Custom design of fine wire EMG recording set-ups

No Thumbnail Available
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Sähkötekniikan korkeakoulu | Master's thesis
Date
2023-01-16
Department
Major/Subject
Biosensing and Bioelectronics
Mcode
ELEC3045
Degree programme
LST - Master's Programme in Life Science Technologies (TS2013)
Language
en
Pages
72+13
Series
Abstract
Electromyographic (EMG) research studies muscle action potentials with two different types of electrodes: surface and invasive. Although surface electrodes are easier to use and pose less risks, invasive applications are increasingly utilised as they offer better stability and higher sensitivity. A special case of invasive electrodes are fine wires, which are electrically conductive, biocompatible, flexible wires, that tend to offer high stability and agility for the long-term implantations. The objective of this master’s thesis was to investigate an optimal implantable fine wire electrode interface which would offer more sensitive and accurate EMG signal measurements. To achieve this, multiple fine wire designs with different properties were designed and prepared, and then tested based on their operability and functionality. The tests were initially performed in vitro with a ballistic gel and an external function generator, which offered a risk-free way to compare different fine wire designs with similar circumstances. Some of the more promising fine wire designs were then tested in vivo in a controlled laboratory environment. The main findings of the study suggest that an increased number of fine wires, as well as longer sensing tips, enhance the electrode set-up’s ability to detect signals. In turn, the diameter, which affects the detection surface, does not have a significant effect. Finally, the material of the wire affects the sensitivity and precision, but the differences may not be significant. In conclusion, to enhance the sensitivity and precision of the fine wire set-up, it is recommended to use at least a bipolar wire configuration with long detection tips. Many of the available fine wire materials seem to be highly applicable for EMG research, but the magnitude of difference in the detection ability remains unclear. Nevertheless, the accuracy of the results in this study was limited by several notable factors. Firstly, the wire materials were not available with the same diameters and insulation layers, which could have distorted the results. In addition, although in vitro measurements offer good reproducibility, it is very challenging to capture the complex nature of human tissue with artificial environment, which certainly affected the reliability of the results of the in vitro measurements. Of course, some of the fine wire set-ups were also tested in vivo to verify that the set-up functions in a general level with human tissue.

Elektromyografinen (EMG) tutkimus tarkastelee lihasten aktiopotentiaaleja kahden eri elektrodityypin, pinta- ja invasiivisen elektrodin, avulla. Vaikka pintaelektrodien käyttö on helpompaa ja riskittömämpää, invasiivisten sovelluksien käyttö on kasvussa niiden mahdollistaman vakauden ja herkkyyden ansiosta. Invasiivisten elektrodien erikoistapaus ovat fine wire -elektrodit, jotka ovat sähköä johtavia, bioyhteensopivia, joustavia lankoja, ja yleensä hyvin stabiileja ja ketteriä pitkän aikavälin implantaatioissa. Tämän diplomityön tavoitteena oli löytää optimaalinen, implantoitava fine wire -elektrodirajapinta, joka mahdollistaisi herkempien ja tarkempien EMG-mittauksien tekemisen. Tätä varten suunniteltiin ja valmistettiin monenlaisia fine wire -elektrodeja eri ominaisuuksilla, jonka jälkeen niiden käytettävyyttä ja toiminnallisuutta testattiin. Alkuun testit suoritettiin in vitrona ballistisen geelin ja ulkoisen funktiogeneraattorin avulla, mikä mahdollisti eri fine wire -mallien riskittömän vertailun samanlaisissa olosuhteissa. Tämän jälkeen osaa lupaavimmista fine wire -malleista testattiin in vivona kontrolloidussa laboratorioympäristössä. Tutkimuksen tärkeimmät havainnot viittaavat siihen, että elektrodien määrän kasvattaminen sekä pidemmät anturikärjet parantavat elektrodikokoonpanon kykyä havaita signaaleja. Sen sijaan halkaisijalla, joka vaikuttaa havaitsemispinta-alaan, ei ole merkittävää vaikutusta. Vaikka myös materiaalilla on vaikutus elektrodin herkkyyteen ja tarkkuuteen, sen merkitys ei liene suuri. Yhteenvetona voidaan todeta, että fine wire -elektrodikokoonpanon herkkyyden ja tarkkuuden tehostamiseksi on suositeltavaa käyttää vähintään kaksinapaista elektrodikonfiguraatiota ja pitkiä anturikärkiä. Vaikka monet saatavilla olevista fine wire -elektrodimateriaaleista vaikuttavat soveltuvan erittäin hyvin EMG-tutkimukseen, erot niiden havaitsemiskykyjen suuruusluokassa ovat edelleen epäselviä. Tämän tutkimuksen tuloksien luotettavuutta rajoittivat kuitenkin useat huomioitavat tekijät. Ensinnäkin käytettyjä elektrodimateriaaleja ei ollut saatavilla samalla halkaisijalla ja yhtä paksulla eristekerroksella, mikä on saattanut vääristää tuloksia. Lisäksi ihmiskudoksen kompleksisuutta on vaikea jäljentää in vitro -mittauksissa keinotekoisessa ympäristössä, millä on varmasti ollut vaikutus mittaustulosten luotettavuuteen – huolimatta siitä, että mittauksia pystyttiin tarkasti toistamaan useita kertoja. Joitakin fine wire -elektrodikokoonpanoja toki testattiin myös in vivona, jotta voitiin varmistua siitä, että kokoonpano toimii yleisellä tasolla ihmiskudoksen kanssa.
Description
Supervisor
Vujaklija, Ivan
Thesis advisor
Vujaklija, Ivan
Keywords
EMG, fine wire, electrode set-up, signal, sensing tip, material
Other note
Citation