Summary
여기에 제시된 방법은 신생아 돼지 모델에서 상아 신경총에 생체 생체 역학 테스트를 수행하는 방법이다.
Abstract
신생아 상궁 신경총 마비 (NBPP)는 목과 어깨 부위에 위치한 신경 복합체에서 출생 과정에서 발생하는 스트레칭 부상으로, 총칭하여 상근 신경총 (BP)이라고 합니다. 산과 진료의 최근 발전에도 불구하고, NBPP의 문제는 1,000명의 살아있는 출생 당 1.5케이스의 부각을 가진 세계적인 건강 부담이 계속됩니다. 이 부상의 더 가혹한 모형은 아래로 어깨에서 팔의 영원한 마비를 일으키는 원인이 될 수 있습니다. NBPP의 예방 및 치료는 스트레칭을 실시 할 때 신생아 BP 신경의 생체 역학 및 생리적 반응에 대한 이해를 보증합니다. 신생아 BP의 현재 지식은 생체 내 신생아 BP 조직 대신 성인 동물 또는 시체 BP 조직으로부터 추정된다. 본 연구는 신생아 돼지에서 생체 생체 역학 테스트를 수행하는 생체 내 기계 적 테스트 장치 및 절차를 설명합니다. 이 장치는 클램프, 액추에이터, 로드 셀 및 카메라 시스템으로 구성되어 있으며, 이 시스템은 고장때까지 생체 내 균주와 부하를 적용하고 모니터링합니다. 또한 카메라 시스템을 통해 파열 시 고장 위치를 모니터링할 수 있습니다. 전반적으로, 제시된 방법은 스트레칭을 실시할 때 신생아 BP의 상세한 생체 역학적 특성화를 허용한다.
Introduction
최근 산부인과의 발전에도 불구하고, BP 복합체에 대한 스트레치 부상으로 인한 NBPP의 문제는 1,000명당 1.5건의 발생률을 보이고 있는 세계적인 건강 부담으로 계속되고 있다1,2. 관련 위험 인자는 모성 (즉, 과도한 체중, 모계 당뇨병, 자궁 이상, BP 마비의 역사), 태아 (즉, 태아 거시 증) 또는 출생 관련 (즉, 어깨 이형성증, 장기간 노동, 집게 또는 진공 추출기로 보조 전달, 포지통 프리젠 테이션3)일수 있습니다. 이러한 합병증은 특정 상황에서 피할 수 없지만, NBPP의 예방 및 치료는 스트레칭을 실시 할 때 신생아 BP의 생체 역학 및 생리적 반응에 대한 이해를 보증합니다.
BP에 대한 보고된 생체역학 연구는 성인 동물 및 인간 시체 조직을 사용했으며4, 5,6,7,8,9,10,11,12,13,14,15를나타내고 있다. 복잡한 BP 조직의 생체 역학적 특성의 임상적 관련성은 신생아 동물 모델뿐만 아니라 생체 내 생체 역학 적 테스트 접근법을 보증합니다. 또한 복잡한 실제 전달 시나리오에서 BP 스트레치 손상을 연구하는 데 한계가 있어 다양한 전달 합병증 및 기술의 효과를 조사할 수 있는 방법을 제공하는 컴퓨터 모델에 대한 의존도가 높아집니다. 이 모형의 임상 관련성에 열쇠는 그들의 biofidelity (인간 같이 반응)입니다. Gonik 외16 및 Grimm 외17에 의해 유효한 계산 모델은 토끼 및 쥐 신경 조직에 의존하지만 신생아 BP 조직은 아닙니다. 임상적으로 관련된 신생아 동물 모델에서 생체 역학 테스트를 수행하면 사용할 수 없는 신생아 BP 데이터의 중요한 격차를 메울 수 있습니다.
현재 연구는 3-5 일 오래 된 남성 요크셔 신생아 돼지에서 생체 역학 테스트를 수행 하기 위해 생체 기계 테스트 장치 및 절차를 설명 합니다. 이 장치는 클램프, 액추에이터, 로드 셀 및 카메라 시스템으로 구성되어 있으며, 고장 시 생체 내 균주와 부하를 적용하고 모니터링합니다. 또한 카메라 시스템을 통해 파열 시 고장 위치를 모니터링할 수 있습니다. 전반적으로, 이 시스템은 스트레칭을 실시할 때 신생아 BP의 상세한 생체 역학 적 특성을 허용하여 생체 내 기계적 고장에 대한 BP의 임계 균주와 응력을 제공합니다. 얻어진 데이터는 NBPP와 관련된 전달 시나리오에서 BP 스트레치에 대한 외인성 및 내인성 힘의 효과를 조사하도록 설계된 기존 전산 모델의 인간과 같은 행동(biofidelity)을 더욱 향상시킬 수 있다.
