Waiting
Login processing...

Trial ends in Request Full Access Tell Your Colleague About Jove
JoVE Journal Bioengineering
Click here for the English version

Bioengineering

Sağlam Periferik Sinir Sinyallerinin Amplifikasyonu için Kas Manşeti Rejeneratif Periferik Sinir Arayüzü

Published: January 13, 2022 doi: 10.3791/63222
Automatic Translation
1, 1, 1, 1, 1,2, 1,2
1Department of Surgery, Section of Plastic Surgery, The University of Michigan Health System, 2Department of Biomedical Engineering, The University of Michigan, Ann Arbor

Summary

Bu yazıda, Kas Manşeti Rejeneratif Periferik Sinir Arayüzü (MC-RPNI) adı verilen biyolojik periferik sinir arayüzü geliştirmek için yenilikçi bir yöntem sunulmaktadır. Bu cerrahi yapı, motor niyetin doğru tespitini ve dış iskelet cihazlarının potansiyel kontrolünü kolaylaştırmak için ilişkili periferik sinirin motor efferent sinyallerini yükseltebilir.

Abstract

Robotik dış iskeletler, ekstremite güçsüzlüğü olan bireyler için fonksiyonel restorasyon için umut verici bir yöntem olarak rehabilitasyon alanında son zamanlarda beğeni kazanmıştır. Bununla birlikte, kullanımları büyük ölçüde araştırma kurumlarıyla sınırlı kalmakta ve motor algılama yöntemleri güvenilmez kaldığı için sıklıkla statik ekstremite desteği aracı olarak çalışmaktadır. Periferik sinir arayüzleri bu eksikliğe potansiyel bir çözüm olarak ortaya çıkmıştır; Bununla birlikte, doğası gereği küçük genlikleri nedeniyle, bu sinyallerin arka plan gürültüsünden ayırt edilmesi zor olabilir ve genel motor algılama doğruluklarını düşürür. Mevcut arayüzler abiyotik materyallere dayandığından, zamanla yabancı cisim doku reaksiyonu ile birlikte doğal malzeme parçalanması meydana gelebilir ve bu da doğruluklarını daha da etkileyebilir. Kas Manşeti Rejeneratif Periferik Sinir Arayüzü (MC-RPNI), bu belirtilen komplikasyonların üstesinden gelmek için tasarlanmıştır. Sağlam bir periferik sinire çevresel olarak sabitlenmiş bir serbest kas grefti segmentinden oluşan yapı, zamanla içerdiği sinir tarafından yenilenir ve reinnerve olur. Sıçanlarda, bu yapı, bileşik kas aksiyon potansiyellerinin (CMAP'ler) üretilmesi yoluyla periferik bir sinirin motor efferent aksiyon potansiyellerini normal değerin 100 katına kadar yükseltme yeteneğini göstermiştir. Bu sinyal amplifikasyonu, motor niyetinin yüksek doğrulukta algılanmasını kolaylaştırır ve potansiyel olarak dış iskelet cihazlarının güvenilir bir şekilde kullanılmasını sağlar.

Introduction

Sadece Amerika Birleşik Devletleri'nde, yaklaşık 130 milyon insan nöromüsküler ve kas-iskelet sistemi bozukluklarından etkilenmekte ve yıllık ekonomik etkide 800 milyar doların üzerinde 1,2 ile sonuçlanmaktadır. Bu bozukluk grubu tipik olarak sinir sistemlerindeki, nöromüsküler kavşaktaki veya kasın içindeki patolojiye sekonderolarak 3. Patolojik kökenlerin çeşitliliğine rağmen, çoğunluk bir dereceye kadar ekstremite zayıflığını paylaşır 1,3. Ne yazık ki, bu zayıflık, özellikle şiddetli travma 4,5,6 ortamında, nöral ve kas dokusu rejenerasyonundaki sınırlamalar göz önüne alındığında genellikle kalıcıdır.

Ekstremite zayıflığı tedavi algoritmaları klasik olarak rehabilitasyon ve destekleyici önlemlere odaklanmış, genellikle kalan sağlam uzuvların (bastonlar, tekerlekli sandalyeler, vb.) 7. Bununla birlikte, bu strateji, zayıflığı tek bir ekstremiteyle sınırlı olmayanlar için yetersiz kalmaktadır. Robotik teknolojilerdeki son yeniliklerle birlikte, ekstremite zayıflığı 8,9,10,11,12,13 ile yaşayanlara ekstremite işlevselliğini geri kazandıran gelişmiş dış iskelet cihazları geliştirilmiştir. Bu robotik dış iskeletler genellikle hareketin başlatılmasına ve sonlandırılmasına veya uzuv pozisyonunun korunmasına yardımcı olabilen, kullanıcı için bireysel olarak uyarlanabilen farklı miktarda kuvvet sağlayan güçlü, giyilebilir cihazlardır 8,9,10,11,12,13 . Bu cihazlar, kullanıcıya motor yardımını nasıl sağladıklarına bağlı olarak pasif veya aktif olarak sınıflandırılır: aktif cihazlar, kullanıcıya gücü artıran elektrikli aktüatörler içerirken, pasif cihazlar, gerektiğinde kullanıcıya geri vermek için kullanıcının hareketlerinden enerji depolar14. Aktif cihazlar bir kullanıcının güç yeteneklerini artırma yeteneğine sahip olduğundan, bu cihazlar ekstremite zayıflığı ayarında çok daha sık kullanılır[14].

Bu popülasyondaki motor niyeti belirlemek için, modern dış iskeletler genellikle distal ekstremite kaslarının elektromiyografisinden (EMG)8,15,16,17 veya beynin yüzey elektroensefalografisinden (sEEG) üretilen örüntü tanıma algoritmalarına dayanır 18,19,20 . Bu algılama yöntemlerinin vaadine rağmen, her iki seçenek de bu cihazların yaygın kullanımını engelleyen önemli sınırlamalara sahiptir. EEG, mikrovolt seviyesindeki sinyalleri transkraniyal olarak18,19,20 olarak algıladığından, eleştiriler sıklıkla bu sinyalleri arka plan gürültüsünden ayırt edememeye odaklanır 21. Arka plan gürültüsü istenen kayıt sinyaline benzer olduğunda, bu düşük sinyal-gürültü oranları (SNR'ler) üretir ve yanlış motor algılama ve sınıflandırma22,23'e neden olur. Doğru sinyal algılama ayrıca kaba / kalın saçların varlığından, kullanıcı aktivitesinden ve hatta terleme 22,24'ten önemli ölçüde etkilenebilen kararlı, düşük empedanslı kafa derisi teması 21'e dayanır. Buna karşılık, EMG sinyalleri genlikte birkaç büyüklükte daha büyüktür ve daha fazla motor sinyali algılama doğruluğunu kolaylaştırır15,18,25. Bununla birlikte, yakındaki kaslar sinyali kirletebileceğinden, cihaz tarafından kontrol edilebilen serbestlik dereceleriniazaltarak 16,17,25 ve derin kas hareketini tespit edememe 25,26,27,28 olduğu için bunun bir bedeli vardır. En önemlisi, EMG, önemli kas uzlaşması ve doku29'un tamamen yokluğu durumunda bir kontrol yöntemi olarak kullanılamaz.

