Yöntem makalesi

Küçük hayvanlar için gerçek zamanlı giyilebilir elektromiyografi ölçüm sistemi

2K görüntüleme

⸱

DOI:

10.3791/67418

⸱

15 Kasım 2024

 ,  ,  ,  ,  , 
1Department of Semiconductor Engineering, Gachon University, 2Department of Electronic Engineering, Gachon University, 3Department of Acupuncture and Moxibustion, Gachon University, 4School of Biological Sciences, Seoul National University

Bu makalede

Özet

Hareket çalışmalarında elektromiyografi (EMG) analizi için hayvana monte edilebilir, minyatür bir ölçüm cihazı ile birlikte kas içi elektrotların kurulumu ve hazırlanması için bir protokol sunulmaktadır. Bu sistem, inme modeli sıçanlarda hareket iyileşmesini araştırmak için gerçek zamanlı EMG verilerinin kablosuz olarak iletilmesini sağlar.

Özet

Deney hayvanları için kas içi elektromiyografi (EMG) ölçüm yöntemi çeşitli şekillerde uygulanmıştır. Bu yöntemler arasında, kabloların harici ölçüm cihazlarına bağlanması deney hayvanlarının hareketini kısıtlayabilirken, implante edilebilir cihazlar, önemli boyut ve ağırlığa sahip bir cihazın sürekli varlığı nedeniyle istenmeyen yan etkilere neden olabilir. Bu sorunları ele almak için düşük maliyetli, kablosuz, çıkarılabilir bir EMG ölçüm sistemi ve deneysel prosedür öneriyoruz. Bu makale, küçük konektörlerle kas içi tel elektrotların cerrahi kurulumuna ve kablosuz sistemin geliştirilmesine odaklanmaktadır. Özellikle, bu sistemde, hayvanın vücuduna sadece tel elektrotlar yerleştirilir. Bu sistemi kullanarak, EMG ölçümleri, bir dizüstü bilgisayarda elde edilebilen gerçek zamanlı izleme ile devre sistemini hayvanın sırtına takılan bir konektöre bağlayarak kolayca gerçekleştirilebilir. Önerilen yöntem ayrıntılı, adım adım açıklanır ve ardından kas içi elektrotların bir sıçanın arka ayaklarına yerleştirilmesini içeren bir gösteri yapılır. Bir hareket çalışması için bir koşu bandı deneyi yapılır ve elde edilen elektrofizyolojik sinyaller daha sonra elde edilir ve analiz edilir.

Giriş

Elektromiyografi, kasılma sırasında kas lifleri tarafından üretilen elektriksel potansiyellerin kaydedilmesini içerir. Bu özellikler, motor nöronlardan bireysel kaslara gönderilen nöral aktivasyon sinyalleri ile belirlenir. EMG, rehabilitasyon, motor, beyin ve sinirle ilgili çalışmalarda yaygın olarak kullanılmaktadır ve ölçüm yöntemleri genel olarak yüzey EMG (sEMG) ve kas içi EMG (iEMG)1 olarak sınıflandırılabilir. Yüzey elektrotları, non-invaziv oldukları ve basit bir hazırlık süreci gerektirdikleri için özellikle giyilebilir uygulamalarda çeşitli avantajlar sunar2. İmplante edilmiş sEMG'de cerrahi işlem, elektrotun kasa nüfuz etmesi gerekmeyen iEMG'ye kıyasla daha basittir. Bu avantajlara rağmen, sEMG, kas-elektrot arayüzündeki bozukluklar, hareket artefaktları, elektrot temasının kalitesi ve bitişik kaslardan gelen sinyal karışması gibi sinyal kontaminasyonuna eğilimlidir1. Bu zorluklar, küçük hayvanları içeren çalışmalarda sıklıkla olduğu gibi, elektrotlar yakın yerleştirildiğinde özellikle sorunludur. Öte yandan, iEMG elektrot penetrasyonu için ek bir cerrahi prosedür gerektirir. Ekstra prosedür adımlarına rağmen, bu yöntem, elektrotlar kas dokusuna kalıcı olarak gömülü olduğundan, daha yüksek hassasiyet ve daha az karışma ile kasa özgü EMG kayıtları sağlar3. Küçük hayvan motor çalışmalarında, güvenilir elektrot kurulumu ile kasa özgü EMG bilgisi kritik olduğundan iEMG tercih edilir4.

