Fabrication de haute Contactez-Density, Flat-Interface Electrodes nerveuses pour l'enregistrement et de stimulation Applications

Summary

Cet article fournit une description détaillée sur le processus de fabrication d'une interface plane électrode nerveuse haute contact densité (FINE). Cette électrode est optimisée pour l'enregistrement et la stimulation de l'activité neuronale sélective dans les nerfs périphériques.

Abstract

De nombreuses tentatives ont été faites pour la fabrication multi-contacts électrodes nerf de manchette qui sont sûrs, robustes et fiables pour les applications neuroprothèses à long terme. Ce protocole décrit une technique de fabrication d'une électrode de manchette de nerf cylindrique modifié pour répondre à ces critères. conception minimale assistée par ordinateur et de fabrication (CAO et FAO) compétences sont nécessaires pour produire régulièrement des poignets avec une grande précision (placement de contact 0,51 ± 0,04 mm) et différentes tailles rotateurs. La précision dans la distribution spatiale des contacts et la capacité de conserver une géométrie prédéfinie accomplie avec cette conception sont deux critères essentiels pour optimiser l'interface du brassard pour l'enregistrement sélectif et la stimulation. La conception présentée maximise également la flexibilité dans la direction longitudinale tout en conservant une rigidité suffisante dans la direction transversale à remodeler le nerf en utilisant des matériaux avec différentes élasticités. L'expansion de la section transversale de la manchettela zone en raison de l'augmentation de la pression à l'intérieur du brassard a été observée pour être 25% à 67 mm de Hg. Cet essai démontre la flexibilité de la coiffe et sa réponse au nerf de gonflement post-implant. La stabilité des contacts de l'interface et l'enregistrement de la qualité ont également été examinés avec des contacts de l'impédance et de signal sur bruit des mesures à partir d'un brassard chroniquement implanté (7,5 mois), et observé que 2,55 ± 0,25 kQ et 5,10 ± 0,81 dB, respectivement.

Introduction

Interfaçage avec le système nerveux périphérique (SNP) donne accès à des signaux de commande de neurones hautement transformés comme ils voyagent à différentes structures dans le corps. Ces signaux sont générés par des axones confinés dans les fascicules et entourés par des cellules périnèvre étroitement articulées. L'amplitude des potentiels mesurables résultant des activités neuronales est affecté par l'impédance des différentes couches à l'intérieur du nerf tel que la couche de perineurium très résistif qui entoure les faisceaux. Par conséquent, deux approches de l'interface ont été explorés en fonction de l'emplacement d'enregistrement par rapport à la couche de périnèvre, à savoir les approches et intrafasciculaires extrafascicular. approches intra-fasciculaires placer les électrodes à l'intérieur des faisceaux. Des exemples de ces approches sont le tableau Utah ^17, l'électrode longitudinale intra-fasciculaire (LIFE) ^18, et l'électrode transversale intra-fasciculaire multicanal (TIME) ^32. Ttechniques es peuvent enregistrer sélectivement du nerf , mais n'a pas été démontré de conserver de manière fiable la fonctionnalité pendant de longues périodes de temps in vivo, probablement en raison de la taille et de la conformité de l'électrode ^12.

approches extra-fasciculaires placent les contacts autour du nerf. Les électrodes de manchette utilisées dans ces approches ne compromettent pas la perineurium ni le épinèvre et se sont révélés être à la fois un moyen sûr et robuste de l' enregistrement à partir du système nerveux périphérique ^12. Cependant, les approches extra-fasciculaire pas la capacité de mesurer l'activité d'une seule unité – par rapport aux modèles intra-fasciculaires. Neuroprothèses qui utilisent des électrodes nerveuses manchette comprennent l' activation de l'extrémité inférieure, la vessie, le diaphragme, le traitement de la douleur chronique, bloc de conduction nerveuse, la rétroaction sensorielle, et l' enregistrement electroneurograms ^1. Les applications potentielles d'utiliser des nerfs périphériques interfaçage inclure reposoring mouvement aux victimes de la paralysie avec la stimulation électrique fonctionnelle, l' enregistrement moteur l' activité des neurones des nerfs résiduels pour contrôler les prothèses des membres motorisés chez les amputés, et l' interfaçage avec le système nerveux autonome à fournir des médicaments bio-électroniques ^20.

Une mise en œuvre de la conception de l'électrode de brassard est l'interface plat nerf électrode (FINE) ^21. Cette conception remodèle le nerf dans une section plate-cross avec une plus grande circonférence par rapport à une forme ronde. Les avantages de cette conception sont nombre de contacts qui peuvent être placés sur le nerf augmenté, et la proximité des contacts avec les fascicules internes réarrangés pour l'enregistrement sélectif et la stimulation. En outre, les nerfs supérieurs et inférieurs extrémités dans les grands animaux et humains peuvent prendre diverses formes et la refonte générée par le FINE ne faussent pas la géométrie naturelle du nerf. Des essais récents ont montré que FINE est capable de restaurer la sensation dansl'extrémité supérieure ¹⁶ et mouvement de rappel à l'extrémité inférieure ²² avec une stimulation électrique fonctionnelle chez l' homme.

