Name: 작은 동물을 위한 실시간 웨어러블 근전도 측정 시스템 (동영상) | JoVE Journal
Uploaded: 2024-11-15T14:20:00.000+00:00
Duration: 5 min
Description: 학습하세요 실시간 무선 근전도 측정 시스템을 이용한 뇌졸중 모델 쥐의 운동 회복 연구 방법입니다. 폐쇄 루프 피드백을 통해 치료 효과를 실시간으로 모니터링하여 보다 정확한 운동 기능 회복 분석이 가능합니다.

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본 연구는 한국연구재단(NRF-2020M3A9E4104385)과 국립나노팹센터 나노의료기기 개발사업(연구지원번호: 1711160154)의 지원을 받았습니다.

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
<ol>
	<li>생후 7 주령에 쥐를 준비하십시오. 안전을 위해 비슷한 체중의 쥐를 함께 수용하며 케이지당 최대 3마리의 쥐를 수용합니다.</li>
	<li>수술 전에 쥐가 스트레스 없이 적응하는지 확인하십시오. 물과 음식을 지속적으로 제공하고 침구를 주기적으로 교체하십시오.</li>
	<li>적응 기간(약 7일) 동안 동물들이 러닝머신에 적응할 수 있도록 매일 5분 동안 16-25m/분의 속도로 러닝머신에서 달리도록 훈련시킵니다. 
	알림: 쥐가 멈추거나 의도한 대로 움직이기를 거부하면 엉덩이를 부드럽게 두드려 격려하십시오.</li>
</ol>
2. 전극 준비
<ol>
	<li>폴리테트라플루오로에틸렌으로 코팅된 5개의 스테인리스강 와이어를 준비하며, 그 중 4개는 140mm 길이이고 1개는 60mm 길이입니다.</li>
	<li>140mm 길이의 와이어에 세 개의 오버핸드 매듭을 묶고 매듭을 기준으로 40mm 및 100mm에 배치합니다(그림 1A). 
	알림: 와이어 전극을 근육에 삽입하는 동안 정확한 접촉을 보장하고 전극의 노출된 부분을 적절한 위치에 유지하는 것이 어려울 수 있습니다. 이 문제를 해결하기 위해 와이어에 차단 매듭을 만들어 당겼을 때 추가 삽입을 방지하여 전극이 근육 내에서 안정적으로 유지되도록 합니다.</li>
	<li>140mm 와이어의 경우 짧은 쪽의 매듭에서 2mm 간격을 둔 다음 납땜 인두를 사용하여 2mm 동안 절연체를 부분적으로 벗겨냅니다. 긴 쪽 끝에서 절연체를 2mm 완전히 벗겨냅니다. 60mm 전극의 경우 한쪽 끝에서 2mm, 다른 쪽 끝에서 10mm 절연체를 완전히 제거합니다(그림 1). 
	알림: 납땜 인두의 끝은 오염을 방지하기 위해 철저히 청소해야 합니다.</li>
	<li>절연체를 완전히 제거한 후 커넥터 액세서리에 납땜하여 와이어를 고정합니다(그림 2B,C).</li>
	<li>와이어가 연결된 금속 부분을 플라스틱 하우징에 조립합니다(그림 2D,E).</li>
	<li>커넥터를 피부에 고정하기 위한 구멍이 있는 3D 프린팅 플라스틱 가이드(재료 표 참조)에 커넥터를 부착합니다. 납땜된 부분이 절개 부위에 닿지 않도록 생체 적합성 시아노아크릴레이트(그림 2F)를 도포하십시오.</li>
	<li>0.2mm 두께의 니켈 플레이트를 자르고 구부려 커넥터를 감싸고 동물에 의한 잠재적인 손상을 방지하기 위해 보호합니다.</li>
</ol>
3. 수술
<ol>
	<li>쥐를 유도 챔버(투명 합성 수지를 사용하여 맞춤 제작)에 넣고 70% 아산화질소와 30% 산소의 혼합물을 사용하여 이소플루란 농도가 2%-3%인 마취를 투여합니다. 필요한 수술 기구를 준비합니다(그림 3).</li>
	<li>전기 이발기를 사용하여 털을 제거하고 클로르헥시딘과 알코올로 피부를 준비하여 수술 중 감염을 예방합니다(그림 4A). </li>
	<li>측정 대상 근육이 위치한 피부를 수술용 가위로 약 10-15mm 절개합니다. 근막은 피부 아래에 있고 근육은 그 아래에 있기 때문에 먼저 가위로 피부를 자른 다음 깨끗한 천으로 부드럽게 닦아내어 근막을 제거합니다.</li>
	<li>커넥터가 부착될 요추 부위 주위를 5-10mm 절개합니다.</li>
	<li>멸균 트로카를 사용하여 와이어가 커넥터에서 목표 근육 위치로 통과할 수 있도록 피부 아래에 통로를 만듭니다(그림 4B).</li>
	<li>피부 아래의 근육 위치에서 요추 쪽의 절개 부위로 trochar를 통과시킵니다.</li>
	<li>이전 s의 전극과 커넥터를 준비합니다.tage. 요추 쪽 절개 부위의 와이어 전극을 집게를 사용하여 잡고 목표 근육의 절개 부위까지 조심스럽게 당깁니다. 와이어가 대상 근육의 위치로 당겨지면 그림 4C.</li>
	<li>그림 4D에서 볼 수 있듯이 봉합사 바늘을 사용하여 전극선을 대상 근육으로 관통합니다. 
