Summary
Эта рукопись представляет собой инновационный метод разработки биологического периферического нервного интерфейса, называемого регенеративным интерфейсом периферических нервов мышечной манжеты (MC-RPNI). Эта хирургическая конструкция может усиливать связанные с ней двигательные эфферентные сигналы периферического нерва, чтобы облегчить точное обнаружение двигательного намерения и потенциальное управление устройствами экзоскелета.
Abstract
Роботизированные экзоскелеты получили недавнее признание в области реабилитационной медицины как многообещающая модальность функционального восстановления для людей со слабостью конечностей. Тем не менее, их использование по-прежнему в значительной степени ограничивается научно-исследовательскими институтами, часто действующими в качестве средства статической поддержки конечностей, поскольку методы обнаружения двигателей остаются ненадежными. Периферические нервные интерфейсы возникли в качестве потенциального решения этого недостатка; однако из-за их по своей сути небольших амплитуд эти сигналы может быть трудно отличить от фонового шума, что снижает их общую точность обнаружения двигателя. Поскольку современные интерфейсы полагаются на абиотические материалы, разрушение присущего материала может происходить вместе с реакцией ткани инородного тела с течением времени, что еще больше влияет на их точность. Регенеративный интерфейс периферических нервов мышечной манжеты (MC-RPNI) был разработан для преодоления этих отмеченных осложнений. Состоящая из сегмента свободного мышечного трансплантата, закрепленного по окружности к неповрежденному периферическому нерву, конструкция регенерируется и со временем реиннервируется содержащимся нервом. У крыс эта конструкция продемонстрировала способность усиливать потенциалы двигательного эфферентного действия периферического нерва до 100 раз больше нормального значения за счет генерации сложных потенциалов мышечного действия (CMAP). Такое усиление сигнала облегчает высокоточное определение намерения двигателя, потенциально обеспечивая надежное использование экзоскелетных устройств.
Introduction
Только в Соединенных Штатах около 130 миллионов человек страдают от нервно-мышечных и опорно-двигательных расстройств, что приводит к ежегодному экономическому воздействию более 800 миллиардов долларовСША 1,2. Эта группа расстройств, как правило, вторична по отношению к патологии в нервной системе, в нервно-мышечном соединении или в самой мышце3. Несмотря на разнообразие патологического происхождения, большинство разделяют некоторую степень слабости конечностей 1,3. К сожалению, эта слабость часто носит постоянный характер, учитывая ограничения в регенерации нервной и мышечной тканей, особенно в условиях тяжелой травмы 4,5,6.
Алгоритмы лечения слабости конечностей классически сосредоточены на реабилитационных и поддерживающих мерах, часто полагаясь на использование возможностей оставшихся неповрежденных конечностей (трости, инвалидные коляски и т. Д.). 7. Однако эта стратегия не подходит для тех, чья слабость не ограничивается одной конечностью. Благодаря недавним инновациям в роботизированных технологиях были разработаны передовые устройства экзоскелета, которые восстанавливают функциональность конечностей для тех, кто живет со слабостью конечностей 8,9,10,11,12,13. Эти роботизированные экзоскелеты часто представляют собой носимые устройства, которые могут помочь с инициированием и прекращением движения или поддержанием положения конечностей, обеспечивая различное количество силы, которая может быть индивидуально адаптирована для пользователя 8,9,10,11,12,13 . Эти устройства классифицируются как пассивные или активные в зависимости от того, как они обеспечивают двигательную помощь пользователю: активные устройства содержат электрические приводы, которые увеличивают мощность пользователя, тогда как пассивные устройства хранят энергию от движений пользователя, чтобы выпустить ее обратно пользователю, когда это необходимо14. Поскольку активные устройства имеют возможность увеличить энергетические возможности пользователя, эти устройства используются гораздо чаще в условиях слабости конечностей[14].
Чтобы определить двигательное намерение в этой популяции, современные экзоскелеты обычно полагаются на алгоритмы распознавания образов, генерируемые либо электромиографией (ЭМГ) мышц дистальных конечностей 8,15,16,17, либо поверхностной электроэнцефалографией (sEEG) мозга 18,19,20 . Несмотря на перспективность этих методов обнаружения, оба варианта имеют значительные ограничения, которые исключают широкое использование этих устройств. Поскольку sEEG обнаруживает сигналы микровольтного уровня транскраниально 18,19,20, критика часто фокусируется на неспособности дифференцировать эти сигналы от фонового шума 21. Когда фоновый шум аналогичен желаемому сигналу записи, это приводит к низкому соотношению сигнал/шум (SNR), что приводит к неточному обнаружению и классификации двигателя22,23. Точное обнаружение сигнала дополнительно опирается на стабильный контакт21 с низкоимпедансной кожей головы, на который может существенно повлиять наличие грубых/густых волос, активность пользователя и даже потоотделение22,24. Напротив, сигналы ЭМГ на несколько величин больше по амплитуде, что способствует большей точности обнаружения сигнала двигателя 15,18,25. Однако это обходится дорого, так как близлежащие мышцы могут загрязнять сигнал, уменьшая степень свободы, которую можно контролировать с помощью устройства 16,17,25 и неспособность обнаруживать глубокие движения мышц 25,26,27,28. Самое главное, что ЭМГ не может быть использована в качестве метода контроля при значительном мышечном компромиссе и полном отсутствии ткани29.
Чтобы продвинуть разработку роботизированных экзоскелетов, требуется последовательное и точное обнаружение двигательного намерения предполагаемого пользователя. Интерфейсы, использующие периферическую нервную систему, возникли как перспективный интерфейсный метод, учитывая их относительно простой доступ и функциональную селективность. Современные методы сопряжения периферических нервов могут быть инвазивными или неинвазивными и обычно подпадают под одну из трех категорий: экстранейральные электроды 30,31,32,33, внутрифасцикулярные электроды 34,35,36 и проникающие электроды 37,38,39,40 . Поскольку сигналы периферических нервов, как правило, находятся на уровне микровольт, может быть трудно дифференцировать эти сигналы от аналогичной амплитуды фонового шума 41,42, что снижает общую точность обнаружения двигателя интерфейса. Эти низкие соотношения сигнал/шум (SNR) часто ухудшаются с течением времени вторично по отношению к ухудшению импедансаэлектрода 43, вызванного либо деградацией устройства39,43, либо местной реакцией инородного тела, приводящей к образованию рубцовой ткани вокруг устройства и/или локальной аксональной дегенерацией37,44. Хотя эти недостатки, как правило, могут быть устранены путем повторной операции и имплантации нового периферического нервного интерфейса, это не является жизнеспособным долгосрочным решением, поскольку реакции, связанные с инородными телами, будут продолжать происходить.