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Protocol
드렉셀 대학의 기관 동물 관리 및 사용위원회는 모든 절차를 승인 (#20704).
1. 동물 도착 및 적응
- 도착 후 적어도 24 시간 동안 1-2 일 된 돼지를 검역하십시오.
- 아스펜 칩 침구에 깨끗하고 살균 된 스테인레스 스틸 케이지 (36 in x 48 x 36 인치)의 집 돼지를 돼지 우유 대체장치로 광고 libitum에 공급하십시오.
- 열 중성 환경을 보장하기 위해 85 °F에서 실온을 유지하십시오.
2. 실험의 날
- 실험 전에 2시간 동안 사료를 제거한다.
- 케타민 (10-40 mg /kg)/자일라진 (1.5-3.0 mg/kg IM)의 근육 내 주사와 돼지를 주입하고 수술 공간으로 수송 케이지를 통해 수송.
3. 마취의 유도 및 유지 보수
- 코콘에 의해 산소에 혼합된 4% 이소플루란 흡입 마취제를 투여하고, 동물이 팔피브랄 및 금단 반사의 부재를 평가하여 깊은 마취를 하고 있는지 확인한다.
- 동물을 척추 위치에 배치하여 삽관을 하고 후두경(직선 블레이드)을 사용하여 삽관 튜브(직경 2.5-2 mm)를 기관으로 안내합니다.
- 삽관이 고정되면 인공호흡기에 동물을 놓습니다.
- 돼지가 이소플루란(0.25%-3% 유지 보수), 산소 및 아산화질소를 혼합하여 받는지 확인하십시오.
- 펜타닐 (10 μg/kg)의 복용량을 제공하고 진통과 침전의 지속적인 적절한 깊이를 보장하고 endotracheal 튜브의 소멸위험을 감수할 수 있는 운동 유물을 피하기 위해 매 1-2 시간마다 복용량을 계속 제공합니다.
- 피하 복부 정맥 또는 다른 말초 정맥에서 정맥 (IV) 접근을 확립하십시오.
- 대퇴 동맥을 통해 동맥 라인을 설정합니다. 이것은 비침습적으로 또는 컷다운을 수행하여 행해질 수 있다.
4. 모니터링 및 관리
- 발가락 핀치에 대한 탄환 반사및 철수 반응의 부재를 확인하여 마취의 깊이를 모니터링하십시오.
- 동맥 혈압, 심전도(ECG), 말단 CO2,맥박 산소 측정 및 체온을 포함하는 마취 중 및 실험 전반에 걸쳐 생리학적 매개 변수를 지속적으로 모니터링합니다.
- 혈액 가스와 혈당을 0.5-1 시간마다 모니터링하고 정맥 유체 (50 % 덱스트로오스 및 50 % 정상 식염수)를 필요에 따라 ~ 100 cc / kg / 일에서 1 시간 이상 마취한 동물에게 유글리세미아를 보장하십시오.
- 동물의 마취면을 면밀하고 자주 모니터링하십시오. 진통을 제공 및 / 또는 흡입 성 마취를 증가.
- 노르목증을 보장하기 위해 필요에 따라 인공호흡기 파라미터와 약물 투여량을 조절하여 동물을 정상 산소 장력으로 유지한 다음, 동물을 온도 조절식 순환물 담요에 놓아 정상적인 체온이 39°C에서 유지되도록 합니다. 실험 기간 동안.
5. 상반된 신경총 수술
- 제 3 항에 설명된 대로 적절한 마취 후 수술대에 동물을 놓고 위쪽 사지를 납치하여 축 영역을 노출시하십시오.
- 동물을 덮기 위해 수술용 드레이프를 사용하십시오. 깨끗하지만 멸균되지 않은 기술을 사용하십시오.
- 피부 위에 중간 선 절개 (#10 블레이드를 사용 하 여) 하 고 기관 위에 근 막 하 게 하 여 척추의 양쪽에 상완 신경총 복합체를 노출, 흉골의 상단 3 분의 1까지, C3-T3 사이 척추 수준에 해당.
- 포셉을 사용하여 절개를 추정하고 쇄골의 가장자리를 따라 상완에 초원 노치에서 각 측면에 수평으로 절개를, 두개질과 바실 정맥을 절약하면서.
- 가위와 집게를 사용하여 무딘 해부에 의해 우수하고 열등한 플랩을 방출하여 상완 신경총의 자궁 경부 및 흉부 부위에 각각 접근 할 수 있습니다.
