Fabrication van High-Density Contact, Flatscreen-Interface Nerve Elektroden voor het opnemen en Stimulatie Applications
Summary
Dit artikel geeft een gedetailleerde beschrijving van het fabricageproces van een high-density contact flat-interface zenuw elektrode (FINE). Deze elektrode is geoptimaliseerd voor het opnemen en stimulerende neurale activiteit selectief in perifere zenuwen.
Abstract
Vele pogingen zijn gedaan om multi-contact zenuw cuff elektroden die veilig, robuust en betrouwbaar voor langdurige neuroprosthetic toepassingen vervaardigen. Dit protocol beschrijft een fabricagetechniek van een gemodificeerd cylindrische zenuw manchetelektrode deze criteria voldoen. Minimum computer-aided design en fabricage (CAD en CAM) vaardigheden zijn nodig om consequent te produceren manchetten met een hoge nauwkeurigheid (contact plaatsing 0,51 ± 0,04 mm) en diverse manchet maten. De precisie in ruimtelijke verdeling van de contacten en de mogelijkheid om een vooraf bepaalde geometrie bereikt met dit ontwerp behouden zijn twee criteria essentieel interface de manchet te optimaliseren voor selectieve opname en stimulatie. De getoonde design maximaliseert de flexibiliteit in de lengterichting, terwijl tegelijkertijd voldoende stijfheid in de dwarsrichting om de zenuw hervormen door toepassing van materialen met verschillende elasticiteit. De uitbreiding van de dwarsdoorsnede van de manchetgebied als gevolg van het verhogen van de druk binnen de manchet werd waargenomen tot 25% aan 67 mm Hg. Deze test demonstreert de flexibiliteit van de manchet en zijn respons op zenuw zwelling na implantatie. De stabiliteit van de contacten interface en opnamekwaliteit werden onderzocht met contacten impedantie en signaal-ruisverhouding bij vanuit een chronisch geïmplanteerde manchet (7,5 maanden) en waargenomen 2,55 ± 0,25 respectievelijk kQ en 5,10 ± 0,81 dB.
Introduction
Interfacing met het perifere zenuwstelsel (PNS) geeft toegang tot zeer bewerkte neurale commandosignalen als zij naar verschillende structuren in het lichaam. Deze signalen worden gegenereerd door axonen opgesloten binnen bundels en wordt omringd door strak verbonden perineurium cellen. De grootte van de meetbare potentialen verkregen uit de neurale activiteiten beïnvloed door de impedantie van de verschillende lagen in de zenuw zoals hoogohmig perineurium laag die de bundels omringt. Bijgevolg werden twee interface-benaderingen onderzocht, afhankelijk van de opnamelocatie opzichte van het perineurium laag, namelijk intrafascicular en extrafascicular benaderingen. Intra-fasciculair benaderingen plaats de elektroden in de bundels. Voorbeelden van deze aanpak zijn de Utah-array 17, de Longitudinal Intra-fasciculair elektrode (LIFE) 18, en de dwarse intra-fasciculair meerkanaals elektrode (TIME) 32. Teze technieken selectief opnemen van de zenuw, maar is niet aangetoond betrouwbaar behouden functionaliteit voor langere tijd in vivo, waarschijnlijk als gevolg van de grootte en de naleving van de elektrode 12.
Extra-fasciculair benaderingen plaats de contacten rond de zenuw. De manchet elektrodes voor deze benaderingen niet de perineurium noch de epineurium beschadigen en is aangetoond dat zowel een veilige en robuuste manier van opnemen van het perifere zenuwstelsel 12 zijn. Echter, extra-fasciculair benaderingen missen de mogelijkheid om enkele eenheid activiteit te meten – in vergelijking met intra-fasciculair ontwerpen. Neuroprosthetic toepassingen zenuw cuff elektroden gebruiken omvatten activering van de onderste extremiteiten, de blaas, het membraan, behandeling van chronische pijn, blok neurale geleiding, sensorische feedback en opnamemedia electroneurograms 1. Mogelijke toepassingen te gebruiken perifere zenuw interfacing omvatten rustoring beweging aan de slachtoffers van verlamming met functionele elektrische stimulatie, het opnemen van motor neuron activiteit van de resterende zenuwen naar aangedreven ledematen prothesen beheersen geamputeerden, en interfacing met het autonome zenuwstelsel om bio-elektronische geneesmiddelen 20 leveren.
Een ontwerp uitvoering van de cuff elektrode is de vaste-interface zenuw elektrode (FINE) 21. Dit ontwerp hervormt de zenuw in een flat-dwarsdoorsnede met grotere omtrek ten opzichte van een ronde vorm. De voordelen van dit ontwerp zijn toegenomen aantal contacten die op de zenuw kan worden geplaatst, en de nabijheid van de contacten met de herschikte interne bundels voor selectieve opname en stimulatie. Bovendien kunnen de bovenste en onderste extremiteit zenuwen in grote dieren en de mens verschillende vormen aannemen en de herstructurering die door de FINE niet de natuurlijke geometrie van de zenuw te vervalsen. Recente studies hebben aangetoond dat FINE is in staat herstellen van het gevoel inde bovenste extremiteit 16 en herstel beweging in de onderste extremiteit 22 functionele elektrische stimulatie in mensen.
