Summary
В данной статье приводится подробное описание о процессе изготовления высокой плотности контакта плоской поверхности раздела электрода нерва (FINE). Этот электрод оптимизирован для записи и стимулирования нейронной активности избирательно в периферических нервов.
Abstract
Много попыток было сделано для изготовления мульти-контактных нерва манжеты электроды, которые являются безопасными, прочными и надежными для долгосрочных нейропротезирование приложений. Этот протокол описывает технологию изготовления модифицированного цилиндрической нерва манжеты электрода отвечают этим критериям. Минимальная система автоматизированного проектирования и производства (CAD и CAM) навыки необходимы, чтобы постоянно производить манжет с высокой точностью (контакт размещения 0,51 ± 0,04 мм) и различных размеров манжеты. Точность в пространственно распределения контактов и способность удерживать предварительно определенную геометрию, проделанную с этой конструкцией два критерия, необходимые для оптимизации интерфейса манжете для селективной записи и стимуляции. Представленная конструкция также обеспечивает максимальную гибкость в продольном направлении при сохранении достаточной жесткости в поперечном направлении, чтобы изменить форму нерва при использовании материалов с разными эластичностью. Расширение поперечного сечения манжете вобласть в результате повышения давления внутри манжеты, наблюдалось, что на 25% на 67 мм ртутного столба. Этот тест демонстрирует гибкость манжеты, так и его реакцию на нерва набухания после имплантации. Устойчивость к контактам "интерфейса и качество записи также были рассмотрены с контактами" импеданса и сигнала к шуму метрик отношения с хронически имплантированными манжетой (7,5 месяцев), и было обнаружено, 2,55 ± 0,25 кОм и 5,10 ± 0,81 дБ соответственно.
Introduction
Сопряжение с периферической нервной системы (ПНС) обеспечивает доступ к высоко обработанных нейросигналы команд, как они путешествуют в различные структуры внутри тела. Эти сигналы генерируются аксонов заключены в брошюрах и окружены плотно сочлененных периневрий клеток. Величина измеряемых потенциалов вследствие нейронной деятельности зависит от импеданса различных слоев внутри нерва, такие как высокоомной периневрий слой, который окружает Пучки. Следовательно, существуют два подхода интерфейса были изучены в зависимости от местоположения записи относительно периневрий слоя, а именно intrafascicular и extrafascicular подходов. Intra-фасцикулярные подходы поместить электроды внутри Пучки. Примерами таких подходов являются массив Utah 17, Продольная Intra-пучковой электрода (LIFE) 18, а поперечная внутриотраслевой пучковой многоканальная электрод (TIME) 32. THESE методы могут записывать выборочно от нерва , но не было показано , надежно сохраняют функциональность в течение длительных периодов времени в естественных условиях, вероятно из - за размера и соответствия электрода 12.
Экстра-фасцикулярные подходы разместить контакты вокруг нерва. Манжета электроды , используемые в этих подходах не ставят под угрозу периневрий ни эпиневрии и было показано , что быть как безопасные и эффективные средства записи из периферической нервной системы 12. Тем не менее, дополнительные-пучковой подходы не имеют возможности измерить единый блок активности - по сравнению с интра-пучковой конструкций. Нейропротезирование приложений , которые используют нервные манжета электроды включают в себя активацию нижних конечностей, мочевого пузыря, диафрагма, лечение хронической боли, блок нервной проводимости, сенсорной обратной связи, и запись electroneurograms 1. Потенциальные приложения для использования периферических нервов стыковку включают отдыхORing движение жертвам паралича с функциональной электрической стимуляции, записи нейронов двигательной активности от остаточных нервов управлять механизированных протезов конечностей в ампутированных, и взаимодействие с вегетативной нервной системой , чтобы поставить био-электронные лекарства 20.
Реализация дизайн манжеты электрода представляет собой плоский интерфейс нерва электрода (FINE) 21. Такая конструкция перекраивает нерв в плоской сечения с большей окружности по сравнению с круглой формой. Преимущества такой конструкции увеличивается количество контактов, которые могут быть размещены на нерв, и непосредственная близость контактов с перестроенных внутренних пучках для селективной записи и стимуляции. Кроме того, нервы верхних и нижних конечностей у крупных животных и человека может принимать различные формы и изменение формы, порожденный FINE не искажает естественную геометрию нерва. Недавние исследования показали, что FINE способен восстановить ощущения вверхней конечности 16 и восстановление движения в нижней конечности 22 с функциональной электрической стимуляции в организме человека.
