Fabrikation af High Kontakt-Density, Fladskærms-interface Nerve Elektroder til Optagelse og Stimulation Applications

Summary

Denne artikel indeholder en detaljeret beskrivelse af fremstillingsprocessen af ​​høj kontakt-density flad grænseflade nerve elektrode (FINE). Denne elektrode er optimeret til optagelse og stimulere neurale aktivitet selektivt inden perifere nerver.

Abstract

Mange forsøg er blevet gjort på at fremstille flere kontaktløse nerve manchet elektroder, der er sikre, robuste og pålidelige for langsigtede neuroprosthetic applikationer. Denne protokol beskriver en fabrikation teknik af en modificeret cylindrisk nerve manchet elektrode at opfylde disse kriterier. Minimum computerstøttet design og produktion (CAD og CAM) færdigheder er nødvendige for at producere ensartede manchetter med høj præcision (kontakt placering 0,51 ± 0,04 mm) og forskellige manchet størrelser. Præcisionen i rumligt at fordele kontakter og evnen til at fastholde en foruddefineret geometri opnået med dette motiv er to kriterier væsentlige at optimere manchettens interface for selektiv optagelse og stimulering. Den præsenterede design maksimerer også fleksibiliteten i længderetningen samtidig opretholde tilstrækkelig stivhed i tværgående retning til at omforme nerve ved hjælp af materialer med forskellige elasticiteter. Udvidelsen af ​​manchettens tværsnitsarealområde som følge af forøgelse af trykket inde i manchetten blev observeret at være 25% ved 67 mm Hg. Denne test viser fleksibiliteten af ​​manchetten og dens reaktion på nerve hævelse efter implantationen. Stabiliteten af ​​kontakterne 'interface og optagekvalitet blev også undersøgt med kontakter' impedans og signal-til-støj-forholdet målinger fra en kronisk implanterede manchet (7,5 måneder), og observeret at være 2,55 ± 0,25 kohm og 5,10 ± 0,81 dB.

Introduction

Samspil med det perifere nervesystem (PNS) giver adgang til højt forarbejdede neurale styresignaler som de rejser til forskellige strukturer i kroppen. Disse signaler genereres af axoner begrænset inden hæfterne og omgivet af tæt-ende perineuriet celler. Størrelsen af ​​de målbare potentialer, der følger af de neurale aktiviteter påvirkes af impedansen af ​​de forskellige lag inden nerven såsom stærkt resistive perineuriet lag, der omgiver hæfterne. Følgelig har to brugergrænseflader fremgangsmåder blevet udforsket afhængigt af optagestedet med hensyn til perineuriet lag, nemlig intrafascicular og extrafascicular tilgange. Intra-knippede tilgange placere elektroderne inde hæfterne. Eksempler på disse fremgangsmåder er Utah arrayet ^17, de langsgående Intra-fascicular Elektrode (LIFE) ^18, og den tværgående elektrode intra-fascicular multikanal (TIME) ^32. Tisse teknikker kan optage selektivt fra nerven, men har ikke vist sig at pålideligt bevare funktionaliteten i længere tid in vivo, hvilket sandsynligvis skyldes størrelsen og overholdelsen af elektroden ^12.

Ekstra knippede tilgange placere kontakterne omkring nerven. De manchet elektroder, der anvendes i disse metoder ikke hindrer perineuriet eller epineurium og har vist sig at være både en sikker og robust hjælp af optagelse fra det perifere nervesystem ^12. Men ekstra-fascicular tilgange mangler evnen til at måle enkelt enhed aktivitet, – sammenlignet med intra-knippede designs. Neuroprosthetic applikationer, der udnytter nerve manchet elektroder indbefatter aktivering af den nedre ekstremitet, blæren, mellemgulvet, behandling af kronisk smerte, blok af neural ledning, sensorisk tilbagemelding og optagemedier electroneurograms ^1. Potentielle anvendelser at udnytte perifer nerve grænseflade omfatter restenORING bevægelse til ofre for lammelse med funktionel elektrisk stimulation, optagelse motorisk neuron aktivitet fra resterende nerver til at styre drevne lemmer proteser i amputerede, og samspil med det autonome nervesystem til at levere bioelektronisk medicin ^20.

Et design implementering af manchetten elektrode er et fast interfacet nerve elektrode (FINE) ^21. Dette design omformer nerven til en flad-tværsnit med større omkreds i forhold til en rund form. Fordelene ved denne konstruktion er øget antal kontakter, der kan placeres på nerven, og nærheden af ​​kontakter med de omarrangerede interne hæfterne til selektiv optagelse og stimulering. Desuden kan øvre og nedre ekstremiteter nerver i store dyr og menneske tage forskellige former og reformen genereret af FINE ikke forvrider naturlige geometri af nerven. Nylige forsøg har vist, at FINE er i stand til at genoprette fornemmelse iden øvre ekstremitet ¹⁶ og genoprette bevægelse i den nederste ende ²² med funktionel elektrisk stimulation hos mennesker.

