Fabbricazione di High Contact-Density, Flat-Interface Elettrodi nervose per la registrazione e la stimolazione Applicazioni
Summary
Questo articolo fornisce una descrizione dettagliata del processo di fabbricazione di una interfaccia piana del nervo elettrodo ad alta contatto densità (FINE). Questo elettrodo è ottimizzato per la registrazione e stimolare l'attività neuronale selettivamente all'interno di nervi periferici.
Abstract
Molti tentativi sono stati fatti per fabbricare multi-contatto elettrodi polsino nervo che sono sicuri, robusto e affidabile per applicazioni Neuroprotesi lungo termine. Questo protocollo descrive una tecnica di fabbricazione di un elettrodo bracciale nervo cilindrica modificata per soddisfare questi criteri. progettazione minima di computer-aided design e produzione (CAD e CAM) le competenze sono necessarie per produrre costantemente polsini con alta precisione (posizionamento contatto 0,51 ± 0,04 millimetri) e diverse misure di bracciale. La precisione nel distribuire spazialmente i contatti e la capacità di mantenere una geometria predefinita compiuto con questo motivo sono due criteri essenziali per ottimizzare l'interfaccia del bracciale per la registrazione selettiva e la stimolazione. Il progetto presentato massimizza anche la flessibilità nella direzione longitudinale mantenendo sufficiente rigidità in direzione trasversale di rimodellare il nervo utilizzando materiali con differenti elasticità. L'espansione della sezione trasversale del polsinoarea come risultato di aumentare la pressione all'interno del bracciale è stata osservata essere del 25% a 67 mm Hg. Questo test dimostra la flessibilità del bracciale e la sua risposta al nervo gonfiore post-impianto. La stabilità dei contatti 'interfaccia e la qualità di registrazione sono stati anche esaminati con contatti' impedenza e segnale-rumore metriche di rapporto da un polsino cronicamente impiantato (7,5 mesi), e ha osservato di essere 2,55 ± 0,25 rispettivamente kΩ e 5,10 ± 0,81 dB.
Introduction
Interfaccia con il sistema nervoso periferico (PNS) fornisce accesso a segnali di comando neurali altamente trasformati come viaggiano a diverse strutture all'interno del corpo. Questi segnali sono generati da assoni confinati all'interno di fascicoli e circondati da cellule perinevrio strettamente giunti. La grandezza dei potenziali misurabili risultanti dalle attività neurali è influenzata dalla impedenza dei vari strati all'interno del nervo, come lo strato perineurio altamente resistivo che circonda i fascicoli. Di conseguenza, due approcci di interfaccia sono state esplorate a seconda della posizione di registrazione rispetto allo strato perineurio, ovvero approcci intrafascicolari e extrafascicular. approcci intra-fascicolari posizionare gli elettrodi all'interno dei fascicoli. Esempi di questi approcci sono la matrice Utah 17, l'elettrodo longitudinale intra-fascicolare (LIFE) 18, e la trasversale intra-fascicolare multicanale elettrodo (TIME) 32. Ttecniche ueste possono registrare selettivamente dal nervo ma non hanno dimostrato di mantenere in modo affidabile funzionalità per lunghi periodi di tempo in vivo, probabilmente a causa delle dimensioni e la conformità dell'elettrodo 12.
approcci extra-fascicolari posto i contatti in tutto il nervo. Gli elettrodi gemelli utilizzati in questi approcci non compromettono la perinevrio né il epinevrio e hanno dimostrato di essere sia un mezzo sicuro e robusto di registrazione dal sistema nervoso periferico 12. Tuttavia, gli approcci extra fascicular non hanno la capacità di misurare l'attività singola unità – rispetto ai modelli intra-fascicolari. Applicazioni Neuroprotesi che utilizzano elettrodi gemelli nervose includono attivazione degli arti inferiori, la vescica, il diaframma, il trattamento del dolore cronico, blocco della conduzione nervosa, feedback sensoriale, e la registrazione electroneurograms 1. Le potenziali applicazioni di utilizzare periferiche di interfacciamento dei nervi includere riposooring movimento per le vittime di paralisi con la stimolazione elettrica funzionale, registrando l'attività dei motoneuroni da nervi residui di controllare protesi di arto alimentati a amputati, e l'interfacciamento con il sistema nervoso autonomo per fornire farmaci bio-elettronico 20.
Un'implementazione di design dell'elettrodo bracciale è il piatto di interfaccia nervo elettrodo (FINE) 21. Questo design rimodella il nervo in una sezione TV a croce con la circonferenza maggiore rispetto a una forma rotonda. I vantaggi di questo progetto sono aumentati il numero di contatti che possono essere immessi sul nervo, e la vicinanza dei contatti con i fascicoli interni riarrangiati per la registrazione selettiva e la stimolazione. Inoltre, i nervi degli arti superiori e inferiori in grandi animali e umani possono assumere diverse forme e la riconfigurazione generato dal ammenda non alterare la geometria naturale del nervo. studi recenti hanno dimostrato che FINE è in grado di ripristinare sensazione inl'estremità superiore 16 e movimento ripristino nella estremità inferiore 22 con stimolazione elettrica funzionale nell'uomo.
