Name: Een realtime draagbaar elektromyografie meetsysteem voor kleine dieren (Video) | JoVE Journal
Uploaded: 2024-11-15T14:20:00.000+00:00
Duration: 5 min
Description: Leer een draadloos EMG-meetsysteem voor kleine dieren zonder beperkende kabels. Dit protocol toont de installatie van intramusculaire elektroden en een geminiaturiseerd apparaat voor real-time monitoring van locomotieherstel bij ratten met beroerte.

ai_agent_IP

ai_agent

maintenance

instantTrialDurationMinutes

isBiopharma

enableNewMyJoveSectionDesign

educationFeatures

seoMetaApi

ai_copilot_institution_blacklist

ai_chat_institution_blacklist

freeAccessWindow

ssoRoleCapture

scheduledMaintenanceBanner

joveLabsFeatures

disable_autoplay_for_bots

extended_trial_duration

5 minutes

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).

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
<ol>
	<li>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.</li>
	<li>Zorg ervoor dat de ratten zich aanpassen zonder stress voor de operatie. Zorg voor consistent water en voedsel, en vervang het bed geregeld.</li>
	<li>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.</li>
</ol>
2. Elektrode voorbereiding
<ol>
	<li>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.</li>
	<li>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.</li>
	<li>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.</li>
	<li>Bevestig de draad door hem te solderen aan het connectoraccessoire nadat de isolatie volledig is verwijderd (Figuur 2B,C).</li>
	<li>Monteer het metalen onderdeel waarmee de draad is verbonden in de plastic behuizing (Figuur 2D,E).</li>
	<li>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).</li>
	<li>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.</li>
</ol>
3. Chirurgie
<ol>
	<li>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).</li>
	<li>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). </li>
	<li>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.</li>
	<li>Maak een incisie van 5-10 mm rond de lumbale regio waar de connector zal worden bevestigd.</li>
	<li>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).</li>
	<li>Leid de trochar vanuit de spierpositie, onder de huid, naar de incisieplaats aan de lumbale zijde.</li>
	<li>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.</li>
	<li>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.</li>
	<li>Leidt de draad die is doorgegaan en uit de

