تصنيع عالية الاتصال الكثافة، مسطحة واجهة أقطاب العصب للتسجيل وتحفيز تطبيقات
Summary
توفر هذه المقالة وصفا مفصلا عن عملية التصنيع من واجهة مسطحة القطب العصبية عالية اتصال الكثافة (فاين). هو الأمثل هذا القطب لتسجيل وتحفيز النشاط العصبي بشكل انتقائي في الأعصاب الطرفية.
Abstract
وقد بذلت محاولات كثيرة لتصنيع متعدد الأقطاب الاتصال صفعة العصبية التي هي آمنة وقوية وموثوق بها لتطبيقات neuroprosthetic على المدى الطويل. يصف هذا البروتوكول تقنية تصنيع معدلة العصبية أسطواني صفعة الكهربائي لتلبية هذه المعايير. ضرورية لإنتاج باستمرار الأصفاد مع دقة عالية (اتصال التنسيب 0.51 ± 0.04 ملم) والأحجام صفعة مختلف الحد الأدنى التصميم بمساعدة الكمبيوتر والتصنيع (CAD و CAM) المهارات. الدقة في توزيع مكانيا الاتصالات والقدرة على الاحتفاظ الهندسة مسبقا يتحقق مع هذا التصميم هما المعايير الأساسية لتحسين واجهة الكفة لتسجيل انتقائية والتحفيز. تصميم قدم أيضا يزيد من مرونة في الاتجاه الطولي مع الحفاظ على صلابة كافية في الاتجاه العرضي لإعادة تشكيل العصب باستخدام مواد ذات مرونة مختلفة. التوسع في قطاعات عبر الكفة لوقد لوحظ المنطقة نتيجة لزيادة الضغط داخل صفعة لتكون 25٪ على 67 ملم زئبق. هذا الاختبار يوضح مرونة الكفة وردها على الأعصاب تورم ما بعد الزرع. "تم فحص واجهة وجودة التسجيل أيضا مع جهات الاتصال" استقرار اتصالات مقاومة وإشارة إلى الضوضاء مقاييس نسبة من صفعة مزروع مزمنة (7.5 أشهر)، ولاحظ أن 2.55 ± 0.25 أوم و 5.10 ± 0.81 ديسيبل على التوالي.
Introduction
التواصل مع الجهاز العصبي المحيطي (السندات الإذنية) يوفر الوصول إلى الإشارات العصبية القيادة المجهزة للغاية، كما أنها تطير إلى مختلف الهياكل داخل الجسم. يتم إنشاء هذه الإشارات التي كتبها محاور محصورة داخل كراسات وتحيط بها خلايا perineurium صوتها بإحكام. يتأثر حجم إمكانات قابلة للقياس الناتجة عن الأنشطة العصبية من قبل مقاومة من طبقات مختلفة داخل العصب مثل طبقة perineurium مقاوم للغاية الذي يحيط كراسات. ونتيجة لذلك، تم استكشاف نهجين اجهة اعتمادا على موقع التسجيل فيما يتعلق طبقة perineurium، وهي النهج داخل الحزمة وextrafascicular. النهج داخل حزمية مكان الأقطاب داخل كراسات. ومن الأمثلة على هذه النهج هي مجموعة يوتا 17، والقطب الطولية البينية الحزمي (الحياة) 18، وعرضية البينية الحزمي الكهربائي متعدد القنوات (TIME) 32. تيمكن أن التقنيات ذات المناظر تسجيل انتقائي من العصب ولكن لم يثبت أن للاحتفاظ موثوق وظائف لفترات طويلة من الزمن في الجسم الحي، ويرجح ذلك بسبب حجم والامتثال من القطب 12.