Küçük hayvanlarda elektrotlardan EMG kayıtları elde etmek için çeşitli yaklaşımlar bildirilmiştir. Bağlantı kabloları, elektrotları harici ölçüm ekipmanına bağlamak için yaygın olarak kullanılır5,6,7,8,9,10,11, cihazlar vücudun içine implante edilebilir12 veya hayvanın üzerine kablosuz giyilebilir bir platform yerleştirilebilir13. Bağlama kabloları, bu amaç için uyumlu ticari ekipmanın mevcudiyeti nedeniyle en yaygın olarak bildirilen yöntemdir; Bununla birlikte, bağlantı telleri hayvanlarda rahatsızlığa neden olur ve hareketleri genellikle kablolar tarafından kısıtlanır ve bu da çalışmayı etkileyebilir. İmplante edilebilir cihazlar kablosuz çözümler sunar, ancak sınırlı pil ömürleri deneylerin süresini kısıtlayabilir. Ek olarak, kalıcı olarak monte edilmiş cihazların boyutu ve ağırlığı, hayvanlarda stres ve rahatsızlığa neden olabilir ve bu da çalışmayı etkileyebilir. İmplante edilebilir cihazlardaki sorunları ele almak için kablosuz güç aktarım teknikleri önerilmiştir, ancak küçük bir cihaza güvenilir bir enerji bağlantısı sağlamak genellikle çok zordur14. Ayrıca, yüksek elektromanyetik alanlara maruz kalmak, bağışıklık fonksiyonunun azalması ve beyinde potansiyel nörodejeneratif değişiklikler gibi öngörülemeyen sonuçlara yol açabilir15,16.

Edinme sistemi, sinyal işlemeyi gerçekleştiren ve EMG kayıtlarını kablosuz olarak bir baz istasyonuna ileten kablosuz, giyilebilir bir platform olarak da uygulanabilir. Tercih edilen yöntem bu olmasına rağmen, kullanıcılar için teknik bir zorluk teşkil etmektedir ve deneysel detaylar literatürde genellikle tam olarak ele alınmamaktadır.

Bu çalışmada, küçük hayvanlarda hareket çalışmaları için basit, düşük maliyetli ve güvenilir bir EMG elde etme yöntemi sunuyoruz. Bir farenin arka bacak kaslarına bir çift iEMG elektrotu implante edilirken, amplifikasyon, analogdan dijitale dönüştürücü ve kablosuz telemetri dahil olmak üzere sinyal toplama sisteminin geri kalanı hayvanın sırtına monte edilir. EMG verileri, gerçek zamanlı izleme için kişisel bir bilgisayara iletilir ve veriler yerel olarak kaydedilir. Bir inme kurtarma çalışmasında sistemi göstermek için bir koşu bandı hareket deneyi yapılır.

Protokol

Tüm etik ve deneysel prosedürlerin ve protokollerin onayı, Kurumsal Hayvan Bakım ve Kullanımı Komitesi tarafından Başvuru No. CGU1-2021-IA0041. Bu çalışmada 7 haftalık bir erkek Sprague-Dawley sıçanı kullanıldı. Reaktiflerin ve ekipmanın ayrıntıları Malzeme Tablosunda listelenmiştir.

1. Hayvan hazırlama

  1. Sıçanları 7 haftalıkken hazırlayın. Güvenlik için, kafes başına en fazla üç sıçan ile benzer ağırlıktaki ev fareleri birlikte.
  2. Ameliyattan önce farelerin stres olmadan adapte olduğundan emin olun. Tutarlı bir şekilde su ve yiyecek sağlayın ve yatak takımlarını periyodik olarak değiştirin.
  3. Adaptasyon döneminde (yaklaşık 7 gün), hayvanları koşu bandına alışmalarına yardımcı olmak için her gün 5 dakika boyunca 16-25 m/dk hızla koşu bandında koşmaları için eğitin.
    NOT: Bir sıçan durursa veya amaçlandığı gibi hareket etmeyi reddederse, teşvik etmek için kalçalarına hafifçe vurun.

2. Elektrot hazırlama

  1. Dördü 140 mm uzunluğunda ve biri 60 mm uzunluğunda olmak üzere politetrafloroetilen ile kaplanmış beş paslanmaz çelik tel hazırlayın.
  2. 140 mm uzunluğunda bir tel üzerine üç el üstü düğüm atın, düğüme göre 40 mm ve 100 mm olacak şekilde yerleştirin (Şekil 1A).
    NOT: Tel elektrotun kas içine yerleştirilmesi sırasında, hassas teması sağlamak ve elektrotun açıkta kalan kısmını uygun şekilde konumlandırılmış halde tutmak zor olabilir. Bunu ele almak için, çekildiğinde daha fazla sokulmasını önlemek için telde bir engelleme düğümü oluşturulur ve elektrotun kas içinde sabit kalmasını sağlar.
  3. 140 mm'lik teller için, kısa kenarda düğümden 2 mm'lik bir boşluk bırakın, ardından 2 mm'lik bir havya kullanarak yalıtımı kısmen sıyırın. İzolasyonu uzun kenarın ucundan 2 mm tamamen soyun. 60 mm'lik elektrotlar için, yalıtımı bir uçta 2 mm ve diğer uçta 10 mm tamamen çıkarın (Şekil 1).
    NOT: Kirlenmeyi önlemek için havyanın ucu iyice temizlenmelidir.
  4. İzolasyonu tamamen çıkardıktan sonra kabloyu konektör aksesuarına lehimleyerek sabitleyin (Şekil 2B,C).
  5. Telin bağlı olduğu metal parçayı plastik muhafazaya monte edin (Şekil 2D,E).
  6. Konektörü, cilde sabitlemek için delikler içeren 3D baskılı plastik bir kılavuza (Malzeme Tablosuna bakın) takın. Lehimli parçanın insizyon bölgesine temas etmesini önlemek için biyouyumlu siyanoakrilat uygulayın (Şekil 2F).
  7. 0,2 mm kalınlığında bir nikel plaka kesin ve konektörün etrafına sarmak için bükün, hayvanın olası hasarını önlemek için koruyun.

