Er wordt een protocol gepresenteerd voor de installatie en voorbereiding van intramusculaire elektroden, samen met een diervriendelijke, geminiaturiseerde meetapparatuur voor elektromyografie (EMG) analyse in locomotiestudies. Dit systeem maakt de draadloze overdracht van real-time EMG-gegevens mogelijk voor het onderzoeken van herstel van locomotie bij ratten met een beroertemodel.
Een abonnement op JoVE is vereist om deze inhoud te bekijken. Log in of start vandaag met uw gratis proefperiode.
Methodenartikel
Een realtime draagbaar elektromyografie meetsysteem voor kleine dieren
In dit artikel
Samenvatting
Samenvatting
De intramusculaire elektromyografie (EMG) meetmethode voor proefdieren is op verschillende manieren geïmplementeerd. Van deze methoden kunnen het vastmaken van kabels aan externe meetapparaten de beweging van proefdieren beperken, terwijl implanteerbare apparaten ongewenste bijwerkingen kunnen veroorzaken vanwege de constante aanwezigheid van een apparaat met aanzienlijke grootte en gewicht. Om deze problemen aan te pakken, stellen we een lage-kosten, draadloze, afneembare EMG-meetsysteem en experimentele procedure voor. Dit artikel richt zich op de chirurgische installatie van intramusculaire draadelektroden met kleine connectoren en de ontwikkeling van het draadloze systeem. Opmerkelijk is dat in dit systeem alleen de draadelektroden in het lichaam van het dier worden ingebracht. Met behulp van dit systeem kunnen EMG-metingen eenvoudig worden uitgevoerd door het circuitstelsel aan te sluiten op een connector die op de rug van het dier is geïnstalleerd, met real-time monitoring mogelijk op een laptop. De voorgestelde methode wordt uitgelegd op een gedetailleerde, stap-voor-stap manier, gevolgd door een demonstratie waarbij intramusculaire elektroden in de achterpoten van een rat worden ingebracht. Er wordt een loopbandexperiment uitgevoerd voor een locomotiestudie, en de resulterende elektrofysiologische signalen worden vervolgens verkregen en geanalyseerd.
Inleiding
Elektromyografie omvat het registreren van elektrische potentialen die worden gegenereerd door spiervezels tijdens contractie. Deze eigenschappen worden bepaald door neurale activeringssignalen die van motorische neuronen naar individuele spieren worden gestuurd. EMG wordt veel gebruikt in revalidatie-, motorische, hersen- en zenuwgerelateerde studies, en de meetmethoden kunnen grofweg worden ingedeeld in oppervlakte-EMG (sEMG) en intramusculaire EMG (iEMG)1. Oppervlakte-elektroden bieden verschillende voordelen, vooral in draagbare toepassingen, omdat ze niet-invasief zijn en een eenvoudige voorbereidingsprocedure vereisen2. Bij geïmplanteerde sEMG is het chirurgische proces eenvoudiger vergeleken met iEMG, waar de elektrode de spier niet hoeft te penetreren. Ondanks deze voordelen is sEMG vatbaar voor signaalverontreiniging, zoals storingen op het spier-elektrode-interface, bewegingsartefacten, de kwaliteit van de elektrodecontact en signaaldoorspraak van aangrenzende spieren1. Deze uitdagingen zijn vooral problematisch wanneer de elektroden in de nabijheid worden geplaatst, zoals vaak het geval is in studies met kleine dieren. Aan de andere kant vereist iEMG een extra chirurgische procedure voor elektrodepenetraitie. Ondanks de extra procedurele stappen biedt deze methode spierspecifieke EMG-opnames met grotere precisie en minder doorspraak, omdat de elektroden permanent in het spierweefsel zijn ingebed3. In motorische studies met kleine dieren wordt iEMG bij voorkeur gebruikt omdat spierspecifieke EMG-informatie met betrouwbare elektrode-installatie cruciaal is4.