Базовая структура манжетой электрода состоит из размещения нескольких металлических контактов на поверхности сегмента нерва, а затем изолирующие эти контакты вместе с отрезком нерва в пределах непроводящей манжеты. Для достижения этой базовой структуры, несколько конструкций были предложены в предыдущих исследованиях в том числе:
(1) Металлические контакты встроены в сетку лавсановой. Сетка затем оборачивают вокруг нерва и полученный манжет форма следует за геометрию нерва 4, 5.
(2) Сплит-цилиндровые конструкции , которые используют предварительно сформированными жесткие и непроводящих цилиндры зафиксировать контакты вокруг нерва. Сегмент нерва , который принимает эту манжета реорганизован во внутреннюю геометрию манжете в 6 - 8.
Self-смотки конструкции , где контакты , заключенной между двумя слоями изоляции. Внутренний слой сливают в то время как растягивается с внешним ун растянутой слоя. С различной длины естественного отдыха в течение двух склеенных слоев приводит к конечной структуры, чтобы образовать гибкую спираль, которая закручивается вокруг нерва. Материал , используемый для этих слоев , как правило , был полиэтилен 9 полиимида 10, и силиконовая резина 1.
(4) неизолированные отрезки проводов , расположенных против нерва , чтобы служить в качестве электродных контактов. Эти провода либо вплетены в силиконовой трубки 11 или формуют в силиконовых вложенными цилиндров 12. Аналогичный принцип был использован для построения Штрафы путем размещения и сплавления изолированных проводов , чтобы сформировать массив, а затем отверстие через изоляцию производится путем зачистки небольшой отрезок через середину этих соединенных проводов 13. Эти конструкции задницуумэ круглое поперечное сечение нерва и соответствовать этой предполагаемой геометрии нерва.
(5) на основе гибкой полиимидной электроды 33 с контактами , образованных микротокарная структуру многоимида, а затем интегрировать в растянутые силиконовых листов для формирования самостоятельной навивки манжетами. Эта конструкция также предполагает круглое поперечное сечение нерва.
Манжета электроды должны быть гибкими и самостоятельно проклейки, чтобы избежать растяжения и сжатия нерва , который может вызвать повреждение нерва 3. Некоторые из известных механизмов, с помощью которых манжета электроды могут индуцировать эти эффекты являются передача сил от соседних мышц к манжете и, следовательно, к нерву, несоответствие между манжета-х и механических свойств нерва, и чрезмерное напряжение в отведениях манжете в. Эти вопросы безопасности приводят к определенному набору конструктивных ограничений на механической гибкости, геометрической конфигурации и размера 1. Эти критерии являются особенно Challenging в случае высокого контактного счета FINE, потому что манжета должна быть в то же время жесткой в поперечном направлении, чтобы изменить форму нерва и гибкий в продольном направлении для предотвращения повреждения, а также размещения нескольких контактов. Self-проклейки спиральные конструкции можно разместить несколько контактов манжеты 14, но в результате манжеты несколько жесткой. Гибкая конструкция полиимида можно разместить большое число контактов, но склонны к расслаиванию. Конструкция проволоки массив 13 производит FINE с плоским поперечным сечением, но для того , чтобы сохранить эту геометрию провода соединяются вместе вдоль длины манжеты по производству жестких граней и острых кромок делая затем непригодной для долгосрочных имплантатов.
