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要約

この原稿は、筋腱板再生末梢神経インターフェース(MC-RPNI)と呼ばれる生物学的末梢神経インターフェースを開発するための革新的な方法を提供します。 この外科的構成物は、関連する末梢神経の運動遠心性信号を増幅して、運動意図の正確な検出と外骨格デバイスの潜在的な制御を容易にすることができます。

要約

ロボット外骨格は、四肢の弱さを持つ個人の機能回復のための有望なモダリティとして、リハビリテーション医学の分野で最近高い評価を得ています。しかし、それらの使用は依然として研究機関に限定されており、運動検出方法は信頼性が低いため、静的な四肢サポートの手段として頻繁に機能します。末梢神経インターフェースは、この欠点に対する潜在的な解決策として生じている。ただし、これらの信号は本質的に振幅が小さいため、バックグラウンドノイズとの区別が難しく、全体的なモーター検出精度が低下する可能性があります。現在の界面は非生物的材料に依存しているため、異物組織の反応とともに固有の物質分解が時間の経過とともに発生し、その精度にさらに影響を与える可能性があります。 筋腱板再生末梢神経インターフェース(MC-RPNI)は、これらの注目すべき合併症を克服するために設計されました。無傷の末梢神経に円周方向に固定された遊離筋移植片のセグメントからなる構築物は、時間の経過とともに再生し、封じ込められた神経によって再神経支配されるようになる。ラットにおいて、この構築物は、複合筋活動電位(CMAP)の生成を通じて、末梢神経の運動遠心性活動電位を正常値の100倍まで増幅する能力を実証した。この信号増幅により、モーターの意図を高精度に検出し、外骨格デバイスの信頼性の高い利用が可能になります。

概要

米国だけでも、約1億3,000万人が神経筋および筋骨格系障害の影響を受けており、年間8,000億ドルを超える経済的影響が生じています1,2。このグループの障害は、通常、神経系内、神経筋接合部、または筋肉自体内の病理学に続発します3。病理学的起源の多様性にもかかわらず、大多数はある程度の四肢の弱さを共有しています1,3。残念ながら、この弱点は、特に重度の外傷の設定において、神経および筋肉組織の再生の制限を考えると、しばしば永続的です4,5,6。

四肢の衰弱治療アルゴリズムは、古典的にリハビリテーションおよび支援的手段に焦点を当てており、多くの場合、残りの無傷の手足(杖、車椅子など)の能力を利用することに依存しています。7.ただし、この戦略は、弱点が単一の四肢に限定されない人にとっては不十分です。ロボット技術の最近の革新により、四肢の衰弱とともに生きる人々に四肢の機能を回復する高度な外骨格デバイスが開発されました8,9,10,11,12,13。これらのロボット外骨格は、多くの場合、動きの開始と終了、または四肢の位置の維持を支援できる、動力付きのウェアラブルデバイスであり、ユーザーに合わせて個別に調整できるさまざまな量の力を提供します8、9、10、11、12、13.これらのデバイスは、ユーザにモータ支援を提供する方法に応じてパッシブまたはアクティブのいずれかに分類されます:アクティブデバイスは、ユーザへの電力を増強する電気アクチュエータを含み、パッシブデバイスは、必要に応じてユーザに放出するためにユーザの動きからのエネルギーを蓄える14。アクティブなデバイスはユーザーの電力能力を高める能力を持っているため、これらのデバイスは四肢の弱さの設定ではるかに頻繁に利用されます[14]。

この集団における運動意図を決定するために、現代の外骨格は一般に、遠位肢筋の筋電図(EMG)8,15,16,17または脳の表面脳波(sEEG)のいずれかから生成されたパターン認識アルゴリズムに依存している18,19,20.これらの検出モダリティが約束されているにもかかわらず、どちらのオプションにも、これらのデバイスの広範な利用を妨げる重大な制限があります。sEEGは経頭蓋的にマイクロボルトレベルの信号を検出するため18,19,20、これらの信号をバックグラウンドノイズと区別できないことに批判がしばしば焦点を当てています21。バックグラウンドノイズが所望の記録信号に類似している場合、これは低い信号対雑音比(SNR)を生成し、不正確なモータ検出および分類22,23をもたらす。正確な信号検出はさらに、安定した低インピーダンスの頭皮接触21に依存しており、これは粗い/太い髪の存在、ユーザーの活動、さらには発汗によっても大きな影響を受ける可能性があります22,24。対照的に、EMG信号は振幅が数桁大きいため、運動信号の検出精度が向上します15,18,25。しかしながら、近くの筋肉が信号を汚染し、デバイス16、17、25によって制御できる自由度を低下させ、深部筋肉の動きを検出できない25、26、27、28を減少させる可能性があるため、これにはコストがかかる。最も重要なことは、筋肉の重大な妥協があり、組織が完全に欠如している場合、EMGを制御方法として使用できないことです29。

