Metodi per il test biomeccanico In Vivo su plexus brachiale in porcellini neoatali
Summary
Qui sono presentati metodi per eseguire test biomeccanici in vivo su plexus brachiale in un modello di maialino neooatale.
Abstract
La paralisi del plesso brachiale neonatale (NBPP) è una lesione elastica che si verifica durante il processo di nascita nei complessi nervosi situati nelle regioni del collo e della spalla, collettivamente indicata come plesso brachiale (BP). Nonostante i recenti progressi nell’assistenza ostetrica, il problema di NBPP continua ad essere un onere sanitario globale con un’incidenza di 1,5 casi per 1.000 nati vivi. Tipi più gravi di questa lesione possono causare paralisi permanente del braccio dalla spalla in giù. La prevenzione e il trattamento di NBPP garantisce una comprensione delle risposte biomeccaniche e fisiologiche dei nervi BP appena nati quando sottoposti a stiramento. L’attuale conoscenza della BP appena nata viene estrapolata dal tessuto animale adulto o cadaverico BP invece del tessuto BP neonatale in vivo. Questo studio descrive un dispositivo di test meccanico in vivo e una procedura per condurre test biomeccanici in vivo in suinetti neotomotori. Il dispositivo è costituito da un morsetto, un attuatore, una cella di carico e un sistema di telecamere che applicano e monitorano ceppi e carichi in vivo fino al guasto. Il sistema di telecamere consente inoltre il monitoraggio della posizione di guasto durante la rottura. Nel complesso, il metodo presentato consente una caratterizzazione biomeccanica dettagliata della BP neoonale quando sottoposto a allungamento.
Introduction
Nonostante i recenti progressi nell’ostetricia, il problema della NBPP causato da lesioni stretch al complesso BP continua ad essere un onere sanitario globale, con un’incidenza di 1,5 casi per 1.000 nati vivi1,2. I fattori di rischio associati possono essere materni (ad esempio, peso eccessivo, diabete materno, anomalie uterine, storia della paralisi della BP), fetali (cioè macrosomia fetale) o legati alla nascita (cioè distocia della spalla, lavoro prolungato, erogazione assistita con pinze o estrattori di aspirazione del vuoto, Mentre queste complicazioni sono inevitabili in determinate circostanze, la prevenzione e il trattamento di NBPP garantisce una comprensione delle risposte biomeccaniche e fisiologiche della BP neoordinata quando sottoposta a stretching.
Studi biomeccanici riportati sul BP hanno utilizzato animali adulti e tessuto cadaverico umano e mostrano discrepanze significative4,5,6,7,8,9,10,11,12,13,14,15. La rilevanza clinica delle proprietà biomeccaniche del complesso tessuto BP garantisce un modello animale neooo-acqua e un approccio di test biomeccanici in vivo. Inoltre, le limitazioni con lo studio delle lesioni stretch BP in complicati scenari di consegna nel mondo reale aumentano la dipendenza da modelli computerizzati che forniscono metodi che consentono di studiare gli effetti di varie complicazioni e tecniche di consegna. La chiave per la rilevanza clinica di questi modelli è la loro biofedeltà (risposta umana). I modelli computazionali disponibili di Gonik et al.16 e Grimm et al.17 si basano sul tessuto nervoso di coniglio e ratto, ma non sul tessuto BP neooatale. L’esecuzione di test biomeccanici in vivo in un modello animale neoooonale clinicamente rilevante può colmare il divario critico di dati BP neoatali non disponibili.
Lo studio attuale descrive un dispositivo di test meccanico in vivo e una procedura per condurre test biomeccanici in maialini neonatale dello Yorkshire di 3-5 giorni. Il dispositivo è costituito da un morsetto, un attuatore, una cella di carico e un sistema di telecamere che applicano e monitorano i ceppi e i carichi in vivo durante il guasto. Il sistema di telecamere consente inoltre il monitoraggio della posizione di guasto durante la rottura. Nel complesso, il sistema consente una caratterizzazione biomeccanica dettagliata della BP neoalatale quando sottoposto a stiramento, fornendo così le sollecitazioni di soglia della BP e le sollecitazioni per guasti meccanici in vivo. I dati ottenuti possono migliorare ulteriormente il comportamento umano (biofedeltà) dei modelli computazionali esistenti che sono progettati per studiare gli effetti delle forze esogene ed endogene sull’estensione BP in scenari di consegna associati a NBPP.
Protocol
Representative Results
Discussion
La letteratura disponibile sulle risposte biomeccaniche di stretch sul tessuto BP presentano una vasta gamma di valori soglia così come discrepanze metodologiche4,6,8,18,19,20,21,22,23. Le variazioni nei risultati pubblic…
Declarações
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
La ricerca riportata in questa pubblicazione è stata sostenuta dall’Eunice Kennedy Shriver National Institute of Child Health and Human Development dei National Institutes of Health con il premio numero R15HD093024 e dal National Science Foundation CAREER Award Numero 1752513.