Методика изготовления описанной в этой статье дает высокую контактную плотность FINE с гибкой структурой, которая может быть изготовлена вручную с неизменно высокой точностью. Он использует жесткий полимер (полиэфирэфиркетона (PEEK)), чтобы обеспечить точное рlacement контактов. Сегмент ПЭЭК поддерживает плоское поперечное сечение в центре электрода, оставаясь гибким в продольном направлении вдоль нерва. Эта конструкция также минимизирует общую толщину и жесткость манжеты, так как тело электрода не должна быть жесткой, чтобы сплющить нерв или закручивания контакты.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
1. Электрод Компоненты Подготовка
- Соберите четыре компонента электрода, которые требуют точного нарезные (был использован лазерной резкой, пожалуйста, обратитесь к списку материалов) до процесса производства. Эти компоненты (рисунок 1):
Контакты массив кадров: Этот кадр сделан из толстого полиэфирэфиркетона (PEEK) листа 125 мкм. Она охватывает всю ширину манжеты и держит средние контакты и имеет змеевик-образные ребра (рис 1б). Средние контакты обернуты в направляющих каналах; следовательно, обнаженный ширина контактов ограничена ширина каналов и расстояние определяется расстоянием между каналами.
Средние контакты полосы: Средние контакты образованы оборачивать эти полосы вокруг контактов массива рамы (Рисунок 1В). Вырезать полосы выхода из / 10% иридия листа платины ширины направляющих каналов и добавить дополнительную длину, чтобы позволить им бе полностью сгибается вокруг рамы. Точечная сварка свинца контакта в 0º угол с главной осью удлинителя.
Опорные контакты: необходимы четыре ссылки. Продольный размер этих контактов немного короче, чем ширина манжеты, чтобы полностью содержать их внутри манжеты. Точечная сварка каждого опорного контакта с поводка на 90º угол с главной осью контакта.
PEEK распорки: распорки используются для создания более тонкую область на электроде , чтобы позволить сгибание и укупорки (фиг.1С). Все распорки сделаны из PEEK (другой материал может быть использован) и разрезают на длине электрода. Ширина среднего пространства равна высоте электрода.
2. Контакты Массив подготовки
- Очистить компоненты, изготовленные на стадии 1, с помощью обработки ультразвуком в этаноле в течение 2 мин при 40 КГц и комнатной температуре, затем 2 мин в дистиллированной деионизированной воде при тех же параметрах обработки ультразвуком. Дайте высохнуть.
- Визуально осмотритеконтакты для каких-либо дефектов, таких как лазерной резки остатков или деформации поверхности.
- Расположите контакты один за другим под микроскопом с места сварки лицевой стороной вверх. Держа контакт с пинцетом при приблизительно 1/3 длины, начиная от свободного конца. Приподнимите приводят к 45º угол, удерживая контакт, чтобы сделать первый изгиб.
- Поместите предварительно согнутую контакт под рамой массива с сварной шов лицевой стороной вверх. Удерживая рамку вниз с помощью пинцета и поднять разрыв в счете до угла 45º, чтобы сделать второй изгиб. В то время как Постоянно держа рамку вниз, возьмите свободный конец контакта с пинцетом и изгибом под углом 180º (сложите по направлению к средней линии кадра).
- Выпрямите и вытяните контакт к оператору, а затем согнуть на 180º угол (Fold к средней линии). Точка точечной сварки в настоящее время должна быть заключена между двумя загнутыми концами.
- Повторите шаги 2.3 - 2.5 для остальных контактов. Сделать как можно плотнее. Изменяйте ContàКТ ведет на каждой стороне рамки массива.
3. Руководство Layout манжета
- Создание 2D-схема манжеты в плоском открытом положении.
Примечание: Используйте любое программное обеспечение САПР для создания истинного масштаба диаграммы. Эта схема будет определять размеры электрода и месте размещения для различных компонентов электрода. - Печать 2D-диаграмму на регулярной бумаги для печати в масштабе с помощью обычной печатной машины, а затем вырезать 5 см на 5 см квадратный кусок с рисунком, расположенной в центре.
- Вырежьте 5 см на 5 см квадратный кусок листа тепловой прозрачности (T1) с помощью скальпеля.
- Установите прозрачность кусок T1 на верхней части диаграммы бумаги, а затем поместить оба слоя на опорной плите с диаграммой лицевой стороной вверх. Лента их вниз к опорной плите с помощью клейкой ленты.
4. Электрод базового уровня и Справочная Контакты Размещение
- Вырежьте 5 см на 5 см силиконовый лист с скальпелем (S1), и гоен поместить его на слой прозрачности. Сначала сбросив один угол затем медленно опустить остальную часть листа , чтобы избежать образования пузырьков между T1 и S1 листов (фиг.2А).
