방법 논문

온전한 말초 신경 신호의 증폭을 위한 근육 커프 재생 말초 신경 인터페이스

DOI:

10.3791/63222

⸱

2022년 1월 13일

 ,  ,  ,  ,  , 
1Department of Surgery, Section of Plastic Surgery, The University of Michigan Health System, 2Department of Biomedical Engineering, The University of Michigan, Ann Arbor

이 논문에서

요약

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이 원고는 근육 커프 재생 말초 신경 인터페이스 (MC-RPNI)라고하는 생물학적 말초 신경 인터페이스를 개발하기위한 혁신적인 방법을 제공합니다. 이 수술 구조는 관련 말초 신경의 운동 원심성 신호를 증폭하여 운동 의도의 정확한 감지와 외골격 장치의 잠재적 제어를 용이하게 할 수 있습니다.

초록

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로봇 외골격은 최근 재활 의학 분야에서 사지 약점이 있는 개인의 기능 회복을 위한 유망한 양식으로 찬사를 받았습니다. 그러나 이들의 사용은 주로 연구 기관에 국한되어 있으며 모터 감지 방법이 신뢰할 수 없기 때문에 정적 사지 지원 수단으로 자주 작동합니다. 말초 신경 인터페이스는 이러한 단점에 대한 잠재적 인 해결책으로 등장했습니다. 그러나 본질적으로 작은 진폭으로 인해 이러한 신호는 배경 소음과 구별하기 어려워 전반적인 모터 감지 정확도가 떨어질 수 있습니다. 현재의 인터페이스는 비생물적 재료에 의존하기 때문에 시간이 지남에 따라 이물질 반응과 함께 고유한 재료 분해가 발생하여 정확도에 더욱 영향을 미칠 수 있습니다. 근육 커프 재생 말초 신경 인터페이스 (MC-RPNI)는 이러한 주목할만한 합병증을 극복하도록 설계되었습니다. 손상되지 않은 말초 신경에 원주방향으로 고정 된 자유 근육 이식편 세그먼트로 구성된이 구조물은 시간이 지남에 따라 포함 된 신경에 의해 재생되고 재 신경이 분포됩니다. 쥐에서 이 구조는 복합 근육 활동 전위(CMAP)의 생성을 통해 말초 신경의 운동 원심성 활동 전위를 정상 값의 최대 100배까지 증폭하는 능력을 입증했습니다. 이 신호 증폭은 모터 의도의 고정밀 감지를 용이하게 하여 잠재적으로 외골격 장치의 안정적인 활용을 가능하게 합니다.

서론

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미국에서만 약 1억 3천만 명이 신경근 및 근골격계 질환의 영향을 받아 연간 8,000억 달러 이상의경제적 영향을 받고 있습니다1,2. 이 장애 그룹은 일반적으로 신경계 내, 신경근 접합부 또는 근육 자체 내의 병리학에 이차적입니다3. 다양한 병리학적 기원에도 불구하고 대다수는 어느 정도의 사지 약점을 공유합니다1,3. 불행히도, 이 약점은 신경 및 근육 조직 재생의 한계, 특히 심각한 외상 4,5,6의 설정을 고려할 때 종종 영구적입니다.

사지 쇠약 치료 알고리즘은 고전적으로 재활 및 지원 조치에 중점을 두었으며 종종 나머지 손상되지 않은 팔다리 (지팡이, 휠체어 등)의 기능을 활용하는 데 의존합니다. 7. 그러나이 전략은 약점이 단일 사지에 국한되지 않는 사람들에게는 부족합니다. 최....

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프로토콜

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모든 동물 절차 및 실험은 미시간 대학의 동물 기관 관리 및 사용위원회 (IACUC)의 승인을 받아 수행되었습니다. 생후 3-6개월의 수컷 및 암컷 Fischer F344 및 Lewis 쥐(~200-300g)가 실험에서 가장 자주 사용되지만 이론적으로는 모든 균주를 활용할 수 있습니다. 자가 근육 이식편 대신 기증자 쥐를 사용하는 경우, 기증자 쥐는 실험 균주에 대해 동종이어야 합니다. 쥐는 수술 전후에 음식과 물에 자유롭게 접근 할 수 있습니다. 말기 종점 평가 후, 안락사는 심장 내 염화칼륨 주사로 심부 마취하에 수행되고 양측 기흉의 2 차 방법이 뒤 따른다.

1. 랫트의 실험적 준비

  1. 유도 챔버에서 0.8-1.0 L / min의 산소 중 5 % 이소 플루 란 용액을 사용하여 실험 쥐를 마취하십시오. 적절한 마취가 이루어지고 각막 반사가없는 것으로 확인되면 마취 유지를 위해 이소 플루 란을 1.75 % -2.25 %로 낮추어 재호흡기 코 콘에 쥐를 놓습니다.
  2. 수술 전후 진통제를 위해 견갑골 사이의 피하 평면에 27G 바늘로 멸균 식염수 0.2mL에 0.02-0.03mL Carprofen(50mg/mL) 용액을 주입합니다.
  3. 마취 중 각막 궤양을 예방하기 위해 ....

