Method Article

Regeneracyjny interfejs nerwów obwodowych mankietu mięśniowego do wzmacniania nienaruszonych sygnałów nerwów obwodowych

DOI:

10.3791/63222

⸱

January 13th, 2022

 ,  ,  ,  ,  , 
1Department of Surgery, Section of Plastic Surgery, The University of Michigan Health System, 2Department of Biomedical Engineering, The University of Michigan, Ann Arbor

In This Article

Summary

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

Ten manuskrypt dostarcza innowacyjnej metody rozwoju biologicznego interfejsu nerwów obwodowych, zwanego Muscle Cuff Regenerative Peripheral Nerve Interface (MC-RPNI). Ten konstrukt chirurgiczny może wzmacniać sygnały odprowadzające motoryczne nerwu obwodowego, aby ułatwić dokładne wykrywanie intencji motorycznej i potencjalną kontrolę urządzeń egzoszkieletowych.

Abstract

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

Robotyczne egzoszkielety zyskały ostatnio uznanie w dziedzinie medycyny rehabilitacyjnej jako obiecująca metoda przywracania funkcjonalności dla osób z osłabieniem kończyn. Jednak ich zastosowanie pozostaje w dużej mierze ograniczone do instytucji badawczych, często działających jako środek wspomagający statyczne kończyny, ponieważ metody wykrywania motorycznego pozostają zawodne. Interfejsy nerwów obwodowych pojawiły się jako potencjalne rozwiązanie tego niedociągnięcia; Jednak ze względu na ich z natury małe amplitudy, sygnały te mogą być trudne do odróżnienia od szumu tła, co obniża ich ogólną dokładność wykrywania silnika. Ponieważ obecne interfejsy opierają się na materiałach abiotycznych, nieodłączny rozkład materiału może z czasem nastąpić wraz z reakcją tkanki ciała obcego, co dodatkowo wpływa na ich dokładność. Muscle Cuff Regenerative Peripheral Nerve Interface (MC-RPNI) został zaprojektowany w celu przezwyciężenia tych zauważonych powikłań. Składający się z odcinka wolnego przeszczepu mięśniowego przymocowanego obwodowo do nienaruszonego nerwu obwodowego, konstrukt regeneruje się i z czasem zostaje ponownie unerwiony przez zawarty w nim nerw. U szczurów konstrukt ten wykazał zdolność do wzmacniania motorycznych eferentnych potencjałów czynnościowych nerwu obwodowego do 100 razy w stosunku do normalnej wartości poprzez generowanie złożonych potencjałów czynnościowych mięśni (CMAP). To wzmocnienie sygnału ułatwia bardzo dokładne wykrywanie intencji motorycznych, potencjalnie umożliwiając niezawodne wykorzystanie urządzeń egzoszkieletowych.

Introduction

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

W samych Stanach Zjednoczonych około 130 milionów ludzi cierpi na zaburzenia nerwowo-mięśniowo-szkieletowe, co skutkuje ponad 800 miliardami dolarów rocznego wpływu ekonomicznego1,2. Ta grupa zaburzeń jest zazwyczaj wtórna do patologii w obrębie układu nerwowego, w złączu nerwowo-mięśniowym lub w samym mięśniu3. Pomimo różnorodności patologicznych pochodzeń, większość z nich ma pewien stopień słabości kończyn1,3. Niestety, ta słabość jest często trwała, biorąc pod uwagę ograniczenia w regeneracji tkanki nerwowej i mięśniowej, zw....

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Protocol

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

Wszystkie procedury i eksperymenty na zwierzętach zostały przeprowadzone za zgodą Komitetu ds. Opieki i Wykorzystywania Zwierząt Uniwersytetu Michigan (IACUC). Samce i samice szczurów Fischer F344 i Lewis (~200-300 g) w wieku 3-6 miesięcy są najczęściej wykorzystywane w eksperymentach, ale teoretycznie można wykorzystać dowolny szczep. W przypadku wykorzystywania szczurów dawców zamiast autologicznych przeszczepów mięśni, szczury dawcy muszą być izogeniczne do szczepu doświadczalnego. Szczury mają swobodny dostęp do pożywienia i wody zarówno przed, jak i po operacji. Po ocenie końcowego punktu końcowego eutanazja jest wykonywana w głębokim znieczuleniu z dosercowym ws....

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Results

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

Chirurgiczne wykonanie MC-RPNI jest uważane za niepowodzenie okołooperacyjne, jeśli szczury nie przeżyją wyjścia ze znieczulenia chirurgicznego lub rozwiną infekcję w ciągu tygodnia od operacji. Poprzednie badania wykazały, że 3-miesięczny okres dojrzewania zaowocuje niezawodnym wzmocnieniem sygnału z tego konstruktu42,45,48,49. W tym czasie lub później może dojść do chirurgicznego odsłonięcia .......

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Discussion

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

MC-RPNI to nowatorski konstrukt, który pozwala na amplifikację nienaruszonych, odprowadzających potencjałów czynnościowych obwodowego nerwu ruchowego w celu dokładnego sterowania egzoszkieletem. W szczególności MC-RPNI przynosi szczególne korzyści osobom z osłabieniem kończyn spowodowanym poważną chorobą mięśni i/lub brakiem mięśni, w przypadku których nie można zarejestrować sygnałów EMG. Zmniejszenie i tak już upośledzonej funkcji mięśni byłoby katastrofalne w tej populacji; jednak MC-RPNI ma zdolność do zapewnienia te.......