3. Cerrahi

  1. Fareyi bir indüksiyon odasına yerleştirin (şeffaf bir sentetik reçine kullanılarak özel olarak üretilmiştir) ve% 2 -% 3'lük bir izofluran konsantrasyonu ile% 70 azot oksit ve% 30 oksijen karışımı kullanarak anestezi uygulayın. Gerekli cerrahi aletleri hazırlayın (Şekil 3).
  2. Elektrikli bir saç kesme makinesi kullanarak kürkü çıkarın ve ameliyat sırasında enfeksiyonu önlemek için cildi klorheksidin ve alkolle hazırlayın (Şekil 4A).
  3. Ölçülmek istenen hedef kasın bulunduğu deriye cerrahi makas kullanarak yaklaşık 10-15 mm'lik bir kesi yapın. Fasya derinin altında ve kaslar onun altında olduğundan, önce cildi kesmek için makas kullanın, ardından fasyayı temiz bir bezle nazikçe silerek çıkarın.
  4. Konektörün takılacağı bel bölgesi çevresinde 5-10 mm'lik bir kesi yapın.
  5. Telin konektörden hedef kas pozisyonuna geçmesi için cilt altında bir geçit oluşturmak için steril trokar kullanın (Şekil 4B).
  6. Trokarı kas pozisyonundan, derinin altından, bel tarafındaki kesi yerine doğru geçirin.
  7. Elektrodu ve konektörü önceki aşamadan hazırlayın. Tel elektrotları forseps kullanarak bel tarafındaki kesi yerinde sıkıştırın ve hedef kastaki kesiye dikkatlice çekin. Tel, hedef kasın bulunduğu yere çekildikten sonra, Şekil 4C'ye bakın.
  8. Şekil 4D'de gösterildiği gibi, elektrot telini hedef kasın içine sokmak için bir dikiş iğnesi kullanın.
    NOT: Bu deney için hedef kas, motor görevleri analiz etmek için anahtar kaslardan biri olan medial gastroknemius (MG)'dur17. 7 haftalık sıçanlarda MG'nin uzunluğu yaklaşık 18 mm olduğundan, kas hasarını en aza indirmek ve doğru EMG ölçümlerini sağlamak için elektrotlar kasın merkezine yaklaşık 5 mm aralıklarla yerleştirilmelidir. İzolasyonu çıkarılan kısmın kas ile iyi temas halinde olmasını sağlamak için kasa nüfuz eden telin uzunluğunun 5 mm'yi aşması önerilir.
  9. Kastan geçen ve çıkan teli tekrar giriş noktasına yönlendirin ve el üstü bir düğümle sabitleyin. Kalan kabloyu kesin (Şekil 4E).
  10. Tel elektrodu hedef kasa yerleştirdikten sonra kesi bölgesini 4-0 monofilament sütür ile dikin.
  11. Konektörün altındaki kesiği dikin. Tüm telin vücuda yerleştirildiğinden ve güvenli bir şekilde dikildiğinden emin olun (Şekil 5A).
  12. Konektörü, Şekil 5B.
    'da gösterildiği gibi bir dikiş ipliği kullanarak hayvanın sırt derisine sabitleyin     NOT: Hayvanın konektörü çiğnemesini önlemek için kalkanın güvenli bir şekilde sabitlendiğinden emin olun. Analjezi için Carprofen (5 mg/kg) subkutan olarak verildi.
  13. Cerrahi operasyon tamamlandıktan sonra anesteziyi bırakın ve hayvanın iyileşmesi için bir kafes hazırlayın.
  14. Hayvanın vücut sıcaklığının düşmesini önlemek için bir ısı lambası açın ve cerrahi bölgede enfeksiyon, iltihaplanma veya şişme belirtileri gibi herhangi bir anormallik olup olmadığını izleyin. Kesi bölgesini iyice dezenfekte edin ve gerekirse merhem sürün. Sıçan anesteziden kurtulduktan sonra, ısı lambasını çıkarın.
  15. İştah, içme ve idrara çıkma dahil olmak üzere farenin davranışlarını izleyin.
    NOT: Ameliyattan sonra, herhangi bir test yapmadan önce hayvanın yaklaşık 2 gün dinlenmesine izin verin.