النهج خارج حزمية تضع الاتصالات حول العصب. الأقطاب صفعة المستخدمة في هذه المناهج لا تعرض للخطر perineurium ولا غلاف وقد أظهرت على حد سواء وسيلة آمنة وقوية من التسجيل من الجهاز العصبي المحيطي 12. ومع ذلك، النهج خارج حزمي تفتقر إلى القدرة على قياس النشاط وحدة واحدة – بالمقارنة مع التصاميم داخل حزمية. وتشمل التطبيقات Neuroprosthetic التي تستخدم أقطاب صفعة العصبية تفعيل الأطراف السفلى، والمثانة، والحجاب الحاجز، وعلاج الألم المزمن، وكتلة التوصيل العصبي، وردود الفعل الحسية، وتسجيل electroneurograms 1. التطبيقات المحتملة للاستفادة من تفاعل الأعصاب الطرفية تشمل بقيةأورينج حركة لضحايا الشلل مع التحفيز الكهربائي الوظيفي، وتسجيل السيارات نشاط الخلايا العصبية من الأعصاب المتبقية للسيطرة على أطرافهم الاصطناعية بالطاقة في مبتوري الأطراف، والتواصل مع الجهاز العصبي اللاإرادي لتقديم الأدوية الحيوية الإلكترونية 20.
وتنفيذ تصميم القطب صفعة هو واجهة مسطحة العصب الكهربائي (فاين) 21. هذا التصميم يعيد تشكيل الأعصاب في قسم مسطحة الصليب مع محيط أكبر مقارنة مع شكل دائري. وزادت مزايا هذا التصميم عدد من الاتصالات التي يمكن وضعها على العصب، وعلى مقربة من الاتصالات مع كراسات الداخلية ترتيبها لتسجيل انتقائية والتحفيز. وعلاوة على ذلك، يمكن للأعصاب الطرف العلوي والسفلي في الحيوانات الكبيرة والإنسان تتخذ الأشكال المختلفة وإعادة تشكيل الناتجة عن FINE لا تشوه هندسة الطبيعية من العصب. وقد أظهرت التجارب الأخيرة التي فاين قادر على استعادة الإحساس في الطرف العلوي 16 واستعادة الحركة في السفلية 22 مع التحفيز الكهربائي الوظيفي في البشر.
الهيكل الأساسي للقطب صفعة يتكون من وضع عدة اتصالات المعادن على سطح مقطع من العصب، ثم عزل هذه الاتصالات مع مقطع من العصب داخل صفعة نونكوندوكتيفي. لتحقيق هذا الهيكل الأساسي، تم اقتراح عدة تصاميم في الدراسات السابقة بما في ذلك:
(1) الاتصالات المعادن جزءا لا يتجزأ في شبكة الداكرون. ثم يتم لف شبكة حول العصب وشكل صفعة الناتجة يتبع الهندسة العصبية 4، 5.
(2) تصاميم سبليت أسطوانات التي تستخدم اسطوانات جامدة وغير موصل على شكل مسبقا لإصلاح الاتصالات حول العصب. وإعادة تشكيل القطاع العصبية التي تستقبل هذه صفعة في الهندسة الداخلية الكفة و6-8.
<p class= "jove_content"> (3) تصاميم حيث يتم تضمينه في الاتصالات بين طبقتين العزل اللف الذاتي. وتنصهر طبقة داخلية في حين امتدت مع الطبقات امتدت الامم المتحدة الخارجية. ذات أطوال مختلفة الراحة الطبيعية لمدة طبقات المستعبدين يتسبب في الهيكل النهائي لتشكيل دوامة مرنة الذي يلتف حول العصب. وكانت المواد المستخدمة لهذه الطبقات عادة البولي اثيلين 9 بوليميد 10، والسيليكون والمطاط 1.(4) قطاعات غير معزول أسلاك الرصاص وضعت ضد العصبية لتكون بمثابة الاتصالات القطب. إما نسج هذه الخيوط في أنابيب سيليكون 11 أو مصبوب في سيليكون اسطوانات متداخلة 12. تم استخدام مبدأ مماثل لبناء الغرامات عن طريق ترتيب ودمج الأسلاك المعزولة لتشكيل مجموعة، ثم يتم فتح من خلال العزل عن طريق تجريد شريحة صغيرة من خلال منتصف هذه الأسلاك انضم 13. هذه التصاميم الحماريفترض أوميا مقطع عرضي العصبية جولة وتتفق مع هذه الهندسة العصبية.
