記録と刺激アプリケーションの高接触密度、フラットインターフェイスの神経電極の作製
Summary
この記事では、高い接触密度フラットインタフェース神経電極（FINE）の製造工程の詳細な説明を提供します。この電極は、末梢神経内で選択的神経活動を記録し、刺激のために最適化されています。
Abstract
多くの試みが長期neuroprostheticアプリケーションのための、安全で堅牢で信頼性の高い多接点神経カフ電極を製造する試みがなされてきました。このプロトコルは、これらの基準を満たすように変更された円筒状の神経カフ電極の製造技術が記載されています。最小コンピュータ支援設計および製造（CADとCAM）スキルが一貫して高い精度で袖口を生産するために必要である（接触配置0.51±0.04ミリメートル）と、様々なカフのサイズ。空間的にコンタクトを分配する際の精度と、この設計で達成事前に定義されたジオメトリを保持する能力は、選択的記録と刺激のためのカフのインターフェースを最適化するために不可欠な二つの基準です。異なる弾性を有する材料を使用することによって、神経を再形成するために横方向に十分な剛性を維持しながら、提示設計はまた、長手方向の柔軟性を最大にします。カフの断面の拡大カフ内の圧力を上昇させる結果として領域67 mmHgで25％であることが観察されました。このテストでは、カフの柔軟性と移植後の腫れ、神経への応答を示しています。コンタクトの安定性慢性移植カフからのインピーダンス及び信号対雑音比の測定基準（7.5ヶ月）」インタフェース、記録品質も接触で検査した」、それぞれ2.55±0.25kΩの及び5.10±0.81 dBのことが観察され。
Introduction
彼らは身体内の異なる構造に旅行として、末梢神経系（PNS）とのインタフェースは、高度に処理された神経指令信号へのアクセスを提供します。これらの信号は、繊維束内に閉じ込められた軸索によって生成され、緊密に接合神経周膜細胞に囲まれています。神経活動から生じる測定可能な電位の大きさは、このような繊維束を囲む高抵抗神経周膜層として神経内の様々な層のインピーダンスに影響されます。その結果、2種類のインタフェースのアプローチは、神経周膜層、すなわち維管束内のとextrafascicularアプローチに対する記録位置に応じて検討されています。イントラ束状のアプローチは、繊維束の内部に電極を配置します。これらのアプローチの例は、ユタ州アレイ17、縦イントラ束状電極（LIFE）18、および横方向のイントラ束状マルチチャンネル電極（TIME）32です。 THESE技術は、神経から選択的に記録することができますが、確実に起因するサイズと電極12のコンプライアンスへの可能性が高いin vivoでの長時間のための機能性を保持することが示されていません。
エクストラ束状のアプローチは、神経の周りの接点を配置します。これらのアプローチで使用されるカフ電極は、神経周膜や神経上膜を損なわないと末梢神経系12からの記録の安全かつ堅牢な手段の両方であることが示されています。しかし、外束状のアプローチは、単一ユニットの活性を測定する能力を欠く – イントラ束状のデザインと比較しました。神経カフ電極を利用Neuroprostheticアプリケーションは、下肢の活性化、膀胱、ダイヤフラム、慢性疼痛、神経伝導のブロック、感覚フィードバック、および記録electroneurograms 1の処理が挙げられます。末梢神経インターフェースを利用する可能性のあるアプリケーションでは、残りの部分を含みます切断者における動力四肢の補綴物を制御するために、残存神経から運動ニューロンの活動を記録し、バイオ電子薬20を提供するために自律神経系とのインターフェース、機能的電気刺激による麻痺の犠牲者への移動をOR接続。
カフ電極のデザイン・インプリメンテーションは、フラットインタフェース神経電極（FINE）21です。このデザインは、丸みを帯びた形状に比べて、より大きな円周付きフラット断面に神経を整形します。この設計の利点は、神経上に配置することができる連絡先の数を増加させ、そして選択的記録と刺激のための再配列内部繊維束との接触に近接しています。また、大型動物およびヒトにおいて、上部および下肢の神経は様々な形状を取ることができ、FINEによって生成された整形は、神経の自然なジオメトリを歪めていません。最近の試験は、微細に感覚を回復することが可能であることを示しています上肢16およびヒトにおける機能的電気刺激で下肢22の動きを復元します。
カフ電極の基本的な構造は、神経セグメントの表面上に複数の金属接点を配置し、その後、非導電性カフ内の神経セグメントに沿って、これらのコンタクトを絶縁から成ります。この基本的な構造を達成するために、いくつかのデザインには、以前の研究で提案されています。
