לשריר, זה יכול להיות מאתגר להבטיח מגע מדויק ולשמור על החלק החשוף של האלקטרודה ממוקם כראוי. כדי לטפל בכך, נוצר קשר חוסם בחוט כדי למנוע החדרה נוספת בעת משיכה, מה שמבטיח שהאלקטרודה תישאר יציבה בתוך השריר. - עבור חוטי 140 מ"מ, השאירו פער של 2 מ"מ מהקשר בצד הקצר, ואז הפשיטו חלקית את הבידוד באמצעות מלחם למשך 2 מ"מ. הפשיט לחלוטין את הבידוד מקצה הצד הארוך ב -2 מ"מ. עבור אלקטרודות 60 מ"מ, הסר לחלוטין את הבידוד בקצה אחד ב-2 מ"מ ובקצה השני ב-10 מ"מ (<מחלקה חזקה = "xfig">איור 1).
הערה: יש לנקות היטב את קצה הברזל כדי למנוע זיהום. - תקן את החוט על ידי הלחמתו לאביזר המחבר לאחר הסרת הבידוד במלואו (<מחלקה חזקה = "xfig">איור 2B,C).
- הרכיבו את חלק המתכת שאליו מחובר החוט לתוך בית הפלסטיק (<מחלקה חזקה = "xfig">איור 2D,E).
- חבר את המחבר למוביל פלסטיק מודפס בתלת מימד (ראה טבלת חומרים) הכולל חורים לקיבועו לעור. כדי למנוע מהחלק המולחם ליצור קשר עם אתר החתך, יש למרוח ציאנואקרילט תואם ביולוגית (<מחלקה חזקה = "xfig">איור 2F).
- חותכים לוחית ניקל בעובי 0.2 מ"מ וכופפים אותה כך שתעטוף את המחבר, תוך הגנה עליו כדי למנוע נזק פוטנציאלי על ידי בעל החיים.
3. ניתוח
- הנח את החולדה בתא אינדוקציה (מיוצר בהתאמה אישית באמצעות שרף סינטטי שקוף) ובצע הרדמה באמצעות תערובת של 70% תחמוצת חנקן ו-30% חמצן, עם ריכוז איזופלורן של 2%-3%. הכן את המכשירים הכירורגיים הדרושים (<מחלקה חזקה = "xfig">איור 3).
- הסר את הפרווה באמצעות קוצץ שיער חשמלי והכן את העור עם כלורהקסידין ואלכוהול כדי למנוע זיהום במהלך הניתוח (איור 4A).
- בצע חתך של כ-10-15 מ"מ באמצעות מספריים כירורגיים על העור בו נמצא שריר המטרה שיש למדוד. מכיוון שהפאשיה נמצאת מתחת לעור, והשרירים מתחתיו, השתמש תחילה במספריים כדי לחתוך את העור, ולאחר מכן הסר את הפאשיה על ידי ניגובה בעדינות עם מטלית נקייה.
- בצע חתך של 5-10 מ"מ סביב אזור המותני בו יחובר המחבר.
- השתמשו בטרוכר סטרילי כדי ליצור מעבר מתחת לעור עבור החוט לעבור מהמחבר למיקום שריר המטרה (איור 4B).
- העבירו את הטרוכר ממצב השריר, מתחת לעור, לכיוון מקום החתך בצד המותני.
- הכן את האלקטרודה ואת המחבר מהשלב הקודם. צבט את אלקטרודות החוט במקום החתך בצד המותני באמצעות המלקחיים ומשוך אותן בזהירות עד לחתך בשריר המטרה. לאחר שהחוט נשלף החוצה למיקום שריר המטרה, עיין ב-איור 4C.
- כפי שמוצג ב-איור 4D, השתמשו במחט תפר כדי לחדור את חוט האלקטרודה לתוך שריר המטרה.