	참고: 이 실험의 대상 근육은 운동 작업을 분석하기 위한 핵심 근육 중 하나인 내측 비복근(MG)입니다17. 7주 된 쥐에서 MG의 길이가 약 18mm이기 때문에 근육 손상을 최소화하고 정확한 EMG 측정을 보장하기 위해 약 5mm 간격으로 근육 중심 주위에 전극을 배치해야 합니다. 절연체가 제거된 부분이 근육과 잘 접촉하도록 근육을 관통하는 와이어의 길이가 5mm를 초과하는 것이 좋습니다.</li>
	<li>근육을 통과하여 빠져나온 와이어를 다시 삽입 지점으로 안내하고 오버핸드 매듭으로 고정합니다. 나머지 와이어를 자릅니다(그림 4E).</li>
	<li>타겟 근육에 와이어 전극을 설치한 후 절개 부위를 4-0 모노필라멘트 봉합사로 봉합합니다.</li>
	<li>커넥터 아래의 절개 부위를 봉합합니다. 전체 와이어가 본체에 삽입되고 단단히 봉합되었는지 확인합니다(그림 5A).</li>
	<li>그림 5B. 
	알림: 동물이 커넥터를 씹지 않도록 실드가 단단히 고정되어 있는지 확인하십시오. 진통제의 경우, 카프로펜(Carprofen, 5mg/kg)을 피하로 투여하였다.</li>
	<li>외과 수술이 완료되면 마취를 중단하고 동물의 회복을 위해 케이지를 준비합니다.</li>
	<li>동물의 체온이 떨어지는 것을 방지하기 위해 열 램프를 켜고 감염, 염증 또는 부기의 징후와 같은 이상이 있는지 수술 부위를 모니터링합니다. 절개 부위를 철저히 소독하고 필요한 경우 연고를 도포합니다. 쥐가 마취에서 회복되면 열 램프를 제거하십시오.</li>
	<li>식욕, 음주, 배뇨를 포함한 쥐의 행동을 모니터링하십시오. 
	참고: 수술 후에는 검사를 수행하기 전에 동물을 약 2일 동안 쉬게 하십시오.</li>
</ol>
4. 인쇄 회로 기판 (PCB) 설계 및 제작
<ol>
	<li>EMG 측정 및 디지털화를 위한 회로를 설계하여 2개의 아날로그 증폭기 집적 회로(IC)와 마이크로 컨트롤러 장치(MCU)를 포함합니다. 확인 ampliifier의 대역폭은 5-740Hz이고 이득은 1300V/V. 입니다.
	참고: 필요한 경우 동물의 특정 요구 사항에 따라 증폭기 게인 및 대역폭을 수정하십시오18.</li>
	<li>측정된 데이터를 호스트 장치로 전송하기 위한 무선 통신을 위해 MCU에 통합 Bluetooth 모듈을 포함합니다. 이 실험에는 2.4GHz에서 작동하는 칩 안테나가 사용되었습니다.</li>
	<li>이 연구를 위해 충전식 3.7V Li-po 배터리와 전용 전원 관리 IC를 활용하십시오.</li>
	<li>FR4 기판에 위의 IC용 PCB를 제작합니다. 특정 요구 사항을 충족하기 위해 다양한 형태로 PCB를 만듭니다. 보충 그림 1, 보충 그림 2 및 보충 그림 3을 참조하십시오.</li>
	<li>납땜 또는 히트 건을 사용하여 PCB에 전자 부품을 채웁니다.</li>
</ol>
5. 소프트웨어 구성
<ol>
	<li>펌웨어
	<ol>
		<li>펌웨어(Supplementary Coding File 1)를 준비하여 8비트 분해능과 2kSP의 샘플링 속도를 가진 2채널 ADC를 구성합니다. 디지털 방식으로 변환된 데이터를 어레이로 포맷하고 지정된 소프트웨어 개발 도구를 사용하여 BLE(Bluetooth Low Energy)를 통해 전송합니다.</li>
		<li>구축하기 전에 MCU에 펌웨어를 업로드합니다.</li>
	</ol>
	</li>
	<li>실시간 모니터링 프로그램
	<ol>
		<li>BLE를 통해 수신된 데이터를 실시간으로 플롯하는 프로그램을 준비합니다. 이 연구를 위해 원시 데이터를 지정된 위치(Supplementary Coding File 2). 에 저장하는 Python 기반 플로팅 애플리케이션을 개발했습니다.
		참고: 시스템은 최대 50ms의 샘플링 버퍼 지연과 약 10ms의 무선 통신 지연을 경험할 수 있습니다19,20.</li>
	</ol>
	</li>
</ol>
6. 러닝머신 테스트
<ol>
	<li>그림 6A와 같이 배터리를 준비된 회로에 연결하고 PCB를 커넥터에 부착합니다.</li>
	<li>PC에서 모니터링 프로그램을 실행하고 회로 PCB와 무선 연결을 설정합니다.</li>
	<li>쥐를 트레드밀에 놓고 EMG 파형을 모니터링합니다. 이 연구에서 트레드밀은 25m/분의 속도로 설정됩니다(그림 6B).</li>
</ol>
7. 데이터 분석
<ol>
	<li>에 저장된 EMG 데이터를 로드합니다. CSV 형식으로 저장할 수 있습니다.</li>
	<li>신호 처리 방법을 적용하여 원치 않는 노이즈 및 간섭 신호를 제거합니다. 
	참고: 엔벨로프 감지 및 스펙트럼 분석을 추가로 수행하여 운동 활동의 근육 피로와 대칭을 분석할 수 있습니다.</li>
</ol>