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>
<li>Tysseling, V. M., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Design+and+evaluation+of+a+chronic+EMG+multichannel+detection+system+for+long-term+recordings+of+hindlimb+muscles+in+behaving+mice%5BTitle%5D)+AND+%22J+Electromyogr+Kinesiol%22%5BJournal%5D)">Design and evaluation of a chronic EMG multichannel detection system for long-term recordings of hindlimb muscles in behaving mice.</a> J Electromyogr Kinesiol. 23 (3), 531-539 (2013).</li>
<li>Shafer, B., Welle, C., Vasudevan, S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((A+rat+model+for+assessing+the+long-term+safety+and+performance+of+peripheral+nerve+electrode+arrays%5BTitle%5D)+AND+%22J+Neurosci+Methods%22%5BJournal%5D)">A rat model for assessing the long-term safety and performance of peripheral nerve electrode arrays.</a> J Neurosci Methods. 328, 108437(2019).</li>
<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>
<li>Kloefkorn, H., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Non-invasive+three-state+sleep-wake+staging+in+mice+using+electric+field+sensors%5BTitle%5D)+AND+%22J+Neurosci+Methods%22%5BJournal%5D)">Non-invasive three-state sleep-wake staging in mice using electric field sensors.</a> J Neurosci Methods. 344, 108834(2020).</li>
<li>Jensen, V. N., Romer, S. H., Turner, S. M., Crone, S. A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Repeated+measurement+of+respiratory+muscle+activity+and+ventilation+in+mouse+models+of+neuromuscular+disease%5BTitle%5D)+AND+%22J+Vis+Exp%22%5BJournal%5D)">Repeated measurement of respiratory muscle activity and ventilation in mouse models of neuromuscular disease.</a> J Vis Exp. (122), e55599(2017).</li>
<li>Zealear, D., Li, Y., Huang, S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((An+implantable+system+for+chronic+in+vivo+electromyography%5BTitle%5D)+AND+%22J+Vis+Exp%22%5BJournal%5D)">An implantable system for chronic in vivo electromyography.</a> J Vis Exp. (158), e60345(2020).</li>
<li>Shon, A., Brakel, K., Hook, M., Park, H. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Fully+implantable+plantar+cutaneous+augmentation+system+for+rats+using+closed-loop+electrical+nerve+stimulation%5BTitle%5D)+AND+%22IEEE+Trans+Biomed+Circuits+Syst%22%5BJournal%5D)">Fully implantable plantar cutaneous augmentation system for rats using closed-loop electrical nerve stimulation.</a> IEEE Trans Biomed Circuits Syst. 15 (2), 326-338 (2021).</li>
<li>Ouyang, W., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((A+wireless+and+battery-less+implant+for+multimodal+closed-loop+neuromodulation+in+small+animals%5BTitle%5D)+AND+%22Nat+Biomed+Eng%22%5BJournal%5D)">A wireless and battery-less implant for multimodal closed-loop neuromodulation in small animals.</a> Nat Biomed Eng. 7 (10), 1252-1269 (2023).</li>
<li>Zhou, Y., Liu, C., Huang, Y. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Wireless+power+transfer+for+implanted+medical+applications%3A+A+review%5BTitle%5D)+AND+%22Energies%22%5BJournal%5D)">Wireless power transfer for implanted medical applications: A review.</a> Energies. 13 (11), 2837(2020).</li>
<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>
<li>Ebrahim, S., Azab, A., Albasha, M., Albishti, N. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((The+biological+effects+of+electromagnetic+fields+on+human+and+experimental+animals%5BTitle%5D)+AND+%22Int+Res+J+Nat+Appl+Sci%22%5BJournal%5D)">The biological effects of electromagnetic fields on human and experimental animals.</a> Int Res J Nat Appl Sci. 3, 106-121 (2016).</li>
<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>
<li>IEEE Health Informatics-PoC medical device communication Part 00101: Guide-Guidelines for the use of RF wireless technology. <a target="_blank" href="http://scholar.google.com/scholar?hl=en&safe=off&q=%22IEEE+Std+11073-00101-2008%22">IEEE Std 11073-00101-2008</a>. , 1-125 (2008).</li>
<li>Xu, Y., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Rehabilitation+effects+of+fatigue-controlled+treadmill+training+after+stroke%3A+A+rat+model+study%5BTitle%5D)+AND+%22Front+Bioeng+Biotechnol%22%5BJournal%5D)">Rehabilitation effects of fatigue-controlled treadmill training after stroke: A rat model study.</a> Front Bioeng Biotechnol. 8, 590013(2020).</li>
<li>Nigg, S., Vienneau, J., Maurer, C., Nigg, B. M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Development+of+a+symmetry+index+using+discrete+variables%5BTitle%5D)+AND+%22Gait+Posture%22%5BJournal%5D)">Development of a symmetry index using discrete variables.</a> Gait Posture. 38 (1), 115-119 (2013).</li>
</ol>

Alle auteurs hebben geen belangenconflict.

