Изготовление High-Density Контакт, с плоским Интерфейс Нервные электроды для записи и стимуляция приложений
Summary
В данной статье приводится подробное описание о процессе изготовления высокой плотности контакта плоской поверхности раздела электрода нерва (FINE). Этот электрод оптимизирован для записи и стимулирования нейронной активности избирательно в периферических нервов.
Abstract
Много попыток было сделано для изготовления мульти-контактных нерва манжеты электроды, которые являются безопасными, прочными и надежными для долгосрочных нейропротезирование приложений. Этот протокол описывает технологию изготовления модифицированного цилиндрической нерва манжеты электрода отвечают этим критериям. Минимальная система автоматизированного проектирования и производства (CAD и CAM) навыки необходимы, чтобы постоянно производить манжет с высокой точностью (контакт размещения 0,51 ± 0,04 мм) и различных размеров манжеты. Точность в пространственно распределения контактов и способность удерживать предварительно определенную геометрию, проделанную с этой конструкцией два критерия, необходимые для оптимизации интерфейса манжете для селективной записи и стимуляции. Представленная конструкция также обеспечивает максимальную гибкость в продольном направлении при сохранении достаточной жесткости в поперечном направлении, чтобы изменить форму нерва при использовании материалов с разными эластичностью. Расширение поперечного сечения манжете вобласть в результате повышения давления внутри манжеты, наблюдалось, что на 25% на 67 мм ртутного столба. Этот тест демонстрирует гибкость манжеты, так и его реакцию на нерва набухания после имплантации. Устойчивость к контактам "интерфейса и качество записи также были рассмотрены с контактами" импеданса и сигнала к шуму метрик отношения с хронически имплантированными манжетой (7,5 месяцев), и было обнаружено, 2,55 ± 0,25 кОм и 5,10 ± 0,81 дБ соответственно.
Introduction
Сопряжение с периферической нервной системы (ПНС) обеспечивает доступ к высоко обработанных нейросигналы команд, как они путешествуют в различные структуры внутри тела. Эти сигналы генерируются аксонов заключены в брошюрах и окружены плотно сочлененных периневрий клеток. Величина измеряемых потенциалов вследствие нейронной деятельности зависит от импеданса различных слоев внутри нерва, такие как высокоомной периневрий слой, который окружает Пучки. Следовательно, существуют два подхода интерфейса были изучены в зависимости от местоположения записи относительно периневрий слоя, а именно intrafascicular и extrafascicular подходов. Intra-фасцикулярные подходы поместить электроды внутри Пучки. Примерами таких подходов являются массив Utah 17, Продольная Intra-пучковой электрода (LIFE) 18, а поперечная внутриотраслевой пучковой многоканальная электрод (TIME) 32. THESE методы могут записывать выборочно от нерва , но не было показано , надежно сохраняют функциональность в течение длительных периодов времени в естественных условиях, вероятно из – за размера и соответствия электрода 12.
Экстра-фасцикулярные подходы разместить контакты вокруг нерва. Манжета электроды , используемые в этих подходах не ставят под угрозу периневрий ни эпиневрии и было показано , что быть как безопасные и эффективные средства записи из периферической нервной системы 12. Тем не менее, дополнительные-пучковой подходы не имеют возможности измерить единый блок активности – по сравнению с интра-пучковой конструкций. Нейропротезирование приложений , которые используют нервные манжета электроды включают в себя активацию нижних конечностей, мочевого пузыря, диафрагма, лечение хронической боли, блок нервной проводимости, сенсорной обратной связи, и запись electroneurograms 1. Потенциальные приложения для использования периферических нервов стыковку включают отдыхORing движение жертвам паралича с функциональной электрической стимуляции, записи нейронов двигательной активности от остаточных нервов управлять механизированных протезов конечностей в ампутированных, и взаимодействие с вегетативной нервной системой , чтобы поставить био-электронные лекарства 20.
Реализация дизайн манжеты электрода представляет собой плоский интерфейс нерва электрода (FINE) 21. Такая конструкция перекраивает нерв в плоской сечения с большей окружности по сравнению с круглой формой. Преимущества такой конструкции увеличивается количество контактов, которые могут быть размещены на нерв, и непосредственная близость контактов с перестроенных внутренних пучках для селективной записи и стимуляции. Кроме того, нервы верхних и нижних конечностей у крупных животных и человека может принимать различные формы и изменение формы, порожденный FINE не искажает естественную геометрию нерва. Недавние исследования показали, что FINE способен восстановить ощущения вверхней конечности 16 и восстановление движения в нижней конечности 22 с функциональной электрической стимуляции в организме человека.
