온전한 말초 신경 신호의 증폭을 위한 근육 커프 재생 말초 신경 인터페이스

요약

이 원고는 근육 커프 재생 말초 신경 인터페이스 (MC-RPNI)라고하는 생물학적 말초 신경 인터페이스를 개발하기위한 혁신적인 방법을 제공합니다. 이 수술 구조는 관련 말초 신경의 운동 원심성 신호를 증폭하여 운동 의도의 정확한 감지와 외골격 장치의 잠재적 제어를 용이하게 할 수 있습니다.

초록

로봇 외골격은 최근 재활 의학 분야에서 사지 약점이 있는 개인의 기능 회복을 위한 유망한 양식으로 찬사를 받았습니다. 그러나 이들의 사용은 주로 연구 기관에 국한되어 있으며 모터 감지 방법이 신뢰할 수 없기 때문에 정적 사지 지원 수단으로 자주 작동합니다. 말초 신경 인터페이스는 이러한 단점에 대한 잠재적 인 해결책으로 등장했습니다. 그러나 본질적으로 작은 진폭으로 인해 이러한 신호는 배경 소음과 구별하기 어려워 전반적인 모터 감지 정확도가 떨어질 수 있습니다. 현재의 인터페이스는 비생물적 재료에 의존하기 때문에 시간이 지남에 따라 이물질 반응과 함께 고유한 재료 분해가 발생하여 정확도에 더욱 영향을 미칠 수 있습니다. 근육 커프 재생 말초 신경 인터페이스 (MC-RPNI)는 이러한 주목할만한 합병증을 극복하도록 설계되었습니다. 손상되지 않은 말초 신경에 원주방향으로 고정 된 자유 근육 이식편 세그먼트로 구성된이 구조물은 시간이 지남에 따라 포함 된 신경에 의해 재생되고 재 신경이 분포됩니다. 쥐에서 이 구조는 복합 근육 활동 전위(CMAP)의 생성을 통해 말초 신경의 운동 원심성 활동 전위를 정상 값의 최대 100배까지 증폭하는 능력을 입증했습니다. 이 신호 증폭은 모터 의도의 고정밀 감지를 용이하게 하여 잠재적으로 외골격 장치의 안정적인 활용을 가능하게 합니다.

서문

미국에서만 약 1억 3천만 명이 신경근 및 근골격계 질환의 영향을 받아 연간 8,000억 달러 이상의^{경제적 영향을 받고} 있습니다^1,2. 이 장애 그룹은 일반적으로 신경계 내, 신경근 접합부 또는 근육 자체 내의 병리학에 이차적입니다³. 다양한 병리학적 기원에도 불구하고 대다수는 어느 정도의 사지 약점을 공유합니다^1,3. 불행히도, 이 약점은 신경 및 근육 조직 재생의 한계, 특히 심각한 외상 ^4,5,6의 설정을 고려할 때 종종 영구적입니다.

사지 쇠약 치료 알고리즘은 고전적으로 재활 및 지원 조치에 중점을 두었으며 종종 나머지 손상되지 않은 팔다리 (지팡이, 휠체어 등)의 기능을 활용하는 데 의존합니다. ⁷. 그러나이 전략은 약점이 단일 사지에 국한되지 않는 사람들에게는 부족합니다. 최근 로봇 기술의 혁신으로 사지 약점 8,9,10,11,12,13을 가진 사람들에게 사지 기능을 회복시키는 고급 외골격 장치가 개발되었습니다. 이러한 로봇 외골격은 종종 움직임의 시작 및 종료 또는 사지 위치 유지를 지원할 수 있는 전원이 공급되는 웨어러블 장치로, 사용자에게 개별적으로 맞춤화할 수 있는 다양한 양의 힘을 제공합니다. 8,9,10,11,12,13 . 이들 장치는 사용자에게 모터 지원을 제공하는 방법에 따라 수동 또는 능동으로 분류됩니다 : 능동 장치는 사용자에게 전력을 증가시키는 전기 액추에이터를 포함하는 반면, 수동 장치는 필요할 때 사용자에게 다시 방출하기 위해 사용자의 움직임으로부터 에너지를 저장합니다¹⁴. 능동 장치는 사용자의 전력 기능을 향상시킬 수 있기 때문에 이러한 장치는 사^{지 약점 설정에서} 훨씬 더 자주 활용됩니다[^14].