4. Baskılı devre kartı (PCB) tasarımı ve imalatı

  1. EMG ölçümü ve sayısallaştırma devresini iki analog amplifikatör entegre devresi (IC) ve bir mikrodenetleyici birimi (MCU) içerecek şekilde tasarlayın. Emin olun amplifier 5-740 Hz arasında bir bant genişliğine ve 1300 V/V.
    NOT: Gerekirse hayvanın özel gereksinimlerine göre yükseltici kazancını ve bant genişliğini değiştirin18.
  2. Ölçülen verileri ana cihaza iletmek üzere kablosuz iletişim için MCU'ya entegre bir Bluetooth modülü ekleyin. Bu deney için 2.4 GHz'de çalışan bir çip anten kullanıldı.
  3. Bu çalışma için özel bir güç yönetimi IC'si ile birlikte şarj edilebilir bir 3.7 V Li-po pil kullanın.
  4. Bir FR4 alt tabakası üzerinde yukarıdaki IC'ler için bir PCB üretin. Belirli gereksinimleri karşılamak için PCB'yi çeşitli biçimlerde oluşturun. Ek Şekil 1, Ek Şekil 2 ve Ek Şekil 3'e bakın.
  5. PCB üzerindeki elektronik bileşenleri lehimleyerek veya bir ısı tabancası kullanarak doldurun.

5. Yazılım yapılandırması

  1. bellenim
    1. 1 bit çözünürlüğe ve 8 kSP'lik örnekleme hızına sahip 2 kanallı bir ADC'yi yapılandırmak için bellenimi (Ek Kodlama Dosyası 2) hazırlayın. Dijital olarak dönüştürülen verileri bir dizi halinde biçimlendirin ve belirlenen yazılım geliştirme aracını kullanarak Bluetooth Low Energy (BLE) aracılığıyla iletin.
    2. Dağıtımdan önce üretici yazılımını MCU'ya yükleyin.
  2. Gerçek zamanlı izleme programı
    1. BLE aracılığıyla alınan verileri gerçek zamanlı olarak çizmek için bir program hazırlayın. Bu çalışma için, ham verileri de belirli bir konumda saklayan Python tabanlı bir çizim uygulaması geliştirilmiştir (Ek Kodlama Dosyası 2).
      NOT: Sistem, en fazla 50 ms'lik bir örnekleme arabelleği gecikmesi ve yaklaşık 10 ms19,20'lik bir kablosuz iletişim gecikmesi yaşayabilir.

6. Koşu bandı testi

  1. Pili hazırlanan devreye bağlayın ve PCB'yi Şekil 6A'da gösterildiği gibi konektöre takın.
  2. PC üzerinde izleme programını çalıştırın ve devre PCB ile kablosuz bağlantı kurun.
  3. Fareyi koşu bandına yerleştirin ve EMG dalga formunu izleyin. Bu çalışma için koşu bandı 25 m/dk hıza ayarlanmıştır (Şekil 6B).

7. Veri analizi

  1. 'da depolanan EMG verilerini yükleyin. CSV biçiminde kaydedebilirsiniz.
  2. İstenmeyen gürültü ve parazit sinyallerini gidermek için sinyal işleme yöntemlerini uygulayın.
    NOT: Motor aktivitedeki kas yorgunluğunu ve simetriyi analiz etmek için zarf algılama ve spektral analiz daha fazla gerçekleştirilebilir.

Sonuçlar

Bu çalışmada, EMG veri toplama için basit bir kablosuz yöntem sunulmaktadır. Cerrahi bir işlem gerekli olsa da yalnızca elektrot yerleşimi ve konnektör sabitlemesi için gereken spesifik bölge kısmen kesilerek hayvan üzerindeki yük önemli ölçimde azaltılmıştır. Bu gösterimde elektrotlar alt ekstremitelere yerleştirilmiştir, ancak aynı yöntem kullanılarak diğer çeşitli bölgelerde de benzer elektrofizyolojik çalışmalar yürütülebilir. Bu yaklaşım, bağlantı kablolarına ihtiyaç duymadan ve davranışsal kısıtlamalar getirmeden sürekli elektrofizyolojik sinyal ölçümü yapma avantajı sağlar. Devre PCB'si 9 mm çapında, 3 mm yüksekliğindedir ve toplamda 3 g ağırlığındadır. Pil değişimi kolaydır ve önerilen sistem motor davranışın sürekli izlenmesine olanak tanır. Konnektörün ve cihazın takılışını gösteren bir fotoğraf ile EMG dalga formu Şekil 7'de sunulmuştur.

