Fabricación de alta densidad, Contacto-Interface plana Electrodos nerviosas para aplicaciones de registro y estimulación
Summary
Este artículo proporciona una descripción detallada sobre el proceso de fabricación de un electrodo del nervio interfaz plana de contacto alta densidad (FINA). Este electrodo está optimizado para la grabación y la estimulación de la actividad neuronal selectiva dentro de los nervios periféricos.
Abstract
Muchos intentos se han hecho para la fabricación de electrodos multicontacto del manguito de los nervios que son seguros, robustos y fiables para aplicaciones neuroprosthetic largo plazo. Este protocolo describe una técnica de fabricación de un electrodo de manguito cilíndrico nervio modificado para cumplir con estos criterios. habilidades de diseño asistido por ordenador mínimo y de fabricación (CAD y CAM) son necesarias para producir consistentemente puños con alta precisión (colocación de contactos de 0,51 ± 0,04 mm) y diferentes tamaños de manguitos. La precisión en la distribución espacialmente los contactos y la capacidad de retener una geometría predefinida logrado con este diseño son dos criterios esenciales para optimizar la interfaz del manguito para la grabación selectiva y la estimulación. El diseño presentado también maximiza la flexibilidad en la dirección longitudinal mientras se mantiene la suficiente rigidez en la dirección transversal para formar de nuevo el nervio mediante el uso de materiales con diferentes elasticidades. La expansión de la sección transversal del manguitoárea como resultado del aumento de la presión dentro del manguito se observó que 25% a los 67 mm Hg. Esta prueba demuestra la flexibilidad del manguito y su respuesta a la inflamación del nervio después del implante. La estabilidad de los contactos "calidad de interfaz y grabación también se examinaron con contactos 'impedancia y las métricas de relación de señal a ruido de un manguito crónicamente implantado (7,5 meses), y observa que es 2,55 ± 0,25 kW y 5,10 ± 0,81 dB respectivamente.
Introduction
Interfaz con el sistema nervioso periférico (PNS) proporciona acceso a las señales de comando neuronales altamente procesados a medida que viajan a diferentes estructuras dentro del cuerpo. Estas señales son generadas por los axones confinados dentro de los fascículos, rodeados de células perineuro articuladas estrechamente. La magnitud de los potenciales mensurables resultantes de las actividades neuronales se ve afectada por la impedancia de las diferentes capas dentro de la nervio, como la capa de perineuro altamente resistiva que rodea los fascículos. En consecuencia, dos enfoques de interfaz se han explorado en función de la ubicación de grabación con respecto a la capa perineuro, a saber los enfoques intrafascicular y extrafascicular. enfoques intra-fasciculares colocan los electrodos dentro de los fascículos. Los ejemplos de estos enfoques son la matriz Utah 17, el electrodo longitudinal Intra-fascicular (LIFE) 18, y el electrodo transversal intra-fascicular multicanal (TIME) 32. Ttécnicas stos pueden grabar selectivamente del nervio, pero no se ha demostrado para retener de manera fiable la funcionalidad durante largos períodos de tiempo in vivo, probablemente debido a el tamaño y el cumplimiento del electrodo 12.
enfoques extra-fasciculares colocan los contactos alrededor del nervio. Los electrodos del brazalete utilizado en estos enfoques no pongan en peligro el perineuro ni el epineuro y han demostrado ser tanto un medio seguro y robusto de la grabación desde el sistema nervioso periférico 12. Sin embargo, los enfoques extra-fascicular carecen de la capacidad para medir la actividad de una sola unidad – en comparación con los diseños intra-fascicular. Aplicaciones neuroprosthetic que utilizan electrodos del manguito nerviosas incluyen la activación de la extremidad inferior, la vejiga, el diafragma, el tratamiento del dolor crónico, el bloque de la conducción neural, retroalimentación sensorial, y la grabación de electroneurograms 1. Las aplicaciones potenciales para utilizar la interconexión de los nervios periféricos incluir descansooring movimiento a las víctimas de parálisis con la estimulación eléctrica funcional, el registro de actividad de las neuronas motoras de nervios residuales para controlar las prótesis de miembros accionados en amputados, y la interfaz con el sistema nervioso autónomo para entregar medicamentos bio-electrónica 20.
Una implementación del diseño del electrodo de manguito es el electrodo del nervio interfaz plana (FINA) 21. Este diseño da nueva forma del nervio en una sección transversal plana con la circunferencia mayor en comparación con una forma redonda. Las ventajas de este diseño se incrementan el número de contactos que se pueden colocar sobre el nervio, y la proximidad de los contactos con los fascículos internos de nuevo para el registro selectivo y la estimulación. Por otra parte, los nervios de las extremidades superiores e inferiores en grandes animales y humanos pueden adoptar diversas formas y la reconfiguración generada por la multa no distorsionar la geometría natural del nervio. Los ensayos recientes han demostrado que la FINA es capaz de restaurar la sensibilidad enla extremidad superior 16 y el movimiento restauración en la extremidad inferior 22 con la estimulación eléctrica funcional en los seres humanos.