- Смешайте приблизительно 2 г неотвержденного силикона, как указано на листе данных производителя. Неукоснительно перемешать обе части вместе с стерилизованной деревянной палочкой для перемешивания. Поместите смесь в вакуумной камере в течение 3 мин. Цикл вакуум для удаления пузырьков, как они поднимаются на поверхность. Разогреть Isotemp печь при температуре 130 ° С.
Примечание: Латексные перчатки может ингибировать процесс отверждения силикона. Латексные перчатки также содержат серу, которая может оставить загрязняющие вещества на рабочих поверхностях. Использование нитриловые перчатки вместо рекомендуется. - Использование стоматологического инструмента подборщик, нанесите тонкую линию неотвержденного силикона вдоль середины отрезков распорок, где они расположены на направляющей диаграмме.
- Поместите распорки на указанных регионах, а затем нажмите их вниз по отношению к силиконовым листа S1.
- Частично вылечить силикон в Isotemp духовке в течение 30 минут, дайте ему остыть в течение 10 мин.
- Поместите опорные контакты на специально отведенных местах. Убедитесь в том, что сварные точки лицевой стороной вверх и контактные провода проложены по направлению к средней линии манжеты к выходу на дальнем конце. После обеспечения правильного позиционирования, нажмите контакты вниз на силиконовый слой S1. Депозит неотвержденного силикон в сквозные отверстия.
- Лента вниз проводов , а затем полностью отверждение силикона при температуре 130 ° С в течение 90 мин, или в течение ночи при комнатной температуре (Фигура 2В).
5. Центр Контакты Размещение массива
- Вырежьте 1,5 см на 5 см кусок прозрачности со скальпелем (Т2). Лента ссылочный уводит от средней области, чтобы предотвратить их запуск под массива контактов во время следующего шага.
- Поместите контактные массивы на выделенном месте с боковой ведет вверх. Депозит неотвержденного силикон лавировать массив вместо.
- Поместите часть из 5.1 (Т2) через срединную линию электрода и над массивами, чтобы держать их вниз, а затем записать на пленку концы, одновременно нажимая на массивах. Вручную выровнять массив с выделенной позиции. Лента вниз ведет за пределами периметра манжете в.
- Поместите небольшой арматуре бар через центр электрода и над сегментом прозрачности Т2. Зажмите его вниз к опорной плите с умеренным давлением, чтобы нажать на середину контактов от слоя S1 базового силикона.
- Полностью отверждение силикона в течение 90 мин при 130 ° С, или в течение ночи при комнатной температуре.
6. Встраивание компонентов электродов
- Снимите небольшую арматуре планку и аккуратно удалите прозрачный лист Т2 выставить средние контактные массивы. Удалите все ленты , которые держат провода для обеих ссылок и средних контактов (рис 2С).
- Вырежьте квадратный кусок листа прозрачности с помощью скальпеля к той же ширинеэлектрод и 5 см в длину (Т3), а затем вырезать квадратный кусок силиконового листа, чтобы покрыть всю поверхность электрода (S2).
- Положите силиконовый лист (S2) на верхней части куска прозрачности (Т3) и растянуть ее, чтобы удалить любые волны или неровности и устранить пузырьки воздуха был зажат между ними.
- Вырезать четыре части силиконовой трубки; 5 см в длину каждый. Поместите их на месте выхода из выводов, как назначенных на направляющей диаграмме. Оставьте 2 мм между электродом края и кромок трубок. Удерживая каждую пару труб с помощью пинцета, ленты вниз труб, начиная с 1 мм от конца трубы. Повторите эти действия для другой пары.
- Устройте и Жилы средних контактов и ссылок в пучки, а затем передавать их через соответствующую трубку рядом с выходом сайтов. Повторите эти действия для остальных трех трубок. (Рисунок 2D).
- Депозит щедрое количество неотвержденного силикона по всему телу электрода.