이 집단에서 운동 의도를 결정하기 위해 현대 외골격은 일반적으로 원^{위 사지} 근육의 근전도 (EMG) 8,15,16,17 또는 뇌의 표면 뇌파 검사 (sEEG)^18,19,20에서 생성 된 패턴 인식 알고리즘에 의존합니다. . 이러한 탐지 방식의 약속에도 불구하고 두 옵션 모두 이러한 장치의 광범위한 활용을 방해하는 중요한 제한 사항이 있습니다. sEEG가 마이크로 볼트 레벨 신호를 경두개 (^18,19,20)로 감지함에 따라^, 비판은 종종 이러한 신호를 배경 잡음⁽²¹)과 구별 할 수 없다는 것에 초점을 맞춘다. 배경 잡음이 원하는 기록 신호와 유사할 때, 이것은 낮은 신호 대 잡음비(SNR)를 생성하여, 부정확한 모터 검출 및 분류(^22,23)를 초래한다. 정확한 신호 검출은 추가적으로 안정적이고 저임피던스 두피 접촉(²¹)에 의존하며, 이는 거칠고 두꺼운 모발의 존재, 사용자 활동, 심지어 발한(^{22, 24})에 의해 크게 영향을 받을 수 있다. 대조적으로, EMG 신호는 진폭이 몇 배 더 커서 모터 신호 감지 정확도를 높입니다^15,18,25. 그러나, 이것은 근처의 근육이 신호를 오염시킬 수 있고, 장치(^16,17,25)에 의해 제어될 수 있는 자유도를 감소시키고 깊은 근육 운동(^25,26,27,28)을 검출할 수 없기 때문에 비용이 든다. 가장 중요한 것은, EMG는 상당한 근육 손상이 있고 조직이 완전히 부재할 때 제어 방법으로 사용될 수 없다는 것이다(²⁹).

로봇 외골격의 개발을 발전시키기 위해서는 의도한 사용자의 운동 의도를 일관되고 정확하게 감지해야 합니다. 말초 신경계를 활용하는 인터페이스는 비교적 간단한 액세스와 기능적 선택성을 고려할 때 유망한 인터페이스 기술로 부상했습니다. 현재의 말초 신경 인터페이스 방법은 침습적이거나 비 침습적 일 수 있으며 일반적으로 신경 외 전극 30,31,32,33, 근막 내 전극^34,35,36 및 침투 전극^37,38,39,40의 세 가지 범주 중 하나에 속합니다. . 말초 신경 신호는 일반적으로 마이크로볼트 레벨에 있기 때문에, 이들 신호를 유사한 진폭의 배경 잡음(⁴¹, ⁴²)으로부터 구별하는 것이 어려울 수 있으며^, 이는 인터페이스의 전체 모터 검출 정확도 능력을 감소시킨다. 이러한 낮은 신호 대 잡음비(SNR)는 종종 장치(^39,43)의 열화 또는 장치 주변의 흉터 조직 및/또는 국소 축삭 변성(^{37, 44})을 생성하는 국소 이물질 반응으로부터 생성된 악화되는 전극 임피던스(⁴³)에 이차적으로 시간이 지남에 따라 악화된다. 이러한 단점은 일반적으로 새로운 말초 신경 인터페이스의 재수술 및 이식으로 해결할 수 있지만 이물질 관련 반응이 계속 발생하기 때문에 실행 가능한 장기적인 해결책은 아닙니다.

