Представлен протокол установки и подготовки внутримышечных электродов, а также миниатюрное измерительное устройство, устанавливаемое на животных, для анализа электромиографии (ЭМГ) в исследованиях локомоции. Эта система обеспечивает беспроводную передачу данных ЭМГ в режиме реального времени для исследования восстановления локомоции у крыс с моделью инсульта.
Для просмотра этого контента требуется подписка на JoVE. Войдите или начните свой бесплатный пробный период.
Методическая статья
Носимая электромиографическая измерительная система для мелких животных в режиме реального времени
В этой статье
Краткое содержание
Аннотация
Метод измерения внутримышечной электромиографии (ЭМГ) для экспериментальных животных был реализован различными способами. Среди этих методов привязка кабелей к внешним измерительным приборам может ограничивать передвижение подопытных животных, в то время как имплантируемые устройства могут вызывать нежелательные побочные эффекты из-за постоянного присутствия устройства со значительными размерами и весом. Для решения этих проблем мы предлагаем недорогую, беспроводную, съемную измерительную систему ЭМГ и экспериментальную процедуру. В данной статье речь пойдет о хирургической установке внутримышечных проволочных электродов с небольшими разъемами и развитии беспроводной системы. Примечательно, что в этой системе в тело животного вставляются только проволочные электроды. С помощью этой системы можно легко выполнять измерения ЭМГ, подключив цепную систему к разъему, установленному на спине животного, с возможностью мониторинга в режиме реального времени на ноутбуке. Предложенный метод подробно объясняется шаг за шагом, за которым следует демонстрация с введением внутримышечных электродов в задние конечности крысы. Для исследования локомоции проводится эксперимент на беговой дорожке, а затем получаются и анализируются полученные электрофизиологические сигналы.
Введение
Электромиография включает в себя запись электрических потенциалов, генерируемых мышечными волокнами во время сокращения. Эти свойства определяются сигналами нейронной активации, посылаемыми от моторных нейронов к отдельным мышцам. ЭМГ широко используется в реабилитационных, моторных, мозговых и нервных исследованиях, и методы измерения можно широко классифицировать на поверхностную ЭМГ (sEMG) и внутримышечную ЭМГ (iEMG)1. Поверхностные электроды имеют ряд преимуществ, особенно в носимых приложениях, поскольку они неинвазивны и требуют простого процесса подготовки2. При имплантированной sEMG хирургический процесс более прост по сравнению с iEMG, где электроду не нужно проникать в мышцу. Несмотря на эти преимущества, sEMG подвержена загрязнению сигнала, такому как нарушения на границе мышц-электродов, артефакты движения, качество контакта электродов и перекрестные помехи сигнала от соседних мышц1. Эти проблемы особенно проблематичны, когда электроды расположены в непосредственной близости, как это часто бывает в исследованиях с участием мелких животных. С другой стороны, iEMG требует дополнительной хирургической процедуры для проникновения электродов. Несмотря на дополнительные процедурные шаги, этот метод обеспечивает мышечно-специфичные записи ЭМГ с большей точностью и меньшими перекрестными помехами, поскольку электроды постоянно встроены в мышечную ткань3. В исследованиях моторики на мелких животных предпочтительна iEMG, так как информация о мышечной ЭМГ с надежной установкой электродов имеет решающее значение4.
Сообщалось о нескольких подходах к получению записей ЭМГ с электродов у мелких животных. Тросовые кабели обычно используются для подключения электродов к внешнему измерительному оборудованию5,6,7,8,9,10,11, устройства могут быть имплантированы внутрь тела12, или на животное может быть размещена беспроводная носимая платформа13. Кабели Tether являются наиболее широко известным методом из-за наличия совместимого коммерческого оборудования для этой цели; Тем не менее, провода троса вызывают дискомфорт у животных, и их движение часто ограничено кабелями, что может повлиять на исследование. Имплантируемые устройства предлагают беспроводные решения, но их ограниченное время автономной работы может ограничивать продолжительность экспериментов. Кроме того, размер и вес стационарно установленных устройств могут вызывать стресс и дискомфорт у животных, что может повлиять на исследование. Для решения проблем имплантируемых устройств были предложены методы беспроводной передачи энергии, но поддерживать надежную энергетическую связь с небольшим устройством, как правило, очень сложно14. Более того, воздействие сильных электромагнитных полей может привести к непредвиденным последствиям, таким как снижение иммунной функции и потенциальные нейродегенеративные изменения в мозге15,16.
