Præsenteret her er en protokol til fremstilling af et implantabelt system til in vivo kronologisk registrering af fremkaldte og spontane elektromyografiske potentialer. Systemet anvendes til undersøgelse af reinnervation af larynx muskler efter nerveskade.
Elektromyografi (EMG) måler muskelrespons på elektrisk stimulation eller spontan aktivitet af motoriske enheder og spiller en vigtig rolle i vurderingen af neuromuskulær funktion. Kronisk registrering af EMG aktivitet afspejler en muskels reinnervation status efter nerveskade har været begrænset, på grund af den invasive karakter af traditionelle EMG optagelse teknikker. I denne henseende er et implantabelt system designet til langsigtet, in vivo EMG-optagelse og nervestimulation. Det er blevet anvendt og testet i en undersøgelse om reinnervation af larynx muskler. Dette system består af 1) to bipolarelektrode nerve manchetter og fører til at stimulere hver af to nerver: den tilbagevendende larynx nerve (RLN) og interne gren af den overlegne larynx nerve (SLN); 2) to EMG registrering elektroder og fører til hver af de to larynx muskler: posterior cricoarytenoid (PCA) muskel og thyroarytenoid-lateral cricoarytenoid (TA-LCA) muskel kompleks; og 3) en hudbeholder, der kan sammenkoble alle implanterede blyterminaler til en ekstern optagelsesforforstærker og stimulator ved hjælp af et tilslutningskabel. Trådledningerne er Teflon-belagte, multi-filamenter, type 316 rustfrit stål. De er oprullet og kan strække sig under kroppens bevægelse af vågen dyr for at forhindre bly brud og elektrode migration. Dette system er implanteret under en aseptisk operation. Bagefter udføres baseline EMG-optagelser, før RLN transected i den anden operation for at studere muskelreinnervation. Gennem hele undersøgelsen, flere fysiologiske sessioner udføres i bestøvet dyr for at opnå fremkaldt og spontan EMG aktivitet, der afspejler reinnervation status af larynx muskler. Systemet er kompakt, fri for infektion i løbet af undersøgelsen, og meget holdbare. Dette implantable system kan give en pålidelig platform for forskning, hvor langsigtet optagelse eller nervestimulation er påkrævet i et bestøvet eller frit bevægeligt dyr.
EMG-optagelse er en nyttig teknik til måling af elektrisk aktivitet produceret af en skeletmuskulatur, når den aktiveres ved elektrisk stimulering af dens nerve eller spontan affyring af dens motorenheder. Overvågning af EMG-signaler kan anvendes til vurdering af neuromuskulær transmission og muskelbiomekanik1. EMG-optagelse spiller også en vigtig rolle i at karakterisere kvaliteten og omfanget af muskelreinnervation efter nerveskade2,3,4,5. Flere EMG-optagelser i hele perioden med reinnervation kan imidlertid ikke opnås ved hjælp af en invasiv tilgang. Derfor er implantable anordninger designet og udviklet til gentagen, kronisk stimulation og optagelse i neuromuskulære systemer6,7,8,,9,10,11,12,13. Formålet med dette dokument er at beskrive en protokol for fremstilling og implantation af et stabilt system til opnåelse af pålidelige kronologiske EMG data fra strubehovedet.
Dette system anvendes her til studiet af larynx muskel reinnervation. Der gives en kort oversigt over strubehovedet til orientering (figur 1). En præcis koordinering mellem sensoriske og motoriske komponenter er afgørende for korrekt muskuløs bevægelse under respiration, fakturering og luftvejsbeskyttelse. PCA musklen, placeret i den bageste strubehoved, er den eneste bortfører af vokal fold. Denne muskel aktiveres spontant under inspiration for at øge glottalområdet til indånding. TA-LCA-komplekset er den største adductor af vokalfolden. Aktivering af denne muskel kompleks sammen med en anden adductor (dvs. den interarytenoid muskel) medialize folden for vibrationer og lyd produktion og lukke folden for luftvejsbeskyttelse under synvning.
Derudover, motor neuron fibre innervate både bortfører og adductor muskler i RLN. Bortføreren og adductor musklerne kan skelnes baseret på motorenhed sammensætning14,15. PCA musklen udviser øget fyring under hypercaponiske og / eller hypoxiske forhold16 på grund af tilstedeværelsen af inspiratorisk motorenheder. I modsætning hertil er refleks glottic lukning (RGC) motorenheder, som lukker glottis refleksivt gennem aktivering af sensoriske receptorer i larynx slimhinden, til stede i TA-LCA muskel kompleks. Den interne gren af den overlegne larynx nerve (SLN) bærer afferente fibre af sensoriske receptorer i strubehovedet17. Selv om stemmefakturering er primært en adductor funktion, både bortfører og adductor motorenheder er involveret i denne højt udviklede larynx adfærd.