말초 신경과 비 생물 적 인터페이스의 상호 작용에서 발생하는 이러한 국소 조직 반응을 피하려면 생물학적 구성 요소를 통합 한 인터페이스가 필요합니다. 이러한 단점을 해결하기 위해 재생 말초 신경 인터페이스 (RPNI)는 보철 장치^45,46,47,48로 절단 된 사람들의 절단단에 전이 된 말초 신경을 통합하기 위해 개발되었습니다. RPNI의 제조는 시간이 지남에 따라 혈관 재생, 재생 및 재신경 분포가 발생하는 자가 자유 근육 이식편의 세그먼트에 전이된 말초 신경의 외과적 이식을 포함합니다. 밀리볼트 레벨 복합 근육 활동 전위(CMAP)의 생성을 통해 RPNI는 포함된 신경의 마이크로 볼트 레벨 신호를 여러 크기로 증폭하여 운동 의도(^45,48,49)의 정확한 감지를 용이하게 할 수 있습니다. 지난 10년 동안 RPNI가 상당히 발전하여 동물^50,51 및 인간⁴⁷회 시험 모두에서 원심성 운동 신경 신호를 증폭하고 전송하는 데 주목할만한 성공을 거두었으며 여러 자유도로 고정밀 보철 장치 제어를 용이하게 했습니다.

사지 약화가 있지만 손상되지 않은 말초 신경을 가진 개인은 외골격 장치를 제어하기 위해 말초 신경 인터페이스를 통해 운동 의도를 고정밀 감지함으로써 유사하게 이점을 얻을 수 있습니다. RPNI는 절단된 사람과 같이 전이된 말초 신경과의 통합을 위해 개발되었기 때문에 외과적 수정이 필요했습니다. RPNI에 대한 경험을 바탕으로 근육 커프 재생 말초 신경 인터페이스(MC-RPNI)가 개발되었습니다. RPNI에서와 같이 자유 근육 이식편의 유사한 부분으로 구성되어 대신 손상되지 않은 말초 신경에 원주 방향으로 고정됩니다 (그림 1). 시간이 지남에 따라 부수적 인 축삭 돋아를 통해 재생되고 재 신경이 분포되어 이러한 원심성 운동 신경 신호를 증폭하고 몇 배 더 큰 EMG 신호로 변환합니다⁵². MC-RPNI는 기원이 생물학적이기 때문에, 현재 사용되고 있는 말초 신경 계면(⁵²)에서 발생하는 불가피한 이물질 반응을 피한다. 또한, MC-RPNI는 RPNIs⁴⁹에서 이전에 입증된 바와 같이, 상당한 혼선 없이 개별 근육에 원위부 해부된 신경에 배치될 수 있기 때문에 동시에 다수의 자유도를 제어할 수 있는 능력을 부여한다. 마지막으로, MC-RPNI는 근위 신경에 위치하기 때문에 원위 근육 기능과 독립적으로 작동 할 수 있습니다. 현재 말초 신경 인터페이스에 비해 장점을 감안할 때 MC-RPNI는 안전하고 정확하며 신뢰할 수 있는 외골격 제어 방법을 제공할 수 있는 상당한 가능성을 가지고 있습니다.

프로토콜

모든 동물 절차 및 실험은 미시간 대학의 동물 기관 관리 및 사용위원회 (IACUC)의 승인을 받아 수행되었습니다. 생후 3-6개월의 수컷 및 암컷 Fischer F344 및 Lewis 쥐(~200-300g)가 실험에서 가장 자주 사용되지만 이론적으로는 모든 균주를 활용할 수 있습니다. 자가 근육 이식편 대신 기증자 쥐를 사용하는 경우, 기증자 쥐는 실험 균주에 대해 동종이어야 합니다. 쥐는 수술 전후에 음식과 물에 자유롭게 접근 할 수 있습니다. 말기 종점 평가 후, 안락사는 심장 내 염화칼륨 주사로 심부 마취하에 수행되고 양측 기흉의 2 차 방법이 뒤 따른다.