- T1에서 축(C2) 및 첫 번째 리브를 식별합니다. 이러한 랜드마크를 사용하여 아래 쪽 3개의 자궁 경부(C6-C8) 및 첫 번째 흉부(T1) 척추 포멘을 식별한 다음 신경총(M 모양)의 분기를 신중하게 검사하여 노출을 달성합니다.
- 라벨 (신경 루프를 사용하여) 뿌리 / 트렁크로 척추에 가까운 이러한 분기 위의 상완 신경총 영역을 표시하고 팔에 가까운 에있는 신경 다음에 코드로 이러한 분기 아래에 라벨.
6. 생체 기계 적 테스트
- 생체 기계 테스트 장치 설치
참고: 맞춤형 기계식 테스트 장치는 BP의 생체 내 스트레치를 수행하도록 설계 및 제작되었습니다(그림1).- 셋업의 베이스를 카트에 부착합니다.
- 대형 C-클램프를 사용하여 전기 기계식 액추에이터를 베이스에 부착합니다. 액추에이터는 150lb의 힘, 10"스트로크 및 15mm/s의 속도를 제공할 수 있습니다. 속도를 0.2mm/s로 줄일 수 있으며 원하는 대로 작동합니다.
- 액추에이터에 200N 로드 셀을 부착합니다.
- 패딩플렉시글라스로 구성된 로드 셀에 클램프를 부착(나사로 연결)하여 클램핑 부위의 응력 집중을 방지합니다.
- 카메라를 삼각대에 부착합니다. 카메라가 658 x 4926 픽셀 해상도로 최대 120f/s까지 녹화할 수 있는지 확인합니다.
- 카메라, 액추에이터 및 로드 셀의 USB 케이블을 컴퓨터에 연결하여 설정의 모든 구성 요소를 통합하고 동기화합니다.
- 컴퓨터, 액추에이터 및 로드 셀을 전원에 연결합니다.
- 적용된 하중을 기록하기 전에 로드 셀을 교정합니다. 이렇게 하려면 아래 단계를 수행하십시오.
- 조정 가능한 핸들을 사용하여 액추에이터를 90° 각도로 설정하고 각도로 각도를 확인합니다.
- 로드셀(재료 표)과함께 작동하는 소프트웨어를 엽니다. 시작 버튼을 눌러 전압의 실시간 판독을 표시합니다.
- 설정에서 100g 단위로 0-1,000g에 이르는 클램프의 중량을 걸고 측정된 전압을 기록합니다.
- 경사(m)와 절편(b)을 찾아 전압 및 가중치의 선형 방정식을 계산합니다. 이 작업은 스프레드시트 프로그램과 포함된 경사 함수를 사용하여 아래 방정식 1에서 b를 계산합니다. 아래 그림과 같은 방정식 2를 기계식 설정 코드에 삽입합니다.
방정식 1: b = y - mx
위치: y는 가중치이고, x는 전압이고, m은 경사이며, b는 절편(상수)입니다.
방정식 2: y = mx + b
위치: y는 가중치이고, x는 전압이고, m은 경사, b는 상수입니다.
- 테스트: BP 신경을 절단하고 맞춤형 클램프로 테스트 셋업에 고정합니다.
- 미세 가위를 사용하여 BP 신경을 잘라.
- 그림 1과같이 사용자 정의 빌드 클램프에서 BP 신경의 절단 면을 고정합니다.
- 블랙 아크릴 페인트 또는 인도 잉크를 고정 된 BP 세그먼트에 수동으로 배치하십시오(그림 2).
- 데이터 분석을 위한 배율을 설정하기 위해 동물 내에 평평한 1cm 눈금자인 교정 그리드를 배치합니다.
- 카메라의 소프트웨어를 사용하여 테스트된 세그먼트 위에 카메라의 위치를 직접 볼 수 있으므로 마커의 움직임/변위를 모니터링하고 언제든지 실제 조직 변형을 결정할 수 있습니다.
- 신경이 테이블에서 신체에 삽입되는 높이와 테이블에서 클램프의 높이, 액추에이터의 각도 및 조직의 전체 길이와 같은 초기 측정값을 기록합니다.
- 프로그래밍 소프트웨어를 엽니다(그림 3과같이 그래픽 사용자 인터페이스[GUI]를 포함하는 표).
- 실행 버튼을 눌러 GUI를 실행합니다.
- 초기화 버튼을 눌러 시스템을 초기화합니다.
- 테어 버튼을 눌러 시스템을 타리.