Er zijn verschillende benaderingen gerapporteerd voor het verkrijgen van EMG-opnames van elektroden bij kleine dieren. Aankoordkabels worden vaak gebruikt om elektroden aan externe meetapparatuur aan te sluiten5,6,7,8,9,10,11, apparaten kunnen in het lichaam worden geïmplanteerd12, of een draadloze draagbare platform kan op het dier worden geplaatst13. Aankoordkabels zijn de meest gerapporteerde methode vanwege de beschikbaarheid van compatibel commercieel materiaal voor dit doel; echter, de aankoorddraden veroorzaken ongemak voor de dieren en hun beweging wordt vaak beperkt door de kabels, wat het onderzoek kan beïnvloeden. Implanteerbare apparaten bieden draadloze oplossingen, maar hun beperkte batterijduur kan de duur van experimenten beperken. Bovendien kunnen de grootte en het gewicht van permanent geïnstalleerde apparaten stress en ongemak veroorzaken bij de dieren, wat het onderzoek kan beïnvloeden. Draadloze energieoverdrachttechnieken zijn voorgesteld om de problemen bij implanteerbare apparaten aan te pakken, maar het onderhouden van een betrouwbare energielink naar een klein apparaat is typisch zeer moeilijk14. Bovendien kan blootstelling aan hoge elektromagnetische velden leiden tot onvoorziene gevolgen, zoals verminderde immuunfunctie en mogelijke neurodegeneratieve veranderingen in de hersenen15,16.
Het acquisitiesysteem kan ook worden geïmplementeerd als een draadloze, draagbare platform die de signaalverwerking afhandelt en de EMG-opnames draadloos naar een basisstation verzendt. Hoewel dit de voorkeursmethode is, presenteert het een technische uitdaging voor de gebruikers, en experimentele details worden vaak niet volledig behandeld in de literatuur.
In dit werk presenteren we een eenvoudige, goedkope en betrouwbare EMG-acquisitiemethode voor locomotiestudies bij kleine dieren. Een paar iEMG-elektroden worden geïmplanteerd in de achterpootspieren van een rat, terwijl de rest van het signaalacquisitiesysteem, inclusief versterking, een analoog-digitaal converter en draadloze telemetrie, op de rug van het dier is gemonteerd. De EMG-gegevens worden naar een personal computer gestuurd voor realtime monitoring, waarbij gegevens lokaal worden gelogd. Een loopbandlocomotie-experiment wordt uitgevoerd om het systeem te demonstreren in een beroerte-herstelstudie.
Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.
Protocol
Goedkeuring van alle ethische en experimentele procedures en protocollen werd verleend door het Institutioneel Comité voor Dierenzorg en -gebruik onder Aanvraagnr. CGU1-2021-IA0041. In deze studie werd een 7 weken oude mannelijke Sprague-Dawley rat gebruikt. De details van de reagentia en apparatuur staan vermeld in de Tabel van Materialen.
1. Voorbereiding van dieren
- Bereid ratten voor op de leeftijd van 7 weken. Omwille van de veiligheid, huisvest ratten van vergelijkbare gewichten samen, met maximaal drie ratten per kooi.
- Zorg ervoor dat de ratten zich aanpassen zonder stress voor de operatie. Zorg voor consistent water en voedsel, en vervang het bed geregeld.
- Gedurende de aanpassingsperiode (ongeveer 7 dagen), train de dieren om op een loopband te lopen met een snelheid van 16-25 m/min gedurende 5 min per dag om hen te helpen wennen aan de loopband.
OPMERKING: Als een rat stopt of weigert te bewegen zoals bedoeld, tik dan zachtjes op zijn billen om hem aan te moedigen.
2. Elektrode voorbereiding
- Bereid vijf roestvrijstalen draden voor, bekleed met polytetrafluorethyleen, vier van hen met een lengte van 140 mm en een met een lengte van 60 mm.
- Maak drie overhandse knopen op een 140 mm lange draad, plaats ze op 40 mm en 100 mm ten opzichte van de knoop (Figuur 1A).