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 de zijwanden botst, wat tot signaalartefacten kan leiden. Bovendien vermindert het nekvermoeidheid, omdat het geconcentreerde gewicht niet op het hoofd wordt geplaatst.
Het protocol omvat verschillende cruciale stappen, met name de nauwkeurige voorbereiding van de intramusculaire elektroden en de zorgvuldige plaatsing van de connectoren. Het is essentieel om ervoor te zorgen dat de isolatie nauwkeurig wordt verwijderd en dat de knopen correct worden vastgebonden om overmatige inbrenging tijdens het plaatsen van de elektroden te voorkomen1. Bovendien is het belangrijk om het chirurgische gebied na de operatie te controleren om eventuele complicaties vroegtijdig te identificeren en zo het welzijn van de betrokken dieren te garanderen.
Hoewel de voorgestelde techniek robuust is, kunnen bepaalde aanpassingen de effectiviteit ervan verbeteren. Bijvoorbeeld, het aanpassen van de lengte van de elektroden op basis van de specifieke spiergrootte kan de contactkwaliteit verbeteren. Bovendien, in geval van signaalverlies of ruis tijdens metingen, kan het oplossen van problemen het controleren van de verbindingen en ervoor zorgen dat het apparaat goed is afgeschermd tegen elektromagnetische interferentie6 omvatten. Het geven van adequate training aan het chirurgisch team kan ook procedurele fouten verminderen en de algehele succespercentages verbeteren.
Ondanks de voordelen weegt het apparaat ongeveer 3 g, wat niet problematisch is voor ratten, maar ongemak kan veroorzaken bij kleinere of jongere muizen. Dit ongemak kan mogelijk hun gangpatronen beïnvloeden, waardoor de gedragsanalyse via EMGore wordt beïnvloed; het apparaat of de connector kan niet worden beschermd als de rat onbeheerd in de kooi wordt achtergelaten, wat een risico op schade met zich meebrengt13. Er werd een metalen behuizing geïmplementeerd voor bescherming wanneer het apparaat niet in gebruik is, maar verdere ontwikkelingen kunnen dit aspect verbeteren.
De betekenis van dit systeem ligt in zijn vermogen om continue, hoge kwaliteit EMG-opnamen te leveren zonder de beperkingen van kabelgebonden apparaten. Traditionele methoden, inclusief aansluitkabels en grote implanteerbare apparaten, beperken vaak de beweging van dieren en kunnen stress veroorzaken, waardoor de resultaten worden vertekend5. De techniek biedt een meer humane aanpak terwijl het een hoge trouw in gegevensverzameling handhaaft, wat cruciaal is voor het begrijpen van motorische functie en herstel in verschillende experimentele contexten3.
In toekomstig werk zijn er talrijke toepassingen voor deze techniek. Terwijl de huidige studie zich richtte op de mediale gastrocnemius (MG) spier voor het beoordelen van spiersymmetrie tijdens het lopen, kan de methodologie worden aangepast voor andere spieren en zelfs worden uitgebreid tot elektrocardiografie (ECG) metingen. Het verhogen van het aantal elektroden zou gelijktijdige signaalverzameling van meerdere locaties mogelijk maken11, wat een uitgebreide analyse van spiercoördinatie en functie mogelijk maakt. Deze vooruitgang zou kunnen leiden tot inzichten in revalidatiestrategieën voor herstel na een beroerte en andere neuromusculaire aandoeningen.
Kortom, het voorgestelde EMG-acquisitiesysteem presenteert een belangrijke vooruitgang op het gebied van studies naar dierlijke beweging. Door de beperkingen van bestaande methoden aan te pakken en een veelzijdig platform voor toekomstig onderzoek te bieden, heeft dit systeem het potentieel om ons begrip van motorische functie en herstel in verschillende experimentele omgevingen te verbeteren.

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.