Figur 1: Strubehovedets anatomi. Komponenterne i dette implantable system vises også. SLN = overlegen larynx nerve; RLN = tilbagevendende larynx nerve; PCA = posterior cricoarytenoid muskel; TA-LCA = thyroarytenoid-lateral cricoarytenoid muskel kompleks; DBS = dyb hjernestimulation. Dette tal er blevet gengivet med tilladelse fra Wiley27. Klik her for at se en større version af dette tal.
Skade på RLN kan resultere i vokal fold lammelse (VFP), som kompromitterer både bortføre og adducting funktioner på grund af larynx muskel denervation14,18,19. Efterfølgende, regenerering af RLN nervefibre og reinnervation af muskler almindeligt forekommende. Men, reinnervation er en tilfældig proces og resulterer i fejladresseret, uhensigtsmæssig muskel gentilslutning i de fleste tilfælde. Dette kaldes synkinese, hvor spontan aktivering af bortfører- og adductorantagonister er defekt og frembringer ineffektiv eller endog paradoksal bevægelse af vokalfolderne14,19,20,21. Med synkinese, den kritiske funktion, der er tabt, er vokal fold bortførelse, hvilket resulterer i utilstrækkelig ventilation. Selv om der er igangværende forsøg på at behandle larynx synkinese ved enten 1) blokering glottic lukning med Botox22,23 eller 2) elektrisk stimulere glottic åbning med en implantabel pacemaker24,25, der er ingen klinisk intervention, der pålideligt forhindrer synkinese26. Men, der er tegn på, at elektrisk konditionering af PCA musklen under reinnervation på en lav frekvens fremmer passende neuromuskulær gentilslutning og minimerer synkinese sker. Der er i øjeblikket undersøgelser i gang for at belyse de underliggende mekanismer2.
Fokus for dette papir er at beskrive en enkel og billig implantable system til kronisk nerve stimulation og EMG optagelse. Dette system kan bruges til at undersøge virkningerne af lavfrekvent elektrisk konditionering af PCA musklen på specificiteten af dens efterfølgende reinnervation. EMG signaler opnået ved dette system kan afspejle kvaliteten og mængden af larynx muskel reinnervation over tid.
Dette papir beskriver de skridt, der kræves i fremstillingen af en roman, økonomisk, og implantable system til stimulering af larynx nerver og registrering af EMG svar fra larynx muskler på lang sigt. Protokollen er ukompliceret og kan producere et implantat, der er kompakt nok til at blive udnyttet i et dyr så lille som en rotte. Der er flere kritiske trin, der bør understreges. For det første skal ledningerne vikles omhyggeligt og ensartet for at forhindre blydeisolering, knæk eller brud. Hvis en coiling maskine ikke er tilgængelig, præfabrikerede oprullede ledninger kan opnås kommercielt. For det andet, strategien med at indsætte blyledninger i et silikonerør til at danne et “V”, der strækker sig over nerven er afgørende for at fremme den nuværende levering gennem nerven inde i manchetten. Hvis begge ledninger er placeret på samme side af røret, kan der forekomme rangering af strøm mellem elektroder. Det er også vigtigt, at ledningerne er placeret mod røret sindre væg for at undgå muligheden for skive skade på nerven.
For det tredje, under implantation kirurgi, larynx nerver bør dissekeres omhyggeligt for at forhindre skader. På det senere stadium af implantation, når du indsætter stifter i beholderen, skal der påføres kraft på stiften i tilpasningen til sit hul for at forhindre pludselig bøjning af hovedet af stiften. Efterfølgende bør knoglecement fordeles grundigt på beholderbunden for fuldstændig isolering og forebyggelse af krydstale mellem kanaler. Endelig, forebyggelse af infektion er afgørende for at sikre integriteten af implantatsystemet over tid. Det kan opnås ved en kombination af flere manøvrer: tilføjelse af en nederdel til beholderen, administration af antibiotika, daglig rengøring af såret og beholder med væv-kompatibel antiseptisk opløsning, og placering af dummy mandlige stifter i de kvindelige stifter af beholderen for at holde dem rene af snavs mellem sessioner.
Protokollen har vist sig vellykket i denne hund larynx model. Nogle ændringer eller alternative strategier kan dog overvejes i andre applikationer. For eksempel er de deisolerede sensing tips af PCA og TA-LCA EMG elektroder forankret i musklerne ved en ekstern midler-enten polyester graft eller DBS elektrode. I et program, hvor ekstern forankring ikke er nødvendig eller udføres, kan modhager af elektroden alene tjene som anker. I et sådant tilfælde kan Teflon-belagt, rustfrit stål, monofilamenter tråd være at foretrække frem for multifilamenttråd i betragtning af sin større trækstyrke, hvilket giver en modhager, der er mere stabil i væv. Det skal dog bemærkes, at flerfitrådledninger kan være mindre tilbøjelige til brud. En alternativ strategi for fremstilling og samling af hudbeholderen er at 3D-print ved hjælp af biokompatible polymerer (f.eks. Dette kan forenkle fremstillingsprocessen.
