Fabricação de alta Contact densidade, eletrodos nervosas Plano de Interface para gravação e estimulação Applications
Summary
Este artigo fornece uma descrição detalhada sobre o processo de fabricação de um eletrodo de nervo de interface plana de alta contato densidade (FINE). Este eletrodo é otimizado para gravação e estimular a atividade neural seletivamente dentro de nervos periféricos.
Abstract
Muitas tentativas têm sido feitas para a fabricação de vários eléctrodos de contacto de punho nervo que são seguros, robusto e fiável para aplicações de longa duração neuroprotéticos. Este protocolo descreve uma técnica de fabricação de um eletrodo manguito nervo cilíndrica modificada para atender a esses critérios. habilidades de design mínimo auxiliado por computador e fabricação (CAD e CAM) são necessárias para produzir consistentemente punhos com alta precisão (colocação de contacto 0,51 ± 0,04 mm) e vários tamanhos de punho. A precisão na distribuição espacialmente os contactos e a capacidade de reter uma geometria predefinida conseguido com este projeto são dois critérios essenciais para otimizar a interface do manguito para gravação e estimulação seletiva. O desenho apresentado também maximiza a flexibilidade na direcção longitudinal, mantendo uma rigidez suficiente na direcção transversal para remodelar o nervo, utilizando materiais com diferentes elasticidades. A expansão do corte transversal do manguitoárea como um resultado do aumento da pressão no interior do balonete foi observado ser de 25% a 67 mm Hg. Este teste demonstra a flexibilidade da manga e a sua resposta ao nervo inchaço pós-implante. A estabilidade dos contatos 'interface e qualidade de gravação também foram examinados com contatos' impedância e métricas de relação sinal-ruído de um manguito cronicamente implantado (7,5 meses), e observou-se 2,55 ± 0,25 kW e 5,10 ± 0,81 dB, respectivamente.
Introduction
A interface com o sistema nervoso periférico (SNP) proporciona o acesso a sinais de comando neural altamente processados como eles viajam para diferentes estruturas no interior do corpo. Estes sinais são gerados por axônios confinados dentro de fascículos e rodeado por células perineuro bem-articulado. A magnitude dos potenciais mensuráveis resultantes das actividades neuronais é afectado pela impedância das várias camadas dentro do nervo, tais como a camada perineuro altamente resistivo que rodeia os fascículos. Por conseguinte, duas abordagens têm sido exploradas de interface de acordo com o local de gravação em relação à camada perineuro, nomeadamente abordagens intrafasciculares e extrafascicular. abordagens intra-fasciculares colocar os eletrodos no interior dos fascículos. Exemplos dessas abordagens são a matriz Utah 17, o eletrodo Longitudinal Intra-fascicular (LIFE) 18, eo eletrodo transversal intra-fascicular multicanal (TIME) 32. Ttécnicas stas podem gravar selectivamente a partir do nervo, mas não têm sido mostrados para reter fiavelmente funcionalidade por longos períodos de tempo in vivo, provavelmente devido ao tamanho e a conformidade do eléctrodo 12.
abordagens extra-fasciculares colocar os contatos ao redor do nervo. Os eléctrodos de punho utilizados nestas abordagens não comprometer o perineuro nem o perineuro e têm mostrado ser tanto um meio seguro e robusto de gravação a partir do sistema nervoso periférico 12. No entanto, as abordagens extra-fascicular não têm a capacidade de medir a atividade única unidade – em comparação com modelos intra-fasciculares. Neuroprotéticos aplicações que utilizam eléctrodos de punho nervosas incluem a activação do membro inferior, a bexiga, o diafragma, o tratamento de dor crónica, bloqueio da condução neural, feedback sensorial, e electroneurograms gravação 1. As aplicações potenciais para utilizar interface de nervos periféricos incluem descansooring movimento para vítimas de paralisia com estimulação elétrica funcional, registrando atividade do neurônio motor de nervos residuais para controlar próteses de membros movidos em amputados, e interface com o sistema nervoso autônomo para entregar medicamentos bio-eletrônica 20.
A implementação de design do eletrodo cuff é o eletrodo nervo interface plana (FINE) 21. Este projeto remodela o nervo em uma seção de flat-cruz com circunferência maior em comparação com uma forma redonda. As vantagens deste projeto são aumento do número de contatos que pode ser colocado sobre o nervo, ea proximidade dos contatos com os fascículos internos rearranjadas para gravação e estimulação seletiva. Além disso, os nervos das extremidades superiores e inferiores em grandes animais e humanos pode assumir várias formas e a reformulação gerado pela FINA não distorce a geometria natural do nervo. Estudos recentes têm mostrado que FINO é capaz de restaurar a sensação ema extremidade superior 16 e o movimento de restauração na extremidade inferior 22 com a estimulação eléctrica funcional em seres humanos.