Bu çalışmada, sıçanların hareket paternlerini analiz etmek için bir koşu bandı kullanılmıştır. Koşu bandı, hayvan hareketlerinin analizi için etkili bir araçtır17 ve kas veya nörolojik sorunların değerlendirilmesine olanak tanır. Sıçanlardaki serbest hareketleri incelemek için de kullanılabilse de, bu deney özellikle çeşitli durumların neden olduğu hareket anomalilerini analiz etmeyi amaçlamaktadır. Bunu gerçekleştirmek için sürekli ve tekrarlayan hareket gereklidir, bu da koşu bandını amaçlarımız için uygun bir seçenek haline getirmektedir.

Hayvan lokomosyonunu EMG ile analiz etmek için çeşitli yöntemler kullanılabilir. Bu yöntemler arasında, davranışsal analizlerde simetri indeksi kullanılmıştır21,22. Simetri indeksi, vücudun her iki yanındaki iki kas arasındaki aktivite dengesini ölçer ve biz bunu inme sonrası iyileşmeyi değerlendirmek için kullandık.

Kas yerleşimi ve izolasyonu ile sinir kaydı düzeneği şeması; tel düğümlerini ve soyulma durumlarını göstermektedir.
Şekil 1: Tel elektrot hazırlama işlemi. (A) Tel yapısının ve izolasyonun soyulacağı konumun gösterimi. Tellerin kaslara yerleştirilmesi sırasında aşırı yerleşimi önlemek için üç düğüm atılmalıdır. (B) İzolasyon, tel ucunda tamamen soyulmuştur. (C) Kas temasını kolaylaştırmak için izolasyon kısmen soyulmuştur. Bu şeklin daha büyük bir versiyonunu görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.

Kablo bağlantı montaj süreci diyagramı; adımlar kabloların yerleştirilmesini, sabitlenmesini ve lehimlenmesini içerir.
Şekil 2: Tel elektrot ve konnektör montaj süreci. (A) Montaj için malzemelerin hazırlanması. (B) Telin metal bileşene yerleştirilmesi. (C) Telin metal bileşenlere lehimlenmesi. (D) Telin plastik gövde açıklığından çekilmesi. (E) Telin ve metal bileşenlerin plastik gövdeye yerleştirilmesi. (F) Tüm teller için montajın tamamlanması ve plastik gövdenin sütür kılavuzuna (gri parça) tutturulması için siyanoakrilat yapıştırıcı kullanılması. Bu şeklin daha büyük bir versiyonunu görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.

Makas, penset ve iğne tutucu içeren, tıbbi işlem için steril alandaki cerrahi alet seti.
Şekil 3: İşlem için gerekli cerrahi aletler. İşlem için gereken cerrahi alet koleksiyonu; (1) sütür iğnesi, (2) penset, (3) penset, (4) cerrahi makas, (5) ince makas, (6-7) hemostatlar, (8) iğne tutucu ve (9) hazırlanmış elektrot içerir. Bu şeklin daha büyük bir versiyonunu görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.

Kemirgen kas elektrot implantasyon şeması; cerrahi insizyon, kablolama, kayıt düzeneği.
Şekil 4: Elektrot teli sabitleme prosedürü. (A) Sırt ve bacak üzerindeki insizyon bölgeleri. (B) Teli kavramak için iğne tutucunun insizyondan içeri yerleştirilmesi. (C) Telin insizyondan dışarı çekilmesi. (D) Hedef kas üzerindeki dikiş tekniği; elektrotların kasın en kalın kısmına 5 mm aralıklarla yerleştirilmesi. (E) Operasyonun tamamlandığı son durum. Bu şeklin daha büyük bir versiyonunu görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.

Tıbbi cihaz bağlantı şeması, metal kalkan konnektörü, sütürleme işlemi, yapıştırıcı uygulaması.
Şekil 5Konnektör Yerleşimi. (A) Konnektör altına sütürleme. (B) Konnektörün sütür teli ile sabitlenmesi. (C) Konnektörün üzerine yapıştırıcı uygulanması ve koruma amacıyla metal bir kalkan yerleştirilmesi. Bu şeklin daha büyük bir versiyonunu görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.

Koşu bandı deneyinde domuz üzerindeki giyilebilir EMG cihazı, elektrot şeması ve gerçek zamanlı sinyal grafiği.
Şekil 6: EMG veri toplama gösterimi. (A) Bir sıçan üzerine monte edilmiş EMG veri toplama sisteminin fotoğrafı. (B) 25 m/dak hızda koşu bandı testi gerçekleştirilmesi. Bu şeklin daha büyük bir versiyonunu görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.