Базовая структура манжетой электрода состоит из размещения нескольких металлических контактов на поверхности сегмента нерва, а затем изолирующие эти контакты вместе с отрезком нерва в пределах непроводящей манжеты. Для достижения этой базовой структуры, несколько конструкций были предложены в предыдущих исследованиях в том числе:
(1) Металлические контакты встроены в сетку лавсановой. Сетка затем оборачивают вокруг нерва и полученный манжет форма следует за геометрию нерва 4, 5.
(2) Сплит-цилиндровые конструкции , которые используют предварительно сформированными жесткие и непроводящих цилиндры зафиксировать контакты вокруг нерва. Сегмент нерва , который принимает эту манжета реорганизован во внутреннюю геометрию манжете в 6 – 8.
<p class= "jove_content"> (3) Self-смотки конструкции , где контакты , заключенной между двумя слоями изоляции. Внутренний слой сливают в то время как растягивается с внешним ун растянутой слоя. С различной длины естественного отдыха в течение двух склеенных слоев приводит к конечной структуры, чтобы образовать гибкую спираль, которая закручивается вокруг нерва. Материал , используемый для этих слоев , как правило , был полиэтилен 9 полиимида 10, и силиконовая резина 1.(4) неизолированные отрезки проводов , расположенных против нерва , чтобы служить в качестве электродных контактов. Эти провода либо вплетены в силиконовой трубки 11 или формуют в силиконовых вложенными цилиндров 12. Аналогичный принцип был использован для построения Штрафы путем размещения и сплавления изолированных проводов , чтобы сформировать массив, а затем отверстие через изоляцию производится путем зачистки небольшой отрезок через середину этих соединенных проводов 13. Эти конструкции задницуумэ круглое поперечное сечение нерва и соответствовать этой предполагаемой геометрии нерва.
(5) на основе гибкой полиимидной электроды 33 с контактами , образованных микротокарная структуру многоимида, а затем интегрировать в растянутые силиконовых листов для формирования самостоятельной навивки манжетами. Эта конструкция также предполагает круглое поперечное сечение нерва.
Манжета электроды должны быть гибкими и самостоятельно проклейки, чтобы избежать растяжения и сжатия нерва , который может вызвать повреждение нерва 3. Некоторые из известных механизмов, с помощью которых манжета электроды могут индуцировать эти эффекты являются передача сил от соседних мышц к манжете и, следовательно, к нерву, несоответствие между манжета-х и механических свойств нерва, и чрезмерное напряжение в отведениях манжете в. Эти вопросы безопасности приводят к определенному набору конструктивных ограничений на механической гибкости, геометрической конфигурации и размера 1. Эти критерии являются особенно Challenging в случае высокого контактного счета FINE, потому что манжета должна быть в то же время жесткой в поперечном направлении, чтобы изменить форму нерва и гибкий в продольном направлении для предотвращения повреждения, а также размещения нескольких контактов. Self-проклейки спиральные конструкции можно разместить несколько контактов манжеты 14, но в результате манжеты несколько жесткой. Гибкая конструкция полиимида можно разместить большое число контактов, но склонны к расслаиванию. Конструкция проволоки массив 13 производит FINE с плоским поперечным сечением, но для того , чтобы сохранить эту геометрию провода соединяются вместе вдоль длины манжеты по производству жестких граней и острых кромок делая затем непригодной для долгосрочных имплантатов.
Методика изготовления описанной в этой статье дает высокую контактную плотность FINE с гибкой структурой, которая может быть изготовлена вручную с неизменно высокой точностью. Он использует жесткий полимер (полиэфирэфиркетона (PEEK)), чтобы обеспечить точное рlacement контактов. Сегмент ПЭЭК поддерживает плоское поперечное сечение в центре электрода, оставаясь гибким в продольном направлении вдоль нерва. Эта конструкция также минимизирует общую толщину и жесткость манжеты, так как тело электрода не должна быть жесткой, чтобы сплющить нерв или закручивания контакты.
Protocol
Representative Results
Discussion
Способ изготовления описан в этой статье, требует ловких и тонких движений, с тем чтобы обеспечить качество конечного манжеты. Регистрирующие контакты должны быть расположены точно в середине двух электродов сравнения. Это размещение было показано, значительно снизить интерференцию …
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Эта работа была организована в передовых оборонных исследовательских проектов агентства (DARPA) МТО под эгидой доктора Джека Джуди и д-р Дуг Вебер через центр космической и морской войны Systems, Pacific Grant / Контракт No.N66001-12-C-4173 , Мы хотели бы поблагодарить Томаса Eggers за его помощь в процессе изготовления, и Рональд Triolo, Мэтью SCHIEFER, Ли Фишер и Макса Freeburg за их вклад в развитие конструкции композитного нерва манжеты.
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).
