Kayıt ve Stimülasyon Uygulamaları için Yüksek İletişim-Yoğunluk Fabrikasyon, Düz Arayüz Sinir Elektrotlar
Summary
Bu makalede, yüksek temas yoğunluklu düz arayüz sinir elektrot (GÜZEL) fabrikasyonu süreci hakkında ayrıntılı bir açıklama sağlar. Bu elektrot kayıt ve periferik sinirler içinde seçici nöral aktiviteyi teşvik etmek için optimize edilmiştir.
Abstract
Birçok girişim uzun vadeli neuroprosthetic uygulama için güvenli, dayanıklı ve güvenilirdir çok kontaklı sinir ağzı elektrotlar imal etmek için yapılmıştır. Bu protokol, bu kriterleri karşılamak için modifiye edilmiş bir silindirik sinir manşet elektrot bir imalat tekniği anlatılmaktadır. Asgari bilgisayar destekli tasarım ve imalat (CAD ve CAM) becerilerini sürekli yüksek hassasiyet (temas yerleştirme 0.51 ± 0.04 mm) ve çeşitli manşet boyutlarda manşet üretmek için gereklidir. mekansal kişileri ve bu tasarım ile gerçekleştirilebilir önceden tanımlanmış geometri korumak için yeteneği dağıtma hassas seçici kayıt ve uyarılması için Kolluğun arayüzünü optimize etmek için gerekli iki kriter vardır. Farklı esneklikleri malzemeleri kullanarak sinir yeniden şekillendirmek için enine yönde yeterli sertliği korurken sunulan tasarımı da uzunlamasına yönde esneklik maksimize eder. Kolluğun kesitsel genişlemesimanşet içinde giderek artan bir baskı sonucu alanı 67 mm Hg'de 25% olduğu gözlendi. Bu test manşet esneklik ve post-implant şişme sinir verdiği cevap göstermektedir. Kişilerin kararlılığı kronik implante manşet gelen empedans ve sinyal-gürültü oranı metrikleri (7.5 ay) 'arayüzü ve kayıt kalitesi de kontaklarımın ile incelendi', sırasıyla 2.55 ± 0.25 kÊ ve 5.10 ± 0.81 dB olduğu görülmektedir.
Introduction
periferik sinir sisteminin (PNS) ile arabirim vücut içindeki farklı yapılar giderken yüksek işlenmiş sinir komut sinyalleri erişim sağlar. Bu sinyaller Fasiküller içinde sınırlı akson tarafından üretilen ve sıkı eklemli Perinöriyum hücreleri ile çevrilidir. Nöral faaliyetlerden kaynaklanan ölçülebilir potansiyellerin büyüklüğü gibi fasikül çevreleyen yüksek dirençli Perinöriyum katmanı olarak sinir içindeki çeşitli katmanların empedansı etkilenir. Sonuç olarak, iki arayüz yaklaşımlar perinevre tabaka, yani bir interfasiküler ve extrafascicular yaklaşımlar ile ilgili kayıt yere bağlı olarak araştırılmıştır. Intra-fasikül yaklaşımlar fasikülleri içine elektrotlar yerleştirin. Bu yaklaşımların örnekleri Utah dizisi 17, Boyuna içi fasikül Elektrot (LIFE) 18 ve enine içi fasikül çok kanallı elektrot (TIME) 32 vardır. These teknikler sinir selektif olarak kaydetmek ancak güvenilir nedeniyle boyut ve elektrot 12 arasında uygun muhtemel in vivo uzun bir süre için özelliğe korudukları gösterilmiştir edilmemiştir.
