운동 연구에서 근전도(EMG) 분석을 위한 동물 장착형 소형 측정 장치와 함께 근육 내 전극의 설치 및 준비를 위한 프로토콜이 제시됩니다. 이 시스템은 뇌졸중 모델 쥐의 운동 회복을 조사하기 위한 실시간 EMG 데이터의 무선 전송을 가능하게 합니다.
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운동 연구에서 근전도(EMG) 분석을 위한 동물 장착형 소형 측정 장치와 함께 근육 내 전극의 설치 및 준비를 위한 프로토콜이 제시됩니다. 이 시스템은 뇌졸중 모델 쥐의 운동 회복을 조사하기 위한 실시간 EMG 데이터의 무선 전송을 가능하게 합니다.
실험 동물에 대한 근육내 근전도 검사(EMG) 측정 방법은 다양한 방식으로 구현되었습니다. 이러한 방법 중 외부 측정 장치에 케이블을 묶으면 실험 동물의 이동을 제한할 수 있으며, 이식형 장치는 상당한 크기와 무게를 가진 장치가 지속적으로 존재하기 때문에 원치 않는 부작용을 유발할 수 있습니다. 이러한 문제를 해결하기 위해 저비용, 무선, 분리형 EMG 측정 시스템과 실험 절차를 제안합니다. 이 기사는 작은 커넥터가 있는 근육 내 와이어 전극의 외과적 설치와 무선 시스템의 개발에 중점을 둡니다. 특히 이 시스템에서는 와이어 전극만 동물의 몸에 삽입됩니다. 이 시스템을 사용하면 회로 시스템을 동물의 등에 설치된 커넥터에 연결하여 EMG 측정을 쉽게 수행할 수 있으며 노트북에서 실시간 모니터링을 수행할 수 있습니다. 제안된 방법은 상세하고 단계적인 방식으로 설명되며, 이어서 쥐의 뒷다리에 근육 내 전극을 삽입하는 것과 관련된 시연이 이어집니다. 운동 연구를 위해 트레드밀 실험이 수행되고 결과 전기 생리학적 신호가 이후에 얻어지고 분석됩니다.
근전도 검사는 수축 시 근섬유에서 생성된 전위를 기록하는 것입니다. 이러한 특성은 운동 뉴런에서 개별 근육으로 전송되는 신경 활성화 신호에 의해 결정됩니다. EMG는 재활, 운동, 뇌 및 신경 관련 연구에 널리 사용되며 측정 방법은 크게 표면 근전도(sEMG)와 근육 내 근전도(iEMG)로 분류할 수 있습니다1. 표면 전극은 비침습적이고 간단한 준비 과정이 필요하기 때문에 특히 웨어러블 응용 분야에서 몇 가지 이점을 제공합니다2. 이식형 sEMG는 전극이 근육을 관통할 필요가 없는 iEMG에 비해 수술 과정이 간단합니다. 이러한 장점에도 불구하고 sEMG는 근육-전극 계면의 교란, 모션 아티팩트, 전극 접촉의 품질 및 인접 근육의 신호 누화와 같은 신호 오염이 발생하기 쉽습니다1. 이러한 문제는 작은 동물과 관련된 연구에서 종종 발생하는 경우와 같이 전극이 가까이 배치될 때 특히 문제가 됩니다. 반면 iEMG는 전극 침투를 위해 추가 수술이 필요합니다. 추가 절차 단계에도 불구하고 이 방법은 전극이 근육 조직에 영구적으로 내장되어 있기 때문에 더 정확하고 누화가 적은 근육 특이적 EMG 기록을 제공합니다3. 소동물 운동 연구에서는 신뢰할 수 있는 전극 설치를 통한 근육 특이적 EMG 정보가 중요하기 때문에 iEMG가 선호됩니다4.
작은 동물의 전극에서 EMG 기록을 획득하기 위한 몇 가지 접근 방식이 보고되었습니다. 테더 케이블은 일반적으로 전극을 외부 측정 장비에 연결하는 데 사용됩니다5,6,7,8,9,10,11, 장치를 본체 내부에 이식할 수 있습니다12, 또는 무선 웨어러블 플랫폼을 동물에 배치할 수 있습니다.13. 테더 케이블은 이러한 목적을 위해 호환 가능한 상용 장비를 사용할 수 있기 때문에 가장 널리 보고되는 방법입니다. 그러나 밧줄 와이어는 동물에게 불편함을 유발하고 그들의 움직임은 종종 케이블에 의해 제한되어 연구에 영향을 미칠 수 있습니다. 이식형 장치는 무선 솔루션을 제공하지만 제한된 배터리 수명으로 인해 실험 기간이 제한될 수 있습니다. 또한 영구적으로 설치된 장치의 크기와 무게는 동물에게 스트레스와 불편함을 유발할 수 있으며, 이는 연구에 영향을 미칠 수 있습니다. 이식형 장치의 문제를 해결하기 위해 무선 전력 전송 기술이 제안되었지만 소형 장치에 대한 안정적인 에너지 링크를 유지하는 것은 일반적으로 매우 어렵습니다14. 또한 높은 전자기장에 노출되면 면역 기능 저하 및 뇌의 잠재적인 신경 퇴행성 변화와 같은 예기치 않은 결과가 발생할 수 있습니다15,16.