1. 랫트의 실험적 준비

1. 유도 챔버에서 0.8-1.0 L / min의 산소 중 5 % 이소 플루 란 용액을 사용하여 실험 쥐를 마취하십시오. 적절한 마취가 이루어지고 각막 반사가없는 것으로 확인되면 마취 유지를 위해 이소 플루 란을 1.75 % -2.25 %로 낮추어 재호흡기 코 콘에 쥐를 놓습니다.
2. 수술 전후 진통제를 위해 견갑골 사이의 피하 평면에 27G 바늘로 멸균 식염수 0.2mL에 0.02-0.03mL Carprofen(50mg/mL) 용액을 주입합니다.
3. 마취 중 각막 궤양을 예방하기 위해 양쪽 눈에 멸균 눈 연고를 바르십시오.
4. 전기 면도기를 사용하여 고관절에서 허벅지 위로, 발의 등쪽 표면까지 확장되는 양측 하지의 측면 부분을 면도합니다.
5. 먼저 알코올 준비 패드로 닦은 다음 포비돈-요오드 용액을 바르고 새 알코올 준비 패드로 최종 세척하여 잔류 포비돈-요오드 용액을 제거하여 수술 부위를 소독합니다. 이 번갈아 가며 클렌징 과정을 세 번 반복하여 무균 상태를 유지하십시오.
   알림: 이것은 피부과 자극제 일 수 있습니다. 솔루션의 대부분이 제거되었는지 확인합니다.

2. 근육 이식편의 준비

1. 체온 모니터링을 위해 선택한 구강 내 체온 프로브가 있는 수술용 현미경 아래의 가열 패드에 쥐를 놓습니다. 이소 플루 란을 1.75 % -2.25 %로, 산소를 0.8-1.0 L / min으로 유지하십시오.
2. #15 메스로 발목 바로 위에서 무릎 바로 아래까지 연장되는 원하는 기증자 뒷다리의 앞쪽을 따라 세로 절개를합니다.
3. 날카로운 홍채 가위를 사용하여 밑에있는 피하 조직을 해부하여 발목 관절 바로 근위에있는 밑에있는 근육 조직과 원위 힘줄을 노출시킵니다. 전경골 (TA)은 근육의 가장 크고 가장 앞쪽입니다. 신근 디지토룸 롱구스(EDL) 근육은 이 근육의 깊고 뒤쪽에서 찾을 수 있습니다. EDL 근육과 원위 힘줄을 주변 근육계에서 분리하십시오.
4. 발목 관절 바로 근위의 원위 힘줄 아래에 집게 또는 홍채 가위의 두 타인을 삽입하여 올바른 힘줄의 분리를 보장합니다. 집게 또는 홍채 가위를 열어 힘줄에 위쪽 압력을 가하십시오. 이 동작은 모든 발가락을 동시에 확장해야합니다. 고립 된 발목 배측 굴곡, 발목 외전 또는 단일 발가락 배측 굴곡이 발생하면 잘못된 힘줄이 분리 된 것입니다.
5. 날카로운 홍채 가위로 발목 수준에서 EDL 근육의 원위 건절개술을 수행하고 힘줄 기원을 향해 근위로 작동하는 주변 조직에서 근육을 해부합니다.
6. 근위 힘줄이 시각화되면 날카로운 홍채 가위를 사용하여 근위 건절개술을 수행하여 이식편을 자유롭게합니다.
7. 근육 이식편의 양쪽 힘줄 끝을 다듬고 날카로운 홍채 가위로 원하는 길이로 자릅니다.
   알림: 8-13mm 크기의 이식편이 성공적으로 활용되었습니다. 그러나 가장 일반적으로 사용되는 길이는 10mm입니다.
8. 근육 이식편의 한쪽에서 전체 트리밍 된 길이를 따라 세로 절개를하여 근육 이식편 내에 신경을 쉽게 배치하고 신경과 자궁 내막균의 접촉을 제공합니다.
9. 준비된 근육 이식편을 식염수에 적신 거즈에 넣어 조직 건조를 방지합니다.
10. 기증자 부위 위에 놓인 피부를 4-0 크롬 봉합사로 닫으십시오.