Чтобы избежать этих местных тканевых реакций, возникающих в результате взаимодействия периферических нервов с абиотическими интерфейсами, необходим интерфейс, включающий биологический компонент. Чтобы устранить этот недостаток, был разработан регенеративный интерфейс периферических нервов (RPNI) для интеграции трансективных периферических нервов в остаточные конечности пациентов с ампутациями с помощью протезных устройств 45,46,47,48. Изготовление RPNI включает хирургическую имплантацию трансектированного периферического нерва в сегмент аутологичного свободного мышечного трансплантата, с реваскуляризацией, регенерацией и реиннервацией, происходящими с течением времени. Благодаря генерации потенциалов мышечного действия на милли-вольтовом уровне (CPAP) RPNI способен усиливать сигнал микровольтового уровня своего внутреннего нерва на несколько величин, что облегчает точное обнаружениедвигательного намерения 45,48,49. За последнее десятилетие произошло значительное развитие RPNI, с заметным успехом в усилении и передаче эфферентных сигналов двигательного нерва как в испытаниях на животных50,51, так и на людях47, что способствовало высокоточному управлению протезным устройством с несколькими степенями свободы.
Люди со слабостью конечностей, но неповрежденными периферическими нервами также выиграют от высокой точности обнаружения двигательного намерения через периферические нервные интерфейсы для управления устройствами экзоскелета. Поскольку RPNI был разработан для интеграции с трансектированными периферическими нервами, например, у лиц с ампутациями, были необходимы хирургические модификации. Основываясь на опыте работы с RPNI, был разработан регенеративный интерфейс периферических нервов мышечной манжеты (MC-RPNI). Состоящий из аналогичного сегмента свободного мышечного трансплантата, как в RPNI, он вместо этого закреплен по окружности к неповрежденному периферическому нерву (рисунок 1). Со временем он регенерируется и реиннервируется через коллатеральное аксональное прорастание, усиливая и переводя эти эфферентные сигналы двигательного нерва в сигналы ЭМГ, которые на несколько порядков больше52. Поскольку MC-RPNI является биологическим по происхождению, он позволяет избежать неизбежной реакции инородного тела, которая возникает с периферическими нервными интерфейсами, используемыми в настоящее время52. Кроме того, MC-RPNI дает возможность контролировать несколько степеней свободы одновременно, поскольку они могут быть размещены на дистально рассеченных нервах отдельных мышц без значительных перекрестных помех, как было ранее продемонстрировано в RPNIs49. Наконец, MC-RPNI может работать независимо от функции дистальных мышц, поскольку он размещается на проксимальном нерве. Учитывая его преимущества перед текущими периферическими нервными интерфейсами, MC-RPNI имеет значительные перспективы для обеспечения безопасного, точного и надежного метода управления экзоскелетом.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
Все процедуры и эксперименты на животных были проведены с одобрения Комитета по институциональному уходу и использованию животных Мичиганского университета (IACUC). Самцы и самки крыс Фишера F344 и Льюиса (~200-300 г) в возрасте 3-6 месяцев чаще всего используются в экспериментах, но теоретически может быть использован любой штамм. При использовании донорских крыс вместо аутологичных мышечных трансплантатов, донорские крысы должны быть изогенными для экспериментального штамма. Крысам предоставляется свободный доступ к пище и воде как до, так и после операции. После оценки конечных точек эвтаназия проводится под глубокой анестезией с внутрисердечной инъекцией хлорида калия с последующим вторичным методом двустороннего пневмоторакса.
1. Экспериментальная подготовка крысы
- Обезболивают подопытную крысу, используя раствор 5% изофлурана в кислороде при 0,8-1,0 л/мин в индукционной камере. Как только адекватная анестезия достигнута и подтверждена отсутствием рефлекса роговицы, поместите крысу на конус носа ребризера с изофлураном, пониженным до 1,75%-2,25% для поддержания анестезии.
- Вводят раствор 0,02-0,03 мл карпрофена (50 мг/мл) в 0,2 мл стерильного физиологического раствора с иглой 27 г в подкожной плоскости между лопатками для пери- и послеоперационной анальгезии.
- Наносите стерильную глазную мазь на оба глаза для предотвращения язв роговицы во время анестезии.
- С помощью электрической бритвы сбрите боковую часть двусторонних нижних конечностей, простирающуюся от тазобедренного сустава, через бедро и до спинную поверхность лапы.
- Стерилизуют хирургический участок, сначала протирая спиртовой прокладкой для приготовления, затем нанеся раствор повидона-йода, заканчивая окончательным очищением новой прокладкой для подготовки спирта для удаления остаточного раствора повидона-йода. Повторите этот чередующийся процесс очищения три раза, чтобы сохранить стерильность.
ПРИМЕЧАНИЕ: Это может быть дерматологическим раздражителем; убедитесь, что большая часть решения удалена.
2. Подготовка мышечного трансплантата
- Поместите крысу на грелку под хирургическим микроскопом с интраоральным датчиком температуры тела для мониторинга температуры тела. Поддерживают изофлуран при 1,75%-2,25% и кислород при 0,8-1,0 л/мин.
- Сделайте продольный разрез вдоль переднего аспекта желаемой донорской задней конечности, простираясь от чуть выше лодыжки до чуть ниже колена скальпелем No 15.
- Рассекните подлежащую подкожную клетчатку с помощью острых ножниц радужной оболочки, чтобы обнажить подлежащую мускулатуру и дистальные сухожилия только проксимально к голеностопному суставу. Tibialis anterior (TA) является самой большой и самой передней из мышц; мышца-разгибатель digitorum longus (EDL) может быть найдена только глубокой и задней частью этой мышцы. Изолируйте мышцу EDL и ее дистальное сухожилие от окружающей мускулатуры.
- Обеспечьте изоляцию правильного сухожилия, вставив оба зубца щипца или ножницы для радужной оболочки под дистальное сухожилие непосредственно проксимально к голеностопному суставу. Оказывайте восходящее давление на сухожилие, открывая либо щипцы, либо ножницы радужной оболочки. Это движение должно привести к одновременному разгибанию всех пальцев ног одновременно. Если происходит изолированное сгибание лодыжки, выворот лодыжки или дорсифлексия одного пальца ноги, было выделено неправильное сухожилие.
- Выполните дистальную тенотомию мышцы EDL на уровне лодыжки острыми ножницами радужной оболочки и рассекните мышцу, свободную от окружающих тканей, работающих проксимально к ее сухожильному происхождению.
- Как только проксимальное сухожилие визуализируется, выполните проксимальную тенотомию, используя острые ножницы радужной оболочки, чтобы освободить трансплантат.
- Обрежьте оба сухожильных конца мышечного трансплантата и обрежьте до нужной длины острыми ножницами радужной оболочки.
ПРИМЕЧАНИЕ: Трансплантаты размером 8-13 мм были использованы с успехом; однако наиболее распространенная используемая длина составляет 10 мм. - С одной стороны мышечного трансплантата сделайте продольный разрез по всей обрезанной длине, чтобы облегчить размещение нерва внутри мышечного трансплантата и обеспечить контакт нерва с эндомизием.
- Поместите подготовленный мышечный трансплантат в увлажненную физиологическим раствором марлю, чтобы предотвратить высыхание тканей.
- Закройте кожу, покрывающую донорский участок, 4-0 хромированным швом в беговом режиме.
3. Общая изоляция малоберцового нерва и подготовка
- Отметьте хирургический разрез, который будет простираться от линии ~5 мм от седалищной выемки, простираясь до чуть ниже коленного сустава. Убедитесь, что эта маркировка уступает бедренной кости, которая может быть пальпирована ниже, и расположена под углом.
