Methodenartikel

Methoden voor in vivo biomechanische tests op brachiale plexus in neonatale biggen

DOI:

10.3791/59860

⸱

19 december 2019

 ,  , 
1Department of Biomedical Engineering, Widener University, 2School of Biomedical Engineering, Science and Health Systems, Drexel University

In dit artikel

Samenvatting

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

Hier zijn methoden om te presteren in vivo biomechanische testen op brachiale plexus in een neonataal Knorretje-model.

Samenvatting

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

Neonatale brachiale plexus parese (nbpp) is een stretch letsel dat optreedt tijdens het geboorte proces in zenuw complexen gelegen in de nek-en schouder gebieden, gezamenlijk aangeduid als de brachiale plexus (BP). Ondanks de recente vooruitgang in verloskundige zorg, het probleem van NBPP blijft een wereldwijde gezondheids druk met een incidentie van 1,5 gevallen per 1.000 levende geboorten. Meer ernstige vormen van deze verwonding kan leiden tot permanente verlamming van de arm van de schouder naar beneden. Preventie en behandeling van NBPP rechtvaardigt een goed begrip van de biomechanische en fysiologische reacties van pasgeboren BP zenuwen wanneer onderworpen aan stretch. De huidige kennis van de pasgeborene BP is geëxtreerd uit volwassen dier of cadaveric BP weefsel in plaats van in vivo neonataal BP weefsel. Deze studie beschrijft een in vivo mechanisch testapparaat en een procedure om in vivo biomechanische testen uit te voeren in neonatale biggen. Het apparaat bestaat uit een klem, Actuator, loadcel en camerasysteem die in vivo stammen en belastingen toepassen en bewaken totdat het defect is. Het camerasysteem maakt het ook mogelijk om de storings locatie tijdens ruptuur te bewaken. Over het algemeen zorgt de gepresenteerde methode voor een gedetailleerde biomechanische karakterisering van neonatale BP wanneer het wordt onderworpen aan stretch.

Inleiding

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

Ondanks de recente vooruitgang in verloskunde, blijft het probleem van nbpp veroorzaakt door stretch letsel aan het BP-complex een wereldwijde gezondheids last, met een incidentie van 1,5 gevallen per 1.000 levende geboorten1,2. Geassocieerde risicofactoren kunnen maternale (d.w.z. overmatig gewicht, maternale diabetes, baarmoeder afwijkingen, geschiedenis van BP verlamming), foetale (d.w.z. foetale Macrosomie), of geboorte-gerelateerde (d.w.z., schouder DYSTOCIA, langdurige arbeid, geassisteerde bevalling met Tang of vacuümextractors, stuitligging presentatie3). Hoewel deze complicaties in bepaalde omstandigheden onvermijdelijk zijn, garandeert het voorkomen en behandelen van NBPP een goed begrip van de biomechanische en fysiologische reacties van de neonatale BP bij blootstellen aan stretch.

De gerapporteerde biomechanische studies op de BP hebben volwassen dieren en menselijk cadaverisch weefsel gebruikt en vertonen significante verschillen4,5,6,7,8,9,10,11,12,13,14,15. De klinische relevantie van de biomechanische eigenschappen van het complex BP-weefsel rechtvaardigt een neonataal diermodel en een in vivo biomechanische testbenadering. Bovendien, beperkingen met het bestuderen van BP stretch letsel in gecompliceerde Real-World levering scenario's verhoogt de afhankelijkheid van computermodellen die methoden die het mogelijk maakt onderzoek van de effecten van verschillende levering complicaties en technieken. De sleutel tot klinische relevantie van deze modellen is hun biogetrouwheid (mensachtige reactie). Beschikbare rekenmodellen van Gonik et al.16 en Grimm et al.17 vertrouwen op konijn en rat zenuwweefsel maar niet neonatale BP weefsel. Het uitvoeren van in vivo biomechanische testen in een klinisch relevant neonataal diermodel kan de kritieke kloof van niet-beschikbare neonatale BP-gegevens vullen.