3. 일반적인 비골 신경 격리 및 준비

1. 좌골 노치에서 ~5mm 선에서 무릎 관절보다 약간 열등하게 확장되는 수술 절개를 표시하십시오. 이 표시가 아래에서 촉지 할 수있는 대퇴골보다 열등하고 각도가 떨어져 있는지 확인하십시오.
2. #15 칼날로 표시된 절개 라인을 따라 피부와 피하 조직을 절개합니다. 좌골 신경이 바로 아래에 있기 때문에 근육의 전체 깊이를 통해 확장되지 않도록 주의하면서 밑에 있는 이두근근 대퇴골 근막을 조심스럽게 절개합니다.
3. 끝이 뭉툭한 작은 가위 또는 지혈제를 사용하여 대퇴 이두근을 통해 조심스럽게 해부하십시오.
   알림: 좌골 신경은 피부에 표시된 절개와 거의 같은 방향으로 향하는 이두근 아래의이 공간에서 이동합니다. 세 가지 주목할만한 좌골 신경 가지가 있습니다 : sural (가장 뒤쪽과 가장 작은 신경), 경골 (일반적으로 가장 앞쪽이지만이 신경은 항상 무릎 관절 깊숙이 잠수합니다) 및 공통 비골 (일반적으로 경골과 구강 사이에 위치하며 항상 무릎 관절 위로 이동합니다).
4. 일반적인 비골 (CP) 신경을 확인하고 한 쌍의 마이크로 집게와 마이크로 가위를 사용하여 주변 신경과 조심스럽게 분리하십시오. 신경의 중간 2cm에서 주변 결합 조직을 제거하십시오. 압착 부상은 종말점 결과를 변경할 수 있으므로 이 과정에서 집게로 CP 신경을 부수지 않도록 주의하십시오.
5. 해방 된 CP 신경의 가장 중앙 부분에 걸쳐 근육 이식편의 원하는 길이와 일치하는 신경 길이를 따라 상피 신경의 25 %를 제거하여 상피 신경 창을 수행하십시오.
6. 이를 수행하려면 마이크로 포셉으로 근위 상피신경을 잡고 미세 해부 가위로 바로 아래에 있는 상피신경을 절단하고 신경을 따라 말단으로 이동하는 상피신경의 ~25%를 제거합니다. 여러 번 시도하면 불규칙한 상피 신경 제거가 발생하여 신경 손상의 위험이 높아질 수 있으므로이 부분을 한 조각으로 제거하십시오.
   알림: 상피신경의 밑에 있는 신경 조직은 끈적끈적한 질감을 가질 것입니다. 이 신경의 품질에 주목하면 올바른 조직 평면이 제거되었는지 확인할 수 있습니다.

4. MC-RPNI 구조물 제작

1. 식염수에 적신 거즈에서 근육 이식편을 제거하고 상피 신경 창이 생성 된 CP 신경의 중앙 부분 아래에 놓습니다. 신경을 180° 회전시켜 상피창 부분이 손상되지 않은 근육과 접촉하고 최종 봉합선 밑에 놓이지 않도록 합니다.
2. 8-0 사용 나일론 봉합사, CP 신경의 상피신경을 근위 및 원위부 모두 2.8단계에서 생성된 그루브 내 근육 이식편에 봉합하여 단순 중단 봉합사를 사용하여 외피신경을 엔도마이슘에 고정합니다.
   알림: 이 바늘을 놓고 근육이 정상적인 휴식 길이에 있는지 확인하십시오. 근육을 너무 많이 늘리거나 압축하면 나중에 재생 및 신호 전달 능력에 영향을 줄 수 있습니다.
3. 이제 확보 된 신경을 둘러싼 근육 이식편의 가장자리를 원주 방향으로 감싸고 간단한 중단을 사용하여 봉합사를 제자리에 봉합합니다. 8-0 나일론 스티치 (길이에 따라 ~ 4-6).
4. 지혈이 이루어지면 달리기 방식으로 5-0 크롬 봉합사로 구조물 위의 이두근 대퇴골 근막을 닫습니다.
5. 4-0 크롬 봉합사로 러닝 방식으로 위에 놓인 피부를 닫습니다.
6. 알코올 준비 패드로 수술 부위를 정화하고 항생제 연고를 바르십시오.
7. 흡입 마취제를 종료하고 케이지 메이트로부터 격리 된 깨끗한 케이지에 쥐를 넣고 음식과 물로 회복 할 수 있도록합니다.
8. 쥐가 적절하게 회복되면 케이지 메이트와 함께 깨끗한 케이지에 다시 넣으십시오.
   참고: 이러한 구조는 적절한 신경 신호 증폭을 생성하기 위해 최소 3개월의 성숙이 필요합니다.

