המצאה של צפיפות לתקשר גבוהה, אלקטרודות עצב שטוח ממשק עבור יישומי הקלטת הגירוי
Summary
מאמר זה מספק תיאור מפורט על תהליך הייצור של אלקטרודה עצב ממשק שטוח קשר בצפיפות גבוהה (FINE). אלקטרודה זה ממוטב עבור הקלטת מגרת פעילות עצבית באופן סלקטיבי בתוך עצבים היקפיים.
Abstract
ניסיונות רבים נעשו כדי לייצר אלקטרודות שרוול עצב רב-מגע כי הם בטוחים, חזקים ואמינים ליישומי neuroprosthetic לטווח ארוך. פרוטוקול זה מתאר טכניקת ייצור של אלקטרודה שרוול עצבה גלילי שונה כדי לעמוד בקריטריונים האלה. עיצוב וייצור מינימום בעזרת מחשב (CAD ו- CAM) מיומנויות נחוצות כדי לייצר אזיקים עקביים עם דיוק גבוה (מיקום מגע 0.51 ± 0.04 מ"מ) וגדל שרוול שונים. הדיוק בהפצת המגעים מרחבית ויכל לשמור על גיאומטריה מוגדרת מראש מושלמת עם העיצוב הזה הוא שני קריטריונים חיוניים כדי לייעל את הממשק של השרוול להקלטת גירוי סלקטיבי. העיצוב הציג גם מגביר את הגמישות בכיוון האורך תוך שמירה קשיחות מספיק בכיוון הרוחבי כדי לעצב מחדש את העצבים על ידי שימוש בחומרים עם גמישויות שונות. הרחבת החתך של השרוולאזור כתוצאה להגביר את הלחץ בתוך השרוול נצפה להיות 25% ב 67 מ"מ כספי. בדיקה זו מדגימה את הגמישות של השרוול ואת תגובתה עצב נפיחות-שתל פוסט. היציבות של אנשי הקשר 'איכות ממשק ההקלטה נבדקה גם עם אנשי קשר' עכבת אות לרעש מדדי יחס מתוך שרוול מושתל כרוני (7.5 חודשים), וצופה להיות 2.55 ± 0.25 קילו-אוהם ו 5.10 ± 0.81 dB בהתאמה.
Introduction
התממשקות עם מערכת העצבים ההיקפית (PNS) מספקת גישה לאותות עצביים פקודת פערים מעובדים כשהם נוסעים למבנים שונים בתוך הגוף. אותות אלה מופקים על ידי אקסונים ותחומת fascicles ומוקף תאי perineurium-מפרקים בחוזקה. סדר הגודל של הפוטנציאלים למדידת הנובעות הפעילויות העצביות מושפע העכבה של השכבות השונות בתוך העצב כגון שכבת perineurium resistive ביותר המקיפה את fascicles. כתוצאה מכך, שתי גישות ממשק נחקרו בהתאם למיקום ההקלטה ביחס לשכבת perineurium, כלומר גישות intrafascicular ו extrafascicular. גישות אינטרה-fascicular למקם את האלקטרודות בתוך fascicles. דוגמאות של גישות אלה הן במערך היוטה 17, אלקטרודה האורך Intra-fascicular (LIFE) 18, ואת אלקטרודה רבה הרוחבית תוך fascicular (TIME) 32. Tטכניקות hese יכול להקליט באופן סלקטיבי מן העצב אבל לא הוכחו לשמור על פונקציונליות באופן מהימן עבור תקופות זמן ארוכות in vivo, סביר בשל גודלו ואת הציות של האלקטרודה 12.
גישות Extra-fascicular למקם את המגעים סביב העצב. האלקטרודות השרוול בשימוש בגישות אלה לא מתפשרים על perineurium ולא epineurium הוכחו להיות הן אמצעי בטוח ויציב של ההקלטה ממערכת העצבים ההיקפית 12. עם זאת, גישות חוץ fascicular חסרות את היכולת למדוד את הפעילות יחידה אחת – לעומת עיצובי תוך fascicular. יישומי Neuroprosthetic לנצל אלקטרודות שרוול עצבות כוללים הפעלה של הגפה התחתונה, שלפוחית שתן, סרעפת, לטיפול בכאב כרוני, בלוק של הולכה עצבית, משוב תחושתי, ו electroneurograms הקלטת 1. יישומים אפשריים לנצל התממשקות עצבים היקפיים כוללים מנוחהאורינג תנועה לנפגעי שיתוק עם גירוי חשמלי פונקציונלי, הקלטת פעילות הנוירון מוטורית מעצבים שיורית לשלוט תותבות גפיים מופעלות קטועי גפיים, התממשקות עם מערכת העצבים האוטונומית לספק תרופות ביו-האלקטרונית 20.
יישום עיצוב של האלקטרודה השרוול הוא האלקטרודה העצב שטוח הממשק (FINE) 21. עיצוב זה מעצב מחדש את העצב לתוך קטע שטוח צלב עם היקף גדול יותר לעומת צורה עגולה. היתרונות של העיצוב הזה גדלו מספר אנשי קשר שניתן להציב על העצב, ואת הקרבה של המגעים עם fascicles הפנימי החלפת הסדר להקלטת גירוי סלקטיבי. יתר על כן, עצבי גפיים עליונים ותחתונים בחיות גדולות אדם יכולים ללבוש צורות שונות ואת העיצוב מחדש שנוצר על ידי הקנס לא לעוות את הגיאומטריה הטבעית של העצב. ניסויים שנעשו לאחרונה הראו כי FINE מסוגלת להשיב תחושה הגפה העליונה 16 ותנועת שחזור של הגפה התחתונה 22 עם גירוי חשמלי פונקציונלי בבני אדם.