De huidige studie beschrijft een in vivo mechanisch testapparaat en procedure om biomechanische tests uit te voeren in 3-5 dag-oude mannelijke Yorkshire neonatale biggen. Het apparaat bestaat uit een klem, Actuator, loadcel en camerasysteem die in vivo stammen en belastingen toepassen en bewaken tijdens storingen. Het camerasysteem maakt het ook mogelijk om de storings locatie tijdens ruptuur te bewaken. Over het algemeen zorgt het systeem voor een gedetailleerde biomechanische karakterisering van de neonatale BP wanneer het wordt blootgesteld aan Stretch, waardoor de drempel van de BP en spanningen voor mechanisch falen in vivo worden verschaft. De verkregen gegevens kunnen het menselijk gedrag verder verbeteren (biogetrouwheid) van de bestaande rekenkundige modellen die zijn ontworpen om de effecten van exogene en endogene krachten op BP stretch in leverings scenario's geassocieerd met NBPP onderzoeken.

Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.

Protocol

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

Het institutioneel Dierenzorg-en gebruiks Comité van de Drexel University heeft alle procedures (#20704) goedgekeurd.

1. aankomst en Acclimatie van dieren

  1. Quarantaine 1 – 2 dag-oude biggen voor ten minste 24 h na aankomst.
  2. Huis biggen in schone en gereinigde roestvrijstalen kooien (36 in x 48 in x 36 in) op Aspen chip bedding en feed ad libitum met varkens melkvervanger.
  3. Houd de kamertemperatuur bij 85 °F om een thermo-neutrale omgeving te garanderen.

2. dag van het experiment

  1. Verwijder de toevoer 2 uur voorafgaand aan het experiment.
  2. Injecteer biggen met een intramusculaire injectie van ketamine (10 – 40 mg/kg)/xylazine (1,5 – 3,0 mg/kg IM) en transport via een TRANSPORTKOOI naar de chirurgische ruimte.

3. inductie en onderhoud van de anesthesie

  1. Dien 4% Isofluraan inhalatie anestheticum toe vermengd met zuurstof door een neuskegel en bevestig dat het dier diep verdovend is door de afwezigheid van palpebrale en terugtrekking reflexen te beoordelen.
  2. Intuberen het dier door het in de liggende positie te plaatsen en een Laryngoscoop (recht blad) te gebruiken om de intubatie buis (diameter 2,5 – 2 mm) in de luchtpijp te begeleiden.
  3. Plaats het dier op de ventilator zodra de intubatie buis is vastgezet.
  4. Zorg ervoor dat biggen een mengsel van Isofluraan (0,25% – 3% onderhoud), zuurstof en lachgas krijgen.
  5. Geef een dosis fentanyl (10 μg/kg) en ga door met het geven van een dosis om de 1 – 2 uur om een aanhoudende adequate diepte van analgesie en sedatie te garanderen en om bewegings artefacten te voorkomen die kunnen leiden tot een dislodder endotracheale buis.
  6. Stel intraveneuze (IV) toegang in de subcutane buik ader of een andere perifere ader in.
  7. Breng de arteriële lijn door de femorale slagader. Dit kan niet-invasief worden gedaan of door het uitvoeren van een cut-down.

4. toezicht en verzorging

  1. Bewaak de diepte van de anesthesie door te bevestigen dat de afwezigheid van canthal reflex en afwezigheid van terugtrekking reactie op Teen knijpen.
  2. Uitvoeren van continue monitoring van fysiologische parameters tijdens de anesthesie en gedurende het experiment, waaronder arteriële bloeddruk, elektrocardiografie (ECG), end-Tidal CO2, Pulse oximetrie, en lichaamstemperatuur.
  3. Controleer de bloedgassen en bloed suikers elke 0,5 – 1 uur en geef intraveneuze vloeistoffen (50% dextrose en 50% normale zoutoplossing) aan dieren die langer dan 1 uur worden verdoseerd bij ~ 100 CC/kg/dag, om euglycemie te waarborgen.
  4. Bewaak het verdovings vlak van het dier nauwgezet en frequent. Zorg voor analgesie en/of verhoog Inhalant anesthesie.
  5. Houd het dier bij normale zuurstofspanning door de ventilatorparameters en medicijn doseringen zo nodig te regelen om normoxia te garanderen, plaats het dier dan op een met temperatuur geregelde circulerende water deken, zodat de normale lichaamstemperatuur gehandhaafd wordt op 39 °C voor de duur van het experiment.

