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In questo articolo

  • Riepilogo
  • Abstract
  • Introduzione
  • Protocollo
  • Risultati
  • Discussione
  • Divulgazioni
  • Riconoscimenti
  • Materiali
  • Riferimenti
  • Ristampe e Autorizzazioni

Riepilogo

Questo manoscritto fornisce un metodo innovativo per lo sviluppo di un'interfaccia biologica dei nervi periferici denominata Muscle Cuff Regenerative Peripheral Nerve Interface (MC-RPNI). Questo costrutto chirurgico può amplificare i segnali efferenti motori del nervo periferico associato per facilitare il rilevamento accurato dell'intento motorio e il potenziale controllo dei dispositivi esoscheletrici.

Abstract

Gli esoscheletri robotici hanno recentemente guadagnato consensi nel campo della medicina riabilitativa come modalità promettente per il ripristino funzionale per quegli individui con debolezza delle estremità. Tuttavia, il loro uso rimane in gran parte limitato agli istituti di ricerca, spesso operando come mezzo di supporto statico degli arti poiché i metodi di rilevamento motorio rimangono inaffidabili. Le interfacce nervose periferiche sono sorte come una potenziale soluzione a questa carenza; Tuttavia, a causa delle loro ampiezze intrinsecamente piccole, questi segnali possono essere difficili da distinguere dal rumore di fondo, riducendo la loro precisione complessiva di rilevamento del motore. Poiché le interfacce attuali si basano su materiali abiotici, la rottura intrinseca del materiale può verificarsi insieme alla reazione del tessuto corporeo estraneo nel tempo, influenzando ulteriormente la loro accuratezza. La Muscle Cuff Regenerative Peripheral Nerve Interface (MC-RPNI) è stata progettata per superare queste complicazioni note. Costituito da un segmento di innesto muscolare libero fissato circonferenzialmente a un nervo periferico intatto, il costrutto si rigenera e viene reinnervato dal nervo contenuto nel tempo. Nei ratti, questo costrutto ha dimostrato la capacità di amplificare i potenziali d'azione efferenti motori di un nervo periferico fino a 100 volte il valore normale attraverso la generazione di potenziali d'azione muscolari composti (CMAP). Questa amplificazione del segnale facilita il rilevamento ad alta precisione dell'intento del motore, consentendo potenzialmente un utilizzo affidabile dei dispositivi esoscheletrici.

Introduzione

Solo negli Stati Uniti, circa 130 milioni di persone sono affette da disturbi neuromuscolari e muscoloscheletrici, con un conseguente impatto economico annuale di oltre 800 miliardi di dollari 1,2. Questo gruppo di disturbi è tipicamente secondario alla patologia all'interno del sistema nervoso, alla giunzione neuromuscolare o all'interno del muscolo stesso3. Nonostante la varietà di origini patologiche, la maggioranza condivide un certo grado di debolezza delle estremità 1,3. Sfortunatamente, questa debolezza è spesso permanente date le limitazioni nella rigenerazione del tessuto neurale e muscolare, specialmente nel contesto di gravi traumi 4,5,6.

Gli algoritmi di trattamento della debolezza degli arti si sono classicamente concentrati su misure riabilitative e di supporto, spesso basandosi sullo sfruttamento delle capacità degli arti rimasti intatti (bastoni, sedie a rotelle, ecc.) 7. Questa strategia non è sufficiente, tuttavia, per coloro la cui debolezza non è limitata a una singola estremità. Con le recenti innovazioni nelle tecnologie robotiche, sono stati sviluppati dispositivi esoscheletri avanzati che ripristinano la funzionalità degli arti a coloro che vivono con debolezza delle estremità 8,9,10,11,12,13. Questi esoscheletri robotici sono spesso dispositivi indossabili alimentati che possono aiutare con l'avvio e la cessazione del movimento o il mantenimento della posizione degli arti, fornendo una quantità variabile di forza che può essere adattata individualmente per l'utente 8,9,10,11,12,13 . Questi dispositivi sono classificati come passivi o attivi a seconda di come forniscono assistenza motoria all'utente: i dispositivi attivi contengono attuatori elettrici che aumentano la potenza all'utente, mentre i dispositivi passivi immagazzinano energia dai movimenti dell'utente per rilasciarla all'utente quando necessario14. Poiché i dispositivi attivi hanno la capacità di aumentare le capacità di alimentazione di un utente, questi dispositivi sono utilizzati molto più frequentemente in contesti di debolezza delle estremità[14].