Wireless Intramuscular EMG System for Locomotion Studies in Stroke Model Rats

<ol><li>Farina, D., Enoka, R. M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Evolution+of+surface+electromyography%3A+From+muscle+electrophysiology+towards+neural+recording+and+interfacing%5BTitle%5D)+AND+%22J+Electromyogr+Kinesiol%22%5BJournal%5D)">Evolution of surface electromyography: From muscle electrophysiology towards neural recording and interfacing.</a> J Electromyogr Kinesiol. 71, 102796(2023).</li>
<li>Kim, C., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((A+wearable+ECG+monitoring+system+using+microneedle+electrodes+for+small+animals%5BTitle%5D)+AND+%22IEEE+Sens+J%22%5BJournal%5D)">A wearable ECG monitoring system using microneedle electrodes for small animals.</a> IEEE Sens J. 23 (18), 21873-21881 (2023).</li>
<li>Kristl, A. C., Akay, T., Miri, A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Recording+forelimb+muscle+activity+in+head-fixed+mice+with+chronically+implanted+EMG+electrodes%5BTitle%5D)+AND+%22J+Vis+Exp%22%5BJournal%5D)">Recording forelimb muscle activity in head-fixed mice with chronically implanted EMG electrodes.</a> J Vis Exp. 205, e66584(2024).</li>
<li>Manuel, M., Chardon, M., Tysseling, V., Heckman, C. J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Scaling+of+motor+output%2C+from+mouse+to+humans%5BTitle%5D)+AND+%22Physiology%22%5BJournal%5D)">Scaling of motor output, from mouse to humans.</a> Physiology. 34 (1), 5-13 (2019).</li>
<li>Scholle, H. C., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((A+surface+EMG+multi-electrode+technique+for+characterizing+muscle+activation+patterns+in+mice+during+treadmill+locomotion%5BTitle%5D)+AND+%22J+Neurosci+Methods%22%5BJournal%5D)">A surface EMG multi-electrode technique for characterizing muscle activation patterns in mice during treadmill locomotion.</a> J Neurosci Methods. 146 (2), 174-182 (2005).</li>
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<li>Teruya, P. Y., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Quantifying+muscle+alterations+in+a+Parkinson%27s+disease+animal+model+using+electromyographic+biomarkers%5BTitle%5D)+AND+%22Med+Biol+Eng+Comput%22%5BJournal%5D)">Quantifying muscle alterations in a Parkinson's disease animal model using electromyographic biomarkers.</a> Med Biol Eng Comput. 59 (9), 1735-1749 (2021).</li>
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<li>Zymantiene, J., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Effect+of+electromagnetic+field+exposure+on+mouse+brain+morphological+and+histopathological+profiling%5BTitle%5D)+AND+%22J+Vet+Res%22%5BJournal%5D)">Effect of electromagnetic field exposure on mouse brain morphological and histopathological profiling.</a> J Vet Res. 64 (2), 319-324 (2020).</li>
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<li>Wakeling, J. M., Tijs, C., Konow, N., Biewener, A. A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Modeling+muscle+function+using+experimentally+determined+subject-specific+muscle+properties%5BTitle%5D)+AND+%22J+Biomech%22%5BJournal%5D)">Modeling muscle function using experimentally determined subject-specific muscle properties.</a> J Biomech. 117, 110242(2021).</li>
<li>Westerga, J., Gramsbergen, A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Changes+in+the+electromyogram+of+two+major+hindlimb+muscles+during+locomotor+development+in+the+rat%5BTitle%5D)+AND+%22Exp+Brain+Res%22%5BJournal%5D)">Changes in the electromyogram of two major hindlimb muscles during locomotor development in the rat.</a> Exp Brain Res. 92 (3), 479-488 (1993).</li>
<li>Tosi, J., Taffoni, F., Santacatterina, M., Sannino, R., Formica, D. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Performance+evaluation+of+Bluetooth+low+energy%3A+A+systematic+review%5BTitle%5D)+AND+%22Sensors%22%5BJournal%5D)">Performance evaluation of Bluetooth low energy: A systematic review.</a> Sensors. 17 (12), 28988(2017).</li>
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</ol>