Robotik dış iskeletlerin gelişimini ilerletmek için, amaçlanan kullanıcının motor niyetinin tutarlı ve doğru bir şekilde algılanması gerekir. Periferik sinir sistemini kullanan arayüzler, nispeten basit erişimleri ve fonksiyonel seçicilikleri göz önüne alındığında, umut verici bir arayüz tekniği olarak ortaya çıkmıştır. Mevcut periferik sinir arayüzleme yöntemleri invaziv veya non-invaziv olabilir ve tipik olarak üç kategoriden birine girer: ekstranöral elektrotlar 30,31,32,33, intrafasiküler elektrotlar34,35,36 ve penetran elektrotlar37,38,39,40 . Periferik sinir sinyalleri genellikle mikrovolt seviyesinde olduğundan, bu sinyalleri benzer genlikteki arka plan gürültüsünden ayırt etmek zor olabilir41,42, bu da arayüzün genel motor algılama doğruluğu yeteneklerini azaltır. Bu düşük sinyal-gürültü (SNR) oranları, cihazınbozulmasından 39,43 veya cihazın etrafındaki skar dokusu üreten yerel yabancı cisim reaksiyonundan ve / veya lokal aksonal dejenerasyondan 37,44 kaynaklanan kötüleşen elektrot empedansı 43'e bağlı olarak zamanla kötüleşir. Bu eksiklikler genellikle reoperasyon ve yeni bir periferik sinir arayüzünün implantasyonu ile çözülebilse de, yabancı cisimle ilişkili reaksiyonlar meydana gelmeye devam edeceği için bu uzun vadeli bir çözüm değildir.

Periferik sinirlerin abiyotik arayüzlerle etkileşiminden kaynaklanan bu lokal doku reaksiyonlarını önlemek için, biyolojik bir bileşen içeren bir arayüz gereklidir. Bu eksikliği gidermek için, Rejeneratif Periferik Sinir Arayüzü (RPNI), transekte periferik sinirleri, protez cihazlarla amputasyonlu kişilerin kalıntı uzuvlarına entegre etmek için geliştirilmiştir45,46,47,48. RPNI'nin üretimi, transekte bir periferik sinirin otolog serbest kas greftinin bir segmentine cerrahi implantasyonunu içerir ve zamanla revaskülarizasyon, rejenerasyon ve reinnervasyon meydana gelir. RPNI, mili-volt seviyesinde bileşik kas aksiyon potansiyellerinin (CMAP'ler) üretilmesi sayesinde, içerdiği sinirin mikro-volt seviye sinyalini birkaç büyüklükte yükseltebilir ve motor niyetinin 45,48,49'un doğru bir şekilde algılanmasını kolaylaştırır. RPNI'de son on yılda, hem hayvan50,51 hem de insan47 denemelerinde efferent motor sinir sinyallerinin yükseltilmesi ve iletilmesinde kayda değer bir başarı ile kayda değer bir başarı elde edilmiş, yüksek hassasiyetli protez cihaz kontrolünü çoklu serbestlik dereceleriyle kolaylaştırmıştır.

Ekstremite zayıflığı olan ancak sağlam periferik sinirleri olan bireyler, dış iskelet cihazlarını kontrol etmek için periferik sinir arayüzleri aracılığıyla motor niyetin yüksek doğrulukta saptanmasından benzer şekilde yararlanacaktır. RPNI, amputasyonlu kişilerde olduğu gibi transekte periferik sinirlerle entegrasyon için geliştirildiğinden, cerrahi modifikasyonlar gerekliydi. RPNI ile ilgili deneyimlerden yola çıkarak, Kas Manşeti Rejeneratif Periferik Sinir Arayüzü (MC-RPNI) geliştirilmiştir. RPNI'de olduğu gibi benzer bir serbest kas grefti segmentinden oluşan, bunun yerine sağlam bir periferik sinire çevresel olarak sabitlenir (Şekil 1). Zamanla, kollateral aksonal filizlenme, bu efferent motor sinir sinyallerininbüyütülmesi ve birkaç büyüklük sırası daha büyük olan EMG sinyallerine çevrilmesi yoluyla yenilenir ve yeniden innerve olur. MC-RPNI biyolojik kökenli olduğundan, şu anda kullanımda olan periferik sinir arayüzleri ile ortaya çıkan kaçınılmaz yabancı cisim reaksiyonunu önler52. Ayrıca, MC-RPNI, daha önce RPNI'lerde49'da gösterildiği gibi, distal olarak disseke edilmiş sinirlere önemli çapraz konuşma olmadan bireysel kaslara yerleştirilebildikleri için aynı anda birden fazla serbestlik derecesini kontrol etme yeteneği verir. Son olarak, MC-RPNI, proksimal sinire yerleştirildiği için distal kas fonksiyonundan bağımsız olarak çalışabilir. Mevcut periferik sinir arayüzlerine göre avantajları göz önüne alındığında, MC-RPNI, güvenli, doğru ve güvenilir bir dış iskelet kontrolü yöntemi sağlama konusunda önemli bir umut vaat etmektedir.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

Tüm hayvan prosedürleri ve deneyleri, Michigan Üniversitesi Kurumsal Bakım ve Hayvan Kullanımı Komitesi'nin (IACUC) onayı ile gerçekleştirilmiştir. 3-6 aylıkken erkek ve dişi Fischer F344 ve Lewis sıçanları (~ 200-300 g) deneylerde en sık kullanılanlardır, ancak herhangi bir suş teorik olarak kullanılabilir. Otolog kas greftleri yerine donör sıçanlar kullanılıyorsa, donör sıçanlar deneysel suşa izojenik olmalıdır. Sıçanların ameliyat öncesi ve sonrası yiyecek ve suya serbestçe erişmelerine izin verilir. Terminal sonlanım noktası değerlendirmelerini takiben, derin anestezi altında intrakardiyak potasyum klorür enjeksiyonu ve ardından ikincil bir bilateral pnömotoraks yöntemi ile ötenazi yapılır.