Система сбора данных также может быть реализована в виде беспроводной носимой платформы, которая обрабатывает сигнал и беспроводным образом передает записи ЭМГ на базовую станцию. Несмотря на то, что этот метод является предпочтительным, он представляет собой техническую проблему для пользователей, а детали эксперимента часто не полностью рассматриваются в литературе.
В этой работе мы представляем простой, недорогой и надежный метод получения ЭМГ для исследований локомоции у мелких животных. Пара электродов iEMG имплантируется в мышцы задних конечностей крысы, в то время как остальная часть системы сбора сигналов, включая усиление, аналого-цифровой преобразователь и беспроводную телеметрию, устанавливается на спине животного. Данные ЭМГ передаются на персональный компьютер для мониторинга в режиме реального времени, а данные регистрируются локально. Эксперимент по передвижению на беговой дорожке проводится для демонстрации системы в исследовании восстановления после инсульта.
Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.
Протокол
Одобрение всех этических и экспериментальных процедур и протоколов было предоставлено Институциональным комитетом по уходу за животными и их использованию в соответствии с заявкой No. CGU1-2021-IA0041. В этом исследовании использовался 7-недельный самец крысы Sprague-Dawley. Подробная информация о реагентах и оборудовании приведена в Таблице материалов.
1. Подготовка животных
- Готовят крыс в возрасте 7 недель. Для безопасности держите крыс одинакового веса вместе, максимум три крысы в клетке.
- Перед операцией убедитесь, что крысы адаптировались без стресса. Постоянно обеспечьте водой и питанием, а также периодически заменяйте подстилку.
- В течение адаптационного периода (около 7 дней) тренируйте животных бегать на беговой дорожке со скоростью 16-25 м/мин в течение 5 минут каждый день><, чтобы помочь им акклиматизироваться к беговой дорожке. ПРИМЕЧАНИЕ: Если крыса останавливается или отказывается двигаться, как задумано, осторожно похлопайте ее по ягодицам для поощрения.
2. Подготовка электродов
- Подготовьте пять проволок из нержавеющей стали, покрытых политетрафторэтиленом, четыре из них длиной 140 мм и одна длиной 60 мм.
- Завяжите три верхних узла на проволоке длиной 140 мм, расположив их на расстоянии 40 мм и 100 мм относительно узла (Рисунок 1A).
ПРИМЕЧАНИЕ: Во время введения проволочного электрода в мышцу может быть сложно обеспечить точный контакт и правильно расположить открытую часть электрода. Чтобы решить эту проблему, в проволоке создается блокирующий узел, который предотвращает дальнейшее введение при натяжении, гарантируя, что электрод остается стабильным в мышце. - Для проводов 140 мм оставьте зазор в 2 мм от узла на короткой стороне, затем частично снимите изоляцию с помощью паяльника на 2 мм. Полностью зачистите изоляцию с конца длинной стороны на 2 мм. Для электродов диаметром 60 мм полностью снимите изоляцию с одного конца на 2 мм и с другого конца на 10 мм (Рисунок 1).
ПРИМЕЧАНИЕ: Наконечник паяльника следует тщательно очистить, чтобы предотвратить загрязнение. - Закрепите провод, припаяв его к аксессуару разъема после полного снятия изоляции (рисунок 2B,C).
- Соберите металлическую часть, к которой подключен провод, в пластиковый корпус (рисунок 2D,E).