הערה: שריר המטרה לניסוי זה הוא הגסטרוקנמיוס המדיאלי (MG), שהוא אחד משרירי המפתח לניתוח משימות מוטוריות17. מכיוון שאורך ה-MG הוא כ-18 מ"מ בחולדות בנות 7 שבועות, יש למקם אלקטרודות סביב מרכז השריר, במרווח של כ-5 מ"מ, כדי למזער את הנזק לשרירים ולהבטיח מדידות EMG מדויקות. מומלץ שאורך החוט החודר לשריר יעלה על 5 מ"מ כדי להבטיח שהחלק עם הבידוד שהוסר נמצא במגע טוב עם השריר. - הנח את החוט שעבר ויצא מהשריר בחזרה לנקודת ההכנסה שלו ואבטח אותו עם קשר מעל. חותכים את החוט הנותר (<מחלקה חזקה = "xfig">איור 4E).
- לאחר התקנת אלקטרודת החוט בשריר המטרה, יש לתפור את אתר החתך בתפר מונופילמנט 4-0.
- תפר את החתך מתחת למחבר. ודא שהחוט כולו מוכנס לגוף ונתפר היטב (<מחלקה חזקה = "xfig">איור 5A).
- אבטחו את המחבר לעור הגב של החיה באמצעות חוט תפר, כפי שמוצג באיור 5B.
הערה: ודא שהמגן מהודק היטב כדי למנוע מהחיה ללעוס את המחבר. לשיכוך כאבים, קרפרופן (5 מ"ג/ק"ג) ניתן תת עורי. - לאחר השלמת הניתוח יש להפסיק את ההרדמה ולהכין כלוב להחלמת בעל החיים.
- הפעל מנורת חום כדי למנוע ירידה בטמפרטורת הגוף של בעל החיים, ועקוב אחר אתר הניתוח לאיתור חריגות, כגון סימני זיהום, דלקת או נפיחות. יש לחטא היטב את מקום החתך ולמרוח משחה במידת הצורך. לאחר שהחולדה התאוששה מההרדמה, הסר את מנורת החום.
- עקוב אחר התנהגות החולדה, כולל תיאבון, שתייה ומתן שתן.
הערה: לאחר הניתוח, אפשר לבעל החיים לנוח כיומיים לפני ביצוע בדיקות כלשהן.
4. תכנון וייצור מעגלים מודפסים (PCB)
- תכנן את המעגל עבור מדידה ודיגיטציה של EMG כך שיכלול שני מעגלים משולבים (IC) של מגבר אנלוגי ויחידת מיקרו-בקר (MCU). ודא שלמגבר יש רוחב פס מ-5-740 הרץ ורווח של 1300 V/V.
הערה: שנה את המגבר רווח ורוחב הפס בהתאם לדרישות הספציפיות של החיה במידת הצורך18. - כלול מודול Bluetooth משולב במיקרו-בקר עבור תקשורת אלחוטית להעברת הנתונים הנמדדים להתקן המארח. אנטנת שבב הפועלת בתדר 2.4 ג'יגה הרץ שימשה לניסוי זה.
- השתמש בסוללת Li-po נטענת V 3.7 יחד עם IC ייעודי לניהול הספקת-כוח עבור מחקר זה.
- ייצור PCB עבור המעגלים המשולבים הנ"ל על מצע FR4. צור את ה-PCB בצורות שונות כדי לעמוד בדרישות ספציפיות. עיין באיור המשלים 1, באיור המשלים 2 ובאיור המשלים 3.
- אכלס את הרכיבים האלקטרוניים על ה-PCB על ידי הלחמה או באמצעות אקדח חום.
5. תצורת תוכנה
- קושחה
- הכן את הקושחה (קידוד משלים file 1) כדי להגדיר ADC דו-ערוצי ברזולוציית 8 סיביות ו-sampקצב של 2 kSPs. פרמט את הנתונים שהומרו דיגיטלית למערך ושדר אותם באמצעות Bluetooth Low Energy (BLE) באמצעות כלי פיתוח התוכנה הייעודי.
- העלה את הקושחה למיקרו-בקר לפני הפריסה.
- תוכנת ניטור בזמן אמת
- הכן תוכנית להתוויית הנתונים המתקבלים באמצעות BLE בזמן אמת. עבור מחקר זה, פותח יישום שרטוט מבוסס Python, המאחסן גם את הנתונים הגולמיים במיקום מוגדר (קובץ קידוד משלים 2).