모든 저자는 이해 상충이 없습니다.

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.
제안된 기술은 강력하지만 특정 수정을 통해 그 효과가 향상될 수 있습니다. 예를 들어, 특정 근육 크기에 따라 전극의 길이를 조정하면 접촉 품질을 향상시킬 수 있습니다. 또한 측정 중 신호 손실이나 노이즈가 발생하는 경우 문제 해결에는 연결을 확인하고 장치가 전자기 간섭으로부터 적절하게 차폐되어 있는지 확인하는 작업이 포함될수 있습니다6. 수술팀에 적절한 교육을 제공하면 절차 오류를 완화하여 전반적인 성공률을 높일 수도 있습니다.
장점에도 불구하고 장치의 무게는 약 3g으로 쥐에게는 문제가 되지 않지만 작거나 어린 쥐에게는 불편함을 유발할 수 있습니다. 이러한 불편함은 잠재적으로 보행 패턴에 영향을 미쳐 EMGore 를 통한 행동 분석에 영향을 미칠 수 있습니다. RAT를 케이지에 방치하면 장치 또는 커넥터를 보호할 수 없어 손상 위험이 있습니다13. 장치를 사용하지 않을 때 보호를 위해 금속 케이스가 구현되었지만 추가 개발을 통해 이러한 측면이 향상될 수 있습니다.
이 시스템의 중요성은 테더링 장치에 의해 부과되는 제약 없이 지속적인 고품질 EMG 기록을 제공하는 능력에 있습니다. 테더 케이블 및 대형 이식형 장치를 포함한 전통적인 방법은 종종 동물의 움직임을 제한하고 스트레스를 유발하여 결과를 왜곡할 수 있습니다5. 이 기술은 다양한 실험 맥락에서 운동 기능과 회복을 이해하는 데 중요한 데이터 수집의 높은 충실도를 유지하면서 보다 인도적인 접근 방식을 제공합니다3.
향후 작업에서는 이 기술에 대한 수많은 응용 프로그램이 있습니다. 현재 연구는 보행 중 근육 대칭을 평가하기 위해 내측 비복근(MG) 근육에 초점을 맞췄지만 방법론은 다른 근육에 적용될 수 있으며 심전도(ECG) 측정으로 확장될 수도 있습니다. 전극의 수를 늘리면 여러 부위11에서 동시 신호 수집이 가능해 근육 협응 및 기능에 대한 포괄적인 분석이 용이해질 수 있습니다. 이러한 발전은 뇌졸중 회복 및 기타 신경근 질환을 위한 재활 전략에 대한 통찰력으로 이어질 수 있습니다.
결론적으로, 제안된 EMG 획득 시스템은 동물 운동 연구 분야에서 상당한 발전을 이룹니다. 기존 방법의 한계를 해결하고 향후 연구를 위한 다양한 플랫폼을 제공함으로써 이 시스템은 다양한 실험 환경에서 운동 기능과 회복에 대한 이해를 향상시킬 수 있는 가능성을 가지고 있습니다.

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.