- Прикрепите разъем к напечатанной на 3D-принтере пластиковой направляющей (см. Таблицу материалов) с отверстиями для крепления к коже. Чтобы предотвратить контакт паяемой детали с местом разреза, нанесите биосовместимый цианоакрилат (рисунок 2F).
- Отрежьте никелевую пластину толщиной 0,2 мм и согните ее, чтобы обернуть вокруг разъема, защитив ее, чтобы предотвратить потенциальное повреждение животным.
3. Хирургия
- Поместите крысу в индукционную камеру (изготовленную по индивидуальному заказу с использованием прозрачной синтетической смолы) и введите анестезию с использованием смеси 70% закиси азота и 30% кислорода с концентрацией изофлурана 2-3%. Подготовьте необходимые хирургические инструменты (Рисунок 3).
- Удалите шерсть с помощью электрической машинки для стрижки волос и подготовьте кожу хлоргексидином и спиртом, чтобы предотвратить инфекцию во время операции (Рисунок 4A).
- Сделайте разрез примерно в 10-15 мм с помощью хирургических ножниц на коже, где находится целевая мышца, подлежащая измерению. Поскольку фасция находится под кожей, а мышцы под ней, сначала используйте ножницы, чтобы разрезать кожу, затем удалите фасцию, аккуратно протерев ее чистой тканью.
- Сделайте разрез в 5-10 мм вокруг поясничной области, где будет крепиться коннектор.
- Используйте стерильный трохар, чтобы создать проход под кожей для прохождения провода от разъема к целевому положению мышцы (рисунок 4B).
- Проведите трохар от мышечного положения под кожей к месту разреза со стороны поясницы.
- Подготовьте электрод и соединитель из предыдущего этапа. С помощью щипцов зажмите проволочные электроды в месте разреза со стороны поясницы и осторожно протяните их к разрезу в целевой мышце. После того, как проволока будет вытянута к месту расположения целевой мышцы, обратитесь к Рисунок 4C.
- Как показано в Рисунок 4D, используйте иглу для наложения швов, чтобы ввести электродную проволоку в целевую мышцу.
ПРИМЕЧАНИЕ: Целевой мышцей для этого эксперимента является медиальная икроножная мышца (MG), которая является одной из ключевых мышц для анализа двигательных задач17. Поскольку длина МГ составляет примерно 18 мм у 7-недельных крыс, электроды должны быть размещены вокруг центра мышцы с шагом около 5 мм, чтобы свести к минимуму повреждение мышц и обеспечить точные измерения ЭМГ. Рекомендуется, чтобы длина провода, проникающего в мышцу, превышала 5 мм, чтобы часть со снятой изоляцией находилась в хорошем контакте с мышцей. - Направьте проволоку, которая прошла через мышцу и вышла из нее, обратно к точке введения и закрепите ее верхним узлом. Обрежьте оставшийся провод (рисунок 4E).
- После установки проволочного электрода в целевую мышцу зашить место разреза монофиламентным швом 4-0 .
- Зашить разрез под коннектором. Убедитесь, что вся проволока вставлена в тело и надежно зашита (Рисунок 5A).
- Закрепите соединитель на спинной коже животного с помощью шовной нити, как показано на рисунке Рисунок 5B.
ПРИМЕЧАНИЕ: Убедитесь, что щиток надежно закреплен, чтобы животное не могло грызть разъем. Для обезболивания подкожно вводили Карпрофен (5 мг/кг). - После завершения хирургической операции прекратите анестезию и подготовьте клетку для выздоровления животного.
- Включите тепловую лампу, чтобы предотвратить падение температуры тела животного, и следите за местом операции на предмет любых отклонений, таких как признаки инфекции, воспаления или отека. Тщательно продезинфицируйте место разреза и при необходимости нанесите мазь. Как только крыса оправится от анестезии, снимите тепловую лампу.
- Следите за поведением крысы, включая аппетит, питье и мочеиспускание.