הערה: המערכת יכולה לחוות עיכוב מאגר דגימה של 50 אלפיות השנייה לכל היותר ועיכוב תקשורת אלחוטית של כ-10 אלפיות השנייה19,20.
- הכן תוכנית להתוויית הנתונים המתקבלים באמצעות BLE בזמן אמת. עבור מחקר זה, פותח יישום שרטוט מבוסס Python, המאחסן גם את הנתונים הגולמיים במיקום מוגדר (קובץ קידוד משלים 2).
6. מבחן הליכון
- חבר את הסוללה למעגל המוכן והצמד את ה-PCB למחבר, כפי שמוצג ב-איור 6A.
- הפעל את תוכנית הניטור במחשב האישי וצור קישוריות אלחוטית עם המעגל PCB.
- הנח את החולדה על ההליכון ועקוב אחר צורת הגל של EMG. במחקר זה, ההליכון מוגדר במהירות של 25 מטר לדקה (<מחלקה חזקה = "xfig">איור 6B).
7. ניתוח נתונים
- טען את נתוני ה- EMG המאוחסנים ב- . תבנית CSV.
- החל שיטות עיבוד אותות כדי להסיר אותות רעש והפרעות לא רצויות.
הערה: ניתן לבצע זיהוי מעטפות וניתוח ספקטרלי כדי לנתח עייפות שרירים וסימטריה בפעילות מוטורית.
תוצאות
במחקר זה מוצגת שיטה אלחוטית פשוטה לרכישת EMG. על אף שנחוץ הליך כירורגי, רק האזור הספציפי להחדרת האלקטרודות וקיבוע המחבר נחתך באופן חלקי, מה שמפחית משמעותית את העומס על בעל החיים. בהדגמה זו, אלקטרודות הוכנסו לגפיים התחתונות, אך ניתן לערוך מחקרים אלקטרופיזיולוגיים דומים באזורים שונים אחרים באמצעות אותה שיטה. גישה זו מציעה את היתרון של מדידת אות אלקטרופיזיולוגי רציפה ללא צורך בכבלי קישור וללא הטלת הגבלות התנהגותיות. למעגל ה-PCB יש קוטר של 9 mm, גובה של 3 mm ומשקל כולל של 3 g. החלפת הסוללה היא פשוטה, והמערכת המוצעת מאפשרת ניטור רציף של התנהגות מוטורית. תצלום המראה את חיבור המחבר והמכשיר, כמו גם את גל ה-EMG, מוצג ב-איור 7.
במחקר זה, נעשה שימוש בהמספריה כדי לנתח את דפוסי התנועה של החולדות. ההמספריה היא כלי יעיל לניתוח תנועת בעלי חיים17, המאפשרת הערכה של בעיות שריריות או נוירולוגיות. למרות שניתן להשתמש בה גם לחקר תנועה חופשית בחולדות, ניסוי זה נועד ספציפית לנתח חריגות בתנועה שנגרמו על ידי מצבים שונים. כדי להשיג זאת, נדרשת תנועה רציפה וחזרתית, מה שהופך את ההמספריה לבחירה מתאימה למטרותינו.
ניתן להשתמש בשיטות שונות כדי לנתח תנועה של בעלי חיים באמצעות EMG. בין שיטות אלו, מדד הסימטריה שימש בניתוח ההתנהגותי21,22. מדד הסימטריה מודד את מאזן הפעילות בין שני שרירים משני צדי הגוף, והשתמשנו בו כדי להעריך התאוששות משבץ מוחי.
איור 1: תהליך הכנת אלקטרודת חוט. (A) איור של מבנה החוט ומיקום הסרת הבידוד. יש לקשור שלושה קשרים בעת החדרת החוטים לשרירים כדי למנוע החדרה מוגברת. (B) הבידוד הוסר במלואו מקצה החוט. (C) הבידוד הוסר חלקית כדי להקל על המגע עם השריר. אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של איור זה.