Efter implantationskirurgi og genindvinding af dyret udføres fysiologiske sessioner med RLN’erne stadig intakte for at opnå baselinedata. Under en session kan der forekomme fravær af EMG-signaler fra en larynxmuskel efter RLN-stimulation. For at fejlfinde årsagen (tabel 1) skal det først afgøres, om vokal fold bevægelse er til stede. Hvis det er til stede, betyder det, at nerven effektivt aktiveres af manchetten, men der er et problem med EMG bly. I denne situation, brugere bør yderligere se på EMG stimulus artefakt. Hvis EMG artefakt er fraværende, er der sandsynligvis en diskontinuitet i EMG input til forforstærkeren. Tres-cyklus støj vil også være til stede og store i amplitude. Hvis artefaktet er stort, kan rangering fra en stimuluspin til optagelsesstiften være ansvarlig for at mætte kanalforforstærkeren og udslette EMG-responsen. Hvis artefakter er normal, så EMG bly har sandsynligvis forvredet fra musklen og kan ikke registrere sin aktivitet. På den anden side, hvis vokalfoldbevægelse er fraværende, så nerven ikke bliver aktiveret. Hvis artefaktet er fraværende, kan der være en diskontinuitet i stimuleringskredsløbet, hvilket forhindrer nerveaktivering. Hvis artefaktet ser normal ud, kan nerven være kommet til skade under implantatoperationen, eller manchetten kan have migreret fra nerven. En lignende strategi kan anvendes til fejlfinding af årsagen til fraværende EMG-signaler under SLN-stimulering.
Stimuleret nerve | Målmuskler | Ipsilateral vokal fold bevægelse | Stimulus artefakt | Årsager |
Rln | PCA og/eller TA-LCA | Ja | Fraværende (60-cyklus støj til stede) | Diskontinuitet i EMG-indgangen til forforstærkeren (f.eks. bly, stift, kabel) |
Store | Krydstale mellem stim og optagelse af stifter ved beholderen | |||
Normal | Dislokation af EMG-elektrode | |||
Nej | Fraværende | Diskontinuitet i stimuleringskredsløbet | ||
Normal | 1. RLN-skade 2. Cuff dislokation | |||
Sln | TA-LCA | Ja | Fraværende (60-cyklus støj til stede) | Diskontinuitet i EMG-indgangen til forforstærkeren (f.eks. bly, stift, kabel) |
Store | Krydstale mellem stim og optagelse af stifter ved beholderen | |||
Normal | Dislokation af EMG-elektrode | |||
Nej | Fraværende | Diskontinuitet i stimuleringskredsløbet | ||
Normal | 1. SLN- eller RLN-skade 2. Cuff dislokation |
Tabel 1: Vejledning til fejlfinding.
Det skal nævnes, at der er to mindre begrænsninger i den nuværende anvendelse af denne teknologi. For det første har pludselig bøjning af den kvindelige pin under indsættelse i beholderen fundet sted i flere tilfælde. Heldigvis kan stifterne rettes og indsættes i deres huller med succes. Hvis pin-skaden er uoprettelig, skal ledningen og hele komponenten udskiftes. Derfor bør backup komponenter være let tilgængelige før operationen. For det andet er den tid, det tager at fuldføre den kirurgiske implantation lang (~ 10 h). Den lange varighed afspejler delvist det store antal stimulations- og omkodningskomponenter, der kræves til denne undersøgelse: fire nerver, fire muskler, en beholder og en IPG. Hvis der kræves færre komponenter ved hjælp af denne teknologi, skal implantationstiden28reduceres betydeligt (f.eks.
Denne teknologiske tilgang introducerer flere funktioner, der har fordel i forhold til eksisterende metoder. Oprulningen af blyledninger er det mest nye og vigtigste træk ved dette system. Oprullede kundeemner er ikke almindeligt tilgængelige for ikke-kommercielle dyreforsøg på trods af de mange fordele, de giver. En oprullet bly kan udvides til den ønskede længde under implantationen. Yderligere, det vil strække sig i vågen, bevægelige dyr for at forhindre dislokation af elektrode spidsen eller wire brud efter implantation. Denne funktion sikrer levetiden af implantatet og stabil nerve stimulation og muskel optagelse på lang sigt. Desuden, tilføje et væv kompatibel nederdel omkring beholderen forhindrer eksponering af såret til dette fremmedlegeme og fremmer normal fibrose og sårheling i mangel af infektion. Tidligere undersøgelser uden denne nederdel resulterede i tidlig infektion og for tidlig afslutning af forsøget. Endelig, dette implantat system er kompakt og multi-kanaliseret, så effektiv dataindsamling fra mange neuromuskulære strukturer i dyremodeller af forskellig størrelse.
