Die Herstellung von High-Kontakt-Dichte, Flach-Interface Nerve Elektroden für die Aufnahme und Stimulation Anwendungen

Summary

Dieser Artikel enthält eine detaillierte Beschreibung des Herstellungsprozesses eines hohen Kontaktdichte flache Schnittstelle Nervenelektrode (FINE). Diese Elektrode ist optimiert für die Aufzeichnung und die neuronale Aktivität selektiv innerhalb der peripheren Nerven zu stimulieren.

Abstract

Viele Versuche wurden Mehrkontakt Nervenmanschette Elektroden herzustellen, sind sicher, robust und zuverlässig für Langzeit neuroprothetischer Anwendungen. Dieses Protokoll beschreibt ein Herstellungsverfahren eines modifizierten zylindrischen Elektrode Nervenmanschette diese Kriterien zu erfüllen. Minimale Computer-Aided Design und Fertigung (CAD und CAM) Fähigkeiten sind notwendig, um konsequent Manschetten produzieren mit hoher Präzision (Kontaktplatzierung 0,51 ± 0,04 mm) und verschiedenen Manschettengrößen. Die Präzision in räumlich um die Kontakte zu verteilen und die Fähigkeit, eine vorgegebene Geometrie mit diesem Entwurf sind zwei Kriterien erreicht zu halten unerlässlich, um die Manschette die Schnittstelle zur selektiven Aufnahme und Stimulation zu optimieren. Die dargestellte Gestaltung maximiert auch die Flexibilität in der Längsrichtung, während eine ausreichende Steifigkeit in der Querrichtung Aufrechterhaltung der Nerven Umformen von Materialien mit unterschiedlichen Elastizitäten verwenden. Die Erweiterung des Querschnitts der ManschetteBereich als Ergebnis des Drucks im Inneren der Manschette Erhöhung beobachtet 25% bei 67 mm Hg sein. Dieser Test zeigt die Flexibilität der Manschette und ihre Reaktion auf Nerven Schwellung nach der Implantation. Die Stabilität der Kontakte Impedanz und Signal-zu-Rausch-Verhältnis Metriken aus einer chronisch implantierten Manschette (7,5 Monate) "Schnittstelle und Aufnahmequalität wurden auch mit Kontakten untersucht" und beobachtet bzw. 2,55 ± 0,25 kOhm und 5,10 ± 0,81 dB.

Introduction

Wirken mit dem peripheren Nervensystem (PNS) ermöglicht den Zugang zu hochverarbeiteten neuralen Befehlssignale, wie sie reisen, um verschiedene Strukturen innerhalb des Körpers. Diese Signale werden erzeugt, indem innerhalb Faszikel beschränkt Axonen und durch eng verbunden Perineuriums Zellen umgeben. Die Größe der meßbaren Potentialen aus den neuralen Aktivitäten resultiert, wird durch die Impedanz der verschiedenen Schichten innerhalb der Nerven wie dem Perineurium hochohmige Schicht beeinflusst, die die Faszikel umgibt. Folglich wurden zwei Schnittstellen Ansätze untersucht, je nach der Aufzeichnungsstelle in Bezug auf das Perineurium Schicht, nämlich intrafaszikuläre und extrafaszikuläres Ansätze. Intra-faszikulären Ansätze stellen die Elektroden im Inneren der Faszikel. Beispiele dieser Ansätze sind das Utah – Array ^17, der Längs Intra-faszikuläre Electrode (LIFE) ¹⁸ und die Querintra faszikuläre mehrkanaligen Elektrode (TIME) ^32. Tiese Techniken können selektiv aus dem Nerven aufnehmen sondern in vivo, wahrscheinlich aufgrund der Größe und der Nachgiebigkeit der Elektrode gezeigt zuverlässig Funktionalität für lange Zeiträume beibehalten ¹² nicht.