<table><tbody><tr><td>0.2mm 두께의 니켈 플레이트</td><td>사용 가능한 모든 벤더</td><td></td><td></td></tr><tr><td>3D 프린팅 필라멘트</td><td>큐비콘</td><td>A-100</td><td></td></tr><tr><td>7 주 된 RAT</td><td>JABIO</td><td>SD (DBL) [7W M]</td><td></td></tr><tr><td>차폐</td><td>고정용</td><td>접착제 Okong</td><td>1028453</td></tr><tr><td>ANT1</td><td>Johanson Technology Inc.</td><td>2450AT07A0100001T</td><td></td></tr><tr><td>C1, C15, C16, C20</td><td>Vishay</td><td>1n</td><td>0201(0603)미터법</td></tr><tr><td>C10, C13</td><td>Vishay</td><td>100p</td><td>0201(0603)미터법</td></tr><tr><td>C11, C12</td><td>Vishay</td><td>4p</td><td>0201(0603)미터법</td></tr><tr><td>C14, C19</td><td>Vishay</td><td>0.39n</td><td>, 0201(0603)미터법</td></tr><tr><td>C2, C17</td>, <td>Vishay</td><td>22n</td><td>0201(0603)미터법</td></tr><tr><td>C3, C5, C6</td><td>Vishay</td><td>0.1u</td><td>0201(0603)미터법</td></tr><tr><td>C4, C18</td><td>Vishay</td><td>2.2u</td><td>0201(0603)미터법</td></tr><tr><td>C7</td><td>Vishay</td><td>4.7u</td><td>0402(1005)미터법</td></tr><tr><td>C8, C21</td>, <td>Vishay</td><td>1u</td><td>0201(0603)미터법</td></tr><tr><td>C9</td>, <td>Vishay</td><td>1p</td><td>0201(0603)미터법</td></tr><tr><td>케이지</td><td>JEUNG DO B& P</td><td>JD-C-02</td><td></td></tr><tr><td>클린 천</td><td>킴벌리</td><td>41112</td><td></td></tr><tr><td>커넥터 액세서리</td><td>Harwin</td><td>M20-1060400</td><td>플라스틱 하우징</td></tr><tr><td>커넥터 액세서리</td><td>Harwin</td><td>M20-1180042</td><td>금속 부품</td></tr><tr><td>전기 이발기</td><td>Buzz</td><td>RFC-928</td><td></td></tr><tr><td>히트 건</td><td>QUICK</td><td>861DW</td><td></td></tr><tr><td>IC1, IC3</td><td>Analog Device</td><td>AD8232</td><td>EMG 측정용 AFE</td></tr><tr><td>IC2</td><td>북유럽 반도체</td><td>nRF52832-CIAA</td><td></td></tr><tr><td>Isoflurane</td><td>Hana Pharm</td><td>657801261</td><td></td></tr><tr><td>L1</td><td>Vishay</td><td>3.3n</td><td>0201(0603) 미터법</td></tr><tr><td>Li-po 배터리</td><td>TheHan</td><td>TW402025</td><td>13mm *10mm * 4mm, 30mAh</td></tr><tr><td>핀 헤더</td><td>Harwin</td><td>M22-2530505</td><td></td></tr><tr><td>R1, R2, R9, R10, R13, R14, R21, R22</td>, <td>Vishay</td><td>10M</td><td>, 0201(0603), 미터법</td></tr>, <tr><td>R11, R23</td>, <td>Vishay</td>, <td>100k</td><td>, 0201(0603), 미터법</td></tr><tr><td>, R12, R24</td>, <td>Vishay</td>, <td>1M</td>, <td>0201(0603), 미터법</td></tr>, <tr><td>R3, R4, R5, R7, R15, R16, R17, R19</td>, <td>Vishay</td><td>180k</td><td>, 0201(0603</td></tr><tr><td></td><td></td><td></td><td>)미터법</td></tr>, <tr><td>R8, R20</td><td>Vishay</td><td>768k</td><td>0201(0603)메트릭</td></tr><tr><td>솔더 와이어</td><td>알파 메탈</td><td>SACX0307</td><td></td></tr><tr><td>납땜 인두</td><td>Hakko</td><td>FX-951</td><td></td></tr><tr><td>스테인레스 스틸 와이어는 Teflon</td><td>A-M Systems</td><td>793200</td><td></td></tr><tr><td>봉합 바늘</td>로 코팅되어 있습니다.<td>AILEE</td><td>301289</td><td></td></tr><tr><td>봉합</td>선 <td>Ethicon</td><td>604G</td><td></td></tr><tr><td>러닝머신</td><td>대종 바이오</td><td>DJ2-243</td><td></td></tr><tr><td>U1</td><td>Torex 반도체</td><td>XC6204B332DR-G</td><td></td></tr><tr><td>Y1</td><td>무라타 전자</td><td>XRCTD32M000N1P1AR0</td><td></td></tr></tbody></table>

작은 동물을 위한 실시간 웨어러블 근전도 측정 시스템

A Real-Time Wearable Electromyography Measurement System for Small Animals

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.