Denne tekniske tilgang er blevet tilpasset og med succes oversat til en rottemodel. Denne undersøgelse var designet til at undersøge effekten af elektrisk konditionering i forebyggelseaf tunge muskelatrofi og dysfunktion i den aldrende rotte. Hypoglossal nerverne blev implanteret med manchetelektroderne til konditionering, og tungen implanteret med EMG-optagelseselektroderne28. Denne teknologi kan også anvendes i andre forskningsapplikationer. Som en forlængelse af den nuværende protokol i hunde strubehovedet, virkningerne af elektrisk konditionering på at fremme selektiv reinnervation er i øjeblikket ved at blive undersøgt i kanin ansigtsmuskler. Denne undersøgelse kan give et fundament for forebyggelse af ansigtssynkinese hos patienter med Bell’s parese, en fælles og invaliderende medicinsk tilstand. En endelig potentiel anvendelse af denne teknologi er at stimulere og registrere fra vågen, frit bevægende dyr. På nuværende tidspunkt er sådanne data er opnået via eksternt kabel fra vågne, uhæmmede rotter28. I fremtiden kan dette økonomiske system også kombineres med fjernoptagelsesstimuleringsteknologi (f.eks. telemetri) for at aktivere eller sonde neuromuskulære systemer trådløst.
The authors have nothing to disclose.
Forfatterne takker Dr. Hongmei Wu for hendes bidrag til dyrepleje og dataindsamling i hele undersøgelsen. Vi takker Amy Nunnally, Jamie Adcock og Phil Williams for deres hjælp med sterile operationer. Den ekspertise og dedikation af personalet på Vanderbilt University Animal Care Facility var uvurderlig. Denne forskning blev støttet af NIH tilskud U01DC016033.
20 G x 1" Gauge hypodermic needle | BD | 305175 | |
23 G x 1" Gauge hypodermic needle | BD | 305145 | |
25 G x 1" Gauge hypodermic needle | BD | 305125 | |
3-0 absorbable sutures, COATED VICRYL | Ethicon | J219H | |
3-0 monofilament, nonabsorbable sutures, Prolene | Ethicon | 8684G | |
4-0 monofilament, nonabsorbable sutures, Prolene | Ethicon | 8871H | |
6-0 monofilament, nonabsorbable taper needle suture, Prolene | Ethicon | 8805 | |
7-0 monofilament, nonabsorbable sutures, Prolene | Ethicon | M8735 | |
Adhesive silicone solvent-Hexamethydisiloxane 98% | ACROS | code 194790100 | for dilution of modical adhesive silicone |
Bone cement | Zimmer | 1102-16 | 20g powder 10ml liquid |
Buprenorphine (Buprenex, ampules of 1ml) | Reckitt Benckiser Healthcare (UK) Ltd | 12496-0757-1 | |
CCD video camera attached to the endoscope | Sony | MCC500MD | |
Cefpodoxime (Simplicef 100mg tablets) | Zoetis | 5228 | |
Data acquisition device , PowerLab 16/35 | ADInstruments, Inc | 5761-E | |
Deep-brain stimulation (DBS) electrodes | Abbott | 6172ANS | |
Digital oscilloscope | Tektronix | DPO71304SX | |
Implantable pulse generator (IPG), Infinity | Abbott | 6660ANS | |
Knitted polyester graft | Meadox Medical Inc | 92220 | 20mm in diameter |
Medical Grade Polyethylene Micro Tubing | Amazon.com | BB31695-PE/13-10 | OD 0.156", ID 0.094" |
Metal female pin | Allied Electronics & Automation | 220-S02-100 | |
Metal male pin | CDM electronics | 220-p02-1 | |
Prefabricated coiled leads | Medical innovations Inc. | ||
Silastic Laboratory Tubing | Cole-Parmer | 2415569 | OD 0.125", ID 0.062" |
Silastic Medical Adhesive Silicone | Dow corning | Type A, 2 oz | |
Stainless steel monofilament wire | The Harris Products Group | type 316 | 0.008" (coated), 0.005" (bare) |
Sterile Disposable Biopsy Punch (4mm) | Sklar Instruments | 96-1146 | |
Strip connector | CDM electronics | 2.6 x 11.6 x 101.5 mm | single row, round, through hole |
Teflon-coated multi-filament stainless steel wire | Medwire | Part 316, ss7/44T | |
Tiletamine and Zolazepam combination, Telazol – 5mL | Zoetis | 004866 | |
Tissue-compatible antiseptic solution, Nolvasan – 1 Gal. | Zoetis | 540561 | |
Zero-degree rigid endoscope | Karl Storz | 8712AA |