<table><tbody><tr><td>0.2 mm dikte nikkelplaat</td><td>Elke beschikbare verkoper</td><td></td><td></td></tr><tr><td>3D-printfilament</td><td>cubicon</td><td>A-100</td><td></td></tr><tr><td>7 weken oude RAAT</td><td>JABIO</td><td>SD (DBL) [7W M]</td><td></td></tr><tr><td>Kleefstof</td><td>Okong</td><td>1028453</td><td>voor het bevestigen van schild</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)metriek</td></tr><tr><td>C10, C13</td><td>Vishay</td><td>100p</td><td>0201(0603)metriek</td></tr><tr><td>C11, C12</td><td>Vishay</td><td>4p</td><td>0201(0603)metriek</td></tr><tr><td>C14, C19</td><td>Vishay</td><td>0.39n</td><td>0201(0603)metriek</td></tr><tr><td>C2, C17</td><td>Vishay</td><td>22n</td><td>0201(0603)metriek</td></tr><tr><td>C3, C5, C6</td><td>Vishay</td><td>0.1u</td><td>0201(0603)metriek</td></tr><tr><td>C4, C18</td><td>Vishay</td><td>2.2u</td><td>0201(0603)metriek</td></tr><tr><td>C7</td><td>Vishay</td><td>4.7u</td><td>0402(1005)metriek</td></tr><tr><td>C8, C21</td><td>Vishay</td><td>1u</td><td>0201(0603)metriek</td></tr><tr><td>C9</td><td>Vishay</td><td>1p</td><td>0201(0603)metriek</td></tr><tr><td>Kooi</td><td>JEUNG DO B&amp;P</td><td>JD-C-02</td><td></td></tr><tr><td>Schoonmaakdoek</td><td>kimberly</td><td>41112</td><td></td></tr><tr><td>Connector accessoire</td><td>Harwin</td><td>M20-1060400</td><td>Kunststof behuizing</td></tr><tr><td>Connector accessoire</td><td>Harwin</td><td>M20-1180042</td><td>Metaal onderdeel</td></tr><tr><td>Elektrische haarclip</td><td>Buzz</td><td>RFC-928</td><td></td></tr><tr><td>Warmtepistool</td><td>QUICK</td><td>861DW</td><td></td></tr><tr><td>IC1, IC3</td><td>Analog Device</td><td>AD8232</td><td>Voor EMG-meting AFE</td></tr><tr><td>IC2</td><td>Nordic semiconductor</td><td>nRF52832-CIAA</td><td></td></tr><tr><td>Isofluraan</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)metriek</td></tr><tr><td>Li-po batterij</td><td>TheHan</td><td>TW402025</td><td>13 mm *10 mm * 4 mm, 30mAh</td></tr><tr><td>Pin header</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)metriek</td></tr><tr><td>R11, R23</td><td>Vishay</td><td>100k</td><td>0201(0603)metriek</td></tr><tr><td>R12, R24</td><td>Vishay</td><td>1M</td><td>0201(0603)metriek</td></tr><tr><td>R3, R4, R5, R7, R15, R16, R17, R19</td><td>Vishay</td><td>180k</td><td>0201(0603)metriek</td></tr><tr><td>R6, R18</td><td>Vishay</td><td>160k</td><td>0201(0603)metriek</td></tr><tr><td>R8, R20</td><td>Vishay</td><td>768k</td><td>0201(0603)metriek</td></tr><tr><td>Soldeerdraad</td><td>Alpha metal</td><td>SACX0307</td><td></td></tr><tr><td>Soldeerbout</td><td>Hakko</td><td>FX-951</td><td></td></tr><tr><td>Roestvrijstalen draden bedekt met Teflon</td><td>A-M Systems</td><td>793200</td><td></td></tr><tr><td>Hechtnaald&nbsp;</td><td>AILEE</td><td>301289</td><td></td></tr><tr><td>Hechtdraad</td><td>Ethicon</td><td>604G</td><td></td></tr><tr><td>Loopband</td><td>Daejong Bio</td><td>DJ2-243</td><td></td></tr><tr><td>U1</td><td>Torex Semiconductor</td><td>XC6204B332DR-G</td><td></td></tr><tr><td>Y1</td><td>Murata Electronics</td><td>XRCTD32M000N1P1AR0</td><td></td></tr></tbody></table>

een realtime draagbaar elektromyografie meetsysteem voor kleine dieren

A Real-Time Wearable Electromyography Measurement System for Small Animals

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.