1. Sıçanın deneysel olarak hazırlanması

  1. Bir indüksiyon odasında 0.8-1.0 L / dak'da oksijende% 5'lik bir izofluran çözeltisi kullanarak deneysel sıçanı anestezi altına alın. Yeterli anestezi sağlandıktan ve kornea refleksinin yokluğunda doğrulandıktan sonra, sıçanı anestezinin sürdürülmesi için% 1.75 -% 2.25'e düşürülmüş izofluran ile bir solunum burun konisi üzerine yerleştirin.
  2. Peri- ve postoperatif analjezi için omuz bıçakları arasındaki deri altı düzlemde 27 G iğne ile 0.2 mL steril salin içine 0.02-0.03 mL Carprofen (50 mg / mL) çözeltisi enjekte edin.
  3. Anestezi uygulanırken kornea ülserlerini önlemek için her iki göze de steril göz merhemi uygulayın.
  4. Elektrikli bir tıraş bıçağı kullanarak, kalça ekleminden, uyluk üzerinden ve pençenin sırt yüzeyine uzanan bilateral alt ekstremitelerin lateral kısmını tıraş edin.
  5. Cerrahi bölgeyi önce bir alkol hazırlama pedi ile silerek, ardından povidon-iyot çözeltisi uygulaması ile sterilize edin, artık povidon-iyot çözeltisini çıkarmak için yeni bir alkol hazırlama pedi ile son bir temizlik ile sona erdirin. Steriliteyi korumak için bu alternatif temizleme işlemini üç kez tekrarlayın.
    NOT: Bu dermatolojik tahriş edici olabilir; çözümün çoğunluğunun ortadan kaldırılmasını sağlayın.

2. Kas greftinin hazırlanması

  1. Sıçanı, vücut ısısı izleme için tercih edilen ağız içi vücut ısısı probu ile cerrahi bir mikroskobun altındaki bir ısıtma yastığına yerleştirin. İzofluranı% 1.75-2.25'te ve oksijeni 0.8-1.0 L / dak'da tutun.
  2. İstenilen donör arka bacağın ön yönü boyunca, ayak bileğinin hemen üstünden dizin hemen altına kadar uzanan uzunlamasına bir kesi yapın #15 neşter ile.
  3. Altta yatan kas sistemini ve ayak bileği eklemine sadece proksimal olan distal tendonları ortaya çıkarmak için keskin iris makası kullanarak altta yatan deri altı dokusundan diseksiyon yapın. Tibialis anterior (TA) kasların en büyüğü ve en ön kısmıdır; ekstansör digitorum longus (EDL) kası bu kasın hemen derin ve arka tarafında bulunabilir. EDL kasını ve distal tendonunu çevredeki kas yapısından izole edin.
  4. Distal tendonun altına forseps veya iris makasının her iki çatalını da ayak bileği ekleminin hemen yakınına yerleştirerek doğru tendonun izolasyonunu sağlayın. Forseps veya iris makası açarak tendon üzerinde yukarı doğru baskı uygulayın. Bu hareket, tüm ayak parmaklarının aynı anda aynı anda uzamasını sağlamalıdır. İzole ayak bileği dorsifleksiyonu, ayak bileği eversiyonu, veya tek ayak parmağı dorsifleksiyonu meydana gelirse, yanlış tendon izole edilmiştir.
  5. EDL kasının distal tenotomisini ayak bileği seviyesinde keskin iris makası ile gerçekleştirin ve kası, tendinöz kökenine doğru yakın çalışan çevre dokulardan arındırılmış olarak diseke edin.
  6. Proksimal tendon görselleştirildikten sonra, grefti serbest bırakmak için keskin iris makası kullanarak proksimal tenotomi yapın.
  7. Kas greftinin her iki tendinöz ucunu kesin ve keskin iris makası ile istenen uzunlukta kesin.
    NOT: 8-13 mm ölçülerindeki greftler başarı ile kullanılmıştır; Bununla birlikte, kullanılan en yaygın uzunluk 10 mm'dir.
  8. Kas greftinin bir tarafında, sinirin kas grefti içine yerleştirilmesini kolaylaştırmak ve sinirin endomisyum ile temasını sağlamak için kesilen tüm uzunluk boyunca uzunlamasına bir kesi yapın.
  9. Hazırlanan kas greftini, doku kurumasını önlemek için tuzlu suyla nemlendirilmiş bir gazlı bez içine yerleştirin.
  10. Donör bölgenin üzerindeki cildi 4-0 kromik dikişle koşu şeklinde kapatın.

3. Ortak peroneal sinir izolasyonu ve hazırlığı

  1. Siyatik çentikten ~ 5 mm'lik bir çizgiden uzanacak ve diz ekleminin hemen altına kadar uzanacak olan cerrahi insizyonu işaretleyin. Bu işaretlemenin, aşağıda palpe edilebilen femurdan daha düşük ve açılı olduğundan emin olun.
  2. 15 numaralı bir bıçakla işaretli kesi çizgisi boyunca deri ve deri altı dokuları kesin. Altta yatan biseps femoris fasyasını dikkatlice kesin, siyatik sinir hemen aşağıda yattığı için kasın tüm derinliği boyunca uzanmamaya özen gösterin.
  3. Künt uçlu küçük makas veya hemostat kullanarak, biseps femoris kasından dikkatlice diseke edin.
    NOT: Siyatik sinir, bisepslerin altında yatan bu boşlukta hareket eder ve ciltte işaretlenen kesi ile yaklaşık olarak aynı yöne yönlendirilir. Üç önemli siyatik sinir dalı vardır: sural (sinirlerin en arka ve en küçüğü), tibial (tipik olarak en ön, ancak bu sinir her zaman diz ekleminin derinliklerine dalar) ve ortak peroneal (tipik olarak tibial ve sural arasında bulunur, her zaman diz ekleminin üzerinde hareket eder).
  4. Ortak peroneal (CP) siniri tanımlayın ve bir çift mikro forseps ve mikro makas kullanarak onu çevreleyen sinirlerden dikkatlice izole edin. Çevreleyen bağ dokusunu sinirin orta 2 cm'sinden çıkarın. Bu süreçte CP sinirini forseps ile ezmemeye dikkat edin, çünkü ezilme yaralanması son nokta sonuçlarını değiştirebilir.
  5. Serbest bırakılmış CP sinirinin en merkezi kısmı üzerinde, kas greftinin istenen uzunluğuna uyan sinirin uzunluğu boyunca epinöryumun% 25'ini çıkararak bir epinöryal pencere gerçekleştirin.
  6. Bunu gerçekleştirmek için proksimal epinöryumu mikro-forsepslerle tutun, mikro diseksiyon makası ile hemen altta yatan epinöryumu kesin ve sinir boyunca distal olarak hareket eden epinöryumun ~% 25'ini çıkarın. Bu segmenti tek parça halinde çıkarmaya özen gösterin, çünkü birden fazla girişim düzensiz epinöryal çıkarmaya neden olabilir ve sinir hasarı riskini artırabilir.
    NOT: Epinöroniyumun altında yatan sinir dokusu kaz benzeri bir dokuya sahip olacaktır; Bu sinir kalitesine dikkat çekmek, doğru doku düzleminin çıkarılmasını sağlar.