המבנה הבסיסי של אלקטרודה שרוול מורכב צבת מגעי מתכת כמה על פני השטח של קטע עצב, ולאחר מכן בידוד המגעים הללו יחד עם קטע העצב בתוך שרוול מוליך. כדי להשיג המבנה הבסיסי הזה, כמה עיצובים הוצעו במחקרים קודמים כוללים:
(1) קשר מתכת מוטבע לתוך רשת דקרון. הרשת עטופה אז סביב העצב ואת צורת שרוול וכתוצאה כדלקמן הגיאומטריה העצבה 4, 5.
(2) עיצובי פיצול צילינדרים המשתמשים צילינדרים מראש בצורה נוקשות שאינם מוליכים לתקן את המגעים סביב העצב. מגזר העצב שמקבל שרוול זה עצב מחדש לתוך הגיאומטריה הפנימית של השרוול 6 – 8.
<p class= "jove_content"> (3) עצמי התפתלות עיצובים אם במגעים מוקפים בין שתי שכבות בידוד. השכבה הפנימית התמזגה תוך נמתח עם שכבה בלתי נמתח חיצונית. עם אורכי מנוחה טבעית שונים עבור שתי ההשכבות המלוכדות גורם המבנה הסופי כדי ליצור ספירלה גמישה כי כרוך את עצמו סביב העצב. החומר משמש שכבות אלה בדרך כלל תוכל polyimide פוליאתילן 9 10, ו גומי סיליקון 1.(4) מגזרים מבודדים של החוטים להוביל העומדים כנגד החוצפה לשמש המגעים האלקטרודה. מוביל אלה ארוגים או לתוך צינורות סיליקון 11 או יצוק בבלונים סיליקון קיננו 12. עיקרון דומה שמש לבנות קנסות על ידי סידור פיוזינג וולט גבוה ונמוך כדי ליצור מערך, ולאחר מכן פתח את חומר הבידוד נעשה על ידי הפשטת קטע קטן עד אמצע החוטים התחברו אלה 13. תחת עיצובים אלוume חתך עצב עגול להתאים הזאת הניח גיאומטריה עצבה.
(5) גמיש polyimide מבוסס אלקטרודות 33 עם אנשי הקשר נוצר על ידי micromachining מבנה polyimide, ולאחר מכן להשתלב יריעות סיליקון נמתח כדי ליצור וחפתים התפתלות עצמית. עיצוב זה גם הנחה של חתך עצב עגול.
אלקטרודות קאף צריכות להיות גמישות עצמי אומד על מנת למנוע מתיחות דחיסת העצב שיכול לגרום עצב ניזק 3. בחלק מהמנגנונים הידועים שבאמצעותו אלקטרודות שרוול יכולות לגרום תופעות אלה הם השידור של כוחות משרירים סמוכים השרוול ומכאן אל העצב, חוסר התאמה בין השרוול של התכונות המכאניות של העצב, והמתח המופרז המוביל של השרוול. בעיות בטיחות אלו מובילים קבוצה מסוימת של אילוצי תכנון על גמישות מכנית, תצורה גיאומטרית, וגודל 1. קריטריונים אלה הם בעיקר challenging במקרה של קנס ספירת קשר גבוה בגלל השרוול חייב להיות באותו הנוקשה הזמן בכיוון הרוחבי כדי לעצב מחדש את העצב וגמיש בכיוון האורך כדי למנוע ניזק וכן אדיב קשר מרובה. עצמי אומד עיצובי ספירלה יכול להכיל מספר אנשי קשר לאזוק 14, אבל השרוול המתקבל הוא מעט נוקשה. עיצוב polyimide גמיש יכול להכיל מספר גבוה של אנשי קשר אבל נוטה delamination. עיצוב מערך חוט 13 מייצר קנס של חתך שטוח, אך על מנת לשמור על גיאומטריה זה החוטים הם התמזגו יחד לאורכו של השרוול לייצר פרצופים נוקשים קצוות חדים עושים אז מתאים שתלים לטווח ארוכים.
טכניקת הייצור המתוארת במאמר זה מייצרת קנס צפיפות קשר גבוה עם מבנה גמיש שניתן בעבודת יד עם דיוק גבוה באופן עקבי. היא משתמשת פולימר נוקשה (קיטון אתר polyether (פיק)) כדי לאפשר p המדויקlacement של המגעים. מגזר הצצה שומר חתך שטוח במרכז האלקטרודה תוך שמירה גמישה בכיוון האורך לאורך העצב. עיצוב זה גם מקטין את עובי וקשיחות הכולל של השרוול היות והגוף אלקטרודה לא חייב להיות נוקשה על מנת לשטח את העצב או לאבטח את המגעים.
Protocol
Representative Results
Discussion
שיטת הייצור המתוארת במאמר זה, יש תנועות זריזות גלם על מנת להבטיח את האיכות של השרוול הסופי. מגעי ההקלטה יש להציב בדיוק באמצע של שתי אלקטרודות ההתייחסות. מיקום זה הוכח להפחית הפרעות באופן משמעותי סביב שרירי פעילות חשמלית 27. כל חוסר איזון את המיקום היחסי של הקשר ב?…
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
עבודה זו מומנה על ידי הסוכנות לפרויקטי מחקר מתקדם הביטחון (DARPA) MTO בחסות ד"ר ג'ק ג'ודי וד"ר דאג ובר דרך מרכז מערכות לוחמה בחלל וחיל הים, פסיפיק גרנט / חוזה No.N66001-12-C-4173 . ברצוננו להודות תומאס אגרס על עזרתו בתהליך ייצור, ורונלד Triolo, מתיו Schiefer, Lee פישר ומקס Freeburg על תרומתם בפיתוח העיצוב השרוול עצב מרוכבים.
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).