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 uitgevoerd. Deze benadering biedt het voordeel van continue elektrofysiologische signaalmeting zonder de noodzaak van verbindingskabels en zonder gedragsbeperkingen op te leggen. De PCB van het circuit heeft een diameter van 9 mm, een hoogte van 3 mm en weegt in totaal 3 g. Batterijvervanging is eenvoudig en het voorgestelde systeem maakt continue monitoring van het motorisch gedrag mogelijk. Een foto die de bevestiging van de connector en het apparaat toont, evenals de EMG-golfvorm, wordt gepresenteerd in Figuur 7.
In deze studie werd een loopband gebruikt om de bewegingspatronen van de ratten te analyseren. De loopband is een effectief instrument voor het analyseren van dierlijke beweging17, waardoor musculaire of neurologische problemen kunnen worden beoordeeld. Hoewel het ook kan worden gebruikt om vrije beweging bij ratten te bestuderen, is dit experiment specifiek gericht op het analyseren van bewegingsafwijkingen veroorzaakt door verschillende aandoeningen. Om dit te bereiken is continue en repetitieve beweging vereist, waardoor de loopband een geschikte keuze is voor onze doeleinden.
Verschillende methoden kunnen worden gebruikt om dierlijke voortbeweging met EMG te analyseren. Onder deze methoden werd de symmetrie-index gebruikt in de gedragsanalyse21,22. De symmetrie-index meet de balans van activiteit tussen twee spieren aan weerszijden van het lichaam, en wij hebben deze gebruikt om het herstel na een beroerte te evalueren.
<img alt="Diagram van de opstelling voor zenuwregistratie met spierinsertie en isolatie, waarop draadknopen en verwijderingsstadia te zien zijn." class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/67418/67418fig1.jpg" data-altupdatedat="1788304762000" data-alt="Figuur 1"> 
Figuur 1: Proces van de voorbereiding van de draadelektrode. (A) Illustratie van de draadstructuur en de positie van de isolatieverwijdering. Er moeten drie knopen worden gelegd bij het inbrengen van de draden in de spieren om overmatige insertie te voorkomen. (B) De isolatie is volledig verwijderd aan de rand van de draad. (C) De isolatie is gedeeltelijk verwijderd om het spiercontact te vergemakkelijken. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/67418/67418fig1large.jpg" target="_blank">Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.</a>
<img alt="Diagram van het assemblageproces van de draadverbinding; stappen omvatten het inbrengen, vastzetten en solderen van draden." class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/67418/67418fig2.jpg" data-altupdatedat="1788304762000" data-alt="Figuur 2"> 
Figuur 2: Assemblageproces van de draadelektrode en connector. (A) Voorbereiding van materialen voor assemblage. (B) Inbrengen van de draad in het metalen onderdeel. (C) Solderen van de draad aan de metalen onderdelen. (D) Trekken van de draad door de opening van de plastic behuizing. (E) Inbrengen van de draad en de metalen onderdelen in de plastic behuizing. (F) Voltooien van de assemblage voor alle draden en gebruik van cyanoacrylaatlijm om de plastic behuizing aan de hechtinggeleider (grijs onderdeel) te bevestigen. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/67418/67418fig2large.jpg" target="_blank">Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.</a>
<img alt="Set chirurgische instrumenten op steriel veld voor medische procedure met scharen, pincetten, naaldvoerder." class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/67418/67418fig3.jpg" data-altupdatedat="1788304762000" data-alt="Figuur 3"> 
Figuur 3: Chirurgische instrumenten vereist voor de procedure. Een verzameling chirurgische instrumenten die nodig zijn voor de procedure, waaronder (1) hechtnaald, (2) pincet, (3) pincet, (4) chirurgische schaar, (5) fijne schaar, (6-7) hemostaten, (8) naaldvoerder en (9) geprepareerde elektrode. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/67418/67418fig3large.jpg" target="_blank">Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.</a>
<img alt="Diagram van de implantatie van elektroden in knaagdierspieren; chirurgische incisie, bedrading, registratieopstelling." class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/67418/67418fig4v2.jpg" data-altupdatedat="1788304762000" data-alt="Figuur 4"> 
Figuur 4: Procedure voor het bevestigen van de elektrodebedrading. (A) Posities van de incisies op de rug en het been. (B) Inbrengen van de naaldvoerder door de incisie om de draad vast te pakken. (C) Het uittrekken van de draad uit de incisie. (D) Hechttechniek bij de doelspier, waarbij de elektroden rond het dikste deel van de spier worden geplaatst met een tussenruimte van 5 mm. (E) Eindtoestand na voltooiing van de operatie. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/67418/67418fig4v2large.jpg" target="_blank">Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.</a>
<img alt="Diagram van de bevestiging van het medische hulpmiddel, metalen afschermingsconnector, hechtproces, aanbrengen van lijm." class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/67418/67418fig5.jpg" data-altupdatedat="1788304762000" data-alt="Figuur 5"> 
Figuur 5: Plaatsing van de connector. (A) Hechten onder de connector. (B) Vastzetten van de connector met hechtdraad. (C) Aanbrengen van lijm bovenop de connector en plaatsen van een metalen afscherming ter bescherming. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/67418/67418fig5large.jpg" target="_blank">Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.</a>
<img alt="Draagbaar EMG-apparaat op varken, elektrodediagram en real-time signaalplot bij loopbandexperiment." class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/67418/67418fig6.jpg" data-altupdatedat="1788304762000" data-alt="Figuur 6"> 
Figuur 6: Demonstratie van EMG-acquisitie. (A) Foto van het EMG-acquisitiesysteem gemonteerd op een rat. (B) Uitvoering van een loopbandtest bij een snelheid van 25 m/min. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/67418/67418fig6large.jpg" target="_blank">Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.</a>
<img alt="Grafiek van de analyse van het elektromyografie (EMG) signaal, gefilterde en omhulde gegevens van beenspieren over de tijd." class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/67418/67418fig7.jpg" data-altupdatedat="1788304762000" data-alt="Figuur 7"> 
Figuur 7: Gemeten EMG en omhulde EMG-golfvorm. (A) De ruwe golfvorm van het gemeten EMG-signaal. (B) Gefilterd EMG-signaal gebruikt om de omhullende te verkrijgen. (C) Omhulde golfvorm met een drempellijn voor symmetrie-indexanalyse. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/67418/67418fig7large.jpg" target="_blank">Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.</a>
Aanvullende Figuur 1: Schema van de PCB-circuitindeling. Een schematische weergave van de circuitindeling van de printplaat (PCB), waarin de schikking van componenten en verbindingen wordt geïllustreerd. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/67418/Supplementary_Figure_1.png" target="_blank">Klik hier om deze figuur te downloaden.</a>
Aanvullende Figuur 2: PCB-circuitontwerp van de achterlaag. Ontwerp van de achterlaag van de printplaat (PCB), met details over de componentplaatsing en de routing voor de schakeling. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/67418/Supplementary_Figure_2.png" target="_blank">Klik hier om deze figuur te downloaden.</a>
Aanvullende Figuur 3: PCB-circuitontwerp van de bovenste laag. Ontwerp van de bovenste laag van de printplaat (PCB), met weergave van de indeling van componenten en elektrische verbindingen. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/67418/Supplementary_Figure_3.png" target="_blank">Klik hier om deze figuur te downloaden.</a>
Aanvullend codebestand 1: Firmware-voorbereiding voor ADC-configuratie. Instructies voor het voorbereiden van de firmware om een 2-kanaals analoog-naar-digitaal converter (ADC) te configureren met een 8-bit resolutie en een bemonsteringssnelheid van 2 samples per seconde (kSPs). <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/67418/main.c.txt" target="_blank">Klik hier om dit bestand te downloaden.</a>
Aanvullend coderingsbestand 2: Op Python gebaseerde plotting-applicatie. Beschrijving van de op Python gebaseerde plotting-applicatie die in deze studie is gebruikt voor datavisualisatie en analyse. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/67418/Python-display.py" target="_blank">Klik hier om dit bestand te downloaden.</a>