ПРИМЕЧАНИЕ: После операции дайте животному отдохнуть около 2 дней, прежде чем проводить какие-либо тесты.
4. Проектирование и изготовление печатных плат (PCB)
- Спроектируйте схему для измерения и оцифровки ЭМГ, которая будет включать в себя две интегральные схемы аналогового усилителя (ИС) и микроконтроллер (MCU). Убедитесь, что усилитель имеет полосу пропускания от 5 до 740 Гц и коэффициент усиления 1300 В/В.<бр/> ПРИМЕЧАНИЕ: При необходимости измените усиление усилителя и ширину полосы пропускания в соответствии с конкретными требованиями животного18.
- Включите встроенный модуль Bluetooth в микроконтроллер для беспроводной связи для передачи измеренных данных на хост-устройство. Для эксперимента использовалась чиповая антенна, работающая на частоте 2,4 ГГц.
- Для этого исследования используйте перезаряжаемую литий-полимерную батарею 3,7 В вместе со специальной микросхемой управления питанием.
- Изготовьте печатную плату для указанных выше микросхем на подложке FR4. Создавайте печатную плату в различных формах в соответствии с конкретными требованиями. Обратитесь к дополнительному рисунку 1, дополнительному рисунку 2 и дополнительному рисунку 3.
- Заселяйте электронные компоненты на печатную плату либо пайкой, либо с помощью термофена.
5. Настройка программного обеспечения
- микропрограммное обеспечение
- Подготовьте микропрограммное обеспечение (файл дополнительного кодирования 1) для настройки 2-канального АЦП с 8-битным разрешением и частотой дискретизации 2 kSPs. Отформатируйте преобразованные в цифровом виде данные в массив и передайте его через Bluetooth Low Energy (BLE) с помощью специального инструмента разработки программного обеспечения.
- Загрузите встроенное ПО в микроконтроллер перед развертыванием.
- Программа мониторинга в режиме реального времени
- Подготовьте программу для построения графиков данных, полученных через BLE в режиме реального времени. Для этого исследования было разработано приложение для построения графиков на основе Python, которое также хранит необработанные данные в указанном месте (Supplementary Coding File 2).
ПРИМЕЧАНИЕ: Система может испытывать задержку буфера выборки не более 50 мс и задержку беспроводной связи примерно 10 мс19,20.
- Подготовьте программу для построения графиков данных, полученных через BLE в режиме реального времени. Для этого исследования было разработано приложение для построения графиков на основе Python, которое также хранит необработанные данные в указанном месте (Supplementary Coding File 2).
6. Тест на беговой дорожке
- Подключите аккумулятор к подготовленной цепи и прикрепите печатную плату к разъему, как показано на рисунке Рисунок 6A.
- Запустите программу мониторинга на ПК и установите беспроводное соединение с печатной платой схемы.
- Поместите крысу на беговую дорожку и следите за формой волны ЭМГ. Для этого исследования беговая дорожка настроена на скорость 25 м/мин (Рисунок 6B).
7. Анализ данных
- Загрузите данные ЭМГ, хранящиеся в файле . Формат CSV.
- Применение методов обработки сигналов для устранения нежелательных шумов и сигналов помех.
ПРИМЕЧАНИЕ: Обнаружение огибающей и спектральный анализ могут быть дополнительно выполнены для анализа мышечной усталости и симметрии двигательной активности.
Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.
Результаты
В данном исследовании представлен простой беспроводной метод регистрации ЭМГ. Несмотря на необходимость хирургического вмешательства, надрез делается только в области введения электродов и фиксации коннектора, что значительно снижает нагрузку на животное. В данной демонстрации электроды были введены в нижние конечности, однако с помощью того же метода можно проводить аналогичные электрофизиологические исследования и в других областях. Этот подход дает преимущество в виде непрерывного изме...
Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.