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.
본 연구에서는 쥐의 이동 패턴을 분석하기 위해 트레드밀을 사용하였다. 트레드밀은 동물 이동을 분석하는 효율적인 도구이며17, 근육 또는 신경학적 문제를 평가할 수 있게 해준다. 트레드밀은 쥐의 자유로운 이동을 연구하는 데에도 사용될 수 있지만, 본 실험은 특히 다양한 조건으로 인해 발생하는 이동 이상을 분석하는 것을 목표로 한다. 이를 위해 지속적이고 반복적인 이동이 필요하므로, 트레드밀이 본 연구 목적에 적합한 선택지가 되었다.
EMG를 사용하여 동물의 운동 능력을 분석하기 위해 다양한 방법을 사용할 수 있습니다. 이러한 방법 중 행동 분석에는 대칭 지수(symmetry index)가 사용되었습니다21,22. 대칭 지수는 신체 양측에 위치한 두 근육 간의 활동 균형을 측정하며, 본 연구에서는 이를 통해 뇌졸중 후 회복 정도를 평가하였습니다.
<img alt="근육 삽입 및 절연 처리가 포함된 신경 기록 설정 도식으로, 와이어 매듭과 제거 상태를 보여줌." class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/67418/67418fig1.jpg" data-altupdatedat="1788304762000" data-alt="그림 1"> 
그림 1: 와이어 전극 준비 과정. (A) 와이어 구조 및 절연 제거 위치의 모식도. 와이어를 근육에 삽입할 때 과도한 삽입을 방지하기 위해 세 개의 매듭을 묶어야 한다. (B) 와이어 끝부분의 절연이 완전히 제거된 상태. (C) 근육 접촉을 용이하게 하기 위해 절연이 부분적으로 제거된 상태. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/67418/67418fig1large.jpg" target="_blank">이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.</a>
<img alt="와이어 연결 조립 과정 도식; 단계에는 와이어 삽입, 고정 및 납땜이 포함됨." class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/67418/67418fig2.jpg" data-altupdatedat="1788304762000" data-alt="그림 2"> 
그림 2: 와이어 전극 및 커넥터 조립 과정. (A) 조립을 위한 재료 준비. (B) 금속 부품에 와이어 삽입. (C) 금속 부품에 와이어 납땜. (D) 플라스틱 하우징의 개구부를 통해 와이어 당기기. (E) 플라스틱 하우징에 와이어와 금속 부품 삽입. (F) 모든 와이어의 조립을 완료하고 cyanoacrylate 접착제를 사용하여 플라스틱 하우징을 봉합 가이드(회색 부분)에 부착. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/67418/67418fig2large.jpg" target="_blank">이 그림의 더 큰 버전을 보시려면 여기를 클릭하십시오.</a>
<img alt="가위, 포셉, 니들 홀더가 포함된 의료 절차용 멸균 구역 위 수술 도구 세트" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/67418/67418fig3.jpg" data-altupdatedat="1788304762000" data-alt="그림 3"> 
그림 3: 절차에 필요한 수술 도구. (1) 봉합 바늘, (2) 포셉, (3) 포셉, (4) 수술용 가위, (5) 미세 가위, (6-7) 지혈 집게, (8) 니들 홀더, (9) 준비된 전극을 포함하여 절차에 필요한 수술 도구 모음. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/67418/67418fig3large.jpg" target="_blank">여기에서 이 그림의 더 큰 버전을 확인하십시오.</a>
<img alt="설치류 근육 전극 이식 도식; 외과적 절개, 배선, 기록 설정." class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/67418/67418fig4v2.jpg" data-altupdatedat="1788304762000" data-alt="그림 4"> 
그림 4: 전극 와이어 부착 절차. (A) 등과 다리의 절개 위치. (B) 절개 부위를 통해 니들 홀더를 삽입하여 와이어를 잡는 과정. (C) 절개 부위 밖으로 와이어를 끌어내는 과정. (D) 대상 근육에서의 봉합 기술로, 근육의 가장 두꺼운 부분 주위에 5 mm 간격으로 전극을 배치함. (E) 수술이 완료된 최종 상태. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/67418/67418fig4v2large.jpg" target="_blank">여기에서 이 그림의 확대 버전을 확인하십시오.</a>