Extra faszikulären Ansätze stellen die Kontakte um den Nerv. Die Manschette Elektroden in diesen Ansätzen verwendete keine Kompromisse das Perineurium noch das Epineurium und wurden von der Aufnahme aus dem peripheren Nervensystem ¹² ein sicheres und robustes Mittel zu sein , beide gezeigt. Allerdings außer faszikulären Ansätze fehlt die Fähigkeit, einzelne Einheit Aktivität zu messen – im Vergleich zu den inner faszikulären Designs. Neuroprothetischer Anwendungen , die Nervenmanschette Elektroden verwenden , umfassen die Aktivierung der unteren Extremität, die Blase, die Membran, die Behandlung von chronischen Schmerzen, Block neuronaler Leitung, sensorisches Feedback, und die Aufnahme Elektron ^1. Mögliche Anwendungen zu nutzen, periphere Nerven Interfacing umfassen Restoring Bewegung für Opfer von Lähmung mit funktionellen Elektrostimulation, die Aufnahme Motoneuron Aktivität von Rest Nerven angetriebenen Gliedmaßenprothesen in Amputierten zu steuern und mit dem autonomen Nervensystem eine Schnittstelle ²⁰ Bioelektronik-Medikamente zu liefern.

Eine Design – Implementierung der Manschette Elektrode ist die Flat-Schnittstelle Nervenelektrode (FINE) ^21. Dieser Entwurf formt die Nerven in einen flachen Querschnitt mit größeren Umfang im Vergleich zu einer runden Form. Die Vorteile dieser Bauart sind Anzahl der Kontakte erhöht, die auf dem Nerv angeordnet werden kann, und die Nähe der Kontakte mit den neu angeordneten internen Faszikel zur selektiven Erfassung und Stimulation. Ferner oberen und unteren Extremitäten Nerven bei großen Tieren und Mensch kann verschiedene Formen annehmen und die von der FINE erzeugt Umbildung nicht die natürliche Geometrie des Nerven verzerren. Jüngste Studien haben gezeigt, dass FINE fähig ist Gefühl der Wiederherstellung indas obere Ende ¹⁶ und die Rückstellbewegung in dem unteren Ende ²² mit funktionalen elektrischen Stimulation beim Menschen.

Die Grundstruktur einer Manschettenelektrode besteht auf der Oberfläche eines Nervensegment mehrere Metallkontakte zu platzieren, und isolierende dann diese Kontakte zusammen mit dem Nervensegment innerhalb einer nichtleitenden Manschette. Um diese Grundstruktur zu erreichen, mehrere Entwürfe wurden in früheren Studien vorgeschlagen, einschließlich:

(1) Die Metallkontakte in ein Dacron Masche eingebettet. Das Netz wird dann um den Nerv gewickelt und die sich ergebende Manschettenform folgt der Nervengeometrie ^{4, 5.}

(2) Split-Zylinder – Designs , die vorgeformten verwenden starren und nichtleitenden Zylinder um die Kontakte zu fixieren den Nerv herum. Das Nervensegment , das diese Manschette aufnimmt , ist in den internen Stulpe der Geometrie umgestaltet ^{6 – 8.}

<p class= "jove_content"> (3) Selbstwickel Konstruktionen , bei denen die Kontakte zwischen zwei Isolationsschichten eingeschlossen sind. Die innere Schicht geschmolzen wird, während sie mit einer externen un gestreckten Schicht gestreckt. Mit verschiedenen natürlichen Ruhelängen für die zwei miteinander verbundenen Schichten bewirkt, dass die endgültige Struktur eine flexible Spirale zu bilden, die sich um den Nerv wickelt. Das Material für diese Schichten verwendet wurden typischerweise Polyethylen ⁹ Polyimid ¹⁰ und Siliconkautschuk – ^1.

(4) Nicht isolierte Segmente der Leitungsdrähte gegen den Nerv angeordnet , wie die Elektrodenkontakte dienen. Diese Leitungen werden entweder in Silikonschlauch gewebt ¹¹ oder in Silikon verschachtelt Zylinder ¹² geformt. Ein ähnliches Prinzip wurde verwendet , Bußgelder zu konstruieren , durch das Anordnen und isolierte Drähte Verschmelzen ein Array zu bilden, und dann eine Öffnung , durch die Isolierung erfolgt durch ein kleines Segment durch die Mitte dieser verbundenen Drähte ¹³ Strippen. Diese Entwürfe assume einen runden Querschnitt Nerven und entsprechen diese angenommen Nervengeometrie.

(5) Flexible auf Polyimidbasis Elektroden ³³ mit den Kontakten , gebildet durch Polyimidstruktur Mikrobearbeitung und dann in gestreckte Silikonfolien integrierenden selbst Aufwickeln Manschetten zu bilden. Dieser Entwurf nimmt auch an einen runden Nervenquerschnitt.