4. MC-RPNI yapı imalatı

  1. Kas greftini salinle nemlendirilmiş gazlı bezden çıkarın ve epinöryal pencerenin oluşturulduğu CP sinirinin orta kısmının altına yerleştirin. Siniri 180 ° döndürün, böylece epinöryal pencere bölümü sağlam kaslarla temas eder ve nihai dikiş çizgisinin altında kalmaz.
  2. 8-0 kullanma naylon sütür, epinöryumu endomiyuma sabitlemek için basit kesilmiş sütürler kullanarak CP sinirinin epinöryumunu hem proksimal hem de distal olarak adım 2.8'de oluşturulan oluk içindeki kas greftine dikiştirin.
    NOT: Bu dikişleri yerleştirin ve kasın normal dinlenme uzunluğunda olmasını sağlayın. Kasın çok fazla gerilmesi veya sıkıştırılması, daha sonra yenilenme ve sinyal verme yeteneklerini etkileyebilir.
  3. Şimdi sabitlenmiş siniri çevreleyen kas greftinin kenarlarını çevresel olarak sarın ve basit bir şekilde kesilmiş 8-0 kullanarak dikiş dikin naylon dikişler (uzunluğa bağlı olarak ~ 4-6).
  4. Hemostaz sağlandıktan sonra, yapı üzerindeki biseps femoris fasyasını koşu tarzında 5-0 kromik sütür ile kapatın.
  5. Üstteki cildi 4-0 kromik dikişle koşu tarzında kapatın.
  6. Cerrahi bölgeyi bir alkol hazırlık pedi ile temizleyin ve antibiyotik merhem uygulayın.
  7. İnhalasyonel anesteziyi sonlandırın ve sıçanı kafes arkadaşlarından izole edilmiş temiz bir kafese yerleştirin ve yiyecek ve su ad lib ile iyileşmesine izin verin.
  8. Sıçan uygun şekilde iyileştikten sonra, kafes arkadaşlarıyla birlikte temiz bir kafese geri yerleştirin.
    NOT: Bu yapılar, yeterli sinir sinyali amplifikasyonu üretmek için en az üç aylık olgunlaşma gerektirir.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

MC-RPNI cerrahi fabrikasyonu, sıçanların cerrahi anesteziden çıkmadan kurtulamaması veya ameliyattan sonraki bir hafta içinde bir enfeksiyon geliştirmemesi durumunda perioperatif bir başarısızlık olarak kabul edilir. Önceki araştırmalar, 3 aylık bir olgunlaşma periyodunun buyapıdan 42,45,48,49 güvenilir sinyal amplifikasyonu ile sonuçlanacağını göstermiştir. O zaman veya daha sonra, yapıların cerrahi maruziyeti ve değerlendirmesi gerçekleşebilir. MC-RPNI üretimi başarılı olsaydı, revaskülarize kas orijinal MC-RPNI implantasyon bölgesinde kolayca görülebilmelidir (Şekil 2B). Başarılı MC-RPNI'ler ayrıca proksimal sinir stimülasyonunu takiben büzülecektir (Video 1). Bazen, önemli skarlaşma ve atrofik kas grefti mevcut olabilir (Şekil 2C), tipik olarak çok büyük bir greft, yanlış kullanım veya perioperatif doku hasarına sekonder olarak revaskülarizasyon / rejenerasyon başarısızlığını gösterir. Bu atrofik greftler genellikle proksimal sinir stimülasyonu üzerine bir dereceye kadar kasılmaya sahiptir, ancak daha düşük sinyal amplifikasyonu üretir. Genel olarak, maruz kaldıktan sonra, MC-RPNI'nin sinirden çıkmış olarak bulunması veya proksimal sinir stimülasyonu üzerine kasılma olmaması bir imalat başarısızlığı olarak kabul edilir.

Bu yapıların histolojik analizi, herhangi bir önemli fibroz veya skar olmadan canlı sinir ve kas dokusunu göstermelidir (Şekil 3). İmmünohistokimya, postsinaptik asetilkolin reseptörleri için bir belirteç olarak alfa-bungarotoksin ile kombinasyon halinde, genel bir sinir belirteci olarak nörofilament ile innerve nöromüsküler kavşakların varlığını doğrulamak için de yapılabilir (Şekil 4). Hedef implante edilmiş sinir, MC-RPNI'nin kas bileşenini innerve edemezse, immün boyama, yapıyı geçen herhangi bir kollateral motor sinir filizini veya herhangi bir innerve nöromüsküler kavşağı göstermez.

Elektrofizyolojik testler, olgunlaşmayı takiben herhangi bir zamanda bu yapılar üzerinde yapılabilir; sonuçlar, MC-RPNI'de özellikle 3 ay52'de ve insan deneklerde RPNI'lerde 3 yıla kadar kararlı sinyaller gösteren sonuçlar yayınlanmıştır47. Elektrofizyolojik test şemaları, ilgi alanına ve mevcut ekipmana göre değişebilir (Şekil 5), ancak değerlendirmeler en yaygın olarak proksimal sinire bir kanca elektrodu ile maksimum stimülasyonun sağlanması ve ardından MC-RPNI'de üretilen bileşik kas aksiyon potansiyellerinin (CMAP'ler) kaydedilmesi ile gerçekleştirilir (Tablo 1 ). Kayıt elektrotları kullanıcı tercihine göre değişebilir, ancak epimisyal yama / pad, epimisyal bipolar prob ve penetran bipolar elektrotlar deneysel olarak başarıyla kullanılmıştır. Daha proksimal sinir stimülasyonunu takiben CP sinirinde kaydedilen ortalama bileşik sinir genliği (CNAP) 119.47 μV ± 14.87 μV idi. Benzer proksimal CP sinir stimülasyonunu takiben MC-RPNI'de kaydedilen ortalama CMAP genliği 3.28 mV ± 0.49 mV idi ve sinir sinyalinin 11-87x'ten amplifikasyonu ile sonuçlandı ve genel ortalama amplifikasyon faktörü 31.8 ± 7.70 idi. Bu üretilen CMAP dalga formları, görünüşte doğal kaslara benzer, ayrıca içerdikleri sinir tarafından reinnerve olduklarını da destekler (Şekil 6B).

MC-RPNI üretiminin negatif fonksiyonel etkiye neden olmamasını sağlamak için, distal olarak innerve edilmiş kas üzerinde elektrofizyolojik ve kas kuvveti testleri yapılabilir. Testin çoğunluğu ipsilateral EDL kası üzerinde gerçekleştirilmiştir, çünkü test için kolayca erişilebilir ve ortak peroneal sinir tarafından innerve edilir (kontralateral EDL, MC-RPNI üretimi için toplanır ve bu nedenle değerlendirilmez). Proksimal CP sinir stimülasyonunu takiben fizyolojik EDL kası tarafından üretilen CMAP'ler tipik olarak 20-30 mV52 arasında değişir. Bu testi implante MC-RPNI'li sıçanlar üzerinde gerçekleştirirken, EDL CMAP'ler anlamlı olarak farklı değildir, ortalama 24.27 mV ± 1.34 mV'dur. Ek olarak, bu iki grup arasında üretilen CMAP dalga formlarını karşılaştırırken, bunlar oldukça benzerdir (Şekil 6C). Distal olarak innerve kas fonksiyonunun ek bir ölçüsü olarak, ilgilenilen kasın kas kuvveti testi takip edilebilir (Tablo 2). Proksimal CP sinir stimülasyonunu takiben, MC-RPNI deneklerinde üretilen ortalama EDL maksimum tetanik kuvveti, kontrol deneklerinde EDL kasından elde edilen ortalama 2497 mN ± 122 mN'ye benzer şekilde, 115 mN'±2451 mN'dir.