Al fine di determinare l'intento motorio in questa popolazione, gli esoscheletri moderni si basano comunemente su algoritmi di riconoscimento dei pattern generati dall'elettromiografia (EMG) dei muscoli distali degli arti 8,15,16,17 o dall'elettroencefalografia di superficie (sEEG) del cervello18,19,20 . Nonostante la promessa di queste modalità di rilevamento, entrambe le opzioni hanno limitazioni significative che precludono l'utilizzo diffuso di questi dispositivi. Poiché sEEG rileva segnali a livello di microvolt transcranicamente18,19,20, le critiche si concentrano spesso sull'incapacità di differenziare questi segnali dal rumore di fondo 21. Quando il rumore di fondo è simile al segnale di registrazione desiderato, questo produce bassi rapporti segnale-rumore (SNR), con conseguente rilevamento e classificazione del motore imprecisi22,23. Il rilevamento accurato del segnale si basa inoltre sul contatto del cuoio capelluto stabile e a bassa impedenza21, che può essere significativamente influenzato dalla presenza di capelli grossolani / spessi, dall'attività dell'utente e persino dalla sudorazione22,24. Al contrario, i segnali EMG sono di diverse grandezze più grandi in ampiezza, facilitando una maggiore precisione di rilevamento del segnale del motore15,18,25. Ciò ha un costo, tuttavia, in quanto i muscoli vicini possono contaminare il segnale, diminuendo i gradi di libertà che possono essere controllati dal dispositivo 16,17,25 e l'incapacità di rilevare il movimento muscolare profondo25,26,27,28. Ancora più importante, l'EMG non può essere utilizzato come metodo di controllo quando vi è una significativa compromissione muscolare e completa assenza di tessuto29.

Al fine di far progredire lo sviluppo di esoscheletri robotici, è necessario un rilevamento coerente e accurato dell'intento motorio dell'utente previsto. Le interfacce che utilizzano il sistema nervoso periferico sono sorte come una tecnica di interfaccia promettente, dato il loro accesso relativamente semplice e la selettività funzionale. Gli attuali metodi di interfacciamento dei nervi periferici possono essere invasivi o non invasivi e tipicamente rientrano in una delle tre categorie: elettrodi extraneurali 30,31,32,33, elettrodi intrafascicolari 34,35,36 ed elettrodi penetranti37,38,39,40 . Poiché i segnali nervosi periferici sono generalmente al livello dei microvolt, può essere difficile differenziare questi segnali dal rumore di fondo di ampiezza simile41,42, il che riduce le capacità complessive di precisione di rilevamento del motore dell'interfaccia. Questi bassi rapporti segnale-rumore (SNR) spesso peggiorano nel tempo secondariamente al peggioramento dell'impedenza dell'elettrodo 43 prodotto dalla degradazione del dispositivo39,43, o dalla reazione locale del corpo estraneo che produce tessuto cicatriziale intorno al dispositivo e/o degenerazione assonale locale37,44. Sebbene queste carenze possano generalmente essere risolte con il reintervento e l'impianto di una nuova interfaccia nervosa periferica, questa non è una soluzione praticabile a lungo termine poiché continuerebbero a verificarsi reazioni associate a corpi estranei.