- Прорезайте кожу и подкожные ткани вдоль отмеченной линии разреза лезвием No15. Осторожно прорезайте через нижележащую фасцию бицепса бедра, следя за тем, чтобы не распространиться через всю глубину мышцы, так как седалищный нерв лежит чуть ниже.
- Используя маленькие ножницы с тупыми наконечниками или гемостат, тщательно рассекайте бицепсную мышцу бедра.
ПРИМЕЧАНИЕ: Седалищный нерв перемещается в этом пространстве, лежащем в основе бицепса, ориентированного примерно в том же направлении, что и разрез, отмеченный на коже. Есть три заметные ветви седалищного нерва: суральная (самая задняя и самая маленькая из нервов), большеберцовая (обычно самая передняя, но этот нерв всегда погружается глубоко в коленный сустав) и общая малоберцовая (обычно расположенная между большеберцовой и суральной, всегда перемещается выше коленного сустава). - Определите общий малоберцовый (ДЦП) нерв и тщательно изолируйте его от окружающих нервов с помощью пары микрощипцов и микроножек. Удалите любую окружающую соединительную ткань из средних 2 см нерва. Позаботьтесь о том, чтобы не раздавить нерв ДЦП щипцами в этом процессе, так как травма раздавливания может изменить конечные результаты.
- Над самой центральной частью освобожденного cp-нерва выполните эпиневральное окно, удалив 25% адреналина по длине нерва, которая соответствует желаемой длине мышечного трансплантата.
- Для этого удерживайте проксимальный эпиневрий с микрощипцами, разрезайте адреналин, непосредственно лежащий в основе с помощью ножниц для микродиссекции, и удалите ~ 25% адреналина, путешествующего дистально вдоль нерва. Позаботьтесь о том, чтобы удалить этот сегмент одним куском, так как множественные попытки могут вызвать нерегулярное эпиневральное удаление, увеличивая риск повреждения нерва.
ПРИМЕЧАНИЕ: Нервная ткань, лежащая в основе адреналина, будет иметь слизьообразную текстуру; отмечая это качество нерва, вы гарантируете, что правильная плоскость ткани была удалена.
4. Изготовление конструкций МС-РПНИ
- Удалите мышечный трансплантат из увлажненной физиологическим раствором марли и поместите его под центральную часть cp-нерва, где было создано эпиневральное окно. Поверните нерв на 180°, чтобы секция верхнего отверстия контактировала с неповрежденной мышцей и не лежала в основе возможной линии шва.
- Использование 8-0 нейлоновый шов, шов адреналина cp-нерва как проксимально, так и дистально к мышечному трансплантату в бороздке, созданному на шаге 2.8 с использованием простых прерванных швов для закрепления адреналина к эндомизию.
ПРИМЕЧАНИЕ: Наложите эти швы, гарантируя, что мышца находится на нормальной длине покоя. Слишком сильное растяжение или сжатие мышц может повлиять на регенерацию и сигнальные возможности в дальнейшем. - По окружности оберните края мышечного трансплантата, окружающего теперь закрепленный нерв и шов на месте, используя простой прерванный 8-0 нейлоновые стежки (~4-6 в зависимости от длины).
- Как только гемостаз будет достигнут, закройте фасцию бицепса бедра над конструкцией с помощью 5-0 хромного шва в беговом режиме.
- Закройте вышележащую кожу беговым способом хромированным швом 4-0.
- Очистите хирургическую область с помощью прокладки для приготовления спирта и нанесите антибиотическую мазь.
- Прекратите ингаляционный анестетик и поместите крысу в чистую клетку, изолированную от товарищей по клетке, и дайте восстановиться с пищей и водой ad lib.
- Как только крыса соответствующим образом восстановится, поместите ее обратно с товарищами по клетке в чистую клетку.
ПРИМЕЧАНИЕ: Эти конструкции требуют созревания не менее трех месяцев для получения адекватного усиления нервного сигнала.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
Хирургическое изготовление MC-RPNI считается периоперационным провалом, если крысы не выживают после хирургической анестезии или не развивают инфекцию в течение недели после операции. Предыдущие исследования показали, что 3-месячный период созревания приведет к надежному усилению сигнала от этой конструкции 42,45,48,49. В это время или после этого может произойти хирургическое воздействие конструкций и оценка. Если изготовление MC-RPNI было успешным, реваскуляризированная мышца должна быть легко видна в исходном месте имплантации MC-RPNI (рисунок 2B). Успешные MC-RPNIs будут дополнительно сокращаться после стимуляции проксимального нерва (Видео 1). Иногда могут присутствовать значительные рубцы и атрофический мышечный трансплантат (рисунок 2C), что указывает на неудачу реваскуляризации / регенерации, как правило, вторичную по отношению к слишком большому трансплантату, неправильное обращение или периоперационное повреждение тканей. Эти атрофические трансплантаты обычно имеют некоторую степень сокращения при стимуляции проксимального нерва, но производят более низкую амплификацию сигнала. В целом, это считается сбоем изготовления, если при воздействии MC-RPNI обнаруживается смещенным от нерва или не имеет сокращения при стимуляции проксимального нерва.
Гистологический анализ этих конструкций должен продемонстрировать жизнеспособность нервной и мышечной ткани без какого-либо значительного фиброза или рубцевания (рисунок 3). Иммуногистохимия также может быть выполнена для подтверждения наличия иннервированных нервно-мышечных соединений с нейрофиламентом в качестве общего нервного маркера в сочетании с альфа-бунгаротоксином в качестве маркера постсинаптических ацетилхолиновых рецепторов (рисунок 4). Если целевой имплантированный нерв не может иннервировать мышечный компонент MC-RPNI, иммуноокрашивание не будет демонстрировать никаких коллатеральных двигательных нервных ростков, проходящих через конструкцию, или каких-либо иннервированных нервно-мышечных соединений.
Электрофизиологическое тестирование может быть выполнено на этих конструкциях в любое время после созревания, при этом опубликованные результаты демонстрируют стабильные сигналы, особенно в MC-RPNI через 3 месяца52 и до 3 лет в RPNIs у людей47. Схемы электрофизиологических испытаний могут варьироваться в зависимости от интересующей области и имеющегося оборудования (рисунок 5), но оценки чаще всего выполняются с предоставлением максимальной стимуляции проксимального нерва с помощью крючкового электрода с последующей записью сложных потенциалов мышечного действия (CMAP), генерируемых в MC-RPNI (таблица 1). ). Регистрирующие электроды могут варьироваться в зависимости от предпочтений пользователя, но эпимизиальный пластырь / прокладка, эпимизиальный биполярный зонд и проникающие биполярные электроды были использованы экспериментально с успехом. Средняя амплитуда сложного нерва (CNAP), зарегистрированная в ДЦП-нерве после большей стимуляции проксимального нерва, составила 119,47 мкВ ± 14,87 мкВ. Средняя амплитуда CMAP, зарегистрированная в MC-RPNI после аналогичной стимуляции проксимального CP-нерва, составила 3,28 мВ ± 0,49 мВ, что привело к усилению нервного сигнала от 11 до 87x, с общим средним коэффициентом амплификации 31,8 ± 7,70. Эти генерируемые формы сигналов CMAP похожи по внешнему виду на нативные мышцы, что еще раз подтверждает, что они были реиннервированы своим замкнутым нервом (рисунок 6B).