획득 시스템은 신호 처리를 처리하고 EMG 기록을 기지국으로 무선으로 전송하는 무선 웨어러블 플랫폼으로도 구현될 수 있습니다. 이 방법이 선호되기는 하지만 사용자에게 기술적인 문제가 될 수 있으며 실험 세부 사항은 문헌에서 완전히 다루어지지 않는 경우가 많습니다.
이 작업에서는 작은 동물의 운동 연구를 위한 간단하고 저렴하며 신뢰할 수 있는 EMG 획득 방법을 제시합니다. 한 쌍의 iEMG 전극은 쥐의 뒷다리 근육에 이식되고 증폭, 아날로그-디지털 변환기 및 무선 원격 측정을 포함한 나머지 신호 수집 시스템은 동물의 등에 장착됩니다. EMG 데이터는 실시간 모니터링을 위해 개인용 컴퓨터로 전송되며 데이터는 로컬에 기록됩니다. 뇌졸중 회복 연구에서 시스템을 시연하기 위해 트레드밀 운동 실험이 수행됩니다.
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모든 윤리적이고 실험적인 절차 및 프로토콜에 대한 승인은 응용 프로그램 번호에 따라 기관 동물 관리 및 사용 위원회에 의해 부여되었습니다. CGU1-2021-IA0041입니다. 이 연구에는 7주 된 수컷 Sprague-Dawley 쥐가 사용되었습니다. 시약 및 장비에 대한 자세한 내용은 재료 표에 나열되어 있습니다.
1. 동물 준비
2. 전극 준비
3. 수술
4. 인쇄 회로 기판 (PCB) 설계 및 제작
5. 소프트웨어 구성
6. 러닝머신 테스트
7. 데이터 분석
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본 연구에서는 EMG 획득을 위한 간단한 무선 방법을 제시합니다. 수술 절차가 필요하지만, 전극 삽입 및 커넥터 고정을 위한 특정 부위만 부분적으로 절개하므로 동물의 부담을 크게 줄일 수 있습니다. 본 시연에서는 전극을 하지에 삽입하였으나, 동일한 방법을 사용하여 다른 다양한 부위에서도 유사한 전기생리학적 연구를 수행할 수 있습니다. 이러한 접근 방식은 테더 케이블(tether cables)이 필요 없고 행동 제약이 없어 전기생리학적 신호를 지속적으로 측정할 수 있다는 장점이 있습니다. 회로 PCB의 직경은 9 mm, 높이는 3 mm이며 총 무게는 3 g입니다. 배터리 교체가 간편하며, 제안된 시스템을 통해 운동 행동의 지속적인 모니터링이 가능합니다. 커넥터와 장치의 부착 모습 및 EMG 파형을 보여주는 사진은 그림 7에 제시되어 있습니다.
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이 연구는 작고 구현하기 쉽고 저렴하고 무선인 근전도 검사(EMG) 획득 시스템을 제시합니다. 이 시스템은 유선 외부 측정 장비에 의존하지 않기 때문에 케이블로 인한 신호 저하를 효과적으로 방지합니다. 커넥터를 머리 대신 등에 장착하면 수술 과정이 훨씬 쉬워지고 합병증의 위험이 줄어듭니다. 또한 이 설정은 플랫폼이 측벽에 부딪혀 신호 아티팩트로 이어질 가능성을 최소화합니다. 또한, 집중된 무게가 머리에 가해지지 않아 목의 피로를 완화합니다.
프로토콜에는 몇 가지 중요한 단계, 특히 근육 내 전극의 정확한 준비와 커넥터의 신중한 배치가 포함됩니다. 절연체가 정확하게 벗겨지고 매듭이 올바르게 묶여 있는지 확인하는 것은 전극 배치 중 과도한 삽입을 방지하는 데 필수적입니다1. 또한, 수술 후 수술 부위를 모니터링하는 것은 잠재적인 합병증을 조기에 식별하여 관련 동물의 안녕을 보장하는 데 중요합니다.
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모든 저자는 이해 상충이 없습니다.
본 연구는 한국연구재단(NRF-2020M3A9E4104385)과 국립나노팹센터 나노의료기기 개발사업(연구지원번호: 1711160154)의 지원을 받았습니다.
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| 이름 | 회사 | 카탈로그 번호 | 댓글 |
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| C1, C15, C16, C20 | Vishay | 1n | 0201(0603)미터법 |
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| C14, C19 | Vishay | 0.39n | , 0201(0603)미터법 |
| C2, C17 | Vishay | 22n | 0201(0603)미터법 |
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| C8, C21 | Vishay | 1u | 0201(0603)미터법 |
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| 전기 이발기 | Buzz | RFC-928 | |
| 히트 건 | QUICK | 861DW | |
| IC1, IC3 | Analog Device | AD8232 | EMG 측정용 AFE |
| IC2 | 북유럽 반도체 | nRF52832-CIAA | |
| Isoflurane | Hana Pharm | 657801261 | |
| L1 | Vishay | 3.3n | 0201(0603) 미터법 |
| Li-po 배터리 | TheHan | TW402025 | 13mm *10mm * 4mm, 30mAh |
| 핀 헤더 | Harwin | M22-2530505 | |
| R1, R2, R9, R10, R13, R14, R21, R22 | Vishay | 10M | , 0201(0603), 미터법 |
| R11, R23 | Vishay | 100k | , 0201(0603), 미터법 |
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| R3, R4, R5, R7, R15, R16, R17, R19 | Vishay | 180k | , 0201(0603 |
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