Elektromiyografi (EMG) sinyal analiz grafiği, bacak kaslarının zamanla filtrelenmiş ve zarflanmış verileri.
Şekil 7: Ölçülen EMG ve zarflanmış EMG dalga formu. (A) Ölçülen EMG sinyalinin ham dalga formu. (B) Zarfı elde etmek için kullanılan filtrelenmiş EMG sinyali. (C) Simetri indeksi analizi için eşik çizgisi içeren zarflanmış dalga formu. Bu şeklin daha büyük bir versiyonunu görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.

Ek Şekil 1: PCB devre yerleşim şeması. Bileşenlerin düzenini ve bağlantılarını gösteren baskılı devre kartı (PCB) devre yerleşiminin şematik bir gösterimi. Bu şekli indirmek için lütfen buraya tıklayın.

Ek Şekil 2: Arka katmanın PCB devre tasarımı. Baskılı devre kartının (PCB) arka katman tasarımı, bileşen yerleşimlerini ve devre yollarını detaylandırmaktadır. Bu şekli indirmek için lütfen buraya tıklayın.

Ek Şekil 3: Üst katmanın PCB devre tasarımı. Bileşenlerin yerleşimini ve elektriksel bağlantıları gösteren baskı devre kartının (PCB) üst katman tasarımı. Lütfen bu şekli indirmek için buraya tıklayın.

Ek Kodlama Dosyası 1: ADC yapılandırması için aygıt yazılımı hazırlama. 8-bit çözünürlüğe ve saniyede 2 örnekleme hızı (kSPs) olan 2 kanallı bir analog-dijital dönüştürücüyü (ADC) yapılandırmak için aygıt yazılımını hazırlama talimatları. Lütfen bu dosyayı indirmek için buraya tıklayın.

Ek Kod Dosyası 2: Python tabanlı çizim uygulaması. Bu çalışmada veri görselleştirme ve analizi için kullanılan Python tabanlı çizim uygulamasının açıklaması. Lütfen bu dosyayı indirmek için buraya tıklayın.

Tartışma

Bu çalışma, küçük, uygulaması kolay, düşük maliyetli ve kablosuz bir elektromiyografi (EMG) toplama sistemi sunmaktadır. Sistem, herhangi bir kablolu harici ölçüm ekipmanına ihtiyaç duymadığı için kabloların neden olduğu sinyal bozulmasını etkili bir şekilde önler. Konektörün kafa yerine arkaya monte edilmesiyle cerrahi süreç önemli ölçüde kolaylaşır ve komplikasyon riski azalır. Bu kurulum aynı zamanda platformun yan duvarlara çarpma olasılığını da en aza indirir, bu da sinyal bozulmalarına yol açabilir. Ayrıca konsantre ağırlık başa yüklenmediği için boyun yorgunluğunu da hafifletir.

Protokol, özellikle kas içi elektrotların hassas bir şekilde hazırlanması ve konektörlerin dikkatli bir şekilde yerleştirilmesi olmak üzere birkaç kritik adım içerir. Yalıtımın doğru bir şekilde sıyrıldığından ve düğümlerin doğru şekilde bağlandığından emin olmak, elektrot yerleştirme sırasında aşırı yerleştirmeyi önlemek için çok önemlidir1. Ayrıca, ameliyat sonrası ameliyat bölgesinin izlenmesi, olası komplikasyonların erken tespit edilmesi ve böylece ilgili hayvanların refahının sağlanması açısından çok önemlidir.

Önerilen teknik sağlam olsa da, bazı değişiklikler etkinliğini artırabilir. Örneğin, elektrotların uzunluğunun belirli kas boyutuna göre ayarlanması temas kalitesini artırabilir. Ek olarak, ölçümler sırasında sinyal kaybı veya gürültü olması durumunda sorun giderme, bağlantıların kontrol edilmesini ve cihazın elektromanyetik girişimden uygun şekilde korunduğundan emin olunmasını içerebilir6. Cerrahi ekibe yeterli eğitimin sağlanması aynı zamanda prosedür hatalarını da azaltarak genel başarı oranlarını artırabilir.

Avantajlarına rağmen, cihaz yaklaşık 3 g ağırlığındadır, bu da fareler için sorun teşkil etmez ancak daha küçük veya daha genç farelerde rahatsızlığa neden olabilir. Bu rahatsızlık potansiyel olarak yürüyüş düzenlerini etkileyebilir ve dolayısıyla EMGore yoluyla davranış analizini etkileyebilir; Sıçan kafeste gözetimsiz bırakılırsa cihaz veya konektör korunamaz, bu da hasar riski oluşturur13. Cihaz kullanılmadığında koruma sağlamak için metal bir kasa uygulandı, ancak daha fazla gelişme bu yönü geliştirebilir.