OPMERKING: Tijdens het inbrengen van de draadelektrode in de spier, kan het een uitdaging zijn om nauwkeurig contact te garanderen en om het blootgestelde deel van de elektrode goed gepositioneerd te houden. Om dit aan te pakken, wordt een blokkerende knoop in de draad gemaakt om verdere inbrenging te voorkomen wanneer getrokken wordt, waardoor de elektrode stabiel blijft in de spier. - Laat voor de 140 mm draden een gat van 2 mm over vanaf de knoop aan de korte kant, en verwijder vervolgens gedeeltelijk de isolatie met behulp van een soldeerbout gedurende 2 mm. Strijk volledig de isolatie van het uiteinde van de lange kant gedurende 2 mm af. Voor de 60 mm elektroden, verwijder volledig de isolatie aan het ene uiteinde met 2 mm en aan het andere uiteinde met 10 mm (Figuur 1).
OPMERKING: De punt van de soldeerbout moet grondig worden schoongemaakt om besmetting te voorkomen. - Bevestig de draad door hem te solderen aan het connectoraccessoire nadat de isolatie volledig is verwijderd (Figuur 2B,C).
- Monteer het metalen onderdeel waarmee de draad is verbonden in de plastic behuizing (Figuur 2D,E).
- Bevestig de connector aan een 3D-geprinte plastic geleider (zie Tabel van Materialen) die gaten bevat voor bevestiging aan de huid. Om te voorkomen dat het gesoldeerde deel in contact komt met de incisieplaats, breng biocompatibel cyanoacrylaat aan (Figuur 2F).
- Snijd een 0,2 mm dikke nikkelplaat en buig deze om de connector heen om hem af te schermen en zo potentiële schade door het dier te voorkomen.
3. Chirurgie
- Plaats de rat in een inductiekamer (op maat gemaakt met een transparant synthetisch hars) en dien anesthesie toe met een mengsel van 70% lachgas en 30% zuurstof, met een isofluraaneconcentratie van 2%-3%. Bereid de noodzakelijke chirurgische instrumenten voor (Figuur 3).
- Verwijder de vacht met een elektrische haarclip en bereid de huid voor met chloorhexidine en alcohol om infectie tijdens de chirurgie te voorkomen (Figuur 4A).
- Maak een incisie van ongeveer 10-15 mm met chirurgische scharen op de huid waar de te meten spier zich bevindt. Aangezien de fascia onder de huid ligt, en de spieren daaronder, gebruik eerst de scharen om de huid te snijden, en verwijder vervolgens de fascia door het voorzichtig weg te vegen met een schone doek.
- Maak een incisie van 5-10 mm rond de lumbale regio waar de connector zal worden bevestigd.
- Gebruik een steriele trochar om een doorgang onder de huid te maken voor de draad om van de connector naar de doelwitspierpositie te passeren (Figuur 4B).
- Leid de trochar vanuit de spierpositie, onder de huid, naar de incisieplaats aan de lumbale zijde.
- Bereid de elektrode en de connector van het vorige stadium voor. Knijp de draadelektroden op de incisieplaats aan de lumbale zijde met de pincetten en trek ze voorzichtig door naar de incisie bij de doelwitspier. Zodra de draad naar de locatie van de doelwitspier is getrokken, verwijs naar Figuur 4C.
- Gebruik, zoals getoond in Figuur 4D, een naald om de draad van de elektrode in de doelwitspier te steken.
OPMERKING: De doelwitspier voor dit experiment is de mediale gastrocnemius (MG), een van de belangrijkste spieren voor het analyseren van motorische taken17. Aangezien de lengte van de MG ongeveer 18 mm is bij 7 weken oude ratten, moeten elektroden rond het centrum van de spier worden geplaatst, met een afstand van ongeveer 5 mm, om spierbeschadiging te minimaliseren en nauwkeurige EMG-metingen te garanderen. Het wordt aanbevolen dat de lengte van de draad die de spier penetreert, langer is dan 5 mm om ervoor te zorgen dat het deel met de verwijderde isolatie goed contact maakt met de spier. - Leidt de draad die is doorgegaan en uit de
Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.
Resultaten
In deze studie wordt een eenvoudige draadloze methode voor EMG-acquisitie gepresenteerd. Hoewel een chirurgische procedure noodzakelijk is, wordt slechts het specifieke gebied voor de elektrodeninsertie en connectorfixatie gedeeltelijk ingesneden, wat de belasting voor het dier aanzienlijk vermindert. In deze demonstratie werden elektroden in de onderste extremiteiten geplaatst, maar vergelijkbare elektrofysiologische studies kunnen met dezelfde methode in diverse andere gebieden worden u...
Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.
Discussie
Dit werk presenteert een elektromyografie (EMG) acquisitiesysteem dat klein, gemakkelijk te implementeren, goedkoop en draadloos is. Het systeem voorkomt effectief signaalverlies veroorzaakt door kabels, omdat het niet afhankelijk is van draadgebonden externe meetapparatuur. Door de connector aan de achterkant te monteren in plaats van op het hoofd, wordt het chirurgische proces aanzienlijk eenvoudiger, waardoor het risico op complicaties wordt verminderd. Deze opstelling minimaliseert ook de kans dat het platform tegen ...
Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.
Openbaarmakingen
Alle auteurs hebben geen belangenconflict.
Dankbetuigingen
Dit onderzoek werd gefinancierd door de National Research Foundation of Korea (NRF-2020M3A9E4104385) en het Nanomedical Devices Development Project van het National Nano Fab Center (Subsidienummer: 1711160154).
Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.
Materialen
| Naam | Bedrijf | Catalogusnummer | Opmerkingen |
|---|---|---|---|
| 0.2 mm dikte nikkelplaat | Elke beschikbare verkoper | ||
| 3D-printfilament | cubicon | A-100 | |
| 7 weken oude RAAT | JABIO | SD (DBL) [7W M] | |
| Kleefstof | Okong | 1028453 | voor het bevestigen van schild |
| ANT1 | Johanson Technology Inc. | 2450AT07A0100001T | |
| C1, C15, C16, C20 | Vishay | 1n | 0201(0603)metriek |
| C10, C13 | Vishay | 100p | 0201(0603)metriek |
| C11, C12 | Vishay | 4p | 0201(0603)metriek |
| C14, C19 | Vishay | 0.39n | 0201(0603)metriek |
| C2, C17 | Vishay | 22n | 0201(0603)metriek |
| C3, C5, C6 | Vishay | 0.1u | 0201(0603)metriek |
| C4, C18 | Vishay | 2.2u | 0201(0603)metriek |
| C7 | Vishay | 4.7u | 0402(1005)metriek |
| C8, C21 | Vishay | 1u | 0201(0603)metriek |
| C9 | Vishay | 1p | 0201(0603)metriek |
| Kooi | JEUNG DO B&P | JD-C-02 | |
| Schoonmaakdoek | kimberly | 41112 | |
| Connector accessoire | Harwin | M20-1060400 | Kunststof behuizing |
| Connector accessoire | Harwin | M20-1180042 | Metaal onderdeel |
| Elektrische haarclip | Buzz | RFC-928 | |
| Warmtepistool | QUICK | 861DW | |
| IC1, IC3 | Analog Device | AD8232 | Voor EMG-meting AFE |
| IC2 | Nordic semiconductor | nRF52832-CIAA | |
| Isofluraan | Hana Pharm | 657801261 | |
| L1 | Vishay | 3.3n | 0201(0603)metriek |
| Li-po batterij | TheHan | TW402025 | 13 mm *10 mm * 4 mm, 30mAh |
| Pin header | Harwin | M22-2530505 | |
| R1, R2, R9, R10, R13, R14, R21, R22 | Vishay | 10M | 0201(0603)metriek |
| R11, R23 | Vishay | 100k | 0201(0603)metriek |
| R12, R24 | Vishay | 1M | 0201(0603)metriek |
| R3, R4, R5, R7, R15, R16, R17, R19 | Vishay | 180k | 0201(0603)metriek |
| R6, R18 | Vishay | 160k | 0201(0603)metriek |
| R8, R20 | Vishay | 768k | 0201(0603)metriek |
| Soldeerdraad | Alpha metal | SACX0307 | |
| Soldeerbout | Hakko | FX-951 | |
| Roestvrijstalen draden bedekt met Teflon | A-M Systems | 793200 | |
| Hechtnaald | AILEE | 301289 | |
| Hechtdraad | Ethicon | 604G | |
| Loopband | Daejong Bio | DJ2-243 | |
| U1 | Torex Semiconductor | XC6204B332DR-G | |
| Y1 | Murata Electronics | XRCTD32M000N1P1AR0 |
Referenties
- 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).
Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.
Herprints en machtigingen