5. brachiale plexus chirurgie

  1. Plaats het dier in een liggende positie op de bedrijfs tafel na de juiste anesthesie, zoals beschreven in rubriek 3, met de bovenste ledematen bij ontvoering, waardoor het oksel gebied wordt blootgesteld.
  2. Gebruik een chirurgische draperen om het dier te bedekken. Gebruik schone maar niet-steriele technieken.
  3. Stel het brachiale plexus complex aan beide zijden van de wervelkolom bloot door een middenlijn incisie te maken (met behulp van een #10 blad) over de huid en fascia boven de luchtpijp, tot het bovenste derde deel van het borstbeen, overeenkomend met rugniveaus tussen C3 – T3.
  4. Extrapoleren de incisie met behulp van de Tang en hemostat horizontaal aan elke kant van de suprasternal inkeping langs de rand van het sleutelbeen naar de bovenarm, terwijl het sparen van de kopborststuk en Basilic aders.
  5. Laat de superieure en inferieure kleppen door botte dissectie met behulp van schaar en Tang, waardoor toegang tot de cervicale en thoracale gebieden van de brachialis plexus, respectievelijk.
  6. Identificeer de as (C2) en de eerste rib op de T1. Met behulp van deze monumenten, Identificeer de onderste drie cervicale (C6-C8) en eerste thoracale (T1) spinale Vertebrale foramen, dan onderzoeken de plexus zorgvuldig te lokaliseren bifurcaties van de divisies (M vorm) om blootstelling te bereiken.
  7. Label (met behulp van zenuw lussen) de brachiale plexus gebieden boven deze bifurcaties dichter bij de wervelkolom als wortel/romp en label die onder deze bifurcaties als Chord gevolgd door de zenuw, die zich dichter bij de arm bevinden.