A estrutura básica de um eléctrodo de manguito consiste na colocação de vários contactos de metal sobre a superfície de um segmento de nervo, e, em seguida, isolamento destes contactos, juntamente com o segmento do nervo dentro de um manguito não condutor. Para alcançar esta estrutura de base, vários modelos têm sido propostos em estudos anteriores, incluindo:
(1) Contatos de metal incorporado em uma malha de Dacron. A malha é então enrolada em torno do nervo e a forma manguito resultante segue a geometria dos nervos 4, 5.
(2) Dividir desenhos cilindros que utilizam cilindros rígidos e não condutores pré-moldada para fixar os contactos em torno do nervo. O segmento do nervo que recebe este cuff é remodelada em geometria interna do manguito 6-8.
<p class= "jove_content"> (3) Self-enrolando projetos onde os contatos são fechados entre duas camadas de isolamento. A camada interna é fundida enquanto esticado com uma camada estendeu-un externo. Com diferentes comprimentos naturais de repouso para as duas camadas ligadas faz com que a estrutura final para formar uma espiral flexível que se enrola em torno do nervo. O material utilizado para estas camadas tenham sido tipicamente polietileno 9 poliimida 10, e uma borracha de silicone.(4) segmentos não isolados dos fios condutores colocados contra o nervo para servir como os contatos dos eletrodos. Estas ligações são ou tecido em tubo de silicone 11 ou moldada em silicone cilindros aninhados 12. Um princípio semelhante foi utilizado para construir multas arranjando e fundindo fios isolados para formar uma matriz, e, em seguida, uma abertura através do isolamento é feito por remoção de um pequeno segmento de pelo meio desses fios 13 unidas. Estes projetos assume um corte transversal do nervo volta e estar de acordo com este assumiu a geometria do nervo.
Eléctrodos (5) com base poliimida flexível 33 com contatos formados por micro-usinagem estrutura de poliimida, e depois integrar em folhas de silicone esticado para formar punhos auto-enrolando. Este projeto também assume um corte transversal do nervo rodada.
Eléctrodos de punho deve ser flexível e auto-colagem, a fim de evitar o estiramento e compressão do nervo que podem causar danos nos nervos 3. Alguns dos mecanismos conhecidos pelo qual eletrodos rotador podem induzir esses efeitos são a transmissão de forças dos músculos adjacentes ao punho e, consequentemente, para o nervo, incompatibilidade entre o manguito e as propriedades mecânicas do nervo, ea tensão indevida nas derivações do manguito. Estas questões de segurança levar a conjunto específico de restrições de design na flexibilidade mecânica, configuração geométrica, eo tamanho 1. Estes critérios são particularmente challenging no caso de uma contagem de finos de alta contacto porque o balonete deve ser, ao mesmo tempo rígido na direcção transversal para remodelar o nervo e flexível na direcção longitudinal para evitar danos, bem como acomodar múltiplos contactos. Auto-dimensionamento projetos espirais podem acomodar vários contatos algemá-14, mas o manguito resultante é um pouco rígida. poliimida concepção flexível pode acomodar um elevado número de contactos, mas são propensas à delaminação. O projeto da disposição do fio 13 produz uma multa de seção transversal plana, mas a fim de manter esta geometria os fios são fundidos ao longo do comprimento do manguito produzir rostos duros e bordas afiadas fazendo então inadequado para implantes de longo prazo.
A técnica de fabricação descrito neste artigo produz uma multa alta densidade de contacto com estrutura flexível que pode ser feita à mão com consistentemente alta precisão. Ele usa um polímero rígido (poliéter éter cetona (PEEK)) para permitir que p precisalacement dos contatos. O segmento de PEEK mantém uma secção transversal plana no centro do eléctrodo enquanto permanece flexível na direcção longitudinal ao longo do nervo. Este desenho também minimiza a espessura e a rigidez geral do punho desde o corpo do eléctrodo não tem de ser rígido, a fim de nivelar o nervo ou proteger os contactos.
Protocol
Representative Results
Discussion
O método de fabrico descrito no artigo exige grande destreza e movimentos finos, a fim de garantir a qualidade do manguito final. Os contatos de gravação deve ser colocado precisamente no meio dos dois eletrodos de referência. Esta colocação tem sido mostrado para reduzir significativamente a partir de interferências circundante músculos actividade eléctrica 27. Qualquer desequilíbrio na posição relativa do contacto durante a fabricação pode degradar a rejeição de sinais de modo a interferir c…
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Este trabalho foi patrocinado pela MTO Defesa Advanced Research Projects Agency (DARPA), sob os auspícios do Dr. Jack Judy e Dr. Doug Weber através do espaço e Guerra Naval Systems Center, Pacific Grant / Contrato No.N66001-12-C-4173 . Nós gostaríamos de agradecer Thomas Eggers por sua ajuda no processo de fabricação, e Ronald Triolo, Matthew Schiefer, Lee Fisher e Max Freeburg por sua contribuição no desenvolvimento do projeto do manguito nervo composto.
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).