Per evitare queste reazioni tissutali locali generate dall'interazione dei nervi periferici con le interfacce abiotiche, è necessaria un'interfaccia che incorpori una componente biologica. Per ovviare a questa carenza, è stata sviluppata la Regenerative Peripheral Nerve Interface (RPNI) per integrare i nervi periferici transettati negli arti residui di quelli con amputazioni con dispositivi protesici45,46,47,48. La fabbricazione dell'RPNI comporta l'impianto chirurgico di un nervo periferico transettato in un segmento di innesto muscolare libero autologo, con rivascolarizzazione, rigenerazione e reinnervazione che si verificano nel tempo. Attraverso la generazione di potenziali d'azione muscolari composti a livello di milli-volt (CMAP), l'RPNI è in grado di amplificare il segnale di livello micro-volt del nervo contenuto di diverse grandezze, facilitando il rilevamento accurato dell'intento motorio45,48,49. C'è stato un notevole sviluppo dell'RPNI negli ultimi dieci anni, con notevole successo nell'amplificazione e trasmissione di segnali nervosi motori efferenti in entrambi gli studi sugli animali50,51 e umani47, facilitando il controllo del dispositivo protesico ad alta precisione con più gradi di libertà.

Gli individui con debolezza delle estremità ma nervi periferici intatti trarrebbero beneficio allo stesso modo dal rilevamento ad alta precisione dell'intento motorio attraverso interfacce nervose periferiche al fine di controllare i dispositivi esoscheletrici. Poiché l'RPNI è stato sviluppato per l'integrazione con i nervi periferici transettati, come nelle persone con amputazioni, sono state necessarie modifiche chirurgiche. Basandosi sull'esperienza con l'RPNI, è stata sviluppata la Muscle Cuff Regenerative Peripheral Nerve Interface (MC-RPNI). Costituito da un segmento simile di innesto muscolare libero come nell'RPNI, è invece fissato circonferenzialmente a un nervo periferico intatto (Figura 1). Nel corso del tempo, si rigenera e si ritrova attraverso la germinazione assonale collaterale, amplificando e traslando questi segnali nervosi motori efferenti in segnali EMG che sono diversi ordini di grandezza più grandi52. Poiché l'MC-RPNI è di origine biologica, evita l'inevitabile reazione del corpo estraneo che si verifica con le interfacce nervose periferiche attualmente in uso52. Inoltre, l'MC-RPNI conferisce la capacità di controllare più gradi di libertà contemporaneamente in quanto possono essere posizionati su nervi sezionati distalmente ai singoli muscoli senza un significativo cross-talk, come è stato precedentemente dimostrato negli RPNI49. Infine, l'MC-RPNI può operare indipendentemente dalla funzione muscolare distale in quanto è posizionato sul nervo prossimale. Dati i suoi vantaggi rispetto alle attuali interfacce nervose periferiche, l'MC-RPNI è molto promettente per fornire un metodo sicuro, accurato e affidabile di controllo dell'esoscheletro.

Protocollo

Tutte le procedure e gli esperimenti sugli animali sono stati condotti con l'approvazione dell'Institutional Care and Use of Animals Committee (IACUC) dell'Università del Michigan. I ratti maschi e femmine di Fischer F344 e Lewis (~200-300 g) a 3-6 mesi di età sono più frequentemente utilizzati negli esperimenti, ma qualsiasi ceppo può teoricamente essere utilizzato. Se si utilizzano ratti donatori invece di innesti muscolari autologhi, i ratti donatori devono essere isogeni al ceppo sperimentale. Ai ratti è consentito il libero accesso al cibo e all'acqua sia prima che dopo l'intervento. Dopo le valutazioni degli endpoint terminali, l'eutanasia viene eseguita in anestesia profonda con iniezione intracardiaca di cloruro di potassio seguita da un metodo secondario di pneumotorace bilaterale.