Чтобы гарантировать, что изготовление MC-RPNI не вызывает негативного функционального воздействия, электрофизиологическое и мышечное силовое тестирование может быть выполнено на дистально-иннервируемой мышце. Большая часть тестирования была проведена на ипсилатеральной мышце EDL, поскольку она легко доступна для тестирования и иннервируется общим малоберцовым нервом (контралатеральная EDL собирается для изготовления MC-RPNI и, следовательно, не оценивается). CMAP, генерируемые физиологической мышцей EDL после стимуляции проксимального нерва CP, обычно варьируются от 20-30 мВ52. При выполнении этого теста на крысах с имплантированными MC-RPNIs EDL CMAP существенно не отличаются, в среднем 24,27 мВ ± 1,34 мВ. Кроме того, при сравнении сгенерированных форм сигналов CMAP между этими двумя группами они удивительно похожи (рисунок 6C). В качестве дополнительной меры дистально-иннервируемой мышечной функции может проводиться тестирование мышечной силы интересующей мышцы (таблица 2). После проксимальной стимуляции ХП-нерва средняя максимальная тетаническая сила EDL, генерируемая у субъектов MC-RPNI, составляет 2451 мН ± 115 мН, что аналогично средней силе 2497 мН ± 122 мН, полученной из мышцы EDL у контрольных субъектов52.
Общая цель MC-RPNI состоит в том, чтобы усилить сигнал микровольтного уровня своего внутреннего нерва на несколько величин, увеличивая коэффициент SNR и, таким образом, облегчая точное обнаружение двигательного умысла. Было продемонстрировано, что это усиление происходит надежным образом в диапазоне 10-20 раз52, причем более поздние эксперименты достигают коэффициентов усиления более чем в 50 раз; поэтому, если конструкция не обеспечивает аналогичного уровня усиления, она считается неумальной. Неоптимальные результаты обычно могут быть отнесены к проблемам на уровне мышечного трансплантата в MC-RPNI, поскольку неполная регенерация и, следовательно, реиннервация могут привести к более низкому, чем стандартный CMAP, снижению общих способностей конструкции к амплификации. Генерируемая форма волны обычно ослаблена, с заметно аномальным внешним видом. Если мышечный трансплантат полностью выходит из строя, сигнал, измеренный на мышечном компоненте, может либо отсутствовать (вторичный по отношению к значительной рубцовой ткани), либо отражать CNAP, генерируемый в восходящем нерве.
Рисунок 1: Иллюстративная схема MC-RPNI. Целевой периферический нерв можно увидеть желтым цветом в окружающем мышечном трансплантате. MC-RPNI способен усиливать потенциалы двигательного эфферентного действия своего замкнутого нерва на уровне микровольт путем генерации сложных мышечных потенциалов действия (CMAP) на несколько величин больше. Это облегчает обнаружение двигательного замыкания, которое легко отличить от фонового шума. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.
Рисунок 2: MC-RPNI in vivo. MC-RPNI изготавливается с использованием аутологичного разгибателя digitorum longus (EDL) мышечного трансплантата, собранного из контралатеральной конечности. Затем он по окружности крепится к общему малоберцовому нерву, с примером MC-RPNI, очерченным белым (A) во время первоначального изготовления. Этот же MC-RPNI снова изображен в (B) во время оценки конечной точки через 3 месяца. MC-RPNI имеет схожую окраску с окружающей мышцей и сохранил значительную часть объема. Пример атрофического мышечного трансплантата показан в (C). MC-RPNI имеет схожий внешний вид с окружающим рубцом и соединительной тканью и потерял значительный объем. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.
Рисунок 3: Гистология MC-RPNI. (A) H&E поперечного сечения MC-RPNI с M, обозначающим мышечный компонент, и N, нерв. (B) Поперечное сечение ипсилатеральной дистально-иннервируемой мышцы EDL у крысы с MC-RPNI. (C) Поперечное сечение мышцы EDL у контрольной крысы без MC-RPNI. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.
Рисунок 4: Иммуноокрашивание MC-RPNI. На изображении в левом верхнем углу показан продольный участок образца MC-RPNI с ядрами, отмеченными синим цветом (DAPI), и нервной тканью зеленого цвета (нейрофиламент). Крупный план другого MC-RPNI показан в правом нижнем углу с несколькими нервно-мышечными соединениями (альфа-бунгаротоксин красным цветом для ацетилхолиновых рецепторов). Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.
Рисунок 5: Настройка электрофизиологической оценки конечных точек. Электрофизиологические испытания требуют как минимум трех электродов: (1) заземляющий электрод - не изображен; (2) нервостимулирующий биполярный электрод; и (3) биполярный записывающий электрод. В этой установке биполярный стимулирующий электрод крючка можно увидеть белым цветом справа от изображения, размещенного на общем малоберцовом нерве. Регистрирующий биполярный зондовый электрод помещается на дистальный MC-RPNI. Затем сигналы записываются от MC-RPNI после стимуляции проксимального нерва на электроде крючка до тех пор, пока не будут достигнуты максимальные CPAP. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.
Рисунок 6: Стандартные электрофизиологические формы сигналов. На этих графиках изображены типичные формы сигналов, захваченные во время электрофизиологического анализа крысы с имплантированным MC-RPNI после проксимальной стимуляции нерва CP. (A) Синим цветом изображен CNAP (*), записанный от проксимального нерва CP к MC-RPNI. Системный артефакт обозначается знаком (**). (B) Репрезентативный CMAP, записанный из MC-RPNI после сгенерированного CNAP в (A). (C) Результирующая форма сигнала CMAP, записанная из ипсилатеральной дистально-иннервированной мышцы EDL. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.
| Идентификатор крысы | Вес крысы (г) | Нервная амплитуда CNAP (мкВ) | MC-RPNI CMAP Амплитуда (мв) | Коэффициент усиления нервного сигнала | Задержка (мс) |
| 1 | 421 | 123.3 | 1.4 | 11.35 | 0.8 |
| 2 | 368 | 65.6 | 1.6 | 24.39 | 1.05 |
| 3 | 390 | 110.7 | 4.5 | 40.65 | 1.45 |
| 4 | 482 | 217.2 | 3.61 | 16.62 | 0.95 |
| 5 | 417 | 144.6 | 1.39 | 9.61 | 0.9 |
| 6 | 417 | 156.1 | 3.4 | 21.78 | 0.95 |
| 7 | 381 | 82 | 7.2 | 87.8 | 0.9 |
| 8 | 393 | 87.9 | 2.3 | 26.17 | 1.15 |
| 9 | 378 | 87.8 | 4.2 | 47.84 | 1 |
| 10 | 459 | н/д | 5.3 | н/д | 1.55 |
| 11 | 380 | н/д | 2.1 | н/д | 0.75 |
| 12 | 415 | н/д | 2.4 | н/д | 1 |
Таблица 1: Электрофизиологический анализ конечных точек MC-РНПИ. Выборка результатов, полученных от крыс, проходящих анализ конечных точек через 3 (крысы 1-9) и 6 (крысы 10-12) месяцев после изготовления. После проксимальной стимуляции общего малоберцового (CP) нерва, сложные потенциалы нервного действия (CNAPs) были зарегистрированы в нисходящем мозге CP, а сложные мышечные потенциалы действия (CMAP) были зарегистрированы в нисходящем MC-RPNI. Коэффициент усиления для каждого теста можно увидеть в колонке справа. Примечание: для Крыс 10-12 CNAP проксимальный к MC-RPNI не мог быть измерен, учитывая анатомические ограничения, которые возникли в результате изготовления MC-RPNI слишком близко к взлету CP-нерва от седалищного нерва. Средняя зарегистрированная амплитуда CNAP составила 119,47 мкВ ± 14,87 мкВ, в то время как средняя амплитуда CMAP составляла 3,28 мВ ± 0,49 мВ, что дало средний коэффициент усиления 31,8 ± 7,70.