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결과

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MC-RPNI 수술 제조는 쥐가 수술 마취에서 생존하지 못하거나 수술 후 일주일 이내에 감염이 발생하는 경우 수술 전후 실패로 간주됩니다. 이전 연구에 따르면 3개월의 성숙 기간이 이 구조물42,45,48,49로부터 신뢰할 수 있는 신호 증폭을 초래할 것이라고 합니다. 그 시점 또는 그 이후에, 구축물의 외과적 노출 및 평가가 발생할 수 있다. MC-RPNI 제작이 성공적이었다면, 혈관재생된 근육은 원래의 MC-RPNI 이식 부위에서 쉽게 볼 수 있어야 한다(도 2B). 성공적인 MC-RPNI는 근위 신경 자극 후에 추가로 수축합니다 (비디오 1). 때때로 상당한 흉터와 위축성 근육 이식편이 존재할 수 있으며(

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토론

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MC-RPNI는 외골격 장치를 정확하게 제어하기 위해 손상되지 않은 말초 운동 신경의 원심성 활동 전위를 증폭할 수 있는 새로운 구조입니다. 특히, MC-RPNI는 EMG 신호를 기록할 수 없는 심각한 근육 질환 및/또는 근육 부재로 인한 사지 약화가 있는 개인에게 특별한 이점을 제공합니다. 이미 손상된 근육 기능을 줄이면이 인구에서 치명적일 것입니다. 그러나, MC-RPNI는 원위-신경분포된 근육(52 )에 해를 끼치지 않고 이러한 신경 신호 증폭을 제공할 수 있는 능력을 갖는다(표 1 및 표 2). 근육계 또는 하부 운동 뉴런 질환을 갖는 개인에서, 말초 감각 신경은 전형적으로 질환 과정에 의해 영향을 받지 않는다(53). 감각이 보존됨에 따라 신경을 연속적으로 유지하고 손상을 방지하는 것이 필수적이며, MC-RPNI는 조직학(그림 3

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공개 사항

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저자는 공개하지 않습니다.

감사의 글

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저자는 전문적인 실험실 관리 및 기술 지원에 대해 Jana Moon과 이미징 전문 지식에 대해 Charles Hwang에게 감사를 표합니다. 이 논문의 실험은 SS (3135146.4)에 대한 성형 외과 재단 보조금과 SS에 대한 수상 번호 1F32HD100286-01에 따른 국립 아동 건강 및 인간 발달 연구소, 국립 보건원의 국립 관절염 및 근골격계 및 피부 질환 연구소 수상 번호 P30 AR069620.

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재료

이 논문에 사용된 재료 목록
이름회사카탈로그 번호댓글
#15 ScalpelAspen Surgical, IncRef 371115Rib-Back Carbon Steel Surgical Blades (#15)
2-N-thin film load cell (S100)Strain Measurement Devices, IncSMD100-0002부착된 근육에 의해 생성된 힘을 측정합니다
4-0 Chromic SutureEthiconSKU# 1654GP-3 Reverse Cutting Needle
5-0 Chromic SutureEthiconSKU# 687GP-3 역절단 바늘
8-0 모노필라멘트 봉합ARO수술용T06A08N14-13검은색 폴리아미드 모노필라멘트 봉합사 가늘어진 바늘에
실험용 쥐EnvigoF344-NH-sd쥐는 Fischer F344 변형
미세 집게 - 거울 마감Fine Science Tools11413-11신경과 같은 섬세한 구조를 다루는 데 이상적인 거울 마감 처리된 미세 팁 집게
Fluriso (Isofluorane)VetOne13985-528-40흡입 마취
력 측정 지그Red Rockn/정확한근육 힘 기록을 위해 뒷다리를 고정할 수 있도록 맞춤 설계된 힘 측정 지그
MATLAB 소프트웨어Mathworks, IncPR-MATLAB-MU-MW-707-NNU수동 및 총 힘에서 기록된 각 힘 추적에 대한 활성 힘을 계산합니다. 측정
Nicolet Viasys EMG EP 시스템NicoletMFI-NCL-VIKING-SELECT-2CH-EMG신경 및/또는 근육에서 동시 2채널 기록이 가능한 휴대용 EMG 및 신경 신호 기록 시스템
산소극저온 가스UN1072표준 의료용 산소통
염화칼APP 제약63323-965-20주사 형태, 2mEq/mL
포비돈 요오드 USPMediChoice65517-0009-110% 국소 용액, 여러 수술 준비에 한 병을 사용할 수 있습니다
Puralube Vet Opthalmic OintmentDechra17033-211-38시술 중 사용을 위한 각막 보호 연고
Rimadyl (Caprofen)Zoetis, Inc.NADA# 141-199주사 형태, 50 mg/mL
스테레오 현미경Leica모델 M60사용자는 자신의 선호에 따라 배율을 조정할 수 있습니다
수술 기구Fine Science Tools다양한사용자는 개인 취향에 따라 또는 현재 실험실에서 사용 가능한 것 중에서 기구를 선택할 수 있습니다
중 항생제 연고MediChoice39892-0830-2연고는 멸균, 일회용 패킷에 들어 있습니다
. Vannas Spring Scissors - 2mm 절단가장자리 Fine Science Tools15000-04곡선형 마이크로 해부 가위는 epineurial 창을 수행하는 데 사용됩니다.
VaporStick 3SurgivetV7015마취 타워에는 이소플루오란과 산소 용기를 위한 공간이 있습니다
Webcol Alcohol PrepCovidenRef 6818알코올 준비 물티슈; 각 준비에 대해 새로운 물티슈를 사용하십시오.
. 사 륨 . 삼.

참고문헌

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,
  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.

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Muscle Cuff RPNIPeripheral Nerve InterfaceNerve Signal AmplificationCompound Muscle Action PotentialsMotor Intent DetectionExoskeleton ControlMuscle GraftEpineurial WindowElectrophysiologic TestingNeuromuscular Junctions

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