ロボット外骨格の開発を進めるためには、意図したユーザの運動意図を一貫して正確に検出する必要があります。末梢神経系を利用するインターフェースは、その比較的単純なアクセスと機能的選択性を考慮して、有望なインターフェース技術として生まれました。現在の末梢神経インターフェース法は、侵襲的または非侵襲的であり得、典型的には、神経外電極30、31、32、33、筋膜内電極34、35、36および貫通電極37、38、39、40のうちの1つに分類される。.末梢神経信号は一般にマイクロボルトのレベルにあるので、これらの信号を同様の振幅バックグラウンドノイズ41,42と区別することは困難であり得、それは界面の全体的な運動検出精度能力を低下させる。これらの低い信号対雑音比(SNR)比は、デバイス39,43の劣化、またはデバイスの周囲の瘢痕組織を生成する局所異物反応および/または局所軸索変性37,44のいずれかから生じる電極インピーダンスの悪化に次ぐ、時間とともに悪化することが多い。これらの欠点は、一般的に新しい末梢神経インターフェースの再手術と移植で解決できますが、異物関連反応が引き続き発生するため、これは実行可能な長期的な解決策ではありません。

末梢神経と非生物的界面との相互作用から生じるこれらの局所組織反応を回避するためには、生物学的成分を組み込んだ界面が必要である。この欠点に対処するために、再生末梢神経インターフェース(RPNI)は、切断された人の残存肢に交差した末梢神経を補綴装置で統合するために開発されました45,46,47,48。RPNIの製造には、トランセクトした末梢神経を自家遊離筋移植のセグメントに外科的移植することが含まれ、血行再建術、再生、および神経支配が時間の経過とともに発生します。ミリボルトレベルの複合筋活動電位(CMAP)の生成により、RPNIは、封じ込められた神経のマイクロボルトレベルの信号を数桁増幅することができ、運動意図の正確な検出を容易にします45,48,49。過去10年間でRPNIはかなりの開発が行われており、動物50,51とヒト47の両方の試験で遠心性運動神経信号を増幅および伝達することに顕著な成功を収め、複数の自由度で高精度の補綴装置制御を容易にしました。

四肢の弱さがあるが末梢神経が無傷の個人も同様に、外骨格デバイスを制御するために末梢神経インターフェースを介した運動意図の高精度検出の恩恵を受けるでしょう。RPNIは、切断者などの横断末梢神経との統合のために開発されたため、外科的修正が必要でした。RPNIの経験から、筋腱板再生末梢神経インターフェース(MC-RPNI)が開発されました。RPNIと同様の遊離筋移植片のセグメントで構成され、代わりに無傷の末梢神経に円周方向に固定されています(図1)。時間が経つにつれて、それは再生し、側副軸索発芽を介して再神経支配され、これらの遠心性運動神経信号を増幅し、数桁大きいEMG信号に変換します52。MC-RPNIは生物学的起源であるため、現在使用されている末梢神経界面で起こる避けられない異物反応を回避します52。さらに、MC-RPNIは、RPNIで以前に実証されているように、遠位に解剖された神経から個々の筋肉への大きなクロストークなしで配置できるため、複数の自由度を同時に制御する能力を付与します。最後に、MC-RPNIは近位神経に配置されているため、遠位筋機能から独立して動作することができます。MC-RPNIは、現在の末梢神経インターフェースに対する利点を考えると、安全で正確で信頼性の高い外骨格制御方法を提供する大きな期待を寄せています。

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プロトコル

すべての動物の手順と実験は、ミシガン大学の施設管理および動物使用委員会(IACUC)の承認を得て実施されました。生後3〜6ヶ月のフィッシャーF344およびルイスラット(~200-300g)の雄および雌が実験に最も頻繁に利用されるが、理論的には任意の系統を利用することができる。自家筋移植の代わりにドナーラットを利用する場合、ドナーラットは実験株に同質遺伝子でなければならない。ラットは、術前と術後の両方で食物と水に自由にアクセスできます。終末エンドポイント評価に続いて、安楽死は心臓内塩化カリウム注射による深部麻酔下で行われ、続いて両側気胸の二次的方法が続きます。