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 realtime draagbaar elektromyografie meetsysteem voor kleine dieren

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

a-real-time-wearable-electromyography-measurement-system-for-small

Research

JoVE Journal

Engineering

Techniek

Telemetrische ECG heeft zich ontpopt als een essentieel instrument bij de beoordeling van diermodellen voor hartritmestoornissen en plotselinge hartdood. Hier presenteren wij een stapsgewijze handleiding voor telemetrische ECG-opnames voor toepassing in de lange termijn ambulante ECG monitoring in muizen.

Ambulante ECG opnemen in Muizen

Een procedure beschreven voor het manipuleren van de activiteit van cerebrale corticale piramidale neuronen optogenetically terwijl de elektro, elektromyogram en cerebrale lactaatconcentratie bewaakt. Experimentele opnamen worden uitgevoerd op kabel-tethered muizen, terwijl ze ondergaan spontane slaap / waak cyclus. Optogenetic apparatuur geassembleerd in ons laboratorium controleapparaat handel verkrijgbaar.

Gelijktijdig Elektro, Real-time meting van lactaatconcentratie en Optogenetic Manipulatie van neuronale activiteit in de Rodent Cerebral Cortex

The video demonstrates long-term continuous electroencephalography (EEG) monitoring in rodent pups using a wireless transmitter system. The transmitter contains two recording electrodes and one reference electrode extending to the brain's surface. Upon placing the pup in a recording chamber, EEG can be continuously monitored throughout the pup's development into adulthood.