<img alt="의료 기기 부착 도식, 금속 쉴드 커넥터, 봉합 과정, 접착제 도포." class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/67418/67418fig5.jpg" data-altupdatedat="1788304762000" data-alt="그림 5"> 
그림 5커넥터 배치 (A커넥터 하단 봉합.B봉합사로 커넥터를 고정함.C커넥터 상단에 접착제를 도포하고 보호를 위해 금속 쉴드를 배치합니다. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/67418/67418fig5large.jpg" target="_blank">이 그림의 더 큰 버전을 보시려면 여기를 클릭하십시오.</a>
<img alt="트레드밀 실험 중 돼지에 착용한 EMG 장치, 전극 다이어그램 및 실시간 신호 그래프." class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/67418/67418fig6.jpg" data-altupdatedat="1788304762000" data-alt="그림 6"> 
그림 6: EMG 획득 시연. (A) 쥐에 장착된 EMG 획득 시스템 사진. (B) 25 m/min의 속도로 트레드밀 테스트를 수행하는 모습. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/67418/67418fig6large.jpg" target="_blank">여기에서 이 그림의 확대 버전을 확인하십시오.</a>
<img alt="근육의 시간에 따른 필터링 및 엔벨로프 데이터가 표시된 근전도(EMG) 신호 분석 그래프." class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/67418/67418fig7.jpg" data-altupdatedat="1788304762000" data-alt="그림 7"> 
그림 7: 측정된 EMG 및 엔벨로프 EMG 파형. (A) 측정된 EMG 신호의 원시 파형. (B) 엔벨로프를 얻기 위해 필터링된 EMG 신호. (C) 대칭 지수 분석을 위한 임계선이 표시된 엔벨로프 파형. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/67418/67418fig7large.jpg" target="_blank">여기에서 이 그림의 더 큰 버전을 확인하십시오.</a>
보충 그림 1: PCB 회로 레이아웃 개략도. 부품의 배치와 연결을 보여주는 인쇄 회로 기판(PCB) 회로 레이아웃의 개략도입니다. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/67418/Supplementary_Figure_1.png" target="_blank">이 그림을 다운로드하려면 여기를 클릭하십시오.</a>
보충 그림 2: 배면 레이어의 PCB 회로 설계. 인쇄 회로 기판(PCB) 배면 레이어의 설계로, 회로의 부품 배치 및 라우팅을 상세히 보여준다. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/67418/Supplementary_Figure_2.png" target="_blank">이 그림을 다운로드하려면 여기를 클릭하십시오.</a>
보충 그림 3: 상층 PCB 회로 설계. 부품의 배치와 전기적 연결을 보여주는 인쇄 회로 기판(PCB) 상층 설계도. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/67418/Supplementary_Figure_3.png" target="_blank">이 그림을 다운로드하려면 여기를 클릭하십시오.</a>
보충 코딩 파일 1: ADC 설정을 위한 펌웨어 준비8비트 해상도와 초당 2샘플(kSPs)의 샘플링 속도를 갖는 2채널 아날로그-디지털 컨버터(ADC)를 구성하기 위한 펌웨어 준비 지침. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/67418/main.c.txt" target="_blank">이 파일을 다운로드하시려면 여기를 클릭하십시오.</a>
보조 코딩 파일 2: Python 기반 플로팅 애플리케이션. 데이터 시각화 및 분석을 위해 본 연구에서 사용된 Python 기반 플로팅 애플리케이션에 대한 설명입니다. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/67418/Python-display.py" target="_blank">이 파일을 다운로드하려면 여기를 클릭하십시오.</a>