איור 2: תהליך הרכבת אלקטרודת חוט ומחבר. (A) הכנת חומרים להרכבה. (B) הכנסת החוט אל הרכיב המתכתי. (C) הלחמה של החוט לרכיבים המתכתיים. (D) משיכת החוט דרך הפתח של המעטפת הפלסטית. (E) הכנסת החוט והרכיבים המתכתיים אל המעטפת הפלסטית. (F) השלמת ההרכבה עבור כל החוטים ושימוש בדבק cyanoacrylate להצמדת המעטפת הפלסטית למדריך התפר (חלק אפור). אנא לחצו כאן כדי לצפות בגרסה גדולה יותר של איור זה.
איור 3: כלי ניתוח הדרושים לפרוצדורה. אוסף של כלי ניתוח הדרושים לפרוצדורה, הכולל (1) מחט תפר, (2) פינצטה, (3) פינצטה, (4) מספריים כירורגיים, (5) מספריים עדינים, (6-7) תפסני עצירה (hemostats), (8) מחזיק מחט, ו-(9) אלקטרודה מוכנה. אנא לחצו כאן כדי לצפות בגרסה גדולה יותר של איור זה.
איור 4: הליך חיבור חוטי האלקטרודות. (A) מיקומי החתכים בגב וברגל. (B) החדרת תופס המחט דרך החתך כדי לתפוס את החוט. (C) משיכת החוט אל מחוץ לחתך. (D) טכניקת התפירה בשריר המטרה, תוך מיקום האלקטרודות מסביב לחלק העבה ביותר של השריר במרווח של 5 mm. (E) המצב הסופי עם השלמת הפעולה. אנא לחצו כאן כדי לצפות בגרסה גדולה יותר של איור זה.
איור 5: מיקום המחבר. (A) תפירה מתחת למחבר. (B) קיבוע המחבר באמצעות חוט תפירה. (C) מריחת דבק על החלק העליון של המחבר והנחת מגן מתכתי להגנה. נא ללחוץ כאן כדי לצפות בגרסה גדולה יותר של איור זה.
איור 6: הדגמה של רכישת EMG. (A) תצלום של מערכת רכישת ה-EMG המותקנת על חולדה. (B) ביצוע בדיקת מסוע במהירות של 25 m/min. נא לחץ כאן כדי לצפות בגרסה גדולה יותר של איור זה.
איור 7: גל EMG נמדד וגל EMG מעטוף. (A) הגל הגולמי של אות ה-EMG הנמדד. (B) אות EMG מסונן המשמש להשגת המעטפת. (C) גל מעטוף עם קו סף לניתוח מדד הסימטריה. אנא לחץ כאן כדי לצפות בגרסה גדולה יותר של איור זה.
איור משלים 1: תרשים של פריסת מעגל ה-PCB. ייצוג סכימטי של פריסת מעגל לוח המעגל המודפס (PCB), המדגים את סידור הרכיבים והחיבורים. אנא לחצו כאן להורדת איור זה.
איור משלים 2: תכנון מעגל PCB של השכבה האחורית. תכנון השכבה האחורית של לוח המעגלים המודפס (PCB), המפרט את מיקומי הרכיבים והניתוב עבור המעגל. אנא לחצו כאן להורדת איור זה.
איור משלים 3: תכנון מעגל PCB של השכבה העליונה. תכנון השכבה העליונה של לוח המעגל המודפס (PCB), המציג את פריסת הרכיבים והחיבורים החשמליים. אנא לחץ כאן כדי להוריד איור זה.
קובץ קידוד נלווה 1: הכנת קושחה להגדרת ADC. הוראות להכנת הקושחה להגדרת ממיר אנלוגי-לדיגיטלי (ADC) בעל 2 ערוצים, רזולוציה של 8-bit וקצב דגימה של 2 samples per second (kSPs). אנא לחץ כאן כדי להוריד קובץ זה.
קובץ קידוד משלים 2: אפליקציית שרטוט מבוססת Python. תיאור של אפליקציית השרטוט המבוססת Python ששימשה במחקר זה לצורך ויזואליזציה וניתוח נתונים. אנא לחץ כאן כדי להוריד קובץ זה.