Примечание: Избегайте образуяИК пузыри во время этого шага либо медленно выливая неотвержденного силикон из вакуумированной емкости для смешивания или впрыскивания его с помощью шприца. - Поместите структуру с 6,3 поверх осажденного неотвержденного силикон с силиконовым листом S2 была обращена вниз. Совместите прозрачность кусок T3 с электродом, сохраняя при этом силиконовый лист S2, приклеенный к нему.
- Лента вниз прозрачность кусок T3, а затем применить давление на канал из скопившийся воздух. Поместите большой арматуре бар через центр электрода и над T3 сегмента прозрачности. Затем зажмите его вниз к опорной плите с умеренным давлением. Полностью отверждение силикона в течение 90 мин при 130 ° С, или в течение ночи при комнатной температуре.
7. Размещение экранирующего слоя (рекомендуется фиксировать на манжетах)
- Удалите большую арматуре планку и расслаиваться кусок прозрачности (T3) с помощью пинцета. Поместите защитного листа в центре каждой грани электрода и немного надавите тO Нажмите их в электрод. Депозит неотвержденного силикон в сквозные отверстия.
- Частично вылечить силикон в течение 30 мин при 130 ° С, а затем дайте ему полностью остыть до комнатной температуры. Поместите клейкую ленту через наружные концы электрода и над запорных фланцев, чтобы предотвратить добавление дополнительных неотвержденного силикон для этих сегментов.
- Повторите шаги 6.6 через 6.8.
8. Вырезание Готовое электрод
- Снимают и отрезать излишки силикона на верхней части клейкой ленты добавляют на стадии 7.2, используя лезвие скальпеля, а затем осторожно снимите клейкую ленту.
- Вырезать из окна через силикон, чтобы выставить сегменты распорок через слой S2. Извлеките встроенные сегменты распорок с помощью пинцета. Этот шаг оставит пустоты и образуют гибкую силиконовую одного листа в этих регионах (первоначально S1).
- Лупиться избыток силикона на верхней части клейкой ленты, которые покрывают силиконовых трубок, а затем разрезать его с скальпелем Bladе, чтобы выровнять трубы с телом электрода.
- Обрежьте по периметру электрода вниз к опорной плите.
- Вырез треугольник между каждой парой трубок полностью через базовую пластину, а на внешней стороне после направляющее схему для формирования выхода сайтов Проводники. Удалить все силиконовый материал, который был отделен от тела электрода в течение последних шагов.
9. Разоблачение контактов и защитных слоев
- Вырезать из окна через слой S2 силикона, который покрывает экранирующий слой. Скольжение полипропиленового волокна шовной нити между электродной основы (слой S1), и слой прозрачного T1 на опорной плите расслаиваться законченную манжеты электрода.
- Флип электрод таким образом, что центр контактов и силиконовый слой S1 являются лицевой стороной вверх, а затем подвергать их путем вырезания окна через слой S1 основание силикона. Повторите эти действия для внешних опорных контактов разоблачающих шириной 1 мм сегменты вдоль центра Contacts. Убедитесь, что стабилизирующий сквозные отверстия на боковых сторонах опорных контактов полностью встроены внутри тела электрода.
10. Пайка разъем для подключения к проводам
- Само вещество на пайки проводов и на Коннектер штифтов отдельно, а затем тепло и сплавить обе части вместе с паяльником.
Примечание: подводящие провода ДПФ состоят из серебряной сердцевины, окруженной наружным слоем, выполненным из сплава на основе MP35N никель-кобальтового. Зачисление припоя вещества на этих проводов требует использования специальности потока, чтобы обеспечить соблюдение провода (пожалуйста, обратитесь к списку материалов).
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
Запись нейронной активности проводили с настраиваемой предварительного усилителя с использованием супер-β входного усилителя (приборного 700 Гц - ширина полосы частот 7 кГц и общее усиление 2,000). Пример сфабрикованному FINE электрода с представленным протоколом показано на рисунке 3. Имплантация Мелкая вокруг нерва делается ушивание два свободных края вместе. Демонстрация гибкости для наложения манжеты (рисунок 3B) указывает на то, что манжета сглаживает нерва при сохранении гибкости в продольном направлении.