（1） 金属接点は、ダクロンメッシュに埋め込ま 。メッシュはその後、神経の周りに巻かれ、結果として得られるカフ形状は、神経ジオメトリ4、5に従います。
（2）予備成形硬質非導電性のシリンダーを使用スプリットシリンダの設計は、神経の周りに接点を固定します。 8 –このカフを受ける神経セグメントは、カフの内部形状6に再形成されます。
<p class= "jove_content">連絡先が2つの絶縁層の間に封入されている（3） 自己巻きデザイン 。外部未延伸層を用いて延伸したときに、内部層が融合しています。結合した2つの層のための異なる自然静止長で、最終的な構造は、神経の周り自体をラップ柔軟なスパイラルを形成させます。これらの層に使用される材料は、典型的には、ポリエチレン9ポリイミド10、及びシリコーンゴム1でした。（4）神経に対して配置され、リード線の非絶縁セグメントは、電極コンタクトとして機能します。これらのリードは、いずれのシリコンチューブ11に織り込ままたはシリコーンネストされたシリンダ12に成形されています。同様の原理は、アレイを形成する絶縁電線を配置し、融合することによって罰金を構築するために使用した後、絶縁貫通する開口部は、これらの接合線13の中央に小さなセグメントを除去することによって行われます。これらの設計のお尻丸い神経断面梅、これに準拠し、神経形状を仮定しました。
（5）ポリイミド構造を微細加工し、その後自己巻きカフを形成するために延伸したシリコーンシートに統合することによって形成された連絡先との柔軟なポリイミドベース電極 33を 。この設計は、円形の神経断面を想定しています。
カフ電極は、柔軟で自己サイジングストレッチや神経損傷3を引き起こす可能性が神経を圧迫避けるためにすべきです。カフ電極は、これらの効果を誘発することが可能な既知の機構の一部はカフに、したがって神経に隣接する筋肉から力の伝達であり、カフの神経の機械的特性、およびカフのリードで過度の緊張の間に不一致。これらの安全性の問題は、機械的柔軟性に設計制約の特定のセット、幾何学的形状、サイズ1につながります。これらの基準は、特にchalleありますカフが損傷だけでなく、複数の連絡先を収納するのを防止するために、長手方向に神経と柔軟性を再形成するために、横方向に同じ時刻硬いでなければならないので、高い接触回数FINEの場合にnging。セルフサイジングスパイラルデザインは、複数の連絡先は、14カフが、結果カフがやや硬質で対応することができます。柔軟なポリイミドデザインは、連絡先の高い数に対応するが剥離する傾向があることができます。ワイヤアレイ設計13は、平坦な断面を有するFINEを生成するが、ワイヤが長期インプラントのため、その後不適当硬い面とシャープなエッジを生成するカフの長さに沿って一緒に融合され、この形状を保持するためです。
この記事で説明した製造技術は、一貫して高精度に手で作ることができる柔軟な構造と高い接触密度FINEを生成します。これは、正確なPを可能にするために、硬質ポリマー（ポリエーテルエーテルケトン（PEEK））を使用し連絡先のlacement。神経に沿って長手方向に柔軟に残りながら、PEEKセグメントは、電極の中心に平らな断面を維持しています。電極体が神経を平らまたは連絡先を確保するために剛性である必要はありませんので、この設計は、カフの全体の厚さと剛性を最小限に抑えることができます。
Protocol
Representative Results
Discussion
この記事に記載された製造方法は、最終的なカフの品質を確保するために器用な微細な動きを必要とします。記録接点は二つの基準電極の中央に正確に配置する必要があります。この配置は、かなりの筋肉を電気的活動27を周囲の干渉を低減することが示されています。製造中のコンタクトの相対的な位置にある任意の不均衡は、カフの外に発生するコモンモード干渉信号の拒絶反応…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
この作品は、宇宙海軍戦システムセンター、パシフィック・グラント/契約No.N66001-12-C-4173を介して、博士はジャック・ジュディ博士ダグ・ウェーバーの後援で米国防総省の国防高等研究計画庁（DARPA）MTOが主催しました。 。我々は、複合神経カフ設計の開発に貢献するための製造プロセスにおける彼の助けのためのトーマス・エッガース、およびロナルドTriolo、マシュー・シーファー、リー・フィッシャーとMaxフリーバーグに感謝したいと思います。
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 |
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