| Идентификатор крысы | Максимальный Twitch (мН) | V | Максимальная тетания (мН) | V | Гц | Lo (мм) |
| 1 | 927.13 | 3 | 2668.29 | 3 | 80 | 30.64 |
| 2 | 768.22 | 3.5 | 2677.85 | 3.5 | 80 | 31.15 |
| 3 | 646.99 | 3 | 2164.84 | 3 | 80 | 28.36 |
| 4 | 863.62 | 3.5 | 3109.67 | 3.5 | 150 | 31.07 |
| 5 | 774.48 | 1.5 | 2723.24 | 2 | 80 | 28.83 |
| 6 | 558.19 | 4 | 1930.22 | 4 | 120 | 29.46 |
| 7 | 753.97 | 1 | 2605.64 | 1 | 100 | 31.13 |
| 8 | 768.38 | 2 | 2897.08 | 2 | 100 | 31.86 |
| 9 | 559.9 | 1.5 | 1984.17 | 1.5 | 100 | 31.11 |
| 10 | 600.6 | 5.5 | 2416.09 | 5.5 | 80 | 32.51 |
| 11 | 770.27 | 5.5 | 2496.89 | 5.5 | 80 | 31.89 |
| 12 | 672.22 | 2.5 | 1740.04 | 2.5 | 50 | 31.34 |
Таблица 2: Анализ мышечной силы крыс с имплантированными MC-RPNIs. Тестирование мышечной силы проводилось на ипсилатеральной мышце-разгибателе digitorum longus (EDL), чтобы определить, оказывает ли MC-RPNI какое-либо влияние на дистально-иннервируемую мышечную функцию. После стимуляции проксимального CP-нерва были зарегистрированы отслеживания силы и рассчитана активная сила, относящаяся к интересующему тесту. Lo была определена как оптимальная длина покоя мышц, которая производит максимальную силу. Средняя максимальная сила подергивания, зарегистрированная у крыс с имплантированными MC-RPNIs, составляла 722,0 мН ± 32,11 мН, а средняя максимальная зарегистрированная тетаническая сила составляла 2451 мН ± 115 мН, аналогично значениям, полученным от контрольных животных (максимальное подергивание: 822,2 мН ± 41,11 мН; максимальное тетание: 2497 мН ± 122 мН).
Видео 1: Сокращение MC-RPNI после электрической стимуляции проксимального нерва. После электрической стимуляции проксимального нерва, обеспечиваемой крючковым электродом справа, в центре можно увидеть видимое сокращение мышц MC-RPNI. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы загрузить это видео.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
MC-RPNI - это новая конструкция, которая позволяет усиливать интактные эфферентные потенциалы действия периферического двигательного нерва, чтобы точно управлять устройством экзоскелета. В частности, MC-RPNI дает особую пользу тем людям со слабостью конечностей, вызванной значительным заболеванием мышц и / или отсутствием мышц, где сигналы ЭМГ не могут быть зарегистрированы. Снижение и без того нарушенной мышечной функции было бы разрушительным для этой популяции; однако MC-RPNI обладает способностью обеспечивать усиление этого нервного сигнала без ущерба для дистально-иннервируемой мышцы52 (таблица 1 и таблица 2). У лиц с заболеванием мышечных или нижних двигательных нейронов периферические сенсорные нервы обычно не затрагиваются процессомзаболевания 53. Поскольку ощущение сохраняется, крайне важно поддерживать нерв в непрерывности и избегать травм, и MC-RPNI, по-видимому, избегает любого ущерба дистально-иннервируемым мишеням в целом на основе гистологии (рисунок 3), иммуногистохимии (рисунок 4) и оценки мышечной функции (таблица 2).
MC-RPNI опирается на концепцию коллатерального аксонального прорастания содержащегося периферического нерва, концепцию, легко продемонстрированную как в предыдущих исследованиях52, так и в хорошо описанной хирургической технике сквозной нейроррагии 54,55. Чтобы обеспечить адекватную реиннервацию мышечного трансплантата во время изготовления MC-RPNI и избежать негативного воздействия на дистально-иннервируемые мишени, необходимо тщательное обращение с нервом. Во время рассечения нерва травмы можно избежать путем краткого обращения либо с адреналином, либо только с соединительной тканью. Тем не менее, потенциал повреждения нерва при изготовлении MC-RPNI является самым высоким во время этапа адреналинового окна. Чтобы избежать резкой трансекции нервных волокон, рекомендуется выполнять этот этап только под мощным хирургическим микроскопом (не менее 5х) после нескольких возможностей для практики на неэкспериментальных крысах. Этот шаг может занять несколько попыток освоения, и не рекомендуется сначала выполнять этот шаг на крысах, предназначенных для экспериментального анализа. Теоретически, невринома в непрерывности является осложнением, которое может возникнуть после изготовления MC-RPNI, особенно при наличии значительной нервной травмы. Однако это осложнение не встречалось на протяжении многих лет в разработке.
Большинство экспериментов, проведенных с MC-RPNI, были выполнены на общем малоберцовом нерве, учитывая его относительную легкость доступа, а также оценку дистально-иннервированных мишеней. Теоретически любой периферический нерв с двигательным компонентом может быть заменен. Чистые сенсорные аксоны могут быть использованы, поскольку мышечная ткань имеет сенсорные компоненты (веретенообразные волокна, сухожильные органы Гольджи и т. Д.), Но эти эксперименты до сих пор не проводились, и результаты трудно предсказать. Для компонента мышечного трансплантата MC-RPNI трансплантаты варьируются от 20 до 150 мг в зависимости от длины трансплантата и возраста крысы, и любой подобный размер мышечного трансплантата может быть успешно использован. Регенерация мышечного трансплантата частично зависит от способности к реваскуляризации, а крупные/толстые трансплантаты с большей вероятностью подвергаются некрозу и фиброзу, влияя на общую сигнальную способность56. Исследования, проведенные специально на РННИ, показали успешную регенерацию мышц и поддержание амплификации сигнала в трансплантатах до 300 мг56. Что касается породы крыс, Льюис и Фишер рекомендуются, так как большинство других крыс, используемых в экспериментальных целях, как известно, наносят себе увечья, вторичные по отношению к повреждению нервов57,58.