결과

MC-RPNI 수술 제조는 쥐가 수술 마취에서 생존하지 못하거나 수술 후 일주일 이내에 감염이 발생하는 경우 수술 전후 실패로 간주됩니다. 이전 연구에 따르면 3개월의 성숙 기간이 이 구조물^42,45,48,49로부터 신뢰할 수 있는 신호 증폭을 초래할 것이라고 합니다. 그 시점 또는 그 이후에, 구축물의 외과적 ...

토론

MC-RPNI는 외골격 장치를 정확하게 제어하기 위해 손상되지 않은 말초 운동 신경의 원심성 활동 전위를 증폭할 수 있는 새로운 구조입니다. 특히, MC-RPNI는 EMG 신호를 기록할 수 없는 심각한 근육 질환 및/또는 근육 부재로 인한 사지 약화가 있는 개인에게 특별한 이점을 제공합니다. 이미 손상된 근육 기능을 줄이면이 인구에서 치명적일 것입니다. 그러나, MC-RPNI는 원위-신경분포된 근육(

자료

Name	Company	Catalog Number	Comments
#15 Scalpel	Aspen Surgical, Inc	Ref 371115	Rib-Back Carbon Steel Surgical Blades (#15)
2-N-thin film load cell (S100)	Strain Measurement Devices, Inc	SMD100-0002	Measures force generated by the attached muscle
4-0 Chromic Suture	Ethicon	SKU# 1654G	P-3 Reverse Cutting Needle
5-0 Chromic Suture	Ethicon	SKU# 687G	P-3 Reverse Cutting Needle
8-0 Monofilament Suture	AROSurgical	T06A08N14-13	Black polyamide monofilament suture on a threaded tapered needle
Experimental Rats	Envigo	F344-NH-sd	Rats are Fischer F344 Strain
Fine Forceps - mirror finish	Fine Science Tools	11413-11	Fine tipped forceps with mirror finish ideal for handling delicate structures like nerves
Fluriso (Isofluorane)	VetOne	13985-528-40	Inhalational Anesthetic
Force Measurement Jig	Red Rock	n/a	Custom designed force measurement jig that allows for immobilization of hindlimb to allow for accurate muscle force recording
MATLAB software	Mathworks, Inc	PR-MATLAB-MU-MW-707-NNU	Calculates active force for each recorded force trace from passive and total force measurements
Nicolet Viasys EMG EP System	Nicolet	MFI-NCL-VIKING-SELECT-2CH-EMG	Portable EMG and nerve signal recording system capable of simultaneous 2 channel recordings from nerve and/or muscle
Oxygen	Cryogenic Gases	UN1072	Standard medical grade oxygen canisters
Potassium Chloride	APP Pharmaceuticals	63323-965-20	Injectable form, 2 mEq/mL
Povidone Iodine USP	MediChoice	65517-0009-1	10% Topical Solution, can use one bottle for multiple surgical preps
Puralube Vet Opthalmic Ointment	Dechra	17033-211-38	Corneal protective ointment for use during procedure
Rimadyl (Caprofen)	Zoetis, Inc.	NADA# 141-199	Injectable form, 50 mg/mL
Stereo Microscope	Leica	Model M60	User can adjust magnification to their preference
Surgical Instruments	Fine Science Tools	Various	User can choose instruments according to personal preference or from what is currently available in their lab
Triple Antibiotic Ointment	MediChoice	39892-0830-2	Ointment comes in sterile, disposable packets
Vannas Spring Scissors - 2mm cutting edge	Fine Science Tools	15000-04	Curved micro-dissection scissors used to perform the epineurial window
VaporStick 3	Surgivet	V7015	Anesthesia tower with space for isofluorane and oxygen canister
Webcol Alcohol Prep	Coviden	Ref 6818	Alcohol prep wipes; use a new wipe for each prep