В дополнение к гибкости манжеты в продольном направлении, манжета также должен быть эластичным, чтобы приспособить нерва отеки, особенно на ранних стадиях заживления после имплантации. Высокое давление внутри манжеты может сужают кровеносные сосуды и закупоривают кровоток внутри нерва. Следовательно, давление, создаваемое внутри манжеты в результате нервного набухания, не должно превышать ДиастOlic артериального давления. На рисунке 4 показан отклик собранной манжетой на различных уровнях давления внутри манжеты. По мере увеличения давления, электрод расширяется, образуя большую площадь поперечного сечения. На 67 мм ртутного столба; электрод расширяется до 1,25 раза его первоначальной площади поперечного сечения. Это наблюдение может быть истолковано как, если размер манжеты по меньшей мере, в 1,2 раза начальная площадь поперечного сечения нерва, нерв может расширить до 1,5 первоначальную площадь поперечного сечения, в то время как в результате чего увеличение давления внутри манжеты остается под 67 мм рт.ст. , Поэтому конструкция критерий 15, 30, 31 для нерва манжеты электрода обнаруживают отношение площади сечения по ширине манжеты к нерву , по меньшей мере , 1,5 выполнено.
Функциональность и стабильность конструкции выпускаемого манжеты был осмотрен имплантировать его на седалищный нерв собаки (рисунок 5). Исследование было одобрено CWRU IACUC ай ACURO. Три параметра периодически измеряли через хронической продолжительности имплантата: 1) отношение сигнал-шум (SNR), 2) контактного импеданса и 3) количество контактов, которые обеспечивают жизнеспособную запись. SNR определяется как отношение нейронной активности средней мощности (красный сегмент) над средней мощности базовой активности (желтый сегмент). использовали 100 мс окно перемещения. На протяжении всего срока имплантации 7,5 мес, ОСШ оставался стабильным со значением 5.10 ± 0.81 дБ (рис 5б).
Величина импеданса о контактах измерялось в естественных условиях на частоте 1 кГц и показан на рисунке 5С. Эти измерения были сделаны с использованием системы оценки усилителя RHD2000-Series. Импеданс наблюдалось стабильным со средним значением 2,55 ± 0,25 кОм (33 испытаний, 16 контактов (N = 528)). И, наконец, количество контактов , которые стали неактивными в течение долгого времени также показана на рисунке 5С. Число неактивныхконтакты оставались под 2 на время имплантата. Флуктуации числа исключенных каналов привело в основном из-за плохого соединения между внешним разъемом и усилителем и восстановила функции во время сессий записи.
Рисунок 1: Обзор FINE и ее компонентов А) неустойку в открытом положении и четырех основных компонентов здания , которые требуют точности резки.. Эти компоненты являются: Контакты массив кадров (I), средние контакты полосы (II), ссылка контакты (III), PEEK проставки (IV). Манжета были обращены вниз относительно размещения контактов от нерва. Распорки (IV), удаляются после сборки. B) Развернутое вид на центр контактов и шаги , чтобы сложить и закрепить их вокруг средней рамы. C) сложенной конфигурации Т он электрода. Пожалуйста , нажмите здесь , чтобы посмотреть увеличенную версию этой фигуры.
Рисунок 2:... Снэпшотами электрода во врем фабрикации процесса A) Направляющая диаграмма, T1 и S1 стеков в конце стадии 4.1 В) Монтажное сегменты разделителей и опорные контакты в конце шага 4.7 C) приклеивают центр контакты массив S1 листа в конце шага 6.1. D) Аранжировка провода и силиконовую трубку , прежде чем встраивая их внутри тела электрода в конце шага 6.5. Пожалуйста , нажмите здесь , чтобы посмотреть увеличенную версию этой фигуры.
Рисунок 3: Нерв манжета электрода описано в протоколе. A) изготовлено 16 -контакты FINE в открытом положении. Проводники расположены в четырех пучков 5 приводит в место выхода. B) Пример размещения манжету вокруг седалищного нерва у собак. Средний сегмент FINE оставалась плоской в поперечном направлении, а тело манжеты является гибким в продольном направлении. C) Фотография имплантированный нерва пост некропсический показывает сплющенный поперечное сечение и расположение пучках после имплантации FINE электрода для 12 недель. Пожалуйста , нажмите здесь , чтобы посмотреть увеличенную версию этой фигуры.