Ekstra fasikül yaklaşımlar sinir etrafındaki kişileri yerleştirin. Bu yaklaşımlar manşon elektrotlar perinevrine veya epinöriyum ödün vermeyen ve periferal sinir sistemi 12 kayıt güvenli ve sağlam bir aracı hem de olduğu gösterilmiştir. Ancak, ekstra fasiküler yaklaşımlar tek ünite aktivitesini ölçmek için yeteneğinden yoksun – içi fasikül tasarımlara göre. Sinir manşet elektrotlar kullanan Neuroprosthetic uygulamalar alt ekstremite aktivasyonunu, mesane, diyafram, kronik ağrı tedavisi, sinir iletim bloğu, duyusal geribildirim ve kayıt electroneurograms 1 bulunmaktadır. Potansiyel uygulamaları kalanını içeren periferik sinir arabirimini kullanmak içinamputees powered uzuv protezleri kontrol etmek için artık sinirlerden motor nöron aktivitesini kayıt fonksiyonel elektrik stimülasyonu ile felç mağdurlarına hareketini oring ve biyo-elektronik ilaçlar 20 sunmak için otonom sinir sistemi ile arabirim.
Manşet elektrodun bir tasarım uygulaması düz arayüzü sinir elektrot (GÜZEL) 21'dir. Bu tasarım, bir yuvarlak şekle göre daha geniş çevreye sahip düz kesitli içine sinir yeniden şekillendirir. Bu tasarımın avantajları sinir yerleştirilebilir kişi sayısını artırmış ve seçici kayıt ve stimülasyon için yeniden düzenlenmiş iç fasiküller ile temasların yakınlığı vardır. Ayrıca, büyük hayvanlarda ve insanlarda üst ve alt ekstremite sinirleri çeşitli şekiller alabilir ve GÜZEL tarafından üretilen yeniden şekillendirme sinirin doğal geometri bozmaz. Son çalışmalar İNCE hissi geri yükleme kapasitesine sahip olduğunu göstermiştirİnsanlarda fonksiyonel elektrik stimülasyonu ile alt ekstremite 22 üst ekstremite 16 ve geri hareketi.
Bir kol elektrodu, temel özelliği, iletken olmayan ağzı içindeki sinir segmenti ile birlikte, bu temas sinir bölümünün yüzeyi üzerinde çok sayıda metal temas yerleştirilmesiyle ve daha sonra izolasyon oluşur. Bu temel yapı elde etmek için, birçok tasarım dahil olmak üzere önceki çalışmalar önerilmiştir:
(1) Metal temas Dacron ağ içine gömülü. Örgü daha sonra sinir etrafına sarılır ve elde edilen ağzı şekil sinir geometrisi 4, 5 izler.
(2) Ön şeklindeki sert ve iletken olmayan silindirler kullanmak Bölünmüş silindir tasarımları sinir etrafındaki kişileri düzeltmek için. 8 – Bu manşet aldığı sinir segmenti Kolluğun iç geometri 6 içine yeniden şekillendirilir.
<p class= "jove_content"> (3) Kendi kangallanan kontaklar iki yalıtım katmanları arasında kapalı olan tasarımlar. Harici uzatılmamış tabaka ile gergin iken iç tabaka kaynaşmıştır. İki tabakadan farklı doğal dinlenme uzunlukları sinir etrafında saran esnek bir sarmal oluşturmak üzere, son yapının neden olur. Bu tabakalar için kullanılan malzemeler, tipik olarak, polietilen 9 polimid 10 ve silikon kauçuk 1 olmuştur.(4) sinir karşı yerleştirilen kurşun tellerin Yalıtımsız bölümleri elektrot temas olarak hizmet vermektedir. Bu iletkenler ya da silikon tüp 11 dokuma veya silikon içe silindirler 12 kalıplanır. Benzer bir prensip düzenlenmesi ve bir dizi oluşturmak için yalıtılmış tellerin eritme ve ardından yalıtım yoluyla bir açıklık bu birleştirilmiş tel 13 ortasından küçük sıyırma yapılır ine parçalar oluşturmak için kullanıldı. Bu tasarımlar eşekume yuvarlak sinir kesit ve bu uygun sinir geometri üstlendi.