דיון
עבודה זו מציגה מערכת רכישה אלקטרומיוגרפיה (EMG) שהיא קטנה, קלה למימוש, בעלות נמוכה ואלחוטית. המערכת מונעת ביעילות ירידה באותות הנגרמת על ידי כבלים, מכיוון שהיא אינה מסתמכת על ציוד מדידה חיצוני קווי כלשהו. על ידי הרכבת המחבר מאחור במקום הראש, התהליך הכירורגי הופך לקל יותר באופן משמעותי, ומפחית את הסיכון לסיבוכים. הגדרה זו גם ממזערת את הסיכוי שהפלטפורמה תתנגש בקירות צדדיים, מה שעלול להוביל לחפצי אות. בנוסף, זה מקל על עייפות הצוואר, מכיוון שהמשקל המרוכז אינו מונח על הראש.
הפרוטוקול כולל מספר שלבים קריטיים, בעיקר ההכנה המדויקת של האלקטרודות התוך-שריריות והמיקום הקפדני של המחברים. הקפדה על הסרת הבידוד במדויק ושהקשרים קשורים כהלכה חיונית למניעת החדרת יתר במהלך מיקום האלקטרודה1. יתרה מכך, ניטור אתר הניתוח לאחר הניתוח הוא חיוני לזיהוי מוקדם של סיבוכים פוטנציאליים, ובכך להבטיח את רווחתם של בעלי החיים המעורבים.
בעוד שהטכניקה המוצעת חזקה, שינויים מסוימים עשויים לשפר את יעילותה. לדוגמה, התאמת אורך האלקטרודות על סמך גודל השריר הספציפי יכולה לשפר את איכות המגע. בנוסף, במקרה של אובדן אות או רעש במהלך המדידות, פתרון בעיות עשוי לכלול בדיקת החיבורים ולוודא שהמכשיר מוגן כראוי מפני הפרעות אלקטרומגנטיות6. מתן הכשרה נאותה לצוות הכירורגי יכול גם להפחית טעויות פרוצדורליות, ולשפר את שיעורי ההצלחה הכוללים.
למרות יתרונותיו, המכשיר שוקל בסביבות 3 גרם, דבר שאינו בעייתי עבור חולדות אך עלול לגרום לאי נוחות בעכברים קטנים או צעירים יותר. אי נוחות זו עלולה להשפיע על דפוסי ההליכה שלהם, ובכך להשפיע על ניתוח התנהגותי באמצעות EMGore; לא ניתן להגן על המכשיר או המחבר אם החולדה נשארת ללא השגחה בכלוב, מה שמהווה סיכון לנזק13. מעטפת מתכת יושמה להגנה כאשר המכשיר אינו בשימוש, אך פיתוחים נוספים יכולים לשפר היבט זה.
חשיבותה של מערכת זו נעוצה ביכולתה לספק הקלטות EMG רציפות ואיכותיות ללא האילוצים המוטלים על ידי מכשירים קשורים. שיטות מסורתיות, כולל כבלי קשירה והתקנים מושתלים גדולים, מגבילות לעתים קרובות את תנועת בעלי החיים ועלולות לגרום ללחץ, ובכך להטות את התוצאות5. הטכניקה מציעה גישה אנושית יותר תוך שמירה על נאמנות גבוהה באיסוף נתונים, שהיא קריטית להבנת התפקוד המוטורי וההתאוששות בהקשרים ניסויים שונים3.
בעבודה עתידית, ישנם יישומים רבים לטכניקה זו. בעוד שהמחקר הנוכחי התמקד בשריר הגסטרוקנמיוס המדיאלי (MG) להערכת סימטריית השרירים במהלך ההליכה, ניתן להתאים את המתודולוגיה לשרירים אחרים ואף להרחיב אותה למדידות אלקטרוקרדיוגרפיה (ECG). הגדלת מספר האלקטרודות תאפשר איסוף אותות בו זמנית ממספר אתרים11, מה שיקל על ניתוחים מקיפים של תיאום ותפקוד השרירים. התקדמות זו יכולה להוביל לתובנות לגבי אסטרטגיות שיקום להתאוששות משבץ מוחי ומצבים עצביים-שריריים אחרים.