инжирЮр 4: ВЫСОКОЕ ответ на увеличение внутреннего давления Эти измерения были сделаны путем размещения надувной упругую камеру , внутри закрытой манжеты, а затем давление постепенно увеличивается по переменной -длина толще воды.. Старшие и младшие оси поперечного сечения манжете, были измерены на каждом уровне давления и эллиптическое сечение предполагалось, для того, чтобы рассчитать площадь поперечного сечения (п = 20). Столбики ошибок обозначают стандартное отклонение.
Рисунок 5: Оценка функциональности манжета с хронической записи седалищного нерва активность у собак A) Две секунды пример сырого ENG сигнала , записанного на один контакт в то время как животное добровольно ходить на беговой дорожке.. SNR определялась как отношение активности и базовой линии средних мощностей. B) Средние значения SNR наблюдались Dйти во время продолжительности имплантата. C) Среднее значение контактов импеданса на частоте 1 кГц (черный) и количества нефункциональных контактов с течением времени (красный). 14 из 16 контактов оставались функциональным в течение всего периода имплантации. Столбики ошибок обозначают стандартное отклонение. Пожалуйста , нажмите здесь , чтобы посмотреть увеличенную версию этой фигуры.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
Способ изготовления описан в этой статье, требует ловких и тонких движений, с тем чтобы обеспечить качество конечного манжеты. Регистрирующие контакты должны быть расположены точно в середине двух электродов сравнения. Это размещение было показано, значительно снизить интерференцию от окружающих мышц электрической активности 27. Любой дисбаланс в относительном положении контакта в процессе изготовления может ухудшить отказ от общих сигналов режима мешая, возникающего за пределами манжеты. Тем не менее, с тщательной техникой очень мало, чтобы без заметного дисбаланса в контрольных контактах наблюдалось.
Некоторые улучшения были сделаны в конструкции манжеты для устранения видов отказов, возникших в ходе предварительных испытаний на животных. Эти режимы и соответствующие усовершенствования:
Свинец повреждения: наблюдались выводы ссылочных контактов на провал на сварочном месте. Это failuвновь было связано с недостаточной защитой от натяжения на участке, где ведущий выходит из электрода. Эта проблема была решена в том числе длину опорных проводов внутри корпуса электрода перед выходом.
Закрытие отказ узла: после имплантации открытие манжеты наблюдалось и приписали к режущим шовного через силикон. Эта проблема была решена путем добавления армирующей сетки и используя мягкую шовный материал, такой как шелк, чтобы сшить манжету.
Артефакты движения: Большие спонтанные артефакты (> 100 мкВ) встречались с первым конструкции записи манжетами. Подобные артефакты были ранее сообщалось 23 , но не были учтены. Установлено, что эти артефакты, чтобы быть трибоэлектрическую шума и были отнесены к тому, что два разнородных непроводящих материалов может генерировать заряда вдоль шипы свинца и напряжения, связанных с движением выводных проводов. В частности, силиконовые TuБинг, покрывающей контактные провода и "изолирующий материал (политетрафторэтилена) имеют разные аффинности заряда, который вызывает перенос заряда между ними и в приводит" Проводники проводящий сердечник, образуя шипы во время движения свинца. Проверка природы этих артефактов было сделано путем реконструкции движение аналогичной конструкции кабеля в нормальном физиологическом растворе пути и наблюдались аналогичные артефакты. Для того, чтобы решить эту проблему, изоляционный материал должен иметь сродство заряд, аналогичный вмещающего материал трубки.
Электрод Экранирование: экранирующий слой (золотой металлической фольгой) был также добавлен к наружным поверхностям манжеты , чтобы обеспечить дополнительное снижение EMG 28. Фольга создает путь низкого сопротивления вдоль тела электрода, который шунтирует ток помехи, возникающие за пределами манжеты.
Сбой соединения: Было отмечено , что чрескожное соединение через кожуне был надежным и вызвало разрыв с до 2 из 16 контактов (красный участок на рисунке 5С). Таким образом, соединение к устройству записи должны быть улучшены, чтобы повысить общую надежность интерфейса.