1.ラットの実験的調製

  1. 誘導チャンバーで0.8〜1.0 L / minの酸素中の5%イソフルランの溶液を利用して実験ラットを麻酔します。.適切な麻酔が達成され、角膜反射がないことが確認されたら、麻酔を維持するためにイソフルランを1.75%〜2.25%に下げたリブリーザーノーズコーンにラットを置きます。.
  2. 0.02〜0.03 mLのカルプロフェン(50 mg / mL)を0.2 mLの滅菌生理食塩水に注入し、肩甲骨の間の皮下面に27 Gの針を入れて、周術期および術後の鎮痛を行います。.
  3. 麻酔をかけたまま角膜潰瘍を防ぐために、両眼に滅菌眼軟膏を塗布します。
  4. 電気かみそりを使用して、両側の下肢の外側部分を剃り、股関節から太ももを越えて、足の背側表面まで伸びます。
  5. 最初にアルコール調製パッドで拭き取り、次にポビドンヨード溶液を塗布し、最後に新しいアルコール調製パッドで最後の洗浄を行って残りのポビドンヨード溶液を除去して、手術部位を滅菌します。無菌性を維持するために、この交互のクレンジングプロセスを3回繰り返します。
    注:これは皮膚科の刺激物である可能性があります。ソリューションの大部分が削除されていることを確認します。

2.筋移植の準備

  1. 体温モニタリングに最適な口腔内体温プローブを備えた手術用顕微鏡の下の加熱パッドにラットを置きます。イソフルランを1.75%〜2.25%に維持し、酸素を0.8〜1.0 L / minに維持します。.
  2. #15メスで、足首のすぐ上から膝のすぐ下まで伸びる目的のドナー後肢の前方に沿って縦方向の切開を行います。
  3. 鋭い虹彩はさみを使用して下にある皮下組織を解剖し、足首関節のすぐ近位にある下にある筋肉組織と遠位腱を露出させます。前脛骨筋(TA)は、筋肉の最大かつ最も前方です。長指伸筋(EDL)は、この筋肉のすぐ深く後方にあります。EDL筋とその遠位腱を周囲の筋肉組織から隔離します。
  4. 足首関節のすぐ近位の遠位腱の下に鉗子または虹彩はさみの両方のタインを挿入することにより、正しい腱の分離を確実にします。鉗子または虹彩はさみのいずれかを開いて、腱に上向きの圧力をかけます。この動きは、すべてのつま先を同時に伸ばす必要があります。孤立した足首背屈、足首の外転、または一本のつま先の背屈が発生した場合は、間違った腱が孤立しています。
  5. 鋭い虹彩はさみで足首の高さでEDL筋の遠位腱切開を行い、腱の起点に向かって近位に働く周囲の組織から筋肉を解剖します。
  6. 近位腱が視覚化されたら、鋭い虹彩ハサミを使用して近位腱切開を行い、移植片を解放します。
  7. 筋肉移植片の両腱端をトリミングし、鋭い虹彩ハサミで希望の長さにカットします。
    注:8〜13 mmのグラフトが成功裏に利用されています。ただし、使用される最も一般的な長さは10mmです。
  8. 筋移植片の片側で、トリミングされた全長に沿って縦方向の切開を行い、筋移植片内の神経の配置を容易にし、神経と筋内膜との接触を提供します。
  9. 組織の乾燥を防ぐために、準備した筋肉移植片を生理食塩水で湿らせたガーゼに入れます。
  10. ドナー部位の上にある皮膚を4-0クロミック縫合糸でランニング方式で閉じます。

