녹화 및 자극 애플리케이션을위한 높은 접촉 밀도의 제작, 평면 인터페이스 신경 전극
Summary
이 문서에서는 높은 접촉 밀도 평면 인터페이스 신경 전극 (FINE)의 제조 공정에 대한 자세한 설명을 제공합니다. 이 전극은 기록 및 말초 신경 내에서 선택적으로 신경 활동을 자극에 최적화되어 있습니다.
Abstract
많은 시도가 장기 neuroprosthetic 애플리케이션 안전 견고하고 신뢰할 다 접점 신경 커프 전극을 제조하게되었다. 이 프로토콜은 이러한 기준에 부합하는 개질 된 원통형 신경 커프 전극의 제조 방법을 설명한다. 최소 컴퓨터 지원 설계 및 제조 (CAD 및 CAM) 기술은 지속적으로 높은 정밀도 (연락처 배치 0.51 ± 0.04 mm) 및 다양한 커프 크기의 팔목을 생산하는 데 필요한. 공간적 접점이 설계로 달성 소정의 형상을 유지하는 기능을 배포하는 정밀 선택적 기록 및 자극을 위해 커프스의 인터페이스를 최적화하는 것이 필수 조건이된다. 다른 탄력성을 갖는 물질을 사용하여 신경을 재 형성하기 위해 가로 방향으로 충분한 강성을 유지하면서되게 디자인은 또한 길이 방향으로 유연성을 최대화한다. 커프의 단면의 확장커프 내부의 압력의 증가의 결과로서 면적은 67mm 수은에서 25 %로 관찰되었다. 이 테스트는 커프의 유연성과 후 임플란트를 팽창 신경에 대한 응답을 보여줍니다. 접점의 안정성 만성적 이식 커프스의 임피던스와 신호 대 잡음 비 메트릭 (7.5 개월) "인터페이스 녹화 품질 또한 컨택 조사되었다 '는 각각 2.55 ± 0.25 kΩ에서 및 5.10 ± 0.81 dB로 관찰했다.
Introduction
말초 신경계 (PNS)와 인터페이싱하기가 신체 내의 다른 구조로 여행하면서 높은 가공 신경 명령 신호에 대한 액세스를 제공한다. 이 신호는 다발 내에서 제한 축색 돌기에 의해 발생 단단히 관절 신경 외피 세포에 의해 둘러싸여있다. 신경 활동 전위 측정 결과의 크기는 같은 다발을 둘러싸는 신경 외피 고 저항 층으로서 신경 내의 다양한 층의 임피던스에 의해 영향을 받는다. 따라서, 두 개의 인터페이스 방법은 신경 외피 층, 즉 intrafascicular extrafascicular 및 방법에 관한 기록 위치에 따라 탐색되고있다. 내 fascicular 방법은 다발 내부에 전극을 배치합니다. 이러한 방법의 예로는 유타 어레이 (17)의 길이 인트라 fascicular 전극 (LIFE) 18 횡 인트라 fascicular 다중 전극 (TIME) (32)이다. 티HESE 기술은 신경에서 선택적으로 기록 할 수 있지만, 확실하게 크기 때문에 전극 (12)의 준수 가능성 생체 장시간위한 기능을 유지하기 위해 도시되지 않았다.
엑스트라 fascicular 방법은 신경 주위에 연락처를 놓습니다. 이러한 방법에 사용되는 커프 전극 신경 외피 나 epineurium을 손상하지 않으며, 말초 신경계 (12)로부터 기록하는 안전하고 견고 모두 의미로 도시되어있다. 그러나, 여분 fascicular 접근법은 단일 유닛의 활성을 측정 할 수있는 능력이 부족 – 인트라 fascicular 디자인에 비해. 신경 커프 전극을 이용 Neuroprosthetic 응용 프로그램은 하체의 활성화, 방광, 다이어프램, 만성 통증의 치료, 신경 전도 블록, 감각 피드백 및 기록 electroneurograms 1을 포함한다. 잠재적 인 응용 프로그램은 나머지를 포함 말초 신경 인터페이싱을 활용하기절단 수술에 전원 공급 용 보철을 제어하기 위해 잔류 신경에서 운동 신경 활동을 기록, 기능적 전기 자극과 마비의 피해자로 이동 or 연산, 바이오 전자 의약품 (20)를 제공 할 수있는 자율 신경계와 인터페이스.
커프 전극의 설계 구현은 평면 인터페이스 신경 전극 (FINE) (21)이다. 이 디자인은 둥근 모양에 비해 더 큰 둘레와 평면 단면에 신경을 재 형성. 이 디자인의 장점은 신경에 배치 할 수있는 컨택의 수가 증가하고, 선택적 기록 및 자극을 위해 재 배열 내부 다발과 접점의 근접한다. 또한, 큰 동물과 인간의 상부 및 하부 말단 신경은 다양한 형태를 취할 수 있고, FINE에 의해 생성 된 재 형성은 신경의 자연 형상을 왜곡하지 않습니다. 최근의 임상 시험은 FINE에 감각을 복원 할 수있는 것으로 나타났다인간의 기능적 전기 자극으로 하체 (22)의 상지 (16) 및 복원 운동.