Long-Term Continuous Electroencephalography Monitoring in a Rodent Pup

Source: Jensen, V. N., et al. Repeated Measurement of Respiratory Muscle Activity and Ventilation in Mouse Models of Neuromuscular Disease. J. Vis. Exp. (2017).This video demonstrates the method for recording simultaneous plethysmography and electromyography signals in a freely moving ALS mouse model. The procedure involves using implanted electrodes and a transmitter to capture muscle activity, alongside a plethysmography chamber to monitor breathing patterns, to investigate the role of...

Simultaneous Plethysmography and Electromyography Recording in an ALS Mouse Model

Hier demonstreren we het gebruik van een draadloze technologie voor elektro-encefalogram (EEG) in neonatale knaagdiermodellen van menselijke ziekten. Met telemetrie zijn er geen belemmerende verbindingen, waardoor natuurlijk gedrag mogelijk is.

Langdurige Continue EEG-monitoring in kleine knaagdieren modellen van de ziekte bij de mens met behulp van de Epoch draadloze transmitter System

Dit artikel beschrijft een werkwijze voor herhaalde metingen van ventilatie en respiratoire spieractiviteit in vrij gedragen amyotrofische laterale sclerose (ALS) muismodel gedurende ziekteprogressie met hele-lichaamsplethysmografie en elektromyografie via een geïmplanteerde apparaat telemetrie.

Herhaalde Meting van Respiratory spieractiviteit en Ventilatie in muismodellen van neuromusculaire aandoening

Hier presenteren we een protocol om te slaan van de hersenen en hart bio signalen in muizen met behulp van gelijktijdige video, elektro-encefalografie (EEG) en elektrocardiogram (ECG). Ook beschrijven we methoden voor het analyseren van de resulterende opnamen van het EEG-ECG voor vangsten, EEG spectrale vermogen, hartfunctie en hartfrequentie-variabiliteit.

Gelijktijdige Video-EEG-ECG controle om te identificeren Neurocardiac dysfunctie in muismodellen van epilepsie

Hier gepresenteerd is een protocol voor de productie van een implanteerbaar systeem voor in vivo chronologische registratie van opgeroepen en spontane elektromyografische potentialen. Het systeem wordt toegepast op het onderzoek naar reinnervation van laryngeale spieren na zenuwletsel.

Een implanteerbaar systeem voor chronische in vivo elektromyografie

Elektrocardiogram (ECG) is de belangrijkste variabele voor het begrijpen van cardiale elektrofysiologie. Lichaamsbeweging heeft gunstige effecten, maar kan ook schadelijk zijn in de context van hart- en vaatziekten. Dit manuscript biedt een methode voor het registreren van real-time ECG tijdens inspanning, die kan dienen om de effecten ervan op de cardiale elektrofysiologie bij muizen te onderzoeken.

Real-time elektrocardiogrammonitoring tijdens loopbandtraining bij muizen

Dit protocol beschrijft de handfabricage en chirurgische implantatie van elektromyografische (EMG) elektroden in de voorpootspieren van muizen om spieractiviteit vast te leggen tijdens experimenten met hoofdgefixeerd gedrag.

Registratie van spieractiviteit van de voorpoten bij muizen die op het hoofd zijn gefixeerd met chronisch geïmplanteerde EMG-elektroden

Ons doel was om een bijgewerkte, gemakkelijk te volgen gids te bieden voor de fabricage en het testen van epimysiale elektromyografie-elektroden. Daartoe geven we instructies voor de inkoop van materialen en een gedetailleerde doorloop van het fabricage- en testproces.

Ontwikkeling van een goedkope epimysiale elektromyografie-elektrode: een vereenvoudigde workflow voor fabricage en testen

Leer een draadloos EMG-meetsysteem voor kleine dieren zonder beperkende kabels. Dit protocol toont de installatie van intramusculaire elektroden en een geminiaturiseerd apparaat voor real-time monitoring van locomotieherstel bij ratten met beroerte.

Een realtime draagbaar elektromyografie meetsysteem voor kleine dieren

Meer video's verkennen