В целом, текущий опыт изготовления MC-RPNI привел к тому, что частота отказов составила <5%. Наиболее распространенные наблюдаемые сбои конструкции обычно приписываются сегменту мышечного трансплантата, после чего при воздействии они отмечаются либо атрофическими, либо выбитыми из нерва. Смещенные MC-RPNIs обычно являются результатом неадекватного наложения швов во время изготовления, что приводит к «открытию» окружности обернутого мышечного трансплантата и возможной частичной экструзии содержащегося нерва. Тем не менее, эти MC-RPNIs обычно сохраняют некоторую степень (хотя и уменьшенную) возможности усиления сигнала, поскольку часть трансплантата все еще остается закрепленной за нервом. Атрофические MC-RPNIs очевидны при воздействии, поскольку им не хватает типичного внешнего вида скелетных мышц, часто неотличимого от рубцовой ткани со светло-розовой до серо-белой окраски (рисунок 2C). Атрофия мышечной ткани может быть результатом многих факторов, включая инфекцию, слишком большой / толстый мышечный трансплантат, острую анемию кровопотери, повреждение мышц и / или нервов во время изготовления, а также неспособность адреналиновых закрепленных швов, вызывающих поршнь трансплантата на нерве, уменьшая реваскуляризацию. При электрофизиологических испытаниях атрофические MC-RPNI обычно практически не дают усиления сигнала; при использовании высокочувствительных электродов записи CNAP нижележащего нерва могут быть записаны через атрофическую мышцу. Если у нескольких подопытных отмечается значительная атрофия, необходимо вернуться к протоколу и определить, какие этапы требуют корректировки. Конечно, если при выполнении оценок не записываются никакие сигналы, важно устранить неполадки и не предполагать, что конструкция является неисправной. Устранение неисправностей в настройке устройства имеет первостепенное значение, так как отсутствие сигналов может быть вторичным по отношению к поврежденным электродам (рекомендуемый импеданс <16 Ω), неправильной конфигурации электродов или даже неадекватной стимуляции проксимального нерва (некоторым нервам требуется электрическая стимуляция 0,5-5 мА, чтобы начать производство CMAP на нисходящем MC-RPNI).
Современные методы взаимодействия человека и машины для использования экзоскелета у людей со слабостью конечностей обычно основаны на записях, полученных либо от периферических нервов, либо от ЭМГ из мышечной ткани. Как обсуждалось ранее, MC-RPNI дает значительное преимущество в отношении контроля экзоскелета для тех лиц с сильно поврежденной или отсутствующей мышечной тканью, где записи ЭМГ невозможны29. MC-RPNI также предлагает преимущество перед текущими вариантами сопряжения периферических нервов, включая вненейронные электроды 30,31,32,33, внутрифасцикулярные электроды 34,35,36 и проникающие электроды 37,38,39,40 . Поскольку внутренние нервные сигналы обычно находятся на уровне микровольт, MC-RPNI обладает способностью усиливать эти нервные сигналы более чем в 30 раз, облегчая точное обнаружение двигательного намерения по фоновому шуму и, таким образом, обеспечивая надежное управление экзоскелетом. При хроническом использовании современные электродные методы в конечном итоге борются за преодоление осложнений, присущих долголетию материала in vivo и реакции инородного тела, осложнений, которых MC-RPNI способен избежать, учитывая его биологическое происхождение. Со временем эти реакции инородного тела приводят к повреждению тканей, образованию рубцовой ткани и возможной аксональной демиелинизации и дегенерации. Эксперименты, проведенные в течение шести месяцев, не выявили каких-либо доказательств повреждения нейронов, рубца или фиброза / дегенерации дистально-иннервированной мышечной ткани (рисунок 3), и в сочетании со стабильностью RPNI, отмеченной у людей в течение трехлетнего периода наблюдения47, разумно заключить, что MC-RPNIs могут успешно взаимодействовать с периферическими нервами в масштабе от нескольких лет до десятилетий.
MC-RPNI предназначен для управления экзоскелетом при различных патологиях, в том числе возникающих на уровне нервной системы, а также самой мышцы. Например, мышечные патологии могут включать состояния, начиная от травмы, мышечной дистрофии, воспалительных миопатий и миастении. Несмотря на глубокие мышечные повреждения и слабость, которые могут привести к этим состояниям 1,2,3, большинство из них имеют функционирующие нижние двигательные нейроны, которые облегчают реиннервацию MC-RPNI и обнаружение двигательного намерения. Для тех состояний, которые приводят к широко распространенным заболеваниям мышц (мышечная дистрофия и т. Д.), Безусловно, возможно, что компонент свободного мышечного трансплантата может быть затронут, тем самым ограничивая потенциал амплификации. Однако, учитывая, что обнаружение даже одного двигательного блока (10-400 мкВ)59 может обеспечить усиление сигналов периферических нервов, разумно предположить, что MC-RPNI будет содержать достаточно двигательных единиц в пределах своей меньшей, определенной области, чтобы облегчить контроль экзоскелета в этой популяции. Значительное ограничение конструкции, однако, заключается в тех патологиях, которые приводят к значительному снижению верхних и / или нижних двигательных нейронов, таких как инсульт, травма спинного мозга, атрофия спинных мышц (СМА) и боковой амиотрофический склероз (БАС). Без подходящей популяции периферических нервных волокон для реиннервации MC-RPNI он не может регенерировать и обеспечивать усиление сигнала, что приводит к сбою конструкции. Проводятся эксперименты по определению минимальной популяции функциональных периферических нервных волокон, необходимых для адекватной функции MC-RPNI.
Предшественник MC-RPNIs, RPNI, показал неизмеримый успех с точным контролем протезов с питанием у людей посредством усиления и записи сигналов, генерируемых трансективными периферическими нервами. В частности, он способен делать это в масштабе от нескольких месяцев до нескольких лет без повторной операции или повторной калибровки протезного устройства. Распространенные жалобы на современные методы взаимодействия человека и машины для центра управления экзоскелетом на загрязнение сигнала от перекрестных помех и необходимость частой повторной калибровки в методах, зависящих от ЭМГ26,27,28, и нестабильность периферического нервного интерфейса с течением времени, требующую вторичных операций 37,39,44 . MC-RPNI, однако, может избежать этих осложнений, учитывая его биологический состав, а также стратегические возможности размещения. Крайне важно установить глубокое понимание этой конструкции, чтобы проложить путь для использования в человеческих субъектах и возможного широкого использования точных, надежных устройств экзоскелета у тех, кто живет со слабостью конечностей.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
Авторы не раскрывают информацию.
Acknowledgments
Авторы благодарят Яну Мун за ее экспертное управление лабораторией и техническую помощь и Чарльза Хванга за его опыт в области визуализации. Эксперименты в этой статье были частично профинансированы за счет грантов Фонда пластической хирургии SS (3135146.4), а также Национального института детского здоровья и развития человека под номером 1F32HD100286-01 для SS и Национального института артрита, опорно-двигательного аппарата и кожных заболеваний Национальных институтов здравоохранения под номером награды P30 AR069620.