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.

The intramuscular electromyography (EMG) measurement method for experimental animals has been implemented in various ways. Among these methods, tethering ...

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Research

연구

JoVE Journal

Engineering

공학

Telemetric ECG는 심장 arrhythmias과 갑작스런 심장 죽음에 대한 동물 모델을 평가 필수적인 도구로 떠오르고있다. 여기, 우리는 생쥐의 장기 외래 ECG 모니터링 응용 프로그램에 대한 telemetric ECG 녹음에 stepwise 가이드를 제시한다.

마우스의 외래 ECG 기록

절차는 뇌파, electromyogram, 그리고 뇌성 젖산 농도를 모니터링하는 동안 optogenetically 뇌성 대뇌 피질의 피라미드 뉴런의 활동을 조작하기위한 설명되어 있습니다. 사람들이 자연 수면 / 웨이크주기를 받아야 동안 실험 녹음 케이블 테 더링 마우스에 수행됩니다. Optogenetic 장비는 우리의 실험실에서 조립, 녹화 장비는 상업적으로 사용할 수 있습니다.

동시 Electroencephalography, 설치류 대뇌 피질의 젖산 농도와 Neuronal 활동 Optogenetic 조작의 실시간 측정

이 비디오는 무선 송신기 시스템을 사용하여 설치류 새끼의 장기 연속 뇌파검사(EEG) 모니터링을 보여줍니다. 송신기에는 두 개의 기록 전극과 뇌 표면까지 확장되는 하나의 기준 전극이 포함되어 있습니다. 강아지를 기록실에 넣으면 강아지가 성인으로 발달하는 동안 EEG를 지속적으로 모니터링할 수 있습니다.

설치류 새끼의 장기 연속 뇌파 모니터링

출처: Jensen, V. N., et al. 신경근 질환의 마우스 모델에서 호흡기 근육 활동 및 환기의 반복 측정. J. Vis. 특급 (2017). 이 비디오는 자유롭게 움직이는 ALS 마우스 모델에서 동시 혈량측정과 근전도 신호를 기록하는 방법을 보여줍니다. 이 시술에는 이식된 전극과 송신기를 사용하여 근육 활동을 캡처하고, 혈량측정실을 사용하여 호흡 패턴을 모니터링하여 ALS 쥐에서 보조 근육의 역할을 조사하는 것이 포함됩니다.

ALS 마우스 모델에서 동시 혈량측정(Plethysmography and Electromyography recording in an ALS mouse model)

여기에서는 인간 질병의 신생아 설치류 모델에서 뇌파(EEG)를 위한 무선 지원 기술의 사용을 보여줍니다. 원격 측정을 사용하면 번거로운 연결이 없으므로 자연스러운 동작이 가능합니다.

신기원 무선 송신기 시스템을 사용하여 인간의 질병의 작은 설치류 모델에서 장기 연속 뇌파 모니터링

이 논문은 이식 된 원격 장치를 통해 전신 혈량 측정법 및 근전도와 질병 진행에 걸쳐 자유롭게 행동 근 위축성 측삭 경화증 (ALS) 마우스 모델에서 인공 호흡기 근육 활동의 측정을 반복하는 방법을 소개한다.

신경 근육 질환의 마우스 모델에서 호흡 근육 활동 및 환기의 반복 측정

여기, 선물이 두뇌를 기록 하 고 동시 비디오를 사용 하 여 마우스에 바이오 신호를 심장에 프로토콜 electroencephalography (뇌 파), 그리고 심전도 (ECG). 우리는 또한 발작, 뇌 파 스펙트럼 전력, 심장 기능, 그리고 심장 박동의 변화에 대 한 결과 뇌 파 ECG 기록 분석 하는 방법을 설명 합니다.

동시 비디오-뇌 파-ECG 모니터링 Neurocardiac 부전 간 질 마우스 모델에서을 식별 하

여기서 제시된 것은 유발되고 자발적인 근전도 전위내의 생체 내 연대순 기록을 위한 이식형 시스템의 제조를 위한 프로토콜이다. 이 시스템은 신경 손상 다음 후두 근육의 회안의 조사에 적용됩니다.

만성 생체 내 근전도를 위한 이식형 시스템

심전도(ECG)는 심장 전기생리학을 이해하는 핵심 변수입니다. 신체 운동은 유익한 효과가 있지만 심혈관 질환의 맥락에서 해로울 수도 있습니다. 이 원고는 운동 중 실시간 ECG를 기록하는 방법을 제공하여 생쥐의 심장 전기 생리학에 미치는 영향을 조사하는 데 도움이 될 수 있습니다.

생쥐의 러닝머신 훈련 중 실시간 심전도 모니터링

이 프로토콜은 머리 고정 행동 실험 중 근육 활동을 기록하기 위해 쥐의 앞다리 근육에 근전도(EMG) 전극을 손으로 제작하고 외과적으로 이식하는 방법을 설명합니다.

만성적으로 이식된 EMG 전극을 사용하여 머리 고정 마우스의 앞다리 근육 활동 기록

우리의 목적은 epimysial electromysial electromyography 전극의 제조 및 테스트에 대한 업데이트되고 따라하기 쉬운 가이드를 제공하는 것이었습니다. 이를 위해 재료 소싱에 대한 지침과 제조 및 테스트 프로세스에 대한 자세한 안내를 제공합니다.

저비용 Epimysial Electromysial Electromyography Electroode 개발: 제조 및 테스트를 위한 간소화된 워크플로우

학습하세요 실시간 무선 근전도 측정 시스템을 이용한 뇌졸중 모델 쥐의 운동 회복 연구 방법입니다. 폐쇄 루프 피드백을 통해 치료 효과를 실시간으로 모니터링하여 보다 정확한 운동 기능 회복 분석이 가능합니다.

작은 동물을 위한 실시간 웨어러블 근전도 측정 시스템

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