- 시작 테스트 버튼을 눌러 BP 세그먼트를 늘입니다. 이것은 BP의 어떤 세그먼트든지에서 완전한 실패가 일어날 때까지 500 mm/min의 할당된 비율로 조직을 당깁니다. 이 스트레치 속도는 사용 가능한 문헌4,8,18에기초하여 선택된다. 이 프로그램은 또한 비디오 파일, 적용 된 인장 부하, 조직의 변위 및 테스트 기간을 저장합니다.
- 조직이 파열되는 지점인 실패 부위를 기록하십시오.
- 안락사: 펜토바르비탈(120 mg/kg i.v.)의 치명적인 용량으로 실험이 끝날 때 새끼 돼지를 안락사시.
- 데이터 분석: 테스트 중에 획득한 비디오를 분석하기 위해 모션 추적 소프트웨어를 사용합니다.
- 파일 | 을 선택하여 모션 추적 소프트웨어 내에서 실험에서 비디오 파일을 엽니 다 비디오 파일 을 엽니다.
- 캘리브레이션 그리드를 사용하여 라인 도구를 사용하여 모션 추적 소프트웨어의 배율을 설정하고, 선을 그린 후 마우스 오른쪽 단추로 클릭하고, 측정 보정을선택하고, 센티미터 단위로 알려진 값을 입력합니다(그림4).
- 비디오 오른쪽 단추를 클릭하고 트랙 경로를 선택하고 마커의 중심을 조직의 마커와 정렬하고 파열 될 때까지 태킹하여 모션 추적 소프트웨어 내의 조직에 마커를 추적합니다.
- 변형을 계산하는 데 사용할 수 있도록 스프레드시트로 파일 내보내기를 선택하여 마커에서 x-및 y 좌표를 내보냅니다.
- 시간 동안 x-좌표와 y 좌표 사이의 거리를 계산하여 균주를 계산하기 위해 데이터를 프로그래밍 소프트웨어로 가져옵니다.
- 스트레치 중 경사도 변경을 고려한 후 거리 변화를 원래 거리로 나누어 각 시점에서 변형 값을 계산합니다. 실제 변형값은 각 시점에서 인접한 마커의 각 쌍 간에 결정됩니다. 이 균주의 평균도 계산됩니다.
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Representative Results
BP 신경총의 4개 세그먼트의 대표적인 로드 타임 플롯과 변형(4개의 마커 사이)은 그림 5와 그림 6에각각 표시됩니다. 35% 평균 고장 변형률에서 8.3 N의 획득된 고장 하중은 스트레칭을 실시할 때 신생아 BP의 생체 역학 적 반응을 보고합니다. 신경의 몇몇 지구는 신경의 길이를 따라 불균일한 상해를 나타내는 그 외 보다는 더 높은 긴장을 겪습니다. 카메라 데이터를 통해 실패 위치를 포어맨에게 보고할 수 있습니다.
그림 1: 액추에이터, 로드 셀 및 클램프를 포함한 생체 내 기계 테스트 장치의 세부 정보입니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
그림 2: 스트레칭 동안 조직에 의해 지속되는 균주를 기록하기 위해 BP 세그먼트 위에 놓인 마커. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
그림 3: 그래픽 사용자 인터페이스를 사용하여 데이터를 수집하기 위한 단계입니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
그림 4: 마커 추적 및 변형률 분석 세부 정보. AVI 형식으로 저장된 테스트 비디오는 추적 소프트웨어에서 가져옵니다. 각 마커와 첫 번째 마커와 마지막 마커 사이의 변형은 상세히 얻어진다. 마커 균주의 평균은 실패 균주를보고하는 데 사용됩니다. 세 개의 마커와 계산된 평균 변형 시간 플롯이 있는 신경 스트레치의 예가 여기에 표시되며, 43%의 실패 변형이 보고됩니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
그림 5: 장애 발생 시 보고된 최대 부하입니다. 액추에이터에 부착된 로드 셀은 스트레치 중에 로드 데이터를 수집합니다. 데이터는 그림과 같이 로드 타임 플롯을 가져오는 데 사용됩니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
그림 6: 긴장은 뻗은 신경총의 4개의 다른 세그먼트에서 보고되었습니다. 균주는 각 마커 사이에 계산되며 네 개의 세그먼트(두 개의 인접한 마커 각각 사이)에서 얻은 평균 균주와 비교됩니다. 신경의 몇몇 지구는 신경의 길이를 따라 불균일한 상해를 나타내는 그 외 및 평균 긴장 보다는 더 높은 긴장을 겪습니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
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Discussion
BP 조직에 스트레치의 생체 역학 적 반응에 사용할 수 있는 문헌은 방법론적불일치뿐만 아니라 광범위한 임계값4,6,8,18,19,20,21,22,23을나타낸다. 발표된 결과의 변화는 조직 처리의 차이(예를 들어, 고정된 조직과 고정되지 않은 조직), 신장 측정의 방법론적 차이 및 사용된 종의 차이 때문일 수 있습니다. 더욱이, 이 데이터는 신생아가 아닌 성인 동물 또는 인간 시체에서 얻어진다. 윤리적 인 이유로 인해 살아있는 인간 신생아로부터 기계적 데이터를 얻는 것이 어려워지므로 인간과 해부학적 유사성을 가진 대형 동물 모델이 대신 사용될 수 있습니다. 새끼 돼지는 이미 BP 관련연구에서사용된 동물 모델로서6,24.