MC-RPNI'nin genel amacı, içerdiği sinirin mikrovolt seviyesi sinyalini birkaç büyüklükte yükseltmek, SNR oranını arttırmak ve böylece motor niyetinin doğru bir şekilde algılanmasını kolaylaştırmaktır. Bu amplifikasyonun 10-20 kat 52 aralığında güvenilir bir şekilde gerçekleştiği gösterilmiştir, daha yeni deneyler50 kattan fazla amplifikasyon faktörüne ulaşmıştır; bu nedenle, bir yapı benzer bir amplifikasyon seviyesi sağlamıyorsa, optimal olmayan olarak kabul edilir. Sub-optimal sonuçlar tipik olarak MC-RPNI'deki kas grefti seviyesindeki problemlere bağlanabilir, çünkü eksik rejenerasyon ve dolayısıyla reinnervasyon, standart CMAP'den daha düşük bir seviyeye neden olabilir ve yapının genel amplifikasyon yeteneklerini azaltabilir. Üretilen dalga formu tipik olarak zayıflatılır ve gözle görülür derecede anormal bir görünüme sahiptir. Kas grefti tamamen başarısız olursa, kas bileşeninde ölçülen sinyal ya mevcut olmayabilir (önemli skar dokusuna sekonder) ya da yukarı akış sinirinde üretilen CNAP'yi yansıtabilir.

Figure 1
Şekil 1: MC-RPNI'nin açıklayıcı şeması. Hedef periferik sinir, çevredeki kas grefti içinde sarı renkte görülebilir. MC-RPNI, içerdiği sinirin motor efferent aksiyon potansiyellerini, birkaç büyüklükte bileşik kas aksiyon potansiyellerinin (CMAP'ler) üretilmesiyle mikrovolt seviyesinde yükseltebilir. Bu, arka plan gürültüsünden kolayca ayırt edilebilen motor niyetinin algılanmasını kolaylaştırır. Bu şeklin daha büyük bir versiyonunu görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.

Figure 2
Resim 2: MC-RPNI in vivo. MC-RPNI, kontralateral ekstremiteden toplanan otolog ekstansör digitorum longus (EDL) kas grefti kullanılarak üretilir. Daha sonra, ilk imalat sırasında beyaz (A) ile özetlenen bir örnek MC-RPNI ile ortak peroneal sinire çevresel olarak sabitlenir. Aynı MC-RPNI, 3 ay sonraki son nokta değerlendirmesi sırasında tekrar (B) de resmedilmiştir. MC-RPNI, çevreleyen kas ile benzer renklenmeye sahiptir ve hacmin iyi bir bölümünü korumuştur. Atrofik kas greftinin bir örneği (C) 'de gösterilmiştir. MC-RPNI, çevreleyen skar ve bağ dokusuna benzer bir görünüme sahiptir ve önemli miktarda hacim kaybetmiştir. Bu şeklin daha büyük bir versiyonunu görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.

Figure 3
Resim 3: MC-RPNI histolojisi. (A) MC-RPNI kesitinin H&E'si, kas bileşenini gösteren M ve siniri gösteren N. (B) MC-RPNI'li bir sıçanda ipsilateral distal olarak innerve EDL kasının kesiti. (C) MC-RPNI'si olmayan bir kontrol sıçanında EDL kasının kesiti. Bu şeklin daha büyük bir versiyonunu görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.

Figure 4
Şekil 4: MC-RPNI'nin immün boyaması. Sol üstteki görüntü, mavi (DAPI) ile belirtilen çekirdeklere ve yeşil (nörofilament) sinir dokusuna sahip bir MC-RPNI örneğinin uzunlamasına bir bölümünü göstermektedir. Başka bir MC-RPNI'nin yakın çekimi, sağ altta, çoklu nöromüsküler kavşaklar (asetilkolin reseptörleri için kırmızı renkte alfa-bungarotoksin) ile gösterilir. Bu şeklin daha büyük bir versiyonunu görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.

Figure 5
Şekil 5: Uç nokta elektrofizyolojik değerlendirme kurulumu. Elektrofizyolojik testler en az üç elektrot gerektirir: (1) bir topraklama elektrodu - resimde görülmemiş; (2) sinir uyarıcı bipolar elektrot; ve (3) bipolar kayıt elektrodu. Bu kurulumda, ortak peroneal sinir üzerine yerleştirilen görüntünün sağında beyaz renkte bipolar uyarıcı bir kanca elektrodu görülebilir. Kayıt bipolar prob elektrodu distal MC-RPNI üzerine yerleştirilir. Sinyaller daha sonra maksimum CMAP'ler elde edilene kadar kanca elektrodundaki proksimal sinir stimülasyonunu takiben MC-RPNI'den kaydedilir. Bu şeklin daha büyük bir versiyonunu görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.

Figure 6
Şekil 6: Standart elektrofizyolojik dalga formları. Bu grafikler, proksimal CP sinir stimülasyonunu takiben implante edilmiş MC-RPNI'li bir sıçanın elektrofizyolojik analizi sırasında yakalanan tipik dalga formlarını göstermektedir. (A) Mavi renkte, CP sinir proksimalinden MC-RPNI'ye kaydedilen bir CNAP (*) resmedilmiştir. Sistem yapısı bir (**) ile gösterilir. (B) (A)'da oluşturulan CNAP'yi takiben MC-RPNI'den kaydedilen temsili CMAP. (C) İpsilateral distal olarak innerve EDL kasından kaydedilen sonuçta ortaya çıkan CMAP dalga formu. Bu şeklin daha büyük bir versiyonunu görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.

Sıçan Kimliği Sıçan Ağırlığı (g) Sinir CNAP Genliği (μV) MC-RPNI CMAP Genliği (Mv) Sinir Sinyali Amplifikasyon faktörü Gecikme süresi (ms)
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 Yok 5.3 Yok 1.55
11 380 Yok 2.1 Yok 0.75
12 415 Yok 2.4 Yok 1

Tablo 1: MC-RPNI'lerin uç nokta elektrofizyolojik analizi. Fabrikasyondan sonraki 3 (Sıçanlar 1-9) ve 6 (Sıçanlar 10-12) aylarında son nokta analizine tabi tutulan sıçanlardan elde edilen sonuçların bir seçkisi. Proksimal ortak peroneal (CP) sinir stimülasyonunu takiben, aşağı akış CP sinirinde bileşik sinir aksiyon potansiyelleri (CNAP'ler) kaydedildi ve aşağı akış MC-RPNI'de bileşik kas aksiyon potansiyelleri (CMAP'ler) kaydedildi. Her test için amplifikasyon faktörü sağdaki sütunda görülebilir. Not: Sıçanlar 10-12 için, MC-RPNI'ye olan CNAP proksimal MC-RPNI'nin CP sinirinin siyatik sinirden kalkışına çok yakın üretilmesinden kaynaklanan anatomik sınırlamalar göz önüne alındığında ölçülemedi. Kaydedilen ortalama CNAP genliği 119.47 μV ± 14.87 μV iken, ortalama CMAP genliği 3.28 mV ± 0.49 mV idi ve ortalama 31.8 ± 7.70 amplifikasyon faktörü üretti.