La estructura básica de un electrodo de manguito consiste en colocar varios contactos de metal sobre la superficie de un segmento de nervio, y luego aislante de estos contactos junto con el segmento del nervio dentro de un manguito no conductor. Para conseguir esta estructura básica, se han propuesto varios diseños en los estudios anteriores, incluyendo:
(1) Los contactos metálicos embebidos en una malla de dacrón. La malla se envuelve alrededor del nervio y la forma del manguito resultante sigue la geometría de los nervios 4, 5.
(2) Los diseños de Split cilindros que utilizan cilindros rígidos y no conductores preformadas para fijar los contactos alrededor del nervio. El segmento de nervio que recibe este manguito se forma de nuevo en la geometría interna del manguito 6 – 8.
<p class= "jove_content"> (3) Auto-arrolla diseños en los que los contactos están encerrados entre dos capas de aislamiento. La capa interna se funde mientras se extendía con una capa anti-estirado externa. Con diferentes longitudes natural de descanso para las dos capas unidas hace que la estructura final para formar una espiral flexible que se envuelve alrededor del nervio. El material utilizado para estas capas han sido típicamente de polietileno 9 poliimida 10, y caucho de silicona 1.(4) segmentos no aislados de los cables conductores colocados contra el nervio que sirven como los contactos de los electrodos. Estos cables se tejen, ya sea en un tubo de silicona 11 o moldeados en cilindros de silicona anidados 12. Un principio similar se utilizó para construir multas por la organización y la fusión de alambres aislados para formar una matriz, y luego una abertura a través del aislamiento está realizado por extracción de un pequeño segmento por el medio de estos cables unidos 13. Estos diseños culoume una sección transversal del nervio redonda y se ajustan a este asume la geometría del nervio.
Electrodos (5) en base de poliamida flexible 33 con los contactos formados por micromecanizado estructura de poliamida y, a continuación, integrando en láminas de silicona estiradas para formar puños autoenrollables. Este diseño también asume una sección transversal del nervio ronda.
Electrodos brazalete debe ser flexible y auto-calibrado con el fin de evitar el estiramiento y la compresión del nervio que puede causar daño a los nervios 3. Algunos de los mecanismos conocidos por el cual los electrodos del manguito puede inducir estos efectos son la transmisión de fuerzas de los músculos adyacentes al manguito y por lo tanto en el nervio, falta de correspondencia entre el manguito y las propiedades mecánicas de los nervios, y la tensión indebida en las derivaciones de la banda. Estas cuestiones de seguridad llevan a determinado conjunto de restricciones de diseño en la flexibilidad mecánica, la configuración geométrica y tamaño 1. Estos criterios son particularmente challenging en el caso de un recuento preciso de contacto alto debido a que el manguito debe ser al mismo tiempo rigidez en la dirección transversal para formar de nuevo el nervio y flexible en la dirección longitudinal para evitar daños, así como acomodar múltiples contactos. Auto-dimensionamiento diseños espirales pueden acomodar múltiples contactos abofetean el 14, pero el manguito resultante es algo rígida. diseño flexible de poliimida puede alojar a un gran número de contactos, pero son propensos a la delaminación. La gama de diseño de alambre 13 produce una multa con sección transversal plana, pero con el fin de retener a esta geometría de los cables están fusionadas juntas a lo largo de la longitud del manguito de producir caras rígidas y bordes afilados que hacen entonces inadecuados para los implantes a largo plazo.
La técnica de fabricación se describe en este artículo produce una multa alta densidad de contactos con estructura flexible que puede ser hecho a mano con consistentemente alta precisión. Se utiliza un polímero rígido (poliéter éter cetona (PEEK)) para permitir que precisa placement de los contactos. El segmento de PEEK mantiene una sección transversal plana en el centro del electrodo sin dejar de ser flexible en la dirección longitudinal a lo largo del nervio. Este diseño también minimiza el espesor global y la rigidez del manguito ya que el cuerpo del electrodo no tiene que ser rígido con el fin de aplanar el nervio o asegurar los contactos.
Protocol
Representative Results
Discussion
El método de fabricación descrito en este artículo requiere movimientos diestros y finos con el fin de garantizar la calidad del manguito final. Los contactos de grabación deben ser colocados con precisión en el medio de los dos electrodos de referencia. Esta colocación se ha demostrado que reduce significativamente las interferencias de los músculos circundantes actividad eléctrica 27. Cualquier desequilibrio en la posición relativa del contacto durante la fabricación puede degradar el rechazo de s…
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Este trabajo fue patrocinado por el objetivo a medio plazo de Proyectos de Investigación Avanzada de la Defensa Agencia (DARPA), bajo los auspicios del Dr. Jack Judy y el Dr. Doug Weber a través del Centro de Sistemas de Guerra Espacial y Naval, Pacífico subvención / contrato No.N66001-12-C-4173 . Nos gustaría dar las gracias a Thomas Eggers por su ayuda en el proceso de fabricación, y Ronald Triolo, Mateo Schiefer, Lee Fisher y Max Freeburg por su contribución en el desarrollo del diseño del manguito nervio compuesto.
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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