La structure de base d'une électrode à ballonnet consiste à placer plusieurs contacts métalliques sur la surface d'un segment de nerf, puis d'isolation de ces contacts avec le segment de nerf à l'intérieur d'un brassard non conducteur. Pour parvenir à cette structure de base, plusieurs modèles ont été proposés dans les études antérieures, y compris:

(1) Des contacts métalliques intégrés dans un maillage Dacron. Le maillage est ensuite enroulé autour du nerf et de la forme brassard résultant suit la géométrie du nerf ^{4, 5.}

(2) conçoit Split-cylindres qui utilisent des cylindres rigides et non conducteurs préformés pour fixer les contacts autour du nerf. Le segment de nerf qui reçoit ce brassard est remodelée dans la géométrie interne de la manchette ^6-8.

<p class= "jove_content"> (3) Auto-enroulant dessins où les contacts sont enfermés entre deux couches d'isolation. La couche interne est fusionnée tout étiré avec une couche de non-étirée externe. Avec différentes longueurs de repos naturel pour les deux couches liées provoque la structure finale pour former une spirale flexible qui s'enroule autour du nerf. Le matériau utilisé pour ces couches ont été généralement en polyéthylène ⁹ polyimide ^10, et le caoutchouc de silicone ^1.

(4) segments non isolés des fils conducteurs placés contre le nerf pour servir les contacts d'électrodes. Ces pistes sont soit tissés dans un tube de silicone ¹¹ ou moulés en silicone cylindres imbriqués ^12. Un principe similaire a été utilisé pour construire Amendes en organisant et la fusion des fils isolés pour former un réseau, puis une ouverture à travers l'isolation est faite par stripping un petit segment au milieu de ces fils joints ^13. Ces dessins assume une section transversale ronde nerf et se conformer à cette géométrie supposé du nerf.

Des électrodes (5) à base de polyimide flexible ³³ avec des contacts formés par micro – usinage de la structure du polyimide, puis l' intégration dans des feuilles étirées à base de silicone pour former des manchettes auto-enroulant. Cette conception suppose également une section transversale ronde nerf.

Électrodes Cuff devraient être flexibles et auto-dimensionnement afin d'éviter l' étirement et la compression du nerf qui peut causer des dommages nerveux ^3. Certains de ces mécanismes connus par lesquels les électrodes de la coiffe peuvent induire ces effets sont la transmission des forces des muscles adjacents à la manchette, et donc du nerf, non-concordance entre la manchette de propriétés mécaniques et de nerf, et la tension excessive dans les conducteurs de la manchette. Ces questions de sécurité conduisent à ensemble spécifique de contraintes de conception sur la flexibilité mécanique, la configuration géométrique, et la taille ^1. Ces critères sont particulièrement challeNging dans le cas d'un compte FINE de contact élevée parce que le brassard doit être à la même raideur de temps dans la direction transversale pour remodeler le nerf et flexible dans le sens longitudinal pour éviter des dommages, ainsi que recevoir de multiples contacts. Auto-dimensionnement des conceptions en spirale pouvant accueillir de multiples contacts brassard ^14, mais le brassard résultant est quelque peu rigide. conception de polyimide flexible peut accueillir un grand nombre de contacts, mais sont sujettes à la délamination. La conception du réseau de fils ¹³ produit une FINE avec section transversale plate, mais dans le but de conserver cette géométrie les fils sont fusionnés ensemble le long de la longueur de la manchette produisant des visages raides et des arêtes vives rendant alors inadapté pour les implants à long terme.

La technique de fabrication décrite dans cet article produit un contact densité FINE élevée avec une structure flexible qui peut être fait à la main avec précision élevée constante. Il utilise un polymère rigide (polyétheréthercétone (PEEK)) pour permettre la p préciselacement des contacts. Le segment de PEEK conserve une section transversale plate au centre de l'électrode tout en restant souple dans la direction longitudinale le long du nerf. Cette conception permet également de minimiser l'épaisseur et la rigidité globale de la manchette depuis le corps d'électrode n'a pas besoin d'être rigide afin d'aplatir le nerf ou fixer les contacts.

Protocol

1. Composants Préparation de l'électrode Rassemblez quatre composants d'électrodes qui nécessitent une coupe de précision (laser-cut a été utilisé, S'il vous plaît se référer à la liste des matières) avant le processus de fabrication. Ces composants sont (Figure 1): Contacts cadre de tableau: Ce cadre est fait de 125 um d'épaisseur feuille polyétheréthercétone (PEEK). Il couvre toute la largeur de la manchette et maintient les contacts du milieu et a de…

Representative Results

L'enregistrement de l'activité neuronale a été réalisée avec un pré-amplificateur personnalisé en utilisant un amplificateur de super-β entrée d'instrumentation (700 Hz – 7 kHz, la bande passante et le gain total de 2000). Un exemple de l'électrode FINE fabriqué avec le protocole présenté est représenté sur la figure 3. Implanter FINE autour du nerf qui se fait en suturant les deux bords libres ensemble. Une démonstration de la flexibilité de la manchette (figure…

Discussion

Le procédé de fabrication décrit dans cet article exige des mouvements adroites et fines afin d'assurer la qualité de la coiffe finale. Les contacts d'enregistrement doivent être placées exactement au milieu des deux électrodes de référence. Ce placement a été montré pour réduire de manière significative les interférences de muscles entourant l' activité électrique ^27. Tout déséquilibre dans la position relative du contact lors de la fabrication peut dégrader le rejet des signa…

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