Sıçan Kimliği Maksimum Seğirme (mN) V Maksimum Tetani (mN) V Hz Lo (mm)
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

Tablo 2: İmplante edilmiş MC-RPNI'leri olan sıçanların kas kuvveti analizi. MC-RPNI'nin distal olarak innerve kas fonksiyonu üzerinde herhangi bir etkisi olup olmadığını belirlemek için ipsilateral ekstansör digitorum longus (EDL) kası üzerinde kas kuvveti testi yapıldı. Proksimal CP sinir stimülasyonunu takiben, kuvvet izlemeleri kaydedildi ve ilgilenilen testle ilgili aktif kuvvet hesaplandı. Lo, maksimum kuvvet üreten optimal kas dinlenme uzunluğu olarak tanımlandı. İmplante edilmiş MC-RPNI'leri olan sıçanlardan kaydedilen ortalama maksimum seğirme kuvveti 722.0 mN ± 32.11 mN ve kaydedilen ortalama maksimum tetanik kuvvet, kontrol hayvanlarından elde edilen değerlere benzer şekilde 2451 mN ± 115 mN idi (maksimum seğirme: 822.2 mN ± 41.11 mN; maksimum tetani: 2497 mN ± 122 mN).

Video 1: Proksimal sinir elektriksel stimülasyonunu takiben MC-RPNI kasılması. Sağdaki kanca elektrodu tarafından sağlanan proksimal sinir elektriksel stimülasyonunu takiben, merkezde MC-RPNI'nin gözle görülür kas kasılması görülebilir. Bu videoyu indirmek için lütfen tıklayınız.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

MC-RPNI, bir dış iskelet cihazını doğru bir şekilde kontrol etmek için sağlam, periferik bir motor sinirin efferent aksiyon potansiyellerinin amplifikasyonuna izin veren yeni bir yapıdır. Spesifik olarak, MC-RPNI, önemli kas hastalığının ve / veya EMG sinyallerinin kaydedilemediği kas yokluğunun neden olduğu ekstremite zayıflığı olan bireylere özel bir fayda sağlar. Zaten tehlikeye girmiş kas fonksiyonunu azaltmak, bu popülasyonda yıkıcı olacaktır; Bununla birlikte, MC-RPNI, distal olarak innerve edilmiş kas52'ye zarar vermeden bu sinir sinyali amplifikasyonunu sağlama yeteneğine sahiptir (Tablo 1 ve Tablo 2). Kas bazlı veya düşük motor nöron hastalığı olan bireylerde, periferik duyusal sinirler tipik olarak hastalık sürecinden etkilenmez53. Duyum korunduğundan, siniri süreklilik içinde tutmak ve yaralanmayı önlemek zorunludur ve MC-RPNI, histolojiye (Şekil 3), immünohistokimyaya (Şekil 4) ve kas fonksiyonunun değerlendirilmesine (Tablo 2) dayanan bir bütün olarak distal olarak innerve edilmiş hedeflere herhangi bir zarardan kaçınıyor gibi görünmektedir.

MC-RPNI, hem önceki araştırmalarda 52'de hem de uçtan yana nöroraji 54,55'in iyi tanımlanmış cerrahi tekniğinde kolayca gösterilen bir kavram olan tutulan periferik sinirin kollateral aksonal filizlenmesi kavramına dayanmaktadır. MC-RPNI üretimi sırasında kas greftinin yeterli reinnervasyonunu sağlamak ve distal olarak innerve edilmiş hedeflere olumsuz etkiden kaçınmak için, sinirin titizlikle ele alınması zorunludur. Sinirin diseksiyonu sırasında, sadece epinöryum veya bağ dokusunun kısa bir şekilde ele alınması yoluyla travma önlenebilir. Bununla birlikte, MC-RPNI imalatında sinir hasarı potansiyeli, epinöryal pencere basamağında en yüksektir. Sinir liflerinin keskin bir şekilde kesilmesini önlemek için, bu adımın deneysel olmayan sıçanlar üzerinde pratik yapmak için birkaç fırsattan sonra sadece yüksek güçlü bir cerrahi mikroskop (en az 5x) altında yapılması önerilir. Bu adım, ustalaşmak için birkaç girişimde bulunabilir ve bu adımın önce deneysel analiz için tasarlanan sıçanlar üzerinde gerçekleştirilmesi önerilmez. Teorik olarak, süreklilikteki nöroma, MC-RPNI fabrikasyonunu takiben, özellikle önemli sinir travması varlığında ortaya çıkabilecek bir komplikasyondur. Bununla birlikte, bu komplikasyon gelişimde uzun yıllar boyunca karşılaşılmamıştır.

MC-RPNI ile yapılan deneylerin çoğu, göreceli erişim kolaylığı ve distal olarak innerve edilmiş hedeflerin değerlendirilmesi nedeniyle ortak peroneal sinir üzerinde gerçekleştirilmiştir. Teorik olarak, motor bileşenli herhangi bir periferik sinir ikame edilebilir. Saf duyusal aksonlar, kas dokusunun duyusal bileşenlerine (iğ lifleri, Golgi tendon organları, vb.) sahip olması nedeniyle kullanılabilir, ancak bu deneyler şimdiye kadar yapılmamıştır ve sonuçların tahmin edilmesi zordur. MC-RPNI'nin kas grefti bileşeni için, greftler sıçanın greft uzunluğuna ve yaşına bağlı olarak 20-150 mg arasında değişir ve benzer büyüklükteki herhangi bir kas grefti başarıyla kullanılabilir. Kas grefti rejenerasyonu kısmen revaskülarizasyon yeteneğine dayanır ve büyük / kalın greftlerin nekroz ve fibroz geçirme olasılığı daha yüksektir ve bu da genel sinyal kapasitesini etkiler56. Özellikle RPNI'lar üzerinde yapılan araştırmalar, 300 mg56'ya kadar greftlerde başarılı kas rejenerasyonu ve sinyal amplifikasyonunun sürdürüldüğünü göstermiştir. Sıçan ırkı ile ilgili olarak, Lewis ve Fischer önerilmektedir, çünkü deneysel amaçlar için kullanılan diğer sıçanların çoğunluğunun sinir hasarına ikincil olarak kendi kendine mutasyona uğradığı bilinmektedir57,58.