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| #15 Scalpel | Aspen Surgical, Inc | Ref 371115 | Rib-Back Carbon Steel Surgical Blades (#15) |
| 2-N-thin film load cell (S100) | Strain Measurement Devices, Inc | SMD100-0002 | Measures force generated by the attached muscle |
| 4-0 Chromic Suture | Ethicon | SKU# 1654G | P-3 Reverse Cutting Needle |
| 5-0 Chromic Suture | Ethicon | SKU# 687G | P-3 Reverse Cutting Needle |
| 8-0 Monofilament Suture | AROSurgical | T06A08N14-13 | Black polyamide monofilament suture on a threaded tapered needle |
| Experimental Rats | Envigo | F344-NH-sd | Rats are Fischer F344 Strain |
| Fine Forceps - mirror finish | Fine Science Tools | 11413-11 | Fine tipped forceps with mirror finish ideal for handling delicate structures like nerves |
| Fluriso (Isofluorane) | VetOne | 13985-528-40 | Inhalational Anesthetic |
| Force Measurement Jig | Red Rock | n/a | Custom designed force measurement jig that allows for immobilization of hindlimb to allow for accurate muscle force recording |
| MATLAB software | Mathworks, Inc | PR-MATLAB-MU-MW-707-NNU | Calculates active force for each recorded force trace from passive and total force measurements |
| Nicolet Viasys EMG EP System | Nicolet | MFI-NCL-VIKING-SELECT-2CH-EMG | Portable EMG and nerve signal recording system capable of simultaneous 2 channel recordings from nerve and/or muscle |
| Oxygen | Cryogenic Gases | UN1072 | Standard medical grade oxygen canisters |
| Potassium Chloride | APP Pharmaceuticals | 63323-965-20 | Injectable form, 2 mEq/mL |
| Povidone Iodine USP | MediChoice | 65517-0009-1 | 10% Topical Solution, can use one bottle for multiple surgical preps |
| Puralube Vet Opthalmic Ointment | Dechra | 17033-211-38 | Corneal protective ointment for use during procedure |
| Rimadyl (Caprofen) | Zoetis, Inc. | NADA# 141-199 | Injectable form, 50 mg/mL |
| Stereo Microscope | Leica | Model M60 | User can adjust magnification to their preference |
| Surgical Instruments | Fine Science Tools | Various | User can choose instruments according to personal preference or from what is currently available in their lab |
| Triple Antibiotic Ointment | MediChoice | 39892-0830-2 | Ointment comes in sterile, disposable packets |
| Vannas Spring Scissors - 2mm cutting edge | Fine Science Tools | 15000-04 | Curved micro-dissection scissors used to perform the epineurial window |
| VaporStick 3 | Surgivet | V7015 | Anesthesia tower with space for isofluorane and oxygen canister |
| Webcol Alcohol Prep | Coviden | Ref 6818 | Alcohol prep wipes; use a new wipe for each prep |
References
- 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).
- Yelin, E. H., Weinstein, S., King, T. The burden of musculoskeletal diseases in the United States. Seminars in Arthritis and Rheumatism. 46 (3), 259-260 (2016).
- McDonald, C. M. Clinical Approach to the Diagnostic Evaluation of Hereditary and Acquired Neuromuscular Diseases. Physical Medicine and Rehabilitation Clinics of North America. 23 (3), 495-563 (2021).
- Sass, F. A., et al. Immunology Guides Skeletal Muscle Regeneration. International Journal of Molecular Sciences. 19 (3), 835 (2018).
- Bruggeman, K. F., et al. Harnessing stem cells and biomaterials to promote neural repair. British Journal of Pharmacology. 176 (3), 355-368 (2019).
- Vijayavenkataraman, S. Nerve guide conduits for peripheral nerve injury repair: A review on design, materials and fabrication methods. Acta Biomaterialia. 106, 54-69 (2020).
- O'Dell, M. W., Lin, C. C., Harrison, V. Stroke rehabilitation: strategies to enhance motor recovery. Annual Review of Medicine. 60, 55-68 (2009).
- Ambrosini, E., et al. The combined action of a passive exoskeleton and an EMG-controlled neuroprosthesis for upper limb stroke rehabilitation: First results of the RETRAINER project. International Conference on Rehabilitation Robotics (ICORR). , 56-61 (2017).
- Veerbeek, J. M., et al. Effects of robot-assisted therapy for the upper limb after stroke. Neurorehabilitation & Neural Repair. 31 (2), 107-121 (2017).
- Heo, P., et al. Current hand exoskeleton technologies for rehabilitation and assistive engineering. Journal of Precision Engineering and Manufacturing. 13 (5), 807-824 (2012).
- Kwakkel, G., Kollen, B. J., Krebs, H. I. Effects of robot-assisted therapy on upper limb recovery after stroke: A systematic review. Neurorehabilitation & Neural Repair. 22 (2), 111-121 (2007).
- Brewer, B. R., McDowell, S. K., Worthen-Chaudhari, L. C. Poststroke Upper Extremity Rehabilitation: A Review of Robotic Systems and Clinical Results. Topics in Stroke Rehabilitation. 14 (6), 22-44 (2007).
- Kalita, B., Narayan, J., Dwivedy, S. K. Development of active lower limb robotic-based orthosis and exoskeleton devices: A systematic review. International Journal of Social Robotics. 13, 775-793 (2021).
- Bosch, T., et al. The effects of a passive exoskeleton on muscle activity, discomfort and endurance time in forward bending work. Applied Ergonomics. 54, 212-217 (2016).
- Secciani, N., et al. A novel application of a surface ElectroMyoGraphy-based control strategy for a hand exoskeleton system: A single-case study. International Journal of Advanced Robotic Systems. 16 (1), 1729881419828197 (2019).
- Bützer, T., et al. PEXO - A pediatric whole hand exoskeleton for grasping assistance in task-oriented training. IEEE 16th International Conference on Rehabilitation Robotics (ICORR). , 108-114 (2019).
- Meeker, C., et al. EMG pattern classification to control a hand orthosis for functional grasp assistance after stroke. IEEE International Conference on Rehabilitation Robotics (ICORR). , 1203-1210 (2017).
- Witkowski, M., et al. Enhancing brain-machine interface (BMI) control of a hand exoskeleton using electrooculography (EOG). Journal of NeuroEngineering and Rehabilitation. 11 (1), 165 (2014).
- Cantillo-Negrete, J., et al. Motor imagery-based brain-computer interface coupled to a robotic hand orthosis aimed for neurorehabilitation of stroke patients. Journal of Healthcare Engineering. 2018, 1624637 (2018).
- Bhagat, N. A., et al. Design and optimization of an EEG-based brain machine interface (BMI) to an upper-limb exoskeleton for stroke survivors. Frontiers in Neuroscience. 10, 122 (2016).
- Habibzadeh Tonekabony Shad, E., Molinas, M., Ytterdal, T. Impedance and noise of passive and active dry EEG electrodes: A review. IEEE Sensors Journal. 20 (24), 14565-14577 (2020).
- Tariq, M., Trivailo, P. M., Simic, M. EEG-based BCI control schemes for lower-limb assistive-robots. Frontiers in Human Neuroscience. 12, 312-312 (2018).
- Gwin, J. T., Ferris, D. High-density EEG and independent component analysis mixture models distinguish knee contractions from ankle contractions. Annual International Conference of the IEEE Engineering in Medicine and Biology Society. 2011, 4195-4198 (2011).