Bu sistemin önemi, bağlı cihazların getirdiği kısıtlamalar olmadan sürekli, yüksek kaliteli EMG kayıtları sağlama yeteneğinde yatmaktadır. Bağlama kabloları ve büyük implante edilebilir cihazlar dahil olmak üzere geleneksel yöntemler genellikle hayvan hareketini sınırlar ve strese neden olabilir, dolayısıyla sonuçları çarpıtabilir5. Teknik, çeşitli deneysel bağlamlarda motor fonksiyonu ve iyileşmeyi anlamak için kritik olan veri toplamada yüksek doğruluğu korurken daha insancıl bir yaklaşım sunar3.

Gelecekteki çalışmalarda, bu teknik için çok sayıda uygulama var. Mevcut çalışma, yürüyüş sırasında kas simetrisini değerlendirmek için medial gastroknemius (MG) kasına odaklanırken, metodoloji diğer kaslar için uyarlanabilir ve hatta elektrokardiyografi (EKG) ölçümlerine genişletilebilir. Elektrot sayısının arttırılması, birden fazla bölgeden11 eşzamanlı sinyal toplanmasını sağlayarak kas koordinasyonu ve fonksiyonunun kapsamlı analizlerini kolaylaştıracaktır. Bu ilerleme, felç iyileşmesi ve diğer nöromüsküler rahatsızlıklara yönelik rehabilitasyon stratejilerine ilişkin içgörülere yol açabilir.

Sonuç olarak, önerilen EMG toplama sistemi, hayvan hareket çalışmaları alanında önemli bir ilerleme sunmaktadır. Mevcut yöntemlerin sınırlamalarını ele alan ve gelecekteki araştırmalar için çok yönlü bir platform sağlayan bu sistem, çeşitli deneysel ortamlarda motor fonksiyon ve iyileşme anlayışımızı geliştirme konusunda umut vaat ediyor.

Açıklamalar

Tüm yazarların çıkar çatışması yoktur.

Teşekkürler

Bu araştırma, Kore Ulusal Araştırma Vakfı (NRF-2020M3A9E4104385) ve Ulusal Nano Fab Merkezi Nanomedikal Cihazlar Geliştirme Projesi (Hibe numarası: 1711160154) tarafından finanse edilmiştir.

Malzemeler

Bu makalede kullanılan malzemelerin listesi
AdŞirketKatalog numarasıYorumlar
0,2 mm kalınlığında nikel plakaMevcut herhangi bir satıcı
3D baskı filamentkübikA-100
7 haftalık RATJABIOSD (DBL) [7W M]
YapıştırıcıOkong1028453kalkanı sabitlemek için
ANT1Johanson Technology Inc.2450AT07A0100001T
C1, C15, C16, C20Vishay1n0201 (0603) metrik
C10, C13Vishay100p0201 (0603) metrik
C11, C12Vishay4p0201 (0603) metrik
C14, C19Vishay0.39n0201 (0603) metrik
C2, C17Vishay22n0201 (0603) metrik
C3, C5, C6Vishay0.1u0201 (0603) metrik
C4, C18Vishay2.2u0201 (0603) metrik
C7Vishay4.7u0402 (1005) metrik
C8, C21Vishay1u0201 (0603) metrik
C9Vishay1p0201 (0603) metrik
KafesJEUNG DO B & PJD-C-02
Temiz bezkimberly41112
Konektör aksesuarıHarwinM20-1060400Plastik gövde
Konektör aksesuarıHarwinM20-1180042Metal parça
Elektrikli saç kesme makinesiBuzzRFC-928
Isı tabancasıHIZLI861DW
IC1, IC3EMG ölçümü içinAD8232
IC2İskandinav yarı iletkennRF52832-CIAA
İzofluranHana Pharm657801261
L1Vishay3.3n0201 (0603) metrik
Li-po pilTheHanTW40202513 mm * 10 mm * 4 mm, 30mAh
Pin başlığıHarwinM22-2530505
R1, R2, R9, R10, R13, R14, R21, R22Vishay10M0201 (0603) metrik
R11, R23Vishay100k0201 (0603) metrik
R12, R24Vishay1M0201 (0603) metrik
R3, R4, R5, R7, R15, R16, R17, R19Vishay180k0201 (0603) metrik
R6, R18Vishay160k0201 (0603) metrik
R8, R20Vishay768k0201 (0603) metrik
Lehim teliAlfa metalSACX0307
Lehimleme demiriHakkoFX-951
A-M Sistemleriile kaplanmış paslanmaz çelik teller793200
Sütür iğnesi AILEE301289
Sütür teliEthicon604G
KoşuBandı Daejong BioDJ2-243
U1Torex Yarı İletkenXC6204B332DR-G
Y1Murata ElektronikXRCTD32M000N1P1AR0
Analog Cihaz AFETeflon