La struttura di base di un elettrodo polsino consiste nell'inserire diversi contatti metallici sulla superficie di un tratto di nervo e quindi isolante questi contatti con il tratto di nervo in un bracciale non conduttivo. Per realizzare questa struttura di base, vari disegni sono stati proposti in studi precedenti tra cui:
(1) I contatti metallici inseriti in una maglia Dacron. La maglia viene poi avvolto intorno al nervo e la forma bracciale risultante segue la geometria del nervo 4, 5.
(2) I disegni Split cilindri che utilizzano cilindri rigidi e non conduttivi preformate per fissare i contatti in tutto il nervo. Il segmento nervo che riceve questo bracciale è rimodellato in geometria interna del bracciale 6-8.
<p class= "jove_content"> (3) Self-avvolgimento disegni in cui i contatti sono racchiusi tra due strati isolanti. Lo strato interno è fuso mentre allungata con uno strato non-allungato esterna. Con differenti lunghezze naturale riposo per i due strati uniti provoca la struttura finale per formare una spirale flessibile che si avvolge intorno al nervo. Il materiale utilizzato per questi strati sono stati tipicamente polietilene 9 polyimide 10, e gomma di silicone 1.(4) segmenti non isolati dei fili conduttori posto dopo il coraggio di servire come i contatti degli elettrodi. Questi cavi sono o tessuti in tubo in silicone 11 o modellati in silicone cilindri nidificate 12. Un principio simile è stato usato per costruire multe organizzando e fondendo fili isolati in modo da formare una matrice, e quindi un'apertura attraverso l'isolamento è realizzato mettendo a nudo un piccolo segmento attraverso il centro di questi fili Iscritto 13. Questi disegni assume una sezione trasversale rotonda del nervo e sono conformi a questo assunto la geometria del nervo.
Elettrodi (5) in base poliimmide flessibile 33 con contatti formati da micromachining struttura poliimmide, e quindi l'integrazione in fogli di silicone tese a formare polsini auto-avvolgimento. Questo progetto assume anche una sezione trasversale rotonda del nervo.
Elettrodi bracciale deve essere flessibile e di auto-dimensionamento al fine di evitare che si estende e comprimendo il nervo che può causare danni ai nervi 3. Alcuni dei meccanismi noti con cui elettrodi polsino possono indurre questi effetti sono la trasmissione degli sforzi dal muscoli adiacenti al bracciale e quindi al nervo, mancata corrispondenza tra di bracciale e le proprietà meccaniche del nervose, e la tensione indebita nei cavi del polsino. Questi problemi di sicurezza portano alla serie specifica di vincoli progettuali sulla flessibilità meccanica, configurazione geometrica, e le dimensioni 1. Questi criteri sono particolarmente Challenging in caso di titolazione fine di contatto elevata perché il bracciale deve essere allo stesso tempo rigida in direzione trasversale per rimodellare il nervo e flessibile in direzione longitudinale per evitare danni, nonché ospitare più contatti. Auto-dimensionamento disegni a spirale in grado di ospitare più contatti cuff 14, ma il bracciale risultante è un po 'rigida. disegno poliimmide flessibile può accogliere un elevato numero di contatti, ma sono inclini a delaminazione. Il disegno matrice filo 13 produce una multa a sezione piatta, ma per mantenere questa geometria i fili sono fusi insieme lungo la lunghezza del bracciale produrre facce rigide e spigoli vivi rendendo quindi non adatto per impianti a lungo termine.
La tecnica di fabbricazione descritto in questo articolo produce una multa elevata densità di contatto con la struttura flessibile che può essere fatto a mano con sempre elevata precisione. Esso utilizza un polimero rigido (polietere etere chetone (PEEK)) a consentire precise placement dei contatti. Il segmento PEEK mantiene una sezione trasversale piatta al centro dell'elettrodo rimanendo flessibili in direzione longitudinale lungo il nervo. Questo design minimizza anche lo spessore e la rigidità del bracciale dal corpo dell'elettrodo non deve essere rigido per appiattire il nervo o fissare i contatti.
Protocol
Representative Results
Discussion
Il metodo di fabbricazione descritto in questo articolo richiede movimenti agili e sottili al fine di garantire la qualità del bracciale finale. I contatti di registrazione devono essere posizionati esattamente nel mezzo dei due elettrodi di riferimento. Questo posizionamento è stato dimostrato di ridurre significativamente le interferenze dal circostante muscoli attività elettrica 27. Qualsiasi squilibrio nella posizione relativa del contatto durante la fabbricazione può degradare il rigetto di segnali d…
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Questo lavoro è stato sponsorizzato dalla OMT Defense Advanced Research Projects Agency (DARPA), sotto gli auspici del Dr. Jack Judy e il Dr. Doug Weber attraverso lo spazio e il Naval Warfare Systems Center, Pacific di Grant / contract No.N66001-12-C-4173 . Vorremmo ringraziare Thomas Eggers per il suo aiuto nel processo di fabbricazione, e Ronald Triolo, Matthew Schiefer, Lee Fisher e Max Friburgo per il loro contributo nello sviluppo del design della cuffia dei nervi composito.
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 |
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