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Disclosures

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

Autorzy nie ujawnili żadnych informacji.

Acknowledgements

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

Autorzy dziękują Janie Moon za jej fachowe zarządzanie laboratorium i pomoc techniczną oraz Charlesowi Hwangowi za jego ekspertyzę w zakresie obrazowania. Eksperymenty opisane w tym artykule zostały częściowo sfinansowane z grantów Fundacji Chirurgii Plastycznej dla SS (3135146.4), a także dla Narodowego Instytutu Zdrowia Dziecka i Rozwoju Człowieka pod numerem nagrody 1F32HD100286-01 dla SS oraz Narodowego Instytutu Zapalenia Stawów i Chorób Układu Mięśniowo-Szkieletowego i Skóry Narodowych Instytutów Zdrowia pod numerem nagrody P30 AR069620.

....

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Materials

List of materials used in this article
NameCompanyCatalog NumberComments
#15 SkalpelAspen Surgical, IncRef 371115Ostrza chirurgiczne ze stali węglowej z żeberkiem (#15)
Ogniwo obciążnikowe cienkowarstwowe 2-N (S100)Urządzenia do pomiaru odkształceń, IncSMD100-0002Mierzy siłę generowaną przez przyczepiony mięsień
4-0 Szew chromowyEthiconSKU# 1654GP-3 Igła do odwróconego cięcia
5-0 Szew chromowyEthicon SKU# 687GP-3 Igła do odwróconego cięcia
8-0 Szew monofilamentowyAROSurgicalT06A08N14-13poliamidowy szew monofilamentowy na gwintowanej igle stożkowej
Szczury eksperymentalneEnvigoF344-NH-sdFischer F344 szczepu -
lustrzane wykończenieFine Science Tools11413-11Kleszczyki z cienką końcówką i lustrzanym wykończeniem, idealne do pracy z delikatnymi strukturami, takimi jak nerwy
Fluriso (Isofluorane)VetOne13985-528-40znieczulenia wziewnego
Red Rockn/aSpecjalnie zaprojektowany przyrząd do pomiaru siły, który pozwala na unieruchomienie kończyny tylnej, aby umożliwić dokładny zapis siły mięśniowej
Oprogramowanie MATLABMathworks, IncPR-MATLAB-MU-MW-707-NNUOblicza siłę czynną dla każdego zarejestrowanego śladu siły na podstawie siły biernej i całkowitej pomiary
System Nicolet Viasys EMG EPNicoletMFI-NCL-VIKING-SELECT-2CH-EMGPrzenośny system rejestracji sygnałów EMG i nerwowych zdolny do jednoczesnego 2-kanałowego nagrywania z nerwów i/lub mięśni
Tlenowegazy kriogeniczneUN1072Standardowe kanistry tlenowe klasy medycznej
Chlorek potasuAPP Pharmaceuticals63323-965-20Forma do wstrzykiwań, 2 mEq / ml
Povidone Jod USPMediChoice65517-0009-110% roztwór do stosowania miejscowego, można użyć jednej butelki do wielu przygotowań chirurgicznych
Puralube Vet maść okulistycznaDechra17033-211-38Maść chroniąca rogówkę do stosowania podczas zabiegu
Rimadyl (Caprofen)Zoetis, Inc.NADA# 141-199Forma do wstrzykiwań, 50 mg / ml
Mikroskop stereoskopowyLeicaModel M60Użytkownik może dostosować powiększenie do swoich preferencji
Instrumenty chirurgiczneNarzędzia do naukiRóżniużytkownicy mogą wybierać instrumenty zgodnie z osobistymi preferencjami lub z tego, co jest obecnie dostępne w ich laboratorium
Maść z potrójnym antybiotykiemMediChoice39892-0830-2Maść dostarczana jest w sterylnych, jednorazowych opakowaniach
Nożyczki sprężynowe Vannas - krawędź tnąca 2 mmFine Science Tools15000-04Zakrzywione nożyczki do mikropreparacji używane do wykonywania okna nausznego
VaporStick 3SurgivetV7015Wieża anestezjologiczna z miejscem na butlę z izofluoranem i tlenem
Webcol Alcohol PrepCovidenRef 6818Chusteczki nasączone alkoholem; Użyj nowej chusteczki do każdego przygotowania
Szczury to cienkie kleszcze Przyrząd do pomiaru siły

References

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,
  1. Andersson, G. S. The burden of musculoskeletal diseases in the United States : prevalence, societal, and economic cost. American Academy of Orthopaedic Surgeons. , Rosemont, IL. (1942).
  2. Yelin, E. H., Weinstein, S., King, T.

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Reprints and Permissions

Request permission to reuse the text or figures of this JoVE article

Request Permission

Tags

Muscle Cuff RPNIPeripheral Nerve InterfaceNerve Signal AmplificationCompound Muscle Action PotentialsMotor Intent DetectionExoskeleton ControlMuscle GraftEpineurial WindowElectrophysiologic TestingNeuromuscular Junctions

Related Articles