6. biomechanische testen

  1. Opzetten van het biomechanische testapparaat
    Opmerking: Een op maat gemaakt mechanisch testapparaat is ontworpen en gefabriceerd om in vivo rek van de BP te presteren (Figuur 1).
    1. Bevestig de basis van de set-up aan een kar.
    2. Bevestig de elektromechanische actuator op de basis met behulp van grote C-klemmen. De actuator is in staat om 150 lb kracht, 10 "slag en snelheid van 15 mm/s te leveren. De snelheid kan worden gereduceerd tot 0,2 mm/s en nog steeds naar wens functioneren.
    3. Bevestig de 200 N loadcel op actuator.
    4. Bevestig (Inschroef) een klem aan de loadcel die bestaat uit gewatteerde plexiglas, die de spanningsconcentratie op de opspan plaats verhindert.
    5. Bevestig een camera aan een statief. Zorg ervoor dat de camera de mogelijkheid heeft om tot 120 f/s te registreren met een resolutie van 658 x 4926 pixels.
    6. Sluit USB-kabels van de camera, Actuator en loadcel aan op de computer om alle onderdelen van de set-up te integreren en te synchroniseren.
    7. Sluit de computer, Actuator en loadcel aan op een voedingsbron.
  2. Kalibreer de loadcel voordat u de toegepaste belastingen opneemt. Hiertoe voert u de onderstaande stappen uit:
    1. Zet de Actuator in een hoek van 90 ° met behulp van de instelbare handgreep en controleer de hoek met een Protractor.
    2. Open de software die werkt met de loadcel (tabel met materialen). Druk op de Start knop om een live uitlezen van de spanning weer te geven.
    3. Hang gewichten van de klem variërend van 0 – 1000 g in stappen van 100 g uit de Setup en noteer de gemeten spanningen.
    4. Bereken de lineaire vergelijking van de spanningen en gewichten door de helling (m) en het snijpunt (b) te vinden. Dit wordt gedaan met behulp van een spreadsheetprogramma en de meegeleverde Slope-functie om b uit de vergelijking 1 hieronder te berekenen. Voeg vergelijking 2 hieronder weergegeven in de mechanische set-up code.
      Vergelijking 1: b = y-mx
      Waar: y is het gewicht, x is de spanning, m is de helling, en b is het snijpunt (constant).
      Vergelijking 2: y = mx + b
      Waar: y is het gewicht, x is de spanning, m is de helling, en b is de constante.
  3. Testen: de BP zenuw wordt gesneden en verankerd aan de testopstelling door op maat gemaakte klem.
    1. Snijd de BP zenuw met behulp van fijne schaar.
    2. Klem de snijkant van de BP-zenuw in de op maat gemaakte klem zoals afgebeeld in Figuur 1.
    3. Plaats handmatig zwarte acrylverf of India inkt op het ingeklemde BP segment (Figuur 2).
    4. Plaats een kalibratie raster, dat een liniaal van 1 cm is, plat binnen het dier om de schaal voor gegevensanalyse in te stellen.
    5. Gebruik de software van de camera om de plaatsing van de camera direct over de geteste segmenten te bekijken, waardoor de beweging/verplaatsing van de markers kan worden bewaakt en de werkelijke weefsel belasting op elk tijdstip kan worden bepaald.
    6. Noteer de initiële metingen zoals de hoogte waarop de zenuw in het lichaam wordt ingevoegd uit de tabel en de hoogte van de klem uit de tabel, de hoek van de actuator en de volledige lengte van het weefsel.
    7. Open de programmeersoftware (tabel met de grafische gebruikersinterface [GUI] zoals weergegeven in Figuur 3).
    8. Voer de GUI uit door op de knop uitvoeren te drukken.
    9. Initialiseer het systeem door op de knop initialiseren te drukken.
    10. Tare het systeem door op de Tare -knop te drukken.
    11. Strek het BP-segment uit door op de knop Start test te drukken. Dit trekt het weefsel met een toegewezen snelheid van 500 mm/min tot volledige storing optreedt in een segment van de BP. Deze stretch rate is geselecteerd op basis van de beschikbare literatuur4,8,18. Het programma bespaart ook een videobestand, de toegepaste trekbelasting, verplaatsing van het weefsel, en de duur van de test.
    12. Noteer de storing site, dat is het punt waarop het weefsel scheefbreekt.
  4. Euthanasie: biggen aan het einde van het experiment met een dodelijke dosis pentobarbital (120 mg/kg i.v.).
  5. Data-analyse: Gebruik bewegings tracerings software voor de analyse van de Video's die tijdens het testen zijn verkregen.
    1. Open het videobestand vanuit het experiment in de bewegings tracerings software door bestand | Open het video bestand.
    2. Gebruik het kalibratie raster om de schaal in de bewegings tracerings software in te stellen met het gereedschap lijn, klik met de rechtermuisknop op de regel nadat deze is getekend, selecteer Kalibreer metingen voer een bekende waarde in centimeters in (Figuur 4).
    3. Volg de markeringen op het weefsel binnen de Motion Tracking-software door met de rechtermuisknop op de video te klikken en Track Path te selecteren en het midden van de marker te uitlijnen met de marker op het weefsel en het te tackelen tot scheuren.
    4. Exporteer de x-en y-coördinaten van de markeringen door bestand exporteren naar spreadsheet te selecteren, zodat deze kan worden gebruikt om de stammen te berekenen.
    5. Importeer de gegevens in een programmeersoftware om de afstand tussen de x-en y-coördinaten na verloop van tijd te berekenen om de stammen te berekenen.
    6. Bereken de stam waarden op elk tijdpunt door de verandering in afstand te delen door de oorspronkelijke afstand na de administratieve verwerking van veranderingen in de helling tijdens het strekken. De werkelijke stam waarden worden bepaald tussen elk paar aangrenzende markeringen op elk tijdpunt. Het gemiddelde van deze stammen wordt ook berekend.

Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.

Resultaten

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

Een representatieve laadtijd plot en stammen uit vier segmenten van BP plexus (tussen vier markeringen) worden respectievelijk weergegeven in Figuur 5 en Figuur 6. De verkregen fout belasting van 8,3 N bij 35% gemiddelde fout stam rapporteert de biomechanische reacties van neonatale BP bij blootstellen aan stretch. Sommige gebieden van de zenuw ondergaan hogere stammen dan anderen, indicatief van niet-uniforme verwonding langs de...

Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.

Discussie

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

Beschikbare literatuur over de biomechanische reacties van Stretch op het BP-weefsel vertonen een breed scala aan drempelwaarden en methodologische discrepanties4,6,8,18,19,20,21,22,23. Variaties in gepubliceerde resultate...

Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.

Openbaarmakingen

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

De auteurs hebben niets te onthullen.

Dankbetuigingen

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

Het onderzoek dat werd gerapporteerd in deze uitgave werd gesteund door het Eunice Kennedy Shriver National Institute of Child Health and Human Development van de National Institutes of Health onder het nummer R15HD093024 en door de National Science Foundation CAREER Award Nummer 1752513.

Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.

Materialen

Lijst van materialen gebruikt in dit artikel
NaamBedrijfCatalogusnummerOpmerkingen
Omega Subminature Tension & Compression Load CellOmegaLCM201-200N200N belastingscel
Basler acA640-120uc cameraBasleracA640-120uc
Feedback Lineaire ActuatorProgressive AutomationsPA-14P10" slag, 150lb kracht, 15mm/s snelheid
BewegingsvolgsoftwareKinoveaN/AOpen Source
Programmeersoftware - MATLABMathworksN/Aversie 2018A
Chirurgische instrumenten
PincettenFine Science Tools Inc11006-12 en 11027-12 of 11506-12
HemostatenFine Science Tools Inc13009-12
ScharenFine Science Tools Inc14094-11 of 14060-09