1. Preparazione sperimentale del ratto

  1. Anestetizzare il ratto sperimentale utilizzando una soluzione di isoflurano al 5% in ossigeno a 0,8-1,0 L/min in una camera di induzione. Una volta ottenuta un'adeguata anestesia e confermata con l'assenza di riflesso corneale, posizionare il ratto su un cono nasale di rebreather con isoflurano abbassato a 1,75%-2,25% per il mantenimento dell'anestesia.
  2. Iniettare una soluzione di 0,02-0,03 mL di Carprofen (50 mg/ml) in 0,2 mL di soluzione salina sterile con ago da 27 G nel piano sottocutaneo tra le scapole per l'analgesia peri- e post-operatoria.
  3. Applicare un unguento oculare sterile su entrambi gli occhi per prevenire le ulcere corneali durante l'anestetizzazione.
  4. Usando un rasoio elettrico, radere la porzione laterale degli arti inferiori bilaterali, che si estende dall'articolazione dell'anca, sopra la coscia e alla superficie dorsale della zampa.
  5. Sterilizzare il sito chirurgico strofinando prima con un tampone di preparazione dell'alcool, seguito dall'applicazione della soluzione di povidone-iodio, terminando con una pulizia finale con un nuovo tampone di preparazione dell'alcol per rimuovere la soluzione residua di povidone-iodio. Ripeti questo processo di pulizia alternato tre volte per mantenere la sterilità.
    NOTA: Questo può essere un irritante dermatologico; Assicurarsi che la maggior parte della soluzione venga rimossa.

2. Preparazione dell'innesto muscolare

  1. Posizionare il ratto su una piastra riscaldante sotto un microscopio chirurgico con una sonda intraorale della temperatura corporea di scelta per il monitoraggio della temperatura corporea. Mantenere l'isoflurano all'1,75%-2,25% e l'ossigeno a 0,8-1,0 L/min.
  2. Fare un'incisione longitudinale lungo l'aspetto anteriore dell'arto posteriore donatore desiderato che si estende da appena sopra la caviglia a appena sotto il ginocchio con un bisturi # 15.
  3. Sezionare attraverso il tessuto sottocutaneo sottostante usando forbici dell'iride affilate per esporre la muscolatura sottostante e i tendini distali appena prossimali all'articolazione della caviglia. Tibiale anteriore (TA) è il più grande e il più anteriore dei muscoli; il muscolo estensore digitorum longus (EDL) può essere trovato solo in profondità e posteriore a questo muscolo. Isolare il muscolo EDL e il suo tendine distale dalla muscolatura circostante.
  4. Garantire l'isolamento del tendine corretto inserendo entrambi i denti di una pinza o di una forbice dell'iride sotto il tendine distale appena prossimale all'articolazione della caviglia. Esercitare una pressione verso l'alto sul tendine aprendo la pinza o le forbici dell'iride. Questo movimento dovrebbe produrre un'estensione simultanea di tutte le dita dei piedi contemporaneamente. Se si verifica dorsiflessione isolata della caviglia, eversione della caviglia o dorsiflessione a dito singolo, è stato isolato il tendine sbagliato.
  5. Eseguire una tenotomia distale del muscolo EDL a livello della caviglia con forbici affilate dell'iride e sezionare il muscolo libero dai tessuti circostanti lavorando prossimalmente verso la sua origine tendinea.
  6. Una volta visualizzato il tendine prossimale, eseguire una tenotomia prossimale utilizzando forbici affilate dell'iride per liberare l'innesto.
  7. Tagliare entrambe le estremità tendinee dell'innesto muscolare e tagliare alla lunghezza desiderata con forbici per iride affilate.
    NOTA: Gli innesti di 8-13 mm sono stati utilizzati con successo; tuttavia, la lunghezza più comune utilizzata è di 10 mm.
  8. Su un lato dell'innesto muscolare, praticare un'incisione longitudinale lungo l'intera lunghezza tagliata per facilitare il posizionamento del nervo all'interno dell'innesto muscolare e fornire il contatto del nervo con l'endomisio.
  9. Posizionare l'innesto muscolare preparato in una garza inumidita con soluzione salina per prevenire l'essiccazione dei tessuti.
  10. Chiudere la pelle sovrastante il sito donatore con una sutura cromica 4-0 in modo corrente.