Genel olarak, MC-RPNI üretimi ile ilgili mevcut deneyimler% <5'lik bir başarısızlık oranı sağlamıştır. Görülen en yaygın yapı başarısızlıkları tipik olarak kas grefti segmentine atfedilir, bunun üzerine maruziyette atrofik veya sinirden çıkık oldukları belirtilir. Yerinden çıkmış MC-RPNI'ler genellikle imalat sırasında yetersiz dikişten kaynaklanır, bu da çevresel olarak sarılmış kas greftinin "açılmasına" ve nihayetinde tutulan sinirin kısmi ekstrüzyonuna yol açar. Bununla birlikte, bu MC-RPNI'ler genellikle greftin bir kısmı hala sinire sabitlenmiş olarak kaldığından, sinyal amplifikasyon yeteneklerinin bir dereceye kadar (azalmış olsa da) korunur. Atrofik MC-RPNI'ler, tipik iskelet kası görünümünden yoksun oldukları için maruziyette belirgindirler, genellikle açık pembe ila gri / beyaz renklenmeye sahip skar dokusundan ayırt edilemezler (Şekil 2C). Kas dokusunun atrofisi, enfeksiyon, kas greftinin çok büyük / kalın, akut kan kaybı anemisi, imalat sırasında kas ve / veya sinir hasarı gibi birçok faktörden kaynaklanabileceği gibi, greftin sinirde pistonlanmasına neden olan epinevriyal sabitleme sütürlerinin başarısızlığı ve revaskülarizasyonu azaltabilir. Elektrofizyolojik testlerde, atrofik MC-RPNI'ler tipik olarak çok az sinyal amplifikasyonu üretir veya hiç üretmez; Yüksek hassasiyetli elektrotlar kullanılıyorsa, altta yatan sinirin CNAP'sinin kayıtları atrofik kas yoluyla kaydedilebilir. Birden fazla deney deneklerinde önemli atrofi kaydedilmişse, protokole geri dönmeli ve hangi adımların ayarlanması gerektiğini belirlemelidir. Tabii ki, değerlendirmeler yapılırken hiçbir sinyal kaydedilmezse, sorun gidermek ve yapının bir hata olduğunu varsaymamak önemlidir. Cihaz kurulumunda sorun gidermek çok önemlidir, çünkü sinyal eksikliği hasarlı elektrotlara (empedans <16 Ω önerilir), yanlış elektrot konfigürasyonuna veya hatta yetersiz proksimal sinir stimülasyonuna (bazı sinirler aşağı akış MC-RPNI'de CMAP'ler üretmeye başlamak için 0.5-5 mA elektriksel stimülasyon gerektirir) ikincil olabilir.

Ekstremite zayıflığı olanlarda dış iskelet kullanımı için mevcut insan-makine arayüzleme yöntemleri tipik olarak periferik sinirlerden veya kas dokusundan EMG'den elde edilen kayıtlara dayanmaktadır. Daha önce tartışıldığı gibi, MC-RPNI, EMG kayıtlarının mümkün olmadığı ciddi şekilde hasar görmüş veya kas dokusu bulunmayan bireyler için dış iskelet kontrolü açısından önemli faydalar sağlar29. MC-RPNI ayrıca ekstranöral elektrotlar 30,31,32,33, intrafasiküler elektrotlar 34,35,36 ve penetran elektrotlar 37,38,39,40 dahil olmak üzere mevcut periferik sinir arayüz seçeneklerine göre bir avantaj sunar. . Doğal sinir sinyalleri genellikle mikrovolt seviyesinde olduğundan, MC-RPNI bu sinir sinyallerini 30 kattan fazla yükseltme yeteneğine sahiptir, bu da arka plan gürültüsünden motor niyetinin doğru bir şekilde algılanmasını kolaylaştırır ve böylece güvenilir dış iskelet kontrolü sağlar. Kronik kullanımda, mevcut elektrot bazlı yöntemler nihayetinde in vivo ve yabancı cisim reaksiyonu olan maddi uzun ömürlülüğe özgü komplikasyonların üstesinden gelmek için mücadele eder, MC-RPNI'nin biyolojik kökeni göz önüne alındığında kaçınabileceği komplikasyonlar. Zamanla, bu yabancı cisim reaksiyonları doku hasarı, skar dokusu oluşumu ve nihayetinde aksonal demiyelinasyon ve dejenerasyon ile sonuçlanır. Altı aya kadar yapılan deneyler, distal olarak innerve edilmiş kas dokusunun nöronal hasarı, skar veya fibroz / dejenerasyonuna dair herhangi bir kanıt ortaya koymamıştır (Şekil 3) ve üç yıllık bir gözlem periyodu47 boyunca insan deneklerde kaydedilen RPNI stabilitesi ile kombinasyon halinde, MC-RPNI'lerin periferik sinirlerle yıllar ila on yıllar ölçeğinde başarılı bir şekilde arayüz oluşturabileceği sonucuna varmak mantıklıdır.

MC-RPNI'nin, sinir sistemi seviyesinde ve kasın kendisinde ortaya çıkanlar da dahil olmak üzere çeşitli patolojilerde dış iskelet kontrolü için kullanılması amaçlanmıştır. Örneğin, kas temelli patolojiler travma, kas distrofisi, enflamatuar miyopatiler ve myastenia gravis gibi durumları içerebilir. Bu koşullara neden olabilecek derin kas hasarı ve zayıflığına rağmen 1,2,3, çoğunluğun MC-RPNI reinnervasyonunu ve motor niyetin tespitini kolaylaştıracak daha düşük motor nöronları vardır. Yaygın kas hastalığına (kas distrofisi, vb.) neden olan durumlar için, serbest kas grefti bileşeninin etkilenmesi ve böylece amplifikasyon potansiyelini sınırlaması kesinlikle mümkündür. Bununla birlikte, tek bir motor ünitesinin (10-400 μV)59 bile algılanmasının periferik sinir sinyallerinin amplifikasyonunu sağlayabileceği göz önüne alındığında, MC-RPNI'nin bu popülasyonda dış iskelet kontrolünü kolaylaştırmak için daha küçük, tanımlanmış alanı içinde yeterli motor ünite içereceğini varsaymak mantıklıdır. Bununla birlikte, yapının önemli bir sınırlaması, inme, omurilik yaralanması, omurilik kası atrofisi (SMA) ve amiyotrofik lateral skleroz (ALS) gibi üst ve / veya alt motor nöronların önemli ölçüde azalmasına neden olan patolojilerdedir. MC-RPNI'yi yeniden innerve etmek için uygun bir periferik sinir lifi popülasyonu olmadan, rejenere olamaz ve sinyal amplifikasyonu sağlayamaz, bu da yapı arızasına yol açar. Yeterli MC-RPNI fonksiyonu için gerekli fonksiyonel periferik sinir liflerinin minimum popülasyonunu belirlemek için deneyler yapılmaktadır.