3.一般的な腓骨神経の分離と準備

  1. 坐骨ノッチから線~5 mmまで伸び、膝関節のすぐ下まで伸びる外科的切開に印を付けます。このマーキングが、下に触診できる大腿骨より劣っており、角度が離れていることを確認してください。
  2. #15ブレードでマークされた切開線に沿って皮膚および皮下組織を切開します。坐骨神経がすぐ下にあるため、筋肉の深さ全体に伸びないように注意しながら、下にある上腕二頭筋筋膜を注意深く切開します。
  3. 先端が鈍い小さなはさみまたは止血剤を使用して、大腿二頭筋を注意深く解剖します。
    注:坐骨神経は上腕二頭筋の下のこの空間を移動し、皮膚にマークされた切開とほぼ同じ方向に向けられています。3つの注目すべき坐骨神経枝があります:腓腹(神経の最も後方と最小)、脛骨(通常は最も前方ですが、この神経は常に膝関節の奥深くまで潜ります)、および総腓骨(通常、脛骨と腓骨の間に位置し、常に膝関節の上に移動します)。
  4. 総腓骨(CP)神経を特定し、マイクロ鉗子とマイクロハサミを使用して周囲の神経から慎重に隔離します。神経の中央2 cmから周囲の結合組織を取り除きます。このプロセスでは、挫傷がエンドポイントの結果を変える可能性があるため、鉗子でCP神経を押しつぶさないように注意してください。
  5. 解放されたCP神経の最中央部分にわたって、筋移植の所望の長さに一致する神経の長さに沿って上膜の25%を除去することにより、上神経窓を実行する。
  6. これを実行するには、近位上膜をマイクロ鉗子で保持し、マイクロ解剖ハサミですぐ下にある上膜に切り込み、神経に沿って遠位に移動する上膜の~25%を取り除きます。複数回の試行は不規則な上動脈除去を引き起こし、神経損傷のリスクを高める可能性があるため、このセグメントを1つに取り除くように注意してください。
    注:上神経の下にある神経組織は、グーのような質感を持ちます。この神経の質に注目することで、正しい組織平面が除去されたことが保証されます。

4. MC-RPNIコンストラクトファブリケーション

  1. 生理食塩水で湿らせたガーゼから筋肉移植片を取り除き、上神経窓が作成されたCP神経の中央部分の下に置きます。神経を180°回転させて、上神経窓部分が無傷の筋肉に接触し、最終的な縫合線の下にならないようにします。
  2. 8-0を使用するナイロン縫合糸、CP神経の上神経をステップ2.8で作成した溝内の筋移植片の近位および遠位の両方に縫合し、単純な中断縫合糸を使用して上神経を筋内膜に固定します。
    注意: これらのステッチを配置し、筋肉が通常の安静時の長さであることを確認します。筋肉を伸ばしすぎたり圧迫したりすると、後で再生およびシグナル伝達機能に影響を与える可能性があります。
  3. 固定された神経を囲む筋移植片の端を円周方向に巻き付け、単純な中断8-0を利用して所定の位置に縫合しますナイロンステッチ(長さに応じて~4-6)。
  4. 止血が達成されたら、ランニングファッションで5-0クロミック縫合糸で構造上の大腿二頭筋膜を閉じます。
  5. 4-0クロミック縫合糸でランニングファッションで上にある皮膚を閉じます。
  6. アルコール準備パッドで手術領域を洗浄し、抗生物質軟膏を塗布します。
  7. 吸入麻酔薬を終了し、ケージの仲間から隔離された清潔なケージにラットを置き、餌と水の アドリブで回復させます。
  8. ラットが適切に回復したら、ケージメイトと一緒にきれいなケージに戻します。
    注:これらの構築物は、適切な神経信号増幅を生成するために、少なくとも3か月の成熟を必要とします。

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結果

MC-RPNI外科的作製は、ラットが外科的麻酔からの出現を生き延びない場合、または手術から1週間以内に感染症を発症した場合、周術期の失敗と見なされます。以前の研究では、3ヶ月の成熟期間がこの構築物からの信頼性の高いシグナル増幅をもたらすことが示されている42、45、48、49。その時点?...

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ディスカッション

MC-RPNIは、外骨格デバイスを正確に制御するために、無傷の末梢運動神経の遠心性活動電位の増幅を可能にする新しい構造です。具体的には、MC-RPNIは、EMG信号を記録できない重大な筋肉疾患および/または筋肉の欠如によって引き起こされる四肢の衰弱を有する個人に特別な利益を与える。すでに損なわれた筋肉機能を低下させることは、この集団では壊滅的なものになるでしょう。しかしな?...

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開示事項

著者には開示がありません。

謝辞

著者らは、ジャナ・ムーンの専門的なラボ管理と技術支援、チャールズ・ファンのイメージングの専門知識に感謝しています。この論文の実験の一部は、SS(3135146.4)への形成外科財団の助成金、およびSSへの賞番号1F32HD100286-01の国立小児保健人間発達研究所、および国立衛生研究所の国立関節炎および筋骨格および皮膚疾患研究所(賞番号P30 AR069620)を通じて資金提供されました。

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資料

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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