Materials
| Omega Subminature Tension & Compression Load Cell | Omega | LCM201-200N | 200N load cell |
| Basler acA640-120uc camera | Basler | acA640-120uc | |
| Feedback Linear Actuator | Progressive Automations | PA-14P | 10" stroke, 150lb force, 15mm/s speed |
| Motion Tracking Software | Kinovea | N/A | Open Source |
| Proramming Software – MATLAB | Mathworks | N/A | version 2018A |
| Surgical instruments | |||
| Forceps | Fine Science Tools Inc | 11006-12 and 11027-12 or 11506-12 | |
| Hemostats | Fine Science Tools Inc | 13009-12 | |
| Scissors | Fine Science Tools Inc | 14094-11 or 14060-09 |
Referências
- Chauhan, S. P., Blackwell, S. B., Ananth, C. V. Neonatal brachial plexus palsy: Incidence, prevalence, and temporal trends. Seminars in Perinatology. 38 (4), 210-218 (2014).
- Foad, S. L., Mehlman, C. T., Ying, J. The epidemiology of neonatal brachial plexus palsy in the United States. Journal of Bone and Joint Surgery – Series A. 90 (60), 1258-1264 (2008).
- García Cena, C. E., et al. Skeletal modeling, analysis and simulation of upper limb of human shoulder under brachial plexus injury. Advances in Intelligent Systems and Computing. 252, 195-207 (2014).
- Marani, E., van Leeuwen, J. L., Spoor, C. W. The tensile testing machine applied in the study of human nerve rupture: a preliminary study. Clinical Neurology and Neurosurgery. 95, S33-S35 (1993).
- Zapałowicz, K., Radek, A. Mechanical properties of the human brachial plexus. Neurologia i Neurochirurgia Polska. 34 (6), 89-93 (2000).
- Singh, A., Shaji, S., Delivoria-Papadopoulos, M., Balasubramanian, S. Biomechanical Responses of Neonatal Brachial Plexus to Mechanical Stretch. Journal of Brachial Plexus and Peripheral Nerve Injury. 13 (1), e8-e14 (2018).
- Driscoll, P. J., et al. An in vivo study of peripheral nerves in continuity: biomechanical and physiological responses to elongation. Journal of Orthopaedic Research. 20 (2), 370-375 (2002).
- Zapalowicz, K., Radek, A. Experimental investigations of traction injury of the brachial plexus. Model and results. Annales Academiae Medicae Stetinensis. 51 (2), 11-14 (2005).
- Ma, Z., et al. In vitro and in vivo mechanical properties of human ulnar and median nerves. Journal of Biomedical Materials Research – Part A. 101 (9), 2718-2725 (2013).
- Rydevik, B. L., et al. An in vitro mechanical and histological study of acute stretching on rabbit tibial nerve. Journal of Orthopaedic Research. 8 (5), 694-701 (1990).
- Kwan, M. K., Wall, E. J., Massie, J., Garfin, S. R. Strain, stress and stretch of peripheral nerve rabbit experiments in vitro and in vivo. Acta Orthopaedica. 63 (3), 267-272 (1992).
- Takai, S., et al. In situ strain and stress of nerve conduction blocking in the brachial plexus. Journal of Orthopaedic Research. 20 (6), 1311-1314 (2002).
- Zhe, S., Feng, T., Sun, C., Ma, H. Tensile mechanical properties of the brachial plexus of experimental animals. Journal of Clinical Rehabilitative Tissue Engineering Research. 14 (20), 3730-3733 (2010).
- Alexander, M. J., Barkmeier-Kraemer, J. M., Geest, J. P. Vande Biomechanical properties of recurrent laryngeal nerve in the piglet. Annals of Biomedical Engineering. 38 (8), 2553-2562 (2010).
- Zilic, L., et al. An anatomical study of porcine peripheral nerve and its potential use in nerve tissue engineering. Journal of Anatomy. 227 (3), 302-314 (2015).
- Gonik, B., Zhang, N., Grimm, M. J. Prediction of brachial plexus stretching during shoulder dystocia using a computer simulation model. American Journal of Obstetrics and Gynecology. 189 (4), 1168-1172 (2003).
- Grimm, M. J., Costello, R. E., Gonik, B. Effect of clinician-applied maneuvers on brachial plexus stretch during a shoulder dystocia event: Investigation using a computer simulation model. Obstetrical and Gynecological Survey. 203 (4), (2011).
- Kawai, H., et al. Stretching of the brachial plexus in rabbits. Acta Orthopaedica. 60 (6), 635-638 (1989).
- Narakas, A. O. Lesions found when operating traction injuries of the brachial plexus. Clinical Neurology and Neurosurgery. 95, S56-S64 (1993).
- Kleinrensink, G. J., et al. Upper limb tension tests as tools in the diagnosis of nerve and plexus lesions – Anatomical and biomechanical aspects. Clinical Biomechanics. 15 (1), 9-14 (2000).
- Zapałowicz, K., Radek, A. Mechanical properties of the human brachial plexus. Neurologia, i Neurochirurgia Polska. 34 (6), 89-93 (2000).
- Singh, A., Lu, Y., Chen, C., Cavanaugh, J. Mechanical properties of spinal nerve roots subjected to tension at different strain rates. Journal of Biomechanics. 39 (9), 1669-1676 (2006).
- Singh, A., Lu, Y., Chen, C., Kallakuri, S., Cavanaugh, J. M. A new model of traumatic axonal injury to determine the effects of strain and displacement rates. Stapp Car Crash Journal. 50, 601-623 (2006).
- Gonik, B., et al. The timing of congenital brachial plexus injury: A study of electromyography findings in the newborn piglet. American Journal of Obstetrics and Gynecology. 178 (4), 688-695 (1998).