- Tariq, M., Trivailo, P. M., Simic, M. Classification of left and right foot kinaesthetic motor imagery using common spatial pattern. Biomedical Physics & Engineering Express. 6 (1), 015008 (2019).
- Ryser, F., et al. Fully embedded myoelectric control for a wearable robotic hand orthosis. iInternational Conference on Rehabilitation Robotics (ICORR). , 615-621 (2017).
- Reeves, J., Starbuck, C., Nester, C. EMG gait data from indwelling electrodes is attenuated over time and changes independent of any experimental effect. Journal of Electromyography and Kinesiology. 54, 102461 (2020).
- Huang, J., et al. Control of upper-limb power-assist exoskeleton using a human-robot interface based on motion intention recognition. IEEE Transactions on Automation Science and Engineering. 12 (4), 1257-1270 (2015).
- Rodrigues, C., et al. Comparison of intramuscular and surface electromyography recordings towards the control of wearable robots for incomplete spinal cord injury rehabilitation. 2020 8th IEEE RAS/EMBS International Conference for Biomedical Robotics and Biomechatronics (BioRob). , 564-569 (2020).
- Rasool, G., et al. Spatial analysis of multichannel surface EMG in hemiplegic stroke. IEEE Transactions on Neural Systems and Rehabilitation Engineering : A Publication of the IEEE Engineering in Medicine and Biology Society. 25 (10), 1802-1811 (2017).
- Stieglitz, T., et al. Non-invasive measurement of torque development in the rat foot: measurement setup and results from stimulation of the sciatic nerve with polyimide-based cuff electrodes. IEEE Transactions on Neural Systems and Rehabilitation Engineering. 11 (4), 427-437 (2003).
- Polasek, K. H., et al. Human nerve stimulation thresholds and selectivity using a multi-contact nerve cuff electrode. IEEE Transactions on Neural Systems and Rehabilitation Engineering. 15 (1), 76-82 (2007).
- Kenney, L., et al. An implantable two channel drop foot stimulator: initial clinical results. Artificial Organs. 26 (3), 267-270 (2002).
- Ortiz-Catalan, M., et al. Patterned stimulation of peripheral nerves produces natural sensations with regards to location but not quality. IEEE Transactions on Medical Robotics and Bionics. 1 (3), 199-203 (2019).
- Boretius, T., et al. A transverse intrafascicular multichannel electrode (TIME) to interface with the peripheral nerve. Biosensors and Bioelectronics. 26 (1), 62-69 (2010).
- Petrini, F. M., et al. Six-month assessment of a hand prosthesis with intraneural tactile feedback. Annals of Neurology. 8 (1), 137-154 (2019).
- Jung, R., et al. Bionic intrafascicular interfaces for recording and stimulating peripheral nerve fibers. Bioelectronics in Medicine. 1 (1), 55-69 (2017).
- Christensen, M. B., et al. The foreign body response to the Utah Slant Electrode Array in the cat sciatic nerve. Acta Biomaterialia. 10 (11), 4650-4660 (2014).
- Zollo, L., et al. Restoring tactile sensations via neural interfaces for real-time force-and-slippage closed-loop control of bionic hands. Science Robotics. 4 (27), (2019).
- George, J. A., et al. Long-term performance of Utah slanted electrode arrays and intramuscular electromyographic leads implanted chronically in human arm nerves and muscles. Journal of Neural Engineering. 17 (5), 056042 (2020).
- Wendelken, S., et al. Restoration of motor control and proprioceptive and cutaneous sensation in humans with prior upper-limb amputation via multiple Utah Slanted Electrode Arrays (USEAs) implanted in residual peripheral arm nerves. Journal of NeuroEngineering and Rehabilitation. 14 (1), 121 (2017).
- Yang, Z., et al. Noise characterization, modeling, and reduction for in vivo neural recording. Proceedings of the 23rd Annual Conference on Neural Information Processing Systems (NIPS 09). , 2160-2168 (2009).
- Ursu, D. C., et al. In vivo characterization of regenerative peripheral nerve interface function. Journal of Neural Engineering. 13 (2), 026012 (2016).
- Lotti, F., et al. Invasive intraneural interfaces: Foreign body reaction issues. Frontiers in Neuroscience. 11, 497-497 (2017).
- Stiller, A. M., et al. A meta-analysis of intracortical device stiffness and its correlation with histological outcomes. Micromachines. 9 (9), 443 (2018).
- Kung, T. A., et al. Regenerative peripheral nerve interface viability and signal transduction with an implanted electrode. Plastic and Reconstructive Surgery. 133 (6), 1380-1394 (2014).
- Kubiak, C. A., Kemp, S. W. P., Cederna, P. S. Regenerative peripheral nerve interface for management of postamputation neuroma. JAMA Surgery. 153 (7), 681-682 (2018).
- Vu, P. P., et al. A regenerative peripheral nerve interface allows real-time control of an artificial hand in upper limb amputees. Science Translational Medicine. 12 (533), (2020).
- Svientek, S. R., et al. Fabrication of the composite regenerative peripheral nerve interface (C-RPNI) in the adult rat. Journal of Visualized Experiments: JoVE. (156), e60841 (2020).
- Ursu, D., et al. Adjacent regenerative peripheral nerve interfaces produce phase-antagonist signals during voluntary walking in rats. Journal of NeuroEngineering and Rehabilitation. 14 (1), 33 (2017).
- Vu, P. P., et al. Closed-loop continuous hand control via chronic recording of regenerative peripheral nerve interfaces. IEEE Transactions on Neural Systems and Rehabilitation Engineering. 26 (2), 515-526 (2018).
- Urbanchek, M. G., et al. Development of a Regenerative Peripheral Nerve Interface for Control of a Neuroprosthetic Limb. BioMed Research International. 2016, 5726730 (2016).
- Kubiak, C. A., et al. Physiologic signaling and viability of the Muscle Cuff Regenerative Peripheral Nerve Interface (MC-RPNI) for intact peripheral nerves. Journal of Neural Engineering. 18 (4), (2021).
- Rocha, J. A., et al. Diagnostic investigation and multidisciplinary management in motor neuron disease. Journal of Neurology. 252 (12), 1435-1447 (2005).
- Haastert, K., et al. Nerve repair by end-to-side nerve coaptation: histologic and morphometric evaluation of axonal origin in a rat sciatic nerve model. Neurosurgery. 66 (3), 567-576 (2010).
- Hayashi, A., et al. Collateral sprouting occurs following end-to-side neurorrhaphy. Plastic and Reconstructive Surgery. 114 (1), 129-137 (2004).
- Hu, Y., et al. Regenerative peripheral nerve interface free muscle graft mass and function. Muscle & Nerve. 63 (3), 421-429 (2021).
- Carr, M. M., et al. Strain differences in autotomy in rats undergoing sciatic nerve transection or repair. Annals of Plastic Surgery. 28 (6), 538-544 (1992).
- Sporel-Özakat, R. E., et al. A simple method for reducing autotomy in rats after peripheral nerve lesions. Journal of Neuroscience Methods. 36 (2), 263-265 (1991).
- Lemon, R. N., Mantel, G. W. H., Rea, P. A. Recording and identification of single motor units in the free-to-move primate hand. Experimental Brain Research. 81 (1), (1990).