Обсуждение
В этой работе представлена система сбора данных с помощью электромиографии (ЭМГ), которая является небольшой, простой в внедрении, недорогой и беспроводной. Система эффективно предотвращает ухудшение сигнала, вызванное кабелями, поскольку она не зависит от проводного внешнего измерительного оборудования. Благодаря установке коннектора на спине, а не на голове, хирургический процесс значительно упрощается, что снижает риск осложнений. Такая конфигурация также сводит к минимуму вероятность столкновения платформы с боковыми...
Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.
Раскрытие информации
У всех авторов нет конфликта интересов.
Благодарности
Это исследование было профинансировано Национальным исследовательским фондом Кореи (NRF-2020M3A9E4104385) и Проектом по разработке наномедицинских устройств Национального нано-фаб-центра (номер гранта: 1711160154).
Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.
Материалы
| Имя | Компания | Каталожный номер | Комментарии |
|---|---|---|---|
| Никелевая пластина толщиной 0,2 мм | Любая доступная | ||
| нить для 3D-печати | кубикон | A-100 | |
| 7-недельной давности RAT | JABIO | SD (DBL) [7W M] | |
| Клей | Оконг | 1028453 | для крепления щита |
| ANT1 | Johanson Technology Inc. | 2450AT07A0100001T | |
| C1, C15, C16, C20 | Vishay | 1n | 0201(0603)metric |
| C10, C13 | Vishay | 100p | 0201(0603)metric |
| C11, C12 | Vishay | 4p | 0201(0603)metric |
| C14, C19 | Vishay | 0.39n | 0201(0603)metric |
| C2, C17 | Vishay | 22n | 0201(0603)metric |
| C3, C5, C6 | Vishay | 0.1u | 0201(0603)metric |
| C4, C18 | Vishay | 2.2u | 0201(0603)metric |
| C7 | Vishay | 4.7u | 0402(1005)metric |
| C8, C21 | Vishay | 1u | 0201(0603)metric |
| C9 Vishay | 1p | 0201(0603)metric | |
| Cage | JEUNG DO B& P | JD-C-02 | |
| Чистая ткань | kimberly | 41112 | |
| Соединительная принадлежность | Harwin | M20-1060400 | Пластиковый корпус |
| Соединительная принадлежность | Harwin | M20-1180042 | Металлическая деталь |
| Электрическая машинка для стрижки волос | Buzz | RFC-928 | |
| Тепловой фен | QUICK | 861DW | |
| IC1, IC3 | Analog Device | AD8232 | Для измерения ЭМГ AFE |
| IC2 | Nordic semiconductor | nRF52832-CIAA | |
| Isoflurane | Hana Pharm | 657801261 | |
| L1 | Vishay | 3.3n | 0201(0603)метрический |
| Li-po аккумулятор | TheHan | TW402025 | 13 мм *10 мм * 4 мм, 30 мАч |
| Контактный разъем | Harwin | M22-2530505 | |
| R1, R2, R9, R10, R13, R14, R21, R22 | Vishay | 10M | 0201(0603)metric |
| R11, R23 | Vishay | 100k | 0201(0603)metric |
| R12, R24 | Vishay | 1M | 0201(0603)metric |
| R3, R4, R5, R7, R15, R16, R17, R19 | Vishay | 180k | 0201(0603)metric |
| R6, R18 | Vishay | 160k | 0201(0603)metric |
| R8, R20 | Vishay | 768k | 0201(0603)метрическая |
| проволока для припоя | Alpha металлическая | SACX0307 | |
| Паяльник | Hakko | FX-951 | |
| Проволока из нержавеющей стали с покрытием из тефлона | A-M Systems | 793200 | |
| Игла для наложения швов | AILEE | 301289 | |
| Шовная проволока | Ethicon | 604G | |
| Беговая дорожка | Daejong Bio | DJ2-243 | |
| U1 | Torex Semiconductor | XC6204B332DR-G | |
| Y1 | Murata Electronics | XRCTD32M000N1P1AR0 |
Ссылки
- 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).
Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.
Перепечатки и разрешения