לסיכום, מערכת רכישת ה-EMG המוצעת מציגה התקדמות משמעותית בתחום חקר התנועה של בעלי חיים. על ידי התייחסות למגבלות השיטות הקיימות ומתן פלטפורמה רב-תכליתית למחקר עתידי, מערכת זו טומנת בחובה הבטחה לשיפור ההבנה שלנו לגבי תפקוד מוטורי והתאוששות במסגרות ניסוי שונות.
גילויים
לכל המחברים אין ניגוד אינטרסים.
תודות
מחקר זה מומן על ידי קרן המחקר הלאומית של קוריאה (NRF-2020M3A9E4104385) ופרויקט פיתוח מכשירים ננו-רפואיים של המרכז הלאומי לננו פאב (מספר מענק: 1711160154).
חומרים
| שם | חברה | מספר קטלוג | הערות |
|---|---|---|---|
| צלחת ניקל בעובי 0.2 מ"מ | כל ספק | ||
| להדפסת תלת מימד | קוביקון | A-100 | |
| בן 7 שבועות RAT | JABIO | SD (DBL) [7W M] | |
| דבק | Okong | 1028453 | לאבטחת מגן |
| ANT1 | Johanson Technology Inc. | 2450AT07A0100001T | |
| C1, C15, C16, C20 | Vishay | 1n | 0201(0603)מטרי |
| C10, C13 | Vishay | 100p | 0201(0603)מטרי |
| C11, C12 | Vishay | 4p | 0201(0603)מטרי |
| C14, C19 | Vishay | 0.39n | 0201(0603)מטרי |
| C2, C17 | Vishay | 22n | 0201(0603)מטרי |
| C3, C5, C6 | Vishay | 0.1u | 0201(0603)מטרי |
| C4, C18 | Vishay | 2.2u | 0201(0603)מטרי |
| C7 | Vishay | 4.7u | 0402(1005)מטרי |
| C8, C21 | Vishay | 1u | 0201(0603)מטרי |
| C9 | Vishay | 1p | 0201(0603) |
| כלוב | JEUNG DO B& P | JD-C-02 | |
| מטלית נקייה | קימברלי | 41112 | |
| אביזר מחבר | Harwin | M20-1060400 | פלסטיק דיור |
| אביזר מחבר | Harwin | M20-1180042 | חלק מתכת |
| קוצץ שיער חשמלי | Buzz | RFC-928 | |
| אקדח חום | QUICK | 861DW | |
| IC1, IC3 | מכשיר אנלוגי | AD8232 | למדידת EMG AFE |
| IC2 | מוליכים למחצה נורדיים | nRF52832-CIAA | |
| Isoflurane | Hana Pharm | 657801261 | |
| L1 | Vishay | 3.3n | 0201(0603) |
| סוללת Li-po | TheHan | TW402025 13 מ"מ * 10 מ"מ * 4 מ"מ, 30mAh | |
| ראש פינים | Harwin | M22-2530505 | |
| R1, R2, R9, R10, R13, R14, R21, R22 | Vishay | 10M | 0201(0603)מטרי |
| R11, R23 | Vishay | 100k | 0201(0603)מטרי |
| R12, R24 | Vishay | 1M | 0201(0603)מטרי |
| R3, R4, R5, R7, R15, R16, R17, R19 | Vishay | 180k | 0201(0603)מטרי |
| R6, R18 | Vishay | 160k | 0201(0603)מטרי |
| R8, R20 | Vishay | 768k | 0201(0603) |
| חוט הלחמה | מטרי אלפא מתכת | SACX0307 | |
| ברזל הלחמה | Hakko | FX-951 | |
| חוטי נירוסטה מצופים טפלון | A-M Systems | 793200 | |
| מחט תפרים | AILEE | 301289 | |
| חוט תפר | Ethicon | 604G | |
| הליכון | Daejong Bio | DJ2-243 | |
| U1 | טורקס מוליכים למחצה | XC6204B332DR-G | |
| Y1 | Murata אלקטרוניקה | XRCTD32M000N1P1AR0 |
מקורות
- Farina, D., Enoka, R. M. Evolution of surface electromyography: From muscle electrophysiology towards neural recording and interfacing. J Electromyogr Kinesiol. 71, 102796(2023).