커프스 전극의 기본 구조는 전도성이 커프 내의 신경 세그먼트와 함께 이러한 접촉 신경 분절의 표면에 여러 가지의 금속 접촉부를 배치하고, 절연 구성된다. 이러한 기본 구조를 달성하기 위해, 여러 가지의 디자인을 포함, 이전의 연구에서 제안되었다 :
(1) 금속 접촉은 쿠론 메쉬에 포함. 메시는 신경 감긴 얻어진 커프 형태는 신경 구조 4, 5를 따른다.
(2) 사전 모양의 강성 및 비전 도성 실린더를 사용하여 분할 실린더 디자인은 신경 주위의 연락처를 수정합니다. 8 -이 커프를 수신 신경 세그먼트 커프스의 내부 구조 (6)에 재 성형된다.
<p class= "jove_content"> (3) 자기 코일 접점 두 개의 절연 층 사이에 둘러싸인 디자인. 외부 않은 뻗어 층으로 뻗어 동안 내부 층은 융합된다. 두 접합 층에 대해 서로 다른 자연 휴식 길이로 신경 주위에 자신을 감싸는 유연한 나선형을 형성하는 최종 구조가 발생합니다. 이들 층에 사용되는 재료는 통상적으로 폴리에틸렌 9 폴리이 미드 (10), 및 실리콘 고무 일이었다.(4) 신경에 배치 된 리드선의 비 절연 부분은 전극 접점 역할을합니다. 이 리드 중 하나 실리콘 튜브 (11)에 직물 또는 실리콘 중첩 된 실린더 (12)에 성형. 유사한 원리를 배치 및 배열을 형성하기 위해 절연 전선을 융합하고 절연 관통 개구는이 결합 와이어 (13)의 중앙을 통해 작은 부분을 제거함으로써 이루어진다 의해 벌금을 구성하는 데 사용 하였다. 이 디자인 엉덩이UME 라운드 신경 단면이 준수 신경 형상을 가정했다.
(5) 폴리이 미드 계 가동 전극 자체 권취 커프를 형성하도록 뻗어 실리콘 시트로 통합 한 다음, 폴리이 미드 구조를 미세 가공 한 의해 형성된 접촉부 (33). 이 디자인은 둥근 신경 단면을 가정한다.
팔목 전극은 유연하고 자기 크기 스트레칭 및 신경 손상 (3)을 일으킬 수있는 신경을 압축 피하기 위해해야합니다. 커프 전극이 효과를 유도 할 수있는 공지의기구의 일부가 커프에 따라서 신경 인접한 근육에서 힘을 전달하고, 커프의 신경의 기계적 특성 및 커프의 리드에 과도한 장력 간의 불일치. 이러한 안전 문제는 기계적 유연성에 대한 설계 제약의 특정 세트, 기하학적 구성 및 크기 1로 이어집니다. 이 기준은 특히 challe 있습니다높은 접촉 카운트 FINE의 경우 플 레이어은 커프 길이의 손상을 방지하기 위해 방향뿐만 아니라, 다수의 콘택트를 수용하기에 신경 유연성을 재 형성하기 위해 가로 방향으로 동시에 강성이어야하기 때문이다. 복수의 접점 (14)을 수용 할 수있는 커프 나선형 디자인 자체 크기 있지만 결과 커프 다소 강성이다. 유연한 폴리이 미드 디자인은 접촉의 높은 수를 수용하지만 박리하는 경향이 있습니다. 와이어 배열 디자인 (13)는 평면 단면 벌금을 생산하고 있지만, 와이어가 장기 이식에 대한 다음 적합하지 않다 뻣뻣한 얼굴과 날카로운 모서리를 생산 커프의 길이를 따라 함께 융합이 형상을 유지하기 위해한다.
이 문서에서 설명하는 제조 기술은 지속적으로 높은 정밀도로 손으로 할 수있는 유연한 구조의 높은 접촉 밀도 FINE을 생산하고 있습니다. 이것은 정확한 P 있도록 강성 중합체 (폴리 에테르 에테르 케톤 (PEEK))를 사용하여연락처의 lacement. 신경을 따라 길이 방향으로 유연하게 유지하면서 PEEK 세그먼트 전극의 중심에 편평한 단면을 유지한다. 전극 체는 접촉 신경 평평하거나 확보하기 위해 경질 할 필요가 없기 때문에이 설계는 또한 커프스의 전체 두께 및 강성을 최소화한다.
Protocol
Representative Results
Discussion
이 문서에서 설명하는 제조 방법은 최종 커프스의 품질을 보장하기 위해 손재주 미세한 움직임을 필요로한다. 기록 콘택트는 두 개의 기준 전극의 중앙에 정확히 위치되어야한다. 이 배치는 상당히 근육 전기 활동 (27) 주변에서의 간섭을 감소시키는 것으로 나타났다. 제조 중에 상대의 상대 위치에 불균형이 커프 외부에서 생성 된 공통 모드 간섭 신호의 제거를 저하시킬 수있다. 그러나 …
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
이 작품은 공간과 해군 전쟁 시스템 센터, 태평양 부여 / 계약 No.N66001-12-C-4173을 통해 박사 잭 주디 박사 덕 웨버의 후원하에 방위 고등 연구 계획국 (DARPA) MTO 후원했다 . 우리는 복합 신경 커프 디자인의 발전에 기여하기위한 제조 공정에서 자신의 도움 토마스 에거, 로널드 Triolo, 마태 복음 Schiefer, 리 피셔와 최대 Freeburg에게 감사의 말씀을 전합니다.
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).