الأقطاب الكهربائية (5) بوليميد مرنة تستند 33 مع جهات الاتصال التي شكلتها متناهي الصغر هيكل بوليميد، ومن ثم الاندماج في ورقة سيليكون امتدت لتشكيل الأصفاد اللف الذاتي. كما يفترض هذا التصميم المقطع العرضي الأعصاب مستديرة.
وينبغي أن تكون الأقطاب صفعة مرنة ومن أجل تجنب الضغط وضغط العصب الذي يمكن أن يسبب تلف الأعصاب 3-التحجيم الذاتي. بعض من الآليات المعروفة التي الأقطاب صفعة يمكن أن تحدث هذه الآثار هي نقل القوات من العضلات المجاورة للالكفة، وبالتالي إلى العصب، عدم تطابق بين والكفة والخواص الميكانيكية العصب، والتوتر لا مبرر له في الخيوط الكفة ل. هذه قضايا السلامة تؤدي إلى مجموعة محددة من القيود التصميم على المرونة الميكانيكية، التكوين الهندسي، وحجم 1. وهذه المعايير هي شال بشكل خاصnging في حالة وجود عدد فاين اتصال عالية لأن الكفة يجب أن يكون في نفس الوقت قاسية في الاتجاه العرضي لإعادة تشكيل الأعصاب ومرونة في الاتجاه الطولي لمنع الضرر وكذلك استيعاب اتصالات متعددة. التحجيم الذاتي التصاميم دوامة تتسع الاتصالات متعددة الكفة 14، ولكن الكفة الناتج هو جامد إلى حد ما. يمكن تصميم بوليميد مرنة تستوعب عددا كبيرا من الاتصالات ولكن عرضة لالتبطين. تصميم الأسلاك مجموعة 13 تنتج FINE مع المقطع العرضي شقة، ولكن من أجل الحفاظ على هذه الهندسة وتنصهر الأسلاك معا على طول إنتاج وجوه قاسية والحواف الحادة مما يجعل ثم غير صالحة للزراعة على المدى الطويل الكفة.
تقنية تصنيع الموضحة في هذه المقالة تنتج اتصال عالية الكثافة FINE مع بنية مرنة التي يمكن تقديمها باليد بدقة عالية على الدوام. ويستخدم جامدة البوليمر (بولي الأثير كيتون (نظرة خاطفة)) للسماح ص الدقيقlacement للاتصالات. يحافظ هذا الجزء نظرة خاطفة على المقطع العرضي شقة في وسط القطب في حين تبقى مرنة في الاتجاه الطولي على طول العصب. هذا التصميم أيضا يقلل من سماكة العام وتصلب الكفة لأن الجسم القطب ليس من الضروري أن تكون جامدة للشد العصبي أو تأمين الاتصالات.
Protocol
Representative Results
Discussion
طريقة التصنيع الموضحة في هذه المقالة يتطلب حركات حاذق وغرامة من أجل ضمان جودة الكفة النهائية. يجب وضع الاتصالات تسجيل بالضبط في منتصف أقطاب المرجعية اثنين. وقد تبين هذا الموضع لخفض كبير في التدخلات من العضلات المحيطة بها النشاط الكهربائي 27. أي خلل في الوضع النس…
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
وقد رعت هذا العمل من قبل متعهد النقل المتعدد الوسائط الدفاع وكالة مشاريع البحوث المتقدمة (DARPA) تحت رعاية الدكتور جاك جودي والدكتور دوغ ويبر من خلال مركز الفضاء والبحرية نظم الحرب، والمحيط الهادئ غرانت / عقد No.N66001-12-C-4173 . ونود أن نشكر توماس إيغرز لمساعدته في عملية التصنيع، ورونالد Triolo، ماثيو Schiefer، لي فيشر وماكس فريبورغ لمساهمتهم في تطوير مركب تصميم صفعة العصبية.