Электроды, полученные с этим протоколом были имплантированы у собак. Некоторые из материалов , включенных в этот электрод (например, пайки олово, прозрачность листа) еще не был одобрен для использования человеком. Тем не менее, выбор материалов , которые формируют структуру электрода, включены в некоторые FDA одобрил устройства для долгосрочных имплантатов (например, силикон, PEEK, платина / иридий лист). Поэтому, переводя процесс в человеческий требует применения только тщательный отбор материалов, оснастки и изготовление при надлежащем чистых комнатных условиях.
Три основные альтернативные подходы были изучены для производства многоконтактный нерва манжеты электроды, которые может изменить peripheнервы. цвет RAL Во- первых это метод горячего ножа 13. Было показано, что является экономически эффективным подходом к надежно производить Штрафы с высокой плотностью контактов и высокого контактного размещения точности (238 ± 9 мкм расстоянием между контактами). Тем не менее, манжет, полученные этим способом, являются жесткими и общие механические свойства могут не подходит для длительного имплантации. Второй подход лазерного формирования рисунка 24. Nd: YAG лазер были использованы для формирования контактов путем создания модели в многослойных платиновых напыляемыми PDMS. Хотя такой подход является очень воспроизводимые и дают высокие особенности точности (30 мкм), машины требуется очень специализированный и в долгосрочной перспективе биосовместимость электродов не была исследована. Третий подход является ручной созданный контакты массив из платины дисков или сфер закреплены на силиконовой резины 25, 26.
Такой подход не требует дорогостоящего оборудования и использованиявысоко биосовместимые материалы. Основными недостатками этого подхода являются высокая толерантность (> 0,5 мм) и высокая зависимость от человеческой ошибки. Процедура изготовления описанной в данном протоколе дает точное размещение контактов и хорошо воспроизводим из-за предопределенной геометрии светильника кадра. Расстояние между средними контактами измеряли при 0,51 ± 0,04 мм (N = 70), а также размеры контактов определяются допуском лазерной резки машин.
Мелкие частицы, изготовленные с помощью этой процедуры способны с соответствующим алгоритмом для обнаружения местоположения Пучки внутри нерва и восстановления пучковой сигналов в свободно движущихся животных без клетки Фарадея и с ОСШ 5.10 ± 0.81 дБ. Эта конструкция подходит для стимуляции нерва и может быть использовано для селективного стимуляции с использованием Tripolar конфигурации манжеты с минимальными артефактами 29. Эта технология изготовления также имеетгибкость для производства различных манжет для конкретных применений, таких как монополярной стимуляции и записи скорости нерва.
Monopolar дизайн может быть реализован путем удаления четырех опорных контактов, сохраняя при этом центральные контакты. Полученная манжета может затем быть короче в длину и могут быть дополнительно модифицированы путем маршрутизации всех приводит к выходу на одной стороне (одна пара силиконовые трубки вместо двух). Электрод записи скорость может быть реализована путем замены электродов сравнения с четырьмя дополнительными кадрами контактная массиву и последующее размещение провода дополнительных контактов внутри тела электрода к противоположному месте выхода.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
Авторы заявляют, что у них нет конкурирующих финансовых интересов. Поставщики, перечисленные в этой рукописи приводятся только для справки.
Acknowledgments
Эта работа была организована в передовых оборонных исследовательских проектов агентства (DARPA) МТО под эгидой доктора Джека Джуди и д-р Дуг Вебер через центр космической и морской войны Systems, Pacific Grant / Контракт No.N66001-12-C-4173 , Мы хотели бы поблагодарить Томаса Eggers за его помощь в процессе изготовления, и Рональд Triolo, Мэтью SCHIEFER, Ли Фишер и Макса Freeburg за их вклад в развитие конструкции композитного нерва манжеты.
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| 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" x 12" x 12" 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. , 3,774,618 (1973).
- Avery, R. E., Wepsic, J. S. Implantable electrodes for the stimulation of the sciatic nerve. U.S. Patent. , 3,738,368 (1973).
- Hagfors, N. R. Implantable electrode. U.S. Patent. , 3,654,933 (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. , Case Western Reserve University. Ph.D. Thesis (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. , U of Lon. PhD Thesis 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).
