Tillverkning av hög Kontakt densitet Platt-Interface Nerv Elektroder för inspelning och Stimulation Applications
Summary
Den här artikeln innehåller en detaljerad beskrivning av tillverkningsprocessen av en hög kontakt densitet platt gränssnitt nervelektrod (FINE). Denna elektrod är optimerad för inspelning och stimulera neural aktivitet selektivt inom perifera nerver.
Abstract
Många försök har gjorts för att tillverka flera kontakt nerv manschetten elektroder som är säkra, robusta och tillförlitliga för långsiktiga neuroprosthetic applikationer. Detta protokoll beskriver en tillverkningstekniken av en modifierad cylindrisk nerv manschetten elektrod att uppfylla dessa kriterier. Minsta datorstödd konstruktion och tillverkning (CAD och CAM) kunskaper är nödvändiga för att genomgående producera manschetter med hög precision (kontakt placering 0,51 ± 0,04 mm) och olika manschettstorlekar. Precisionen i rumsligt fördela kontakterna och förmågan att kvarhålla en fördefinierad geometri åstadkommes med denna design finns två kriterier viktiga för att optimera manschetten gränssnitt för selektiv inspelning och stimulering. Den presenterade utformningen maximerar också flexibiliteten i längdriktningen, medan tillräcklig styvhet bibehållande i tvärriktningen för att omforma den nerven genom att använda material med olika elasticiteter. Expansionen av manschettens tvärsnittsområde som ett resultat av att öka trycket inuti manschetten observerades vara 25% vid 67 mm Hg. Detta test visar flexibiliteten hos manschetten och dess svar på nerv svullnad efter implantationen. Stabiliteten av kontakterna "gränssnitt och inspelningskvalitet undersöktes också med kontakter" impedans och signal-brusförhållande mätvärden från en kroniskt implanterad manschett (7,5 månader), och observerades vara 2,55 ± 0,25 kQ och 5,10 ± 0,81 dB.
Introduction
Samverkar med det perifera nervsystemet (PNS) ger tillgång till högförädlade neurala kommandosignaler när de reser till olika strukturer i kroppen. Dessa signaler genereras av axoner begränsade inom fascicles och omgiven av tätt skarvat perineurium celler. Storleken på de mätbara potentialer som härrör från de neurala aktiviteter påverkas av impedansen hos de olika skikten inom nerven såsom den högresistiva perineurium skikt som omger de fascicles. Följaktligen har två gränssnitts tillvägagångssätt undersökts beroende på inspelnings läge med avseende på den perineurium skiktet, nämligen intrafascicular och extrafascicular tillvägagångssätt. Intra-fascikulära metoder placera elektroderna inuti fascicles. Exempel på dessa metoder är Utah uppsättningen 17, längd Intra-fascikulära elektrod (LIFE) 18, och tvär inom fascikulära flerkanalselektrod (TID) 32. Tessa tekniker kan spela selektivt från nerv men har inte visat sig tillförlitligt behålla funktionalitet för långa tidsperioder in vivo, troligen på grund av storlek och efterlevnaden av elektroden 12.
Extra-fascikulära metoder placera kontakter runt nerven. Manschetten elektroder som används vid dessa metoder inte äventyrar perineurium eller epineurium och har visat sig vara både en säker och robust sätt att spela in från det perifera nervsystemet 12. Men extra fascikulära metoder saknar förmåga att mäta enhet aktivitet – jämfört med inom fascikulära design. Neuroprosthetic applikationer som utnyttjar nerv manschetten elektroder innefattar aktivering av den nedre extremiteten, urinblåsan, membranet, behandling av kronisk smärta, block av nervledning, sensorisk återkoppling och inspelnings electroneurograms 1. Potentiella tillämpningar att använda perifer nerv gränssnitt inkluderar vilaoring rörelse till offer för förlamning med funktionell elektrisk stimulering, inspelning motorneuron aktivitet från kvarvarande nerver för att styra motordrivna extremiteter proteser i amputerade, och samverkar med det autonoma nervsystemet att leverera bioelektroniska läkemedel 20.
En implementering av manschetten elektrodkonstruktionen är platt-gränssnittet nervelektrod (FINE) 21. Denna design omformar nerven till en platt-tvärsnitt med större omkrets jämfört med en rund form. Fördelarna med denna konstruktion är ökat antal kontakter som kan placeras på nerven, och närheten av kontakterna med rearrangerade interna fasciklar för selektiv inspelning och stimulering. Dessutom kan de övre och nedre extremiteterna nerver i stora djur och människa ta olika former och den omarbetade genereras av FINE inte stör den naturliga geometri nerven. Nya studier har visat att FINE är kapabel att återställa känsla iden övre änden 16 och återställa rörelse i nedre extremiteten 22 med funktionell elektrisk stimulering i människor.