MC-RPNI'lerin selefi RPNI, transekte periferik sinirlerden üretilen sinyallerin amplifikasyonu ve kaydedilmesi yoluyla insan deneklerde güçlü protezlerin doğru kontrolü ile ölçülemez bir başarı göstermiştir. En önemlisi, protez cihazının yeniden çalıştırılması veya yeniden kalibrasyonu olmadan aylar ila yıllar ölçeğinde bunu yapabilir. Dış iskelet kontrol merkezi için mevcut insan-makine arayüz oluşturma yöntemleriyle ilgili yaygın şikayetler, çapraz konuşmadan kaynaklanan sinyal kontaminasyonu ve EMG'ye bağımlı yöntemlerde sık sık yeniden kalibrasyon ihtiyacı26,27,28 ve zaman içinde ikincil ameliyatlar gerektiren periferik sinir arayüzü instabilitesi 37,39,44 . Bununla birlikte, MC-RPNI, biyolojik yapısı ve stratejik yerleştirme yetenekleri göz önüne alındığında bu komplikasyonları önleyebilir. İnsan deneklerde kullanımın önünü açmak ve ekstremite güçsüzlüğü ile yaşayanlarda doğru, güvenilir dış iskelet cihazlarının nihai olarak yaygın olarak kullanılmasını sağlamak için bu yapının tam olarak anlaşılması zorunludur.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

Yazarların herhangi bir açıklaması yoktur.

Acknowledgments

Yazarlar, uzman laboratuvar yönetimi ve teknik yardımı için Jana Moon'a ve görüntüleme uzmanlığı için Charles Hwang'a teşekkür ediyor. Bu makaledeki deneyler kısmen Plastik Cerrahi Vakfı'nın SS'ye (3135146.4) ve SS'ye 1F32HD100286-01 Ödül Numarası altında Ulusal Çocuk Sağlığı ve İnsani Gelişme Enstitüsü'ne ve P30 AR069620 Ödül Numarası altında Ulusal Sağlık Enstitüleri Ulusal Artrit ve Kas-İskelet ve Deri Hastalıkları Enstitüsü'ne hibe edilmesiyle finanse edilmiştir.

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

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  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. The burden of musculoskeletal diseases in the United States. Seminars in Arthritis and Rheumatism. 46 (3), 259-260 (2016).
  3. 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).
  4. Sass, F. A., et al. Immunology Guides Skeletal Muscle Regeneration. International Journal of Molecular Sciences. 19 (3), 835 (2018).
  5. Bruggeman, K. F., et al. Harnessing stem cells and biomaterials to promote neural repair. British Journal of Pharmacology. 176 (3), 355-368 (2019).
  6. Vijayavenkataraman, S. Nerve guide conduits for peripheral nerve injury repair: A review on design, materials and fabrication methods. Acta Biomaterialia. 106, 54-69 (2020).
  7. O'Dell, M. W., Lin, C. C., Harrison, V. Stroke rehabilitation: strategies to enhance motor recovery. Annual Review of Medicine. 60, 55-68 (2009).
  8. 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).
  9. Veerbeek, J. M., et al. Effects of robot-assisted therapy for the upper limb after stroke. Neurorehabilitation & Neural Repair. 31 (2), 107-121 (2017).
  10. Heo, P., et al. Current hand exoskeleton technologies for rehabilitation and assistive engineering. Journal of Precision Engineering and Manufacturing. 13 (5), 807-824 (2012).
  11. 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).
  12. 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).
  13. 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).
  14. 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).
  15. 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).
  16. 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).
  17. 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).
  18. 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).
  19. 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).
  20. 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).
  21. 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).
  22. 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).
  23. 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).
  24. 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).
  25. Ryser, F., et al. Fully embedded myoelectric control for a wearable robotic hand orthosis. iInternational Conference on Rehabilitation Robotics (ICORR). , 615-621 (2017).
  26. 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).
  27. 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).
  28. 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).
  29. 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).
  30. 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).
  31. 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).
  32. Kenney, L., et al. An implantable two channel drop foot stimulator: initial clinical results. Artificial Organs. 26 (3), 267-270 (2002).
  33. 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).
  34. Boretius, T., et al. A transverse intrafascicular multichannel electrode (TIME) to interface with the peripheral nerve. Biosensors and Bioelectronics. 26 (1), 62-69 (2010).
  35. Petrini, F. M., et al. Six-month assessment of a hand prosthesis with intraneural tactile feedback. Annals of Neurology. 8 (1), 137-154 (2019).
  36. Jung, R., et al. Bionic intrafascicular interfaces for recording and stimulating peripheral nerve fibers. Bioelectronics in Medicine. 1 (1), 55-69 (2017).
  37. 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).
  38. 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).
  39. 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).
  40. 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).
  41. 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).
  42. Ursu, D. C., et al. In vivo characterization of regenerative peripheral nerve interface function. Journal of Neural Engineering. 13 (2), 026012 (2016).
  43. Lotti, F., et al. Invasive intraneural interfaces: Foreign body reaction issues. Frontiers in Neuroscience. 11, 497-497 (2017).
  44. Stiller, A. M., et al. A meta-analysis of intracortical device stiffness and its correlation with histological outcomes. Micromachines. 9 (9), 443 (2018).
  45. 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).
  46. 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).
  47. 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).
  48. 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).
  49. 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).
  50. 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).
  51. Urbanchek, M. G., et al. Development of a Regenerative Peripheral Nerve Interface for Control of a Neuroprosthetic Limb. BioMed Research International. 2016, 5726730 (2016).
  52. 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).
  53. Rocha, J. A., et al. Diagnostic investigation and multidisciplinary management in motor neuron disease. Journal of Neurology. 252 (12), 1435-1447 (2005).
  54. 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).
  55. Hayashi, A., et al. Collateral sprouting occurs following end-to-side neurorrhaphy. Plastic and Reconstructive Surgery. 114 (1), 129-137 (2004).
  56. Hu, Y., et al. Regenerative peripheral nerve interface free muscle graft mass and function. Muscle & Nerve. 63 (3), 421-429 (2021).
  57. 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).
  58. 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).
  59. 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).

Tags

Biyomühendislik Sayı 179 periferik sinir kas manşet dış iskelet MC-RPNI insan-makine arayüzü nöromüsküler arayüz
Sağlam Periferik Sinir Sinyallerinin Amplifikasyonu için Kas Manşeti Rejeneratif Periferik Sinir Arayüzü
Play Video
PDF DOI DOWNLOAD MATERIALS LIST

Cite this Article

Svientek, S. R., Wisely, J. P.,… More

Svientek, S. R., Wisely, J. P., Dehdashtian, A., Bratley, J. V., Cederna, P. S., Kemp, S. W. P. The Muscle Cuff Regenerative Peripheral Nerve Interface for the Amplification of Intact Peripheral Nerve Signals. J. Vis. Exp. (179), e63222, doi:10.3791/63222 (2022).

Less
Copy Citation Download Citation Reprints and Permissions
View Video

Get cutting-edge science videos from JoVE sent straight to your inbox every month.

Waiting X
Simple Hit Counter