3. Isolamento e preparazione del nervo peroneo comune

  1. Segna l'incisione chirurgica, che si estenderà da una linea ~ 5 mm dalla tacca sciatica, estendendosi fino a poco inferiore all'articolazione del ginocchio. Assicurarsi che questa marcatura sia inferiore e angolata lontano dal femore che può essere palpato sotto.
  2. Incidere attraverso la pelle e i tessuti sottocutanei lungo la linea di incisione marcata con una lama #15. Incidere con cura attraverso la fascia femorale del bicipite sottostante, facendo attenzione a non estendersi attraverso l'intera profondità del muscolo poiché il nervo sciatico si trova appena sotto.
  3. Utilizzando piccole forbici a punta smussata o un emostato, sezionare attentamente attraverso il muscolo bicipite femorale.
    NOTA: Il nervo sciatico viaggia in questo spazio sottostante i bicipiti, orientato approssimativamente nella stessa direzione dell'incisione segnata sulla pelle. Ci sono tre rami notevoli del nervo sciatico: surale (il più posteriore e il più piccolo dei nervi), tibiale (tipicamente più anteriore, ma questo nervo si tuffa sempre in profondità fino all'articolazione del ginocchio) e peroneo comune (tipicamente situato tra tibiale e surale, viaggia sempre sopra l'articolazione del ginocchio).
  4. Identificare il nervo peroneale comune (CP) e isolarlo attentamente dai nervi circostanti usando un paio di micro-forcipi e micro-forbici. Rimuovere qualsiasi tessuto connettivo circostante dai 2 cm centrali del nervo. Fare attenzione a non schiacciare il nervo CP con una pinza in questo processo, poiché la lesione da schiacciamento può alterare i risultati dell'endpoint.
  5. Sulla porzione più centrale del nervo CP liberato, eseguire una finestra epineuriale rimuovendo il 25% dell'epineurio lungo la lunghezza del nervo che corrisponde alla lunghezza desiderata dell'innesto muscolare.
  6. Per eseguire questo tenere l'epineurium prossimale con micro-forcipe, tagliare nell'epineurio immediatamente sottostante con micro-forbici di dissezione e rimuovere ~ 25% dell'epineurio che viaggia distalmente lungo il nervo. Fare attenzione a rimuovere questo segmento in un unico pezzo, poiché più tentativi possono causare la rimozione irregolare dell'epineuriale, aumentando il rischio di lesioni nervose.
    NOTA: Il tessuto nervoso sottostante l'epineurio avrà una consistenza simile a un goo; Notare questa qualità del nervo assicura che il piano tissutale corretto sia stato rimosso.

4. Fabbricazione del costrutto MC-RPNI

  1. Rimuovere l'innesto muscolare dalla garza inumidita dalla soluzione salina e posizionarlo sotto la porzione centrale del nervo CP dove è stata creata la finestra epineuriale. Ruotare il nervo di 180° in modo che la sezione della finestra epineuriale contatti il muscolo intatto e non sia alla base dell'eventuale linea di sutura.
  2. Usando un 8-0 sutura in nylon, sutura l'epineurio del nervo CP sia prossimalmente che distalmente all'innesto muscolare all'interno del solco creato nel passaggio 2.8 utilizzando semplici suture interrotte per fissare l'epineurio all'endomisio.
    NOTA: Posizionare questi punti, assicurandosi che il muscolo sia alla normale lunghezza di riposo. Allungare o comprimere troppo il muscolo può influire sulla rigenerazione e sulle capacità di segnalazione in seguito.
  3. Avvolgere circonferenzialmente i bordi dell'innesto muscolare che circonda il nervo ora assicurato e la sutura in posizione utilizzando un semplice 8-0 interrotto punti di nylon (~4-6 a seconda della lunghezza).
  4. Una volta raggiunta l'emostasi, chiudere la fascia femorale del bicipite sopra il costrutto con sutura cromica 5-0 in modo da corsa.
  5. Chiudi la pelle sovrastante in modo da correre con una sutura cromica 4-0.
  6. Pulire l'area chirurgica con un tampone per la preparazione dell'alcol e applicare un unguento antibiotico.
  7. Terminare l'anestetico inalatorio e mettere il ratto in una gabbia pulita isolata dai compagni di gabbia e lasciare recuperare con cibo e acqua ad lib.
  8. Una volta che il ratto si è adeguatamente ripreso, rimetterlo con i compagni di gabbia in una gabbia pulita.
    NOTA: Questi costrutti richiedono una maturazione di almeno tre mesi per produrre un'adeguata amplificazione del segnale nervoso.