Kaynaklar

  1. Farina, D., Enoka, R. M. Evolution of surface electromyography: From muscle electrophysiology towards neural recording and interfacing. J Electromyogr Kinesiol. 71, 102796(2023).
  2. Kim, C., et al. A wearable ECG monitoring system using microneedle electrodes for small animals. IEEE Sens J. 23 (18), 21873-21881 (2023).
  3. Kristl, A. C., Akay, T., Miri, A. Recording forelimb muscle activity in head-fixed mice with chronically implanted EMG electrodes. J Vis Exp. 205, e66584(2024).
  4. Manuel, M., Chardon, M., Tysseling, V., Heckman, C. J. Scaling of motor output, from mouse to humans. Physiology. 34 (1), 5-13 (2019).
  5. Scholle, H. C., et al. A surface EMG multi-electrode technique for characterizing muscle activation patterns in mice during treadmill locomotion. J Neurosci Methods. 146 (2), 174-182 (2005).
  6. Tysseling, V. M., et al. Design and evaluation of a chronic EMG multichannel detection system for long-term recordings of hindlimb muscles in behaving mice. J Electromyogr Kinesiol. 23 (3), 531-539 (2013).
  7. Shafer, B., Welle, C., Vasudevan, S. A rat model for assessing the long-term safety and performance of peripheral nerve electrode arrays. J Neurosci Methods. 328, 108437(2019).
  8. Teruya, P. Y., et al. Quantifying muscle alterations in a Parkinson's disease animal model using electromyographic biomarkers. Med Biol Eng Comput. 59 (9), 1735-1749 (2021).
  9. Kloefkorn, H., et al. Non-invasive three-state sleep-wake staging in mice using electric field sensors. J Neurosci Methods. 344, 108834(2020).
  10. Jensen, V. N., Romer, S. H., Turner, S. M., Crone, S. A. Repeated measurement of respiratory muscle activity and ventilation in mouse models of neuromuscular disease. J Vis Exp. (122), e55599(2017).
  11. Zealear, D., Li, Y., Huang, S. An implantable system for chronic in vivo electromyography. J Vis Exp. (158), e60345(2020).
  12. Shon, A., Brakel, K., Hook, M., Park, H. Fully implantable plantar cutaneous augmentation system for rats using closed-loop electrical nerve stimulation. IEEE Trans Biomed Circuits Syst. 15 (2), 326-338 (2021).
  13. Ouyang, W., et al. A wireless and battery-less implant for multimodal closed-loop neuromodulation in small animals. Nat Biomed Eng. 7 (10), 1252-1269 (2023).
  14. Zhou, Y., Liu, C., Huang, Y. Wireless power transfer for implanted medical applications: A review. Energies. 13 (11), 2837(2020).
  15. Zymantiene, J., et al. Effect of electromagnetic field exposure on mouse brain morphological and histopathological profiling. J Vet Res. 64 (2), 319-324 (2020).
  16. Ebrahim, S., Azab, A., Albasha, M., Albishti, N. The biological effects of electromagnetic fields on human and experimental animals. Int Res J Nat Appl Sci. 3, 106-121 (2016).
  17. Wakeling, J. M., Tijs, C., Konow, N., Biewener, A. A. Modeling muscle function using experimentally determined subject-specific muscle properties. J Biomech. 117, 110242(2021).
  18. Westerga, J., Gramsbergen, A. Changes in the electromyogram of two major hindlimb muscles during locomotor development in the rat. Exp Brain Res. 92 (3), 479-488 (1993).
  19. Tosi, J., Taffoni, F., Santacatterina, M., Sannino, R., Formica, D. Performance evaluation of Bluetooth low energy: A systematic review. Sensors. 17 (12), 28988(2017).
  20. IEEE Health Informatics-PoC medical device communication Part 00101: Guide-Guidelines for the use of RF wireless technology. IEEE Std 11073-00101-2008. , 1-125 (2008).
  21. Xu, Y., et al. Rehabilitation effects of fatigue-controlled treadmill training after stroke: A rat model study. Front Bioeng Biotechnol. 8, 590013(2020).
  22. Nigg, S., Vienneau, J., Maurer, C., Nigg, B. M. Development of a symmetry index using discrete variables. Gait Posture. 38 (1), 115-119 (2013).

Yeniden basım ve izinler

Bu JoVE makalesinin metnini veya şekillerini yeniden kullanmak için izin iste

İzin iste

Etiketler

Giyilebilir EMG SistemiK k Hayvan EMG siKablosuz EMG l mntram sk ler ElektrotKapal D ng Geri BeslemeElektrofizyolojik SinyallerLokomosyon al masCerrahi Elektrot Yerle tirmeBiyo Sinyal zlemeKo u Band Deneyi

İlgili makaleler