Referenties

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,
  1. Chauhan, S. P., Blackwell, S. B., Ananth, C. V. Neonatal brachial plexus palsy: Incidence, prevalence, and temporal trends. Seminars in Perinatology. 38 (4), 210-218 (2014).
  2. Foad, S. L., Mehlman, C. T., Ying, J. The epidemiology of neonatal brachial plexus palsy in the United States. Journal of Bone and Joint Surgery - Series A. 90 (60), 1258-1264 (2008).
  3. García Cena, C. E., et al. Skeletal modeling, analysis and simulation of upper limb of human shoulder under brachial plexus injury. Advances in Intelligent Systems and Computing. 252, 195-207 (2014).
  4. Marani, E., van Leeuwen, J. L., Spoor, C. W. The tensile testing machine applied in the study of human nerve rupture: a preliminary study. Clinical Neurology and Neurosurgery. 95, S33-S35 (1993).
  5. Zapałowicz, K., Radek, A. Mechanical properties of the human brachial plexus. Neurologia i Neurochirurgia Polska. 34 (6), 89-93 (2000).
  6. Singh, A., Shaji, S., Delivoria-Papadopoulos, M., Balasubramanian, S. Biomechanical Responses of Neonatal Brachial Plexus to Mechanical Stretch. Journal of Brachial Plexus and Peripheral Nerve Injury. 13 (1), e8-e14 (2018).
  7. Driscoll, P. J., et al. An in vivo study of peripheral nerves in continuity: biomechanical and physiological responses to elongation. Journal of Orthopaedic Research. 20 (2), 370-375 (2002).
  8. Zapalowicz, K., Radek, A. Experimental investigations of traction injury of the brachial plexus. Model and results. Annales Academiae Medicae Stetinensis. 51 (2), 11-14 (2005).
  9. Ma, Z., et al. In vitro and in vivo mechanical properties of human ulnar and median nerves. Journal of Biomedical Materials Research - Part A. 101 (9), 2718-2725 (2013).
  10. Rydevik, B. L., et al. An in vitro mechanical and histological study of acute stretching on rabbit tibial nerve. Journal of Orthopaedic Research. 8 (5), 694-701 (1990).
  11. Kwan, M. K., Wall, E. J., Massie, J., Garfin, S. R. Strain, stress and stretch of peripheral nerve rabbit experiments in vitro and in vivo. Acta Orthopaedica. 63 (3), 267-272 (1992).
  12. Takai, S., et al. In situ strain and stress of nerve conduction blocking in the brachial plexus. Journal of Orthopaedic Research. 20 (6), 1311-1314 (2002).
  13. Zhe, S., Feng, T., Sun, C., Ma, H. Tensile mechanical properties of the brachial plexus of experimental animals. Journal of Clinical Rehabilitative Tissue Engineering Research. 14 (20), 3730-3733 (2010).
  14. Alexander, M. J., Barkmeier-Kraemer, J. M., Geest, J. P. Vande Biomechanical properties of recurrent laryngeal nerve in the piglet. Annals of Biomedical Engineering. 38 (8), 2553-2562 (2010).
  15. Zilic, L., et al. An anatomical study of porcine peripheral nerve and its potential use in nerve tissue engineering. Journal of Anatomy. 227 (3), 302-314 (2015).
  16. Gonik, B., Zhang, N., Grimm, M. J. Prediction of brachial plexus stretching during shoulder dystocia using a computer simulation model. American Journal of Obstetrics and Gynecology. 189 (4), 1168-1172 (2003).
  17. Grimm, M. J., Costello, R. E., Gonik, B. Effect of clinician-applied maneuvers on brachial plexus stretch during a shoulder dystocia event: Investigation using a computer simulation model. Obstetrical and Gynecological Survey. 203 (4), (2011).
  18. Kawai, H., et al. Stretching of the brachial plexus in rabbits. Acta Orthopaedica. 60 (6), 635-638 (1989).
  19. Narakas, A. O. Lesions found when operating traction injuries of the brachial plexus. Clinical Neurology and Neurosurgery. 95, S56-S64 (1993).
  20. Kleinrensink, G. J., et al. Upper limb tension tests as tools in the diagnosis of nerve and plexus lesions - Anatomical and biomechanical aspects. Clinical Biomechanics. 15 (1), 9-14 (2000).
  21. Zapałowicz, K., Radek, A. Mechanical properties of the human brachial plexus. Neurologia, i Neurochirurgia Polska. 34 (6), 89-93 (2000).
  22. Singh, A., Lu, Y., Chen, C., Cavanaugh, J. Mechanical properties of spinal nerve roots subjected to tension at different strain rates. Journal of Biomechanics. 39 (9), 1669-1676 (2006).
  23. Singh, A., Lu, Y., Chen, C., Kallakuri, S., Cavanaugh, J. M. A new model of traumatic axonal injury to determine the effects of strain and displacement rates. Stapp Car Crash Journal. 50, 601-623 (2006).
  24. Gonik, B., et al. The timing of congenital brachial plexus injury: A study of electromyography findings in the newborn piglet. American Journal of Obstetrics and Gynecology. 178 (4), 688-695 (1998).

Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.

Herprints en machtigingen

Toestemming aanvragen om de tekst of afbeeldingen van dit JoVE-artikel te hergebruiken

Toestemming aanvragen

Trefwoorden

In vivo testenbiomechanische rekkrachtsensoractuator systeemcamerabewakingbreuklastrekmetingweefselruptuur

Gerelateerde artikelen