- Kim, C., et al. A wearable ECG monitoring system using microneedle electrodes for small animals. IEEE Sens J. 23 (18), 21873-21881 (2023).
- Kristl, A. C., Akay, T., Miri, A. Recording forelimb muscle activity in head-fixed mice with chronically implanted EMG electrodes. J Vis Exp. 205, e66584(2024).
- Manuel, M., Chardon, M., Tysseling, V., Heckman, C. J. Scaling of motor output, from mouse to humans. Physiology. 34 (1), 5-13 (2019).
- Scholle, H. C., et al. A surface EMG multi-electrode technique for characterizing muscle activation patterns in mice during treadmill locomotion. J Neurosci Methods. 146 (2), 174-182 (2005).
- Tysseling, V. M., et al. Design and evaluation of a chronic EMG multichannel detection system for long-term recordings of hindlimb muscles in behaving mice. J Electromyogr Kinesiol. 23 (3), 531-539 (2013).
- Shafer, B., Welle, C., Vasudevan, S. A rat model for assessing the long-term safety and performance of peripheral nerve electrode arrays. J Neurosci Methods. 328, 108437(2019).
- Teruya, P. Y., et al. Quantifying muscle alterations in a Parkinson's disease animal model using electromyographic biomarkers. Med Biol Eng Comput. 59 (9), 1735-1749 (2021).
- Kloefkorn, H., et al. Non-invasive three-state sleep-wake staging in mice using electric field sensors. J Neurosci Methods. 344, 108834(2020).
- Jensen, V. N., Romer, S. H., Turner, S. M., Crone, S. A. Repeated measurement of respiratory muscle activity and ventilation in mouse models of neuromuscular disease. J Vis Exp. (122), e55599(2017).
- Zealear, D., Li, Y., Huang, S. An implantable system for chronic in vivo electromyography. J Vis Exp. (158), e60345(2020).
- Shon, A., Brakel, K., Hook, M., Park, H. Fully implantable plantar cutaneous augmentation system for rats using closed-loop electrical nerve stimulation. IEEE Trans Biomed Circuits Syst. 15 (2), 326-338 (2021).
- Ouyang, W., et al. A wireless and battery-less implant for multimodal closed-loop neuromodulation in small animals. Nat Biomed Eng. 7 (10), 1252-1269 (2023).
- Zhou, Y., Liu, C., Huang, Y. Wireless power transfer for implanted medical applications: A review. Energies. 13 (11), 2837(2020).
- Zymantiene, J., et al. Effect of electromagnetic field exposure on mouse brain morphological and histopathological profiling. J Vet Res. 64 (2), 319-324 (2020).
- Ebrahim, S., Azab, A., Albasha, M., Albishti, N. The biological effects of electromagnetic fields on human and experimental animals. Int Res J Nat Appl Sci. 3, 106-121 (2016).
- Wakeling, J. M., Tijs, C., Konow, N., Biewener, A. A. Modeling muscle function using experimentally determined subject-specific muscle properties. J Biomech. 117, 110242(2021).
- Westerga, J., Gramsbergen, A. Changes in the electromyogram of two major hindlimb muscles during locomotor development in the rat. Exp Brain Res. 92 (3), 479-488 (1993).
- Tosi, J., Taffoni, F., Santacatterina, M., Sannino, R., Formica, D. Performance evaluation of Bluetooth low energy: A systematic review. Sensors. 17 (12), 28988(2017).
- IEEE Health Informatics-PoC medical device communication Part 00101: Guide-Guidelines for the use of RF wireless technology. IEEE Std 11073-00101-2008. , 1-125 (2008).
- Xu, Y., et al. Rehabilitation effects of fatigue-controlled treadmill training after stroke: A rat model study. Front Bioeng Biotechnol. 8, 590013(2020).
- Nigg, S., Vienneau, J., Maurer, C., Nigg, B. M. Development of a symmetry index using discrete variables. Gait Posture. 38 (1), 115-119 (2013).
הדפסות חוזרות והרשאות
בקש הרשאה לשימוש חוזר בטקסט או באיורים של מאמר JoVE זה
בקש הרשאה