Den grundlæggende struktur af en manchet elektrode består i at placere flere metalkontakter på overfladen af ​​en nerve-segmentet, og derefter isolering af disse kontakter sammen med nerve segment i en ikke-ledende manchet. For at opnå dette grundlæggende struktur, har flere designs blevet foreslået i tidligere undersøgelser, herunder:

(1) Metal kontakter indlejret i en Dacron mesh. Masken bliver så viklet omkring nerven og den resulterende manchetten form følger nerven geometri ^{4, 5.}

(2) Split-cylindrede designs som bruger pre-formede stive og ikke-ledende cylindre til at fastsætte kontakterne omkring nerven. Nerven segment, der modtager denne manchet er omformet i manchettens indre geometri ^{6 – 8.}

<p class= "jove_content"> (3) Self-coiling design, hvor kontakterne er lukkede mellem to isoleringslag. Det indre lag er sammensmeltet mens strækkes med en ekstern un-strakte lag. Med forskellige naturlige hvilende længder for de to bundne lag bevirker den endelige struktur for at danne en fleksibel spiral, der svøber sig omkring nerven. Det til disse lag materiale har typisk været polyethylen ⁹ polyimid ^10, og silikonegummi ^1.

(4) uisolerede segmenter af ledningerne placeret mod nerven til at tjene som elektrodestrukturerne kontakter. Disse ledninger er enten vævet ind siliconerør ¹¹ eller støbt i silikone indlejrede cylindre ^12. Et lignende princip blev anvendt til at konstruere Bøder ved at arrangere og fusionere isolerede ledninger til at danne et array, og derefter en åbning gennem isoleringen er lavet ved at fjerne et lille segment gennem midten af disse forenede tråde ^13. Disse designs røvume et rundt nerve tværsnit og i overensstemmelse med denne antaget nerve geometri.

(5) Fleksibel polyimid baserede elektroder ³³ med kontakter dannet af mikrobearbejdning polyimid struktur, og derefter integreret i strakte silikone ark til at danne selvstændige coiling manchetter. Dette design forudsætter også et rundt nerve tværsnit.

Cuff elektroder skal være fleksible og selv-dimensionering for at undgå strækning og komprimering af nerve, der kan forårsage nerveskade ^3. Nogle af de kendte mekanismer, som manchet elektroder kan fremkalde disse virkninger er transmissionen af ​​kræfter fra tilstødende muskler til manchetten og dermed til nerven, misforhold mellem manchetten-og nerve mekaniske egenskaber, og unødig spænding i manchet s kundeemner. Disse sikkerhedsspørgsmål fører til specifikt sæt af design begrænsninger på den mekaniske fleksibilitet, geometrisk konfiguration og størrelse ^1. Disse kriterier er særligt Challenging i tilfælde af en højt kontakttryk count fint, fordi manchetten skal være samtidig stiv i tværgående retning til at omforme nerve og fleksibel i længderetningen for at forhindre skader og imødekommende flere kontakter. Self-dimensionering spiral design kan rumme flere kontaktpersoner manchet ^14, men den resulterende manchet er noget stiv. Fleksibelt polyimid design kan rumme et stort antal kontakter, men er tilbøjelige til delaminering. Tråden array design ¹³ frembringer et fint med flad tværsnit, men for at fastholde denne geometri trådene er smeltet sammen langs længden af manchetten producerer stive flader og skarpe kanter gør derefter uegnet til langsigtede implantater.

Den fremstillingsteknik beskrevet i denne artikel giver en høj kontakt densitet fint med fleksibel struktur, der kan gøres i hånden med konstant høj præcision. Det bruger en stiv polymer (polyetheretherketon (PEEK)) for at muliggøre præcis placement af kontakterne. PEEK segment bibeholder en fast tværsnit ved midten af ​​elektroden, mens de fortsat er fleksible i længderetningen langs nerven. Dette design minimerer også den samlede tykkelse og stivhed af manchetten siden elektrodelegemet ikke behøver at være stive for at udflade nerve eller sikre kontakterne.

Protocol

1. Elektrode Components Fremstilling Saml fire elektrode komponenter, der kræver præcision cut (laserskåret blev anvendt, henvises til liste Materials) inden fremstillingsprocessen. Disse komponenter er (figur 1): Kontakter vifte ramme: Denne ramme er lavet af 125 um tyk polyetheretherketon (PEEK) ark. Den dækker hele bredden af manchetten og holder de midterste kontakter og har serpentine-formede kanter (figur 1b). De midterste kontakter er pakket ind i de vejlede…

Representative Results

Optagelse neurale aktivitet blev udført med en tilpasset forforstærker under anvendelse super-β input instrumentering forstærker (700 Hz – 7 kHz båndbredde og samlet gevinst på 2.000). Et eksempel på den fabrikerede FINE elektrode med den præsenterede protokol er vist i figur 3. Implantation af FINE omkring nerven sker ved suturering to frie kanter sammen. En demonstration af manchetten fleksibilitet (figur 3B) viser, at manchetten flader nerven samtidig bevare fleksibilitet i l…

Discussion

Den fremstillingsmetode beskrevet i denne artikel, kræver behændige og fine bevægelser med henblik på at sikre kvaliteten af ​​det endelige manchet. Optagelsen kontakter skal placeres præcist i midten af ​​de to referenceelektroder. Denne placering har vist sig at reducere interferens fra omgivende muskler elektrisk aktivitet ^27. Enhver ubalance i den relative position af kontakten under fremstillingen kan forringe afvisning af common mode forstyrrende signaler genereret uden manchetten. Men med …

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