Risultati

La fabbricazione chirurgica MC-RPNI è considerata un fallimento perioperatorio se i ratti non sopravvivono all'emergenza dall'anestesia chirurgica o sviluppano un'infezione entro una settimana dall'operazione. Ricerche precedenti hanno indicato che un periodo di maturazione di 3 mesi si tradurrà in un'amplificazione del segnale affidabile da questo costrutto42,45,48,49. In quel momento o succ...

Discussione

L'MC-RPNI è un nuovo costrutto che consente l'amplificazione dei potenziali d'azione efferenti di un nervo motore periferico intatto al fine di controllare accuratamente un dispositivo esoscheletro. In particolare, l'MC-RPNI conferisce un particolare beneficio a quegli individui con debolezza degli arti causata da una significativa malattia muscolare e / o assenza di muscoli in cui i segnali EMG non possono essere registrati. Ridurre la funzione muscolare già compromessa sarebbe devastante in questa popolazione; tuttav...

Divulgazioni

Gli autori non hanno rivelazioni.

Riconoscimenti

Gli autori ringraziano Jana Moon per la sua esperta gestione di laboratorio e assistenza tecnica e Charles Hwang per la sua esperienza di imaging. Gli esperimenti in questo documento sono stati in parte finanziati attraverso sovvenzioni della Plastic Surgery Foundation a SS (3135146.4), nonché al National Institute of Child Health and Human Development con il numero di premio 1F32HD100286-01 a SS e all'Istituto nazionale di artrite e malattie muscoloscheletriche e della pelle del National Institutes of Health con il numero di premio P30 AR069620.

Materiali

NameCompanyCatalog NumberComments
#15 ScalpelAspen Surgical, IncRef 371115Rib-Back Carbon Steel Surgical Blades (#15)
2-N-thin film load cell (S100)Strain Measurement Devices, IncSMD100-0002Measures force generated by the attached muscle
4-0 Chromic SutureEthiconSKU# 1654GP-3 Reverse Cutting Needle
5-0 Chromic SutureEthiconSKU# 687GP-3 Reverse Cutting Needle
8-0 Monofilament SutureAROSurgicalT06A08N14-13Black polyamide monofilament suture on a threaded tapered needle
Experimental RatsEnvigoF344-NH-sdRats are Fischer F344 Strain
Fine Forceps - mirror finishFine Science Tools11413-11Fine tipped forceps with mirror finish ideal for handling delicate structures like nerves
Fluriso (Isofluorane)VetOne13985-528-40Inhalational Anesthetic
Force Measurement JigRed Rockn/aCustom designed force measurement jig that allows for immobilization of hindlimb to allow for accurate muscle force recording
MATLAB softwareMathworks, IncPR-MATLAB-MU-MW-707-NNUCalculates active force for each recorded force trace from passive and total force measurements
Nicolet Viasys EMG EP SystemNicoletMFI-NCL-VIKING-SELECT-2CH-EMGPortable EMG and nerve signal recording system capable of simultaneous 2 channel recordings from nerve and/or muscle
OxygenCryogenic GasesUN1072Standard medical grade oxygen canisters
Potassium ChlorideAPP Pharmaceuticals63323-965-20Injectable form, 2 mEq/mL
Povidone Iodine USPMediChoice65517-0009-110% Topical Solution, can use one bottle for multiple surgical preps
Puralube Vet Opthalmic OintmentDechra17033-211-38Corneal protective ointment for use during procedure
Rimadyl (Caprofen)Zoetis, Inc.NADA# 141-199Injectable form, 50 mg/mL
Stereo MicroscopeLeicaModel M60User can adjust magnification to their preference
Surgical InstrumentsFine Science ToolsVariousUser can choose instruments according to personal preference or from what is currently available in their lab
Triple Antibiotic OintmentMediChoice39892-0830-2Ointment comes in sterile, disposable packets
Vannas Spring Scissors - 2mm cutting edgeFine Science Tools15000-04Curved micro-dissection scissors used to perform the epineurial window
VaporStick 3SurgivetV7015Anesthesia tower with space for isofluorane and oxygen canister
Webcol Alcohol PrepCovidenRef 6818Alcohol prep wipes; use a new wipe for each prep

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