Cuff – Elektroden sollten, um flexibel und selbst Sizing zu vermeiden Stretching und die Nerven zu komprimieren , dass Nervenschäden ³ führen kann. Einige der bekannten Mechanismen, durch die Manschettenelektroden diese Effekte sind die Übertragung der Kräfte von benachbarten Muskeln an der Manschette induzieren kann und somit auf den Nerv, Mismatch zwischen der Manschette ist und Nerven der mechanischen Eigenschaften und der übermäßige Spannung in den Leitungen der Manschette. Diese Sicherheitsprobleme führen zu bestimmten Satz von Designbeschränkungen auf die mechanische Flexibilität, geometrische Konfiguration und die Größe ^1. Diese Kriterien sind besonders challein dem Fall eines hohen Kontaktzahl FINE rn de weil die Manschette zugleich steif in der Querrichtung sein muß, den Nerv und flexibel in Längsrichtung neu zu gestalten Schäden sowie das mehrere Kontakte zu verhindern. Selbst Sizing Spirale Designs können mehrere Kontakte Manschette ¹⁴ aufnehmen, aber die resultierende Manschette ist etwas steif. Flexible Polyimid-Design kann eine hohe Anzahl von Kontakten aufnehmen, sind aber anfällig für Delamination. Der Draht – Array – Design ¹³ erzeugt einen feinen mit flachem Querschnitt, aber um diese Geometrie die Drähte verschmolzen sind entlang der Länge der Manschette Herstellung steifen Flächen und scharfen Kanten zusammenzuhalten dann ungeeignet für Langzeitimplantate machen.

Das Herstellungsverfahren in diesem Artikel beschrieben erzeugt eine hohe Kontaktdichte FINE mit flexibler Struktur, die bei gleichbleibend hoher Präzision von Hand gemacht werden kann. Es verwendet ein starres Polymer (Polyetheretherketon (PEEK)) präzise p zu ermöglichenlacement der Kontakte. Das PEEK-Segment hält einen flachen Querschnitt in der Mitte der Elektrode, während in der Längsrichtung entlang des Nervs flexible verbleibt. Diese Konstruktion minimiert auch die Gesamtdicke und Steifigkeit der Manschette, da der Elektrodenkörper starr zu sein, nicht um die Nerven zu glätten hat oder die Kontakte zu sichern.

Protocol

1. Elektrodenkomponenten Vorbereitung Sammeln Sie vier Elektrodenkomponenten, die erfordern, Präzisionsschnitt (Laser-Cut verwendet wurde, verweisen auf die Materialliste) vor dem Herstellungsprozess. Diese Komponenten sind (Abbildung 1): Kontakte Array-Rahmen: Dieser Rahmen ist aus 125 & mgr; m dicken Polyetheretherketon (PEEK) Blech. Es deckt die gesamte Breite der Manschette und hält die mittleren Kontakte und hat serpentinenförmige Kanten (1B). Die Mittelkon…

Representative Results

(- 7 kHz Bandbreite und Gesamtgewinn von 2.000 700 Hz) neurale Aktivität Aufnahme wurde mit einem angepassten Vorverstärker mit Super-β-Eingangsinstrumentenverstärker ausgeführt. Ein Beispiel für die hergestellten FINE – Elektrode mit dem vorgestellten Protokoll ist in Abbildung 3 dargestellt. Die Kombination aus FINE um den Nerv Implantieren zusammen durch Vernähen der beiden freien Kanten getan. Eine Demonstration der Flexibilität der Manschette (3B) zeigt an, dass die Mansche…

Discussion

Das Herstellungsverfahren in diesem Artikel beschriebenen erfordert geschicktes und feine Bewegungen, um die Qualität der endgültigen Manschette zu gewährleisten. Die Aufnahmekontakte müssen genau in der Mitte der beiden Referenzelektroden angeordnet werden. Diese Platzierung wurde Aktivität elektrischen aus den umliegenden Muskeln ²⁷ zu einer signifikanten Störungen zu reduzieren. Ein Ungleichgewicht in der relativen Position des Kontakts während der Herstellung kann verschlechtern die Abstoßung von …

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