Materials
| Platinum-Iridium foil | Alfa Aesar | 41802 | 90%Platinum Iridium |
| DFT wires | Fort Wayne Metals | 35N LT-DFT-28%Ag | |
| Lead connector | Omnetics Connector Corporation | MCS-27-SS | |
| Silicone sheet | Speciality Silicon Fabricator | 0.005"x12"x12" Silicone Sheet | High durometer, vulcanized |
| Polyether ether ketone (PEEK) sheet | Peek-Optima | 0.005 sheet LT3 grade | |
| polyester stabelizing mesh | Surgicalmesh | PETKM2002 | |
| Silicon tubing (0.04" I.D. 0.085" O.D.) | Silcon Medical/NewAge Industries. | 2810458 | |
| Outer shielding layer | Alfa Aesar, A Johnson Matthey | MFCD00003436 (11391) | Gold foil, 0.004" thick |
| Transparency sheet | APOLLO | APOCG7060 | |
| Ultrasonic bath cleaner | Terra Universal | 2603-00A-220 | |
| Isotemp standard lab oven | Fisher Scientific | 13247637G | |
| Optical microscope | Fisher Scientific | 15-000-101 | |
| Tweezers | Technik | 18049USA (2A-SA) | |
| Surgical blade handles | Aspen Surgical Products | 371031 | |
| Base frame | McMaster-Carr | 9785K411 | |
| Support beam | McMaster-Carr | 9524K359 | |
| Two parts silicone | Nusil | MED 4765 | |
| Soldering Flux | SRA Soldering Products | FLS71 | |
| Tape | 3M Healthcare | 1535-0 (SKUMMM15350H) | Paper, hypoallergenic surgical tape |
| Spot welding machine | Unitek | 125 Power Supply with 101F Welding Head | |
| Laser cutting platform | Universal Laser Systems | PLS6.150D | 150 watts laser |
References
- Naples, G. G., et al. A spiral nerve cuff electrode for peripheral nerve stimulation. Biomed Eng, IEEE Tran. 10, 905-916 (1988).
- Tyler, D. J., Durand, D. M. Functionally selective peripheral nerve stimulation with a flat interface nerve electrode. Neur Sys Rehab Eng., IEEE Trans. 10, 294-303 (2002).
- Navarro, X., et al. A critical review of interfaces with the peripheral nervous system for the control of neuroprostheses and hybrid bionic systems. J Perip Ner Sys. 10, 229-258 (2005).
- Avery, R. E., Wepsic, J. S. Implantable nerve stimulation electrode. U.S. Patent. , (1973).
- Avery, R. E., Wepsic, J. S. Implantable electrodes for the stimulation of the sciatic nerve. U.S. Patent. , (1973).
- Hagfors, N. R. Implantable electrode. U.S. Patent. , (1972).
- Haugland, M. A flexible method for fabrication of nerve cuff electrodes. Eng Med Bio Soc. 1, 359-360 (1996).
- Stein, R. B., et al. Stable long-term recordings from cat peripheral nerves. Brain Res. 128, 21-38 (1977).
- Julien, C., Rossignol, S. Electroneurographic recordings with polymer cuff electrodes in paralyzed cats. J N Sci Meth. 5, 267-272 (1982).
- Van der Puije, P. D., Shelley, R., Loeb, G. E. A self-spiraling thin-film nerve cuff electrode. Can Med Bio Eng Conf. , 186-187 (1993).