(5) Esnek poliimid tabanlı elektrotlar kendinden sarma manşet oluşturmak için gergin silikon tabakalar halinde entegre sonra Polyimide yapısını Mikroişleme ve oluşan kişiler ile 33. Bu tasarım aynı zamanda bir yuvarlak sinir kesitini varsayar.
Manşet elektrotlar esnek ve kendini boyutlandırma germe ve sinir hasarına 3 neden olabilir sinir sıkıştırarak önlemek için olmalıdır. manşet elektrotlar bu etkileri neden olabilir hangi bilinen mekanizmalarından bazıları manşet ve dolayısıyla sinire komşu kaslar güçlerin iletim vardır, manşet en ve sinirin mekanik özellikleri ve Kolluğun potansiyel gereksiz gerginlik arasındaki uyumsuzluk. Bu güvenlik sorunları mekanik esneklik tasarım kısıtlamaları özel seti, geometrik yapılandırma ve büyüklüğü 1 yol açar. Bu kriterler, özellikle challe olanBir yüksek kontak sayısı GÜZEL durumunda donanımının değiştirilmesi manşet boyuna zarar görmesini önlemek için yön yanı sıra birden fazla kişi kapasiteli olarak sinir ve esnek yeniden şekillendirmek için enine yönde aynı zamanda cesetten olmalıdır çünkü. Birden fazla kişi 14 cuff ağırlayacak spiral tasarımları Kendinden boyutlandırma, ancak ortaya çıkan manşet biraz sert olduğunu. Esnek polimid tasarım kişileri yüksek sayısını karşılamak ama delaminasyon eğilimli olabilir. Tel dizisi tasarımı 13 düz kesitli bir FINE üretir, ama teller uzun vadeli implantlar daha sonra uygunsuz hale sert yüzleri ve keskin kenarlar üreten manşet uzunluğu boyunca kaynaşarak bu geometriyi korumak için.
Bu makalede açıklanan üretim tekniği sürekli yüksek hassasiyet ile el ile yapılabilir, esnek bir yapıya sahip bir yüksek temas yoğunluğu hassas üretir. Kesin p izin vermek için bir bükülmez polimer (polietereterketon (PEEK)) kullanankontakların sonra değiştirmenizi. sinir boyunca uzunlamasına yönde esnek kalarak PEEK kademeli bir elektrotun merkezi düz bir kesite tutar. elektrot vücut kişileri sinir dümdüz ya da güvence altına almak amacıyla sert olmak zorunda değildir, çünkü bu tasarım ayrıca manşet genel kalınlığı ve sertliği en aza indirir.
Protocol
Representative Results
Discussion
Bu makalede açıklanan imalat metodu nihai manşet kalitesini sağlamak amacıyla hünerli ve ince hareketleri gerektirir. Kayıt iletişim iki referans elektrot ortasına hassas bir şekilde yerleştirilmelidir. Bu yerleşim ölçüde kaslar elektriksel aktivitesini 27 çevredeki parazitleri azaltmak için gösterilmiştir. imalat sırasında temas göreli konumu herhangi bir dengesizlik ağzı dışında üretilen ortak mod müdahale sinyallerinin geri çevrilmesi ile düşürebilir. Ancak, dikkatli tekni?…
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Bu çalışma Uzay ve Deniz Harp Sistemleri Merkezi, Pasifik Hibe / Sözleşme No.N66001-12-C-4173 ile Dr. Jack Judy ve Dr Doug Weber himayesinde Savunma İleri Araştırma Projeleri Ajansı (DARPA) MTO sponsor oldu . Biz kompozit sinir manşet tasarımın gelişimindeki katkılarından dolayı imalat sürecinde yaptığı yardım için Thomas Eggers ve Ronald Triolo Matthew SCHIEFER Lee Fisher ve Max Freeburg teşekkür etmek istiyorum.
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).