제안된 방법 및 설정은 큰 동물 모델에서 신생아 BP의 생체 역학 적 반응을 측정할 수 있게 하여 BP 스트레치 동안 부상 메커니즘에 대한 이해를 제공합니다. 테스트 프로토콜과 설정은 견고하지만 몇 가지 제한 사항(예: 기계 테스트 중 발생하는 미끄러짐, 테스트 중 마커 가시성 손실, 고장 이 발생할 때까지 테스트 시 전신의 움직임)을 제공합니다. 테스트 중에 미끄러짐이 발생하지만 적절한 클램핑을 보장하면 미끄러짐을 최소화할 수 있습니다. 패딩을 추가하면 조직을 더욱 안전하게 보호하고 미끄러짐을 방지할 수 있습니다. 필요에 따라 클램프를 다른 유형의 클램프로 쉽게 대체할 수도 있습니다. 마커 가시성의 손실은 2 % 미만의 경우에 발생하며 피할 수 없습니다. 테스트 하는 동안 동물 몸통을 고정 해야 할 수 있습니다 보안 장비. 설정은 카메라 시스템을 통해 삽입 움직임을 추적 할 수 있기 때문에, 그것은 테스트 하는 동안 어떤 동물의 움직임을 설명합니다. 시스템의 또 다른 제한은 별도의 프로그램을 통해 카메라 뷰를 실시간으로 제공하므로 테스트 중에 라이브 카메라 보기를 제한할 수 있다는 것입니다. 이는 현재 테스트를 실행하는 데 사용되는 프로그램에 라이브 카메라 뷰를 통합하여 나중에 개선할 수 있습니다.
요약하면, NBPP는 많은 개인에 대한 평생 후유증과 상당한 부상이다. 불행히도, 지난 3 년 동안 산부인과 의사의 기술 개발 및 교육이 증가했음에도 불구하고 발생률이 감소하지 않았습니다. 발생감소의 부족은 NBPP의 발생을 최소화하는 예방 전략 개발의 한계에 직접적으로 기인할 수 있다. 모든 수준에서 부상 메커니즘에 대한 상세한 이해(즉, 기계적, 기능적, 조직학적)가 제공될 때까지 예방 전략을 탐색할 수 없습니다. 현재까지 신생아 대형 동물 모델에서 생체 내 BP 균주를 측정하는 방법이 보고되지 않았으며, 현재 연구는 신생아 BP 조직 포스트 스트레칭의 생리적 및 기능적 변화를 더 탐구하는 프로토콜을 제공하는 최초의 치료법이다. 다양한 균주에서 테스트를 수행함으로써 신생아 상반신 신경총의 기능적 및 구조적 부상에 대한 상해 임계 값을보고 할 수 있습니다.
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Disclosures
저자는 공개 할 것이 없다.
Acknowledgments
이 간행물에 보고된 연구는 유니스 케네디 슈리버 국립 아동 건강 및 인간 개발 의 국가 학회 에 의해 지원되었다 수상 번호 R15HD093024 및 국립 과학 재단 경력 상에 의해 번호 1752513.
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| Omega Subminature Tension & Compression Load Cell | Omega | LCM201-200N | 200N load cell |
| Basler acA640-120uc camera | Basler | acA640-120uc | |
| Feedback Linear Actuator | Progressive Automations | PA-14P | 10" stroke, 150lb force, 15mm/s speed |
| Motion Tracking Software | Kinovea | N/A | Open Source |
| Proramming Software - MATLAB | Mathworks | N/A | version 2018A |
| Surgical instruments | |||
| Forceps | Fine Science Tools Inc | 11006-12 and 11027-12 or 11506-12 | |
| Hemostats | Fine Science Tools Inc | 13009-12 | |
| Scissors | Fine Science Tools Inc | 14094-11 or 14060-09 |
References
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