De basisstructuur van een manchetelektrode erin bestaat verscheidene metalen contacten op het oppervlak van een zenuw segment, en deze contactgebieden met de zenuw segment binnen een geleidende manchet. Om dit basisstructuur te bereiken, zijn verschillende modellen voorgesteld in eerdere studies, waaronder:
(1) Metalen contacten ingebed in een Dacron mesh. Het gaas wordt vervolgens rond de zenuw en de daaruit voortvloeiende manchet vorm volgt de zenuw geometrie 4, 5.
(2) Split-cilinder ontwerpen die voorgevormde rigide en niet-geleidende cilinders gebruiken om de contacten rond de zenuw te repareren. De zenuw segment dat dit manchet ontvangt wordt omgevormd tot de manchet interne geometrie 6-8.
<p class= "jove_content"> (3) Self-wikkelen ontwerpen waar de contacten zijn ingesloten tussen twee isolatielagen. De binnenste laag is gefuseerd, terwijl uitgerekt met een externe-un uitgerekt laag. Met verschillende natuurlijke rust lengtes voor de twee gebonden lagen zorgt ervoor dat de uiteindelijke structuur van een flexibele spiraal die zich wraps rond de zenuw vormen. Het materiaal van deze lagen zijn doorgaans polyethyleen 9 polyimide 10 en siliconenrubber 1.(4) Ongeïsoleerde segmenten van de draden geplaatst tegen het lef om te dienen als de elektrode contacten. Deze kabels zijn ofwel verweven in silicone 11 of gegoten in silicone genesteld cilinders 12. Een soortgelijk principe werd gebruikt om boetes te bouwen door het organiseren en het fuseren van geïsoleerde draden om een array te vormen, en vervolgens een opening door de isolatie wordt gemaakt door het strippen van een klein segment door het midden van deze gevoegde draden 13. Deze ontwerpen assume een ronde zenuw doorsnede en voldoen aan deze veronderstelde zenuw geometrie.
(5) Flexibele polyimide gebaseerde elektroden 33 met contacten gevormd door micromachining polyimide structuur, en vervolgens integreren in uitgerekt silicone sheets om zichzelf te wikkelen manchetten te vormen. Dit ontwerp veronderstelt ook een ronde zenuw doorsnede.
Cuff elektroden moeten flexibel en zelf-sizing om te voorkomen strekken en comprimeren van de zenuw die zenuwbeschadiging 3 kunnen veroorzaken. Enkele bekende mechanismen waarmee manchet elektroden deze effecten kunnen induceren de krachtoverbrenging van aangrenzende spieren de manchet en dus aan de zenuw, mismatch tussen de manchet en mechanische eigenschappen zenuw en de onnodige spanning in leidt de manchet. Deze veiligheidsproblemen leiden tot een specifieke set van design beperkingen op de mechanische flexibiliteit, geometrische configuratie en grootte 1. Deze criteria zijn met name challenging bij een hoge contact telling FINE omdat de manchet moet tegelijkertijd stijf in de transversale richting van de zenuw en flexibel hervormen in de lengterichting om schade te voorkomen en meegaand meerdere contacten. Self-sizing spiraal ontwerpen is geschikt voor meerdere contactpersonen manchet 14, maar de resulterende manchet is een beetje stijf. Flexibel polyimide ontwerp is geschikt voor een groot aantal contacten, maar zijn gevoelig voor delaminatie. De draad-array ontwerp 13 produceert een fijne met platte doorsnede, maar om deze geometrie de draden aan elkaar langs de lengte van de manchet produceren stijve gezichten en scherpe randen maken dan niet geschikt voor de lange termijn implantaten gefuseerd behouden.
De fabricagetechniek hier beschreven levert een hoge dichtheid FINE contact met flexibele structuur die kan worden gemaakt met de hand met constant hoge precisie. Het maakt gebruik van een stijf polymeer (polyether ether ketone (PEEK)) precieze p toestaanlacement van de contacten. De PEEK segment onderhoudt een vlakke doorsnede in het midden van de elektrode blijft soepel in de lengterichting langs de zenuw. Dit ontwerp vermindert het de totale dikte en stijfheid van de manchet omdat de elektrode lichaam niet starre om de zenuw plat of bewerkstelligen dat contacten.
Protocol
Representative Results
Discussion
De vervaardigingswerkwijze hier beschreven vereist handig en fijne bewegingen om de kwaliteit van de uiteindelijke manchet waarborgen. De opname contacten moeten juist in het midden van de twee referentie-elektroden geplaatst. Deze plaatsing is aangetoond dat storingen door omliggende spieren elektrische activiteit 27 aanzienlijk. Elke onbalans in de relatieve positie van het contact tijdens het fabricageproces kan de afwijzing van common mode stoorsignalen buiten de manchet gegenereerde degraderen. Echter, m…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Dit werk werd gesponsord door het Defense Advanced Research Projects Agency (DARPA) MTO onder auspiciën van Dr. Jack Judy en Dr. Doug Weber door de Ruimte en Naval Warfare Systems Center, Pacific Grant / Contract No.N66001-12-C-4173 . We willen graag Thomas Eggers voor zijn hulp bij het fabricageproces en Ronald Triolo, Matthew Schiefer, Lee Fisher en Max Freeburg bedanken voor hun bijdrage aan de ontwikkeling van de samengestelde zenuw manchet 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).