- Hoffer, J. A., Loeb, G. E., Pratt, C. A. Single unit conduction velocities from averaged nerve cuff electrode recording in freely moving cats. J N Sci Meth. 4, 211-225 (1981).
- Loeb, G. E., Peck, R. A. Cuff electrodes for chronic stimulation and recording of peripheral nerve activity. J N Sci Meth. 64, 95-103 (1996).
- Wodlinger, B. . Extracting Command Signals from Peripheral Nerve Recordings. , (2011).
- Rozman, J., Zorko, B., Bunc, M. Selective recording of electroneurograms from the sciatic nerve of a dog with multi-electrode spiral cuffs. Jap J Phy. 50, 509-514 (2000).
- Ducker, T. B., Hayes, G. J. Experimental improvements in the use of elastic cuff for peripheral nerve repair. J N Sur. 28, 582-587 (1968).
- Tan, D. W., et al. A neural interface provides long-term stable natural touch perception. S T Med. 6, (2014).
- Branner, A., et al. Long-term stimulation and recording with a penetrating microelectrode array in cat sciatic nerve. Bio Med Eng, IEEE Trans. 1, 146-157 (2004).
- Micera, S., et al. Decoding information from neural signals recorded using intraneural electrodes: toward the development of a neurocontrolled hand prosthesis. P IEEE. 98, 407-417 (2010).
- Kozai, T. D., et al. Ultrasmall implantable composite microelectrodes with bioactive surfaces for chronic neural interfaces. N Mat. 11, 1065-1073 (2012).
- Sinha, G. Charged by GSK investment, battery of electroceuticals advance. Nat Med. 19, 654-654 (2013).
- Tyler, D. J., Durand, D. M. Chronic response of the rat sciatic nerve to the flat interface nerve electrode. A Biom Eng. 31, 633-642 (2003).
- Schiefer, M. A., et al. Selective stimulation of the human femoral nerve with a flat interface nerve electrode. J N Eng. 7, 026006 (2010).
- Edell, D. J. A peripheral nerve information transducer for amputees: long-term multichannel recordings from rabbit peripheral nerves. Bio med Eng, IEEE Trans. 2, 203-214 (1986).
- Schuettler, M., et al. Fabrication of implantable microelectrode arrays by laser cutting of silicone rubber and platinum foil. J N Eng. 2, 121 (2005).
- Pudenz, R. H., Bullara, L. A., Talalla, A. Electrical stimulation of the brain. I. Electrodes and electrode arrays. S Neur. 4, 37-42 (1975).
- Craggs, M. D. . The cortical control of limb prostheses. , 21-27 (1974).
- Struijk, J. J., Thomsen, M. Tripolar nerve cuff recording: stimulus artifact, EMG and the recorded nerve signal. Eng in Med Bio Soc. 2, 1105-1106 (1995).
- Sadeghlo, B., Yoo, P. B. Enhanced electrode design for peripheral nerve recording. N Eng, Int IEEE/EMBS Conf. , 1453-1456 (2013).
- Yoo, P. B., Sahin, M., Durand, D. M. Selective stimulation of the canine hypoglossal nerve using a multi-contact cuff electrode. Ann Bio Med Eng. 32, 511-519 (2004).
- Rydevik, B., Lundborg, G., Bagge, U. Effects of graded compression on intraneural blood flow: An in vivo study on rabbit tibial nerve. J hand Surg. 6, 3-12 (1981).
- Ogata, K., Naito, M. Blood flow of peripheral nerve effects of dissection, stretching and compression. J Hand Sur. 11, 10-14 (1986).
- Boretius, T., et al. A transverse intrafascicular multichannel electrode (TIME) to interface with the peripheral nerve. Bio Sen and Bio Elec. 26, 62-69 (2010).
- Stieglitz, T., Schuettler, M., Meyer, J. U., Micromachined, polyimide-based devices for flexible neural interfaces. Bio Med Micro Dev. 2, 283-294 (2000).