Den grundläggande strukturen av en manschettelektrod består av att placera flera metallkontakter på ytan av en nervsegmentet, och därefter isolering av dessa kontakter tillsammans med nerven avsnitt inom en icke ledande manschetten. För att uppnå detta grundläggande struktur, har flera utföranden föreslagits i tidigare studier innefattande:
(1) Metallkontakterna inbäddade i en Dacron nät. Nätet lindas sedan runt nerven och den resulterande manschetten formen följer nerv geometri 4, 5.
(2) Split-cylindriga modeller som använder förformade styva och icke-ledande cylindrar för att fixera kontakter runt nerven. Nerven segment som tar emot denna manschett omformas in i manschettens inre geometrin 6-8.
<p class= "jove_content"> (3) Självringlande konstruktioner där kontakterna är inneslutna mellan två isoleringslager. Den inre skikt smälts medan sträcks med en extern un-sträckt skikt. Med olika naturliga vila längder för de två bundna skikt orsakar den slutliga strukturen för att bilda en flexibel spiral som sveper sig runt nerven. Det material som används för dessa skikt har typiskt varit polyetylen 9 polyimid 10, och silikongummi en.(4) Oisolerade segment av ledningstrådarna placeras mot nerven för att tjäna som elektrodkontakter. Dessa leder antingen vävs in silikonslang 11 eller gjuten i silikon kapslade cylindrar 12. En liknande princip användes för att konstruera böter genom att arrangera och fusering isolerade trådar för att bilda en matris, och sedan en öppning genom isoleringen är tillverkad genom stripp ett litet segment genom mitten av dessa förenade trådar 13. Dessa konstruktioner assUME en rund nerv tvärsnitt och överensstämmer med detta antas nerv geometri.
(5) Flexibel polyimid baserade elektroder 33 med kontakter som bildas av mikro polyimid struktur, och sedan integreras i sträckta silikon ark för att bilda självlindnings manschetter. Denna konstruktion förutsätter också en rund nerv tvärsnitt.
Cuff elektroder bör vara flexibel och själv dimensionering för att undvika stretching och komprimera nerven som kan orsaka nervskada 3. Några av de kända mekanismer genom vilka manschetten elektroder kan framkalla dessa effekter är kraftöverföringen från angränsande muskler till manschetten och därmed till nerven, obalans mellan manschettens och nerv mekaniska egenskaper, och otillbörlig spänning i manschetten s leder. Dessa säkerhetsfrågor leder till specifik uppsättning konstruktionskrav på den mekaniska flexibilitet, geometrisk konfiguration och storlek en. Dessa kriterier är särskilt Challenging i fallet med en hög kontakt count FINE eftersom manschetten måste vara samtidigt styv i den tvärgående riktningen för att omforma nerven och flexibel i längdriktningen för att förhindra skador samt mötesgående flera kontakter. Själv dimensionering spiral mönster rymmer flera kontakter manschetten 14, men den resulterande manschetten är något stel. Flexibel polyimid designen rymmer ett stort antal kontakter, men är benägna att delaminering. Tråd array designen 13 producerar en FINE med platt tvärsnitt, men för att hålla kvar denna geometri trådarna smälts samman utmed längden av manschetten producerande stela ytor och skarpa kanter gör sedan olämpliga för långtidsimplantat.
Tillverkningstekniken beskrivs i denna artikel ger en hög kontakttäthet FINE med flexibel struktur som kan göras för hand med konsekvent hög precision. Den använder en stel polymer (polyetereterketon (PEEK)) för att möjliggöra exakt placement av kontakterna. PEEK-segmentet har en platt tvärsektion vid mitten på elektroden medan de förblir flexibla i längdriktningen längs nerven. Denna konstruktion minimerar också den totala tjockleken och styvheten hos manschetten, eftersom elektrodkroppen inte behöver vara styv för att platta till nerven eller säkra kontakterna.
Protocol
Representative Results
Discussion
Tillverkningsmetoden som beskrivs i denna artikel krävs händiga och fina rörelser i syfte att säkerställa kvaliteten på den slutliga manschetten. Inspelningskontakter måste placeras exakt i mitten av de två referenselektroderna. Denna placering har visat sig avsevärt minska störningar från omgivande muskler elektrisk aktivitet 27. Någon obalans i den relativa positionen av kontakten under tillverkningen kan försämra förkastande av common mode interfererande signaler som alstras utanför mansche…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Detta arbete sponsrades av Defense Advanced Research Projects Agency (DARPA) MTO under ledning av Dr. Jack Judy och Dr. Doug Weber genom utrymmet och Naval Warfare Systems Center, Pacific Grant / Contract No.N66001-12-C-4173 . Vi vill tacka Thomas Eggers för hans hjälp i tillverkningsprocessen, och Ronald Triolo, Matthew Schiefer, Lee Fisher och Max Freeburg för deras bidrag till utvecklingen av den sammansatta nerv manschetten design.
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).
