Name: 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 (動画) | JoVE Journal
Uploaded: 2016-10-04T14:00:00.000+00:00
Duration: 9 min 35 s
Description: 学ぶフラットインターフェイス神経電極の作製法。高接触密度設計で末梢神経の記録と刺激を最適化し、神経プロステティクス研究に応用可能な信頼性の高い手法を解説します。

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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。

1.電極のコンポーネントの準備<ol><li>前の製造プロセスに（レーザーカットを使用した、物質一覧を参照してください）精密切断を必要とする4つの電極部品を収集します。これらのコンポーネントは、（ 図1）のとおりです。 コンタクトアレーフレーム：このフレームは、125μmの厚さのポリエーテルエーテルケトン（PEEK）シートから作製されます。これは、カフの幅全体をカバーし、中央のコンタクトを保持し、蛇行状のエッジ（ 図1B）を有します。中央のコンタクトは、ガイドチャンネルに包まれています。従ってコンタクトの露出幅は、チャネルの幅によって制限され、間隔は、チャネル間の間隔によって決定されます。 中間コンタクトはストリップ：中間接点は接点アレイフレーム（ 図1B）の周囲にこのストリップを巻き付けることによって形成されています。案内チャンネルの幅に白金/ 10％イリジウムのシートのうちのストリップをカットし、それらをbできるようにするために余分な長さを追加します。eは完全にフレームの周りに折り畳まれました。ストリップの長軸と0°の角度で接触のリードをスポット溶接。 基準接点は：四つの参照が必要です。これらの連絡先の長い寸法は完全にカフの内側にそれらを含むようにカフの幅よりも若干短くなっています。スポットは、連絡先の主要な軸と90°の角度でリードに各基準接点を溶接しました。 PEEKスペーサー：スペーサーが（ 図1C）、曲げたり閉じたりできるように、電極上に薄い領域を作成するために使用されています。すべてのスペーサーは、PEEK（他の材料を使用することができる）から作られた電極の長さに切断されます。中央のスペースの幅は、電極の高さに等しいです。 </li></ol> 2.コンタクトアレイの準備<ol><li>同じ超音波処理パラメータの下で蒸留脱イオン水で、その後2分、40キロヘルツ、室温で2分間、エタノール中で超音波処理することにより、ステップ1で作成したコンポーネントを清掃してください。乾燥してみましょう。 </li><li>視覚検査レーザーカットの残差や表面変形のような欠陥のための連絡先。 </li><li>溶接スポットが上向きにして、顕微鏡下での接点を一つずつ配置します。自由端から出発して約1/3の長さの時にピンセットとの接触を保持します。最初の曲がりを作るために接触を保持しながら、45°の角度にリードを高めます。 </li><li>溶接部を上に向けてアレイフレームの下に予め曲げられた接触を置きます。ピンセットでフレームを押したまま、第二屈曲部を作るために45°の角度にリードを高めます。継続はダウンフレームを保持しながら、180度の角度でピンセットベンドとの接触（フレームの中央線に向かって折り）の自由端をつかみます。 </li><li>まっすぐに伸ばし、プルオペレータに向けて接触をした後、（中央の線に倍）180度の角度で曲がります。スポット溶接ポイントが2曲がった端部の間で囲む必要があります。 </li><li>残りのコンタクト用の2.5 - を繰り返して、2.3を繰り返します。できるだけタイトください。コンタを交互CTは、アレイフレームの各側に導きます。 </li></ol> 3.カフレイアウトガイド<ol><li>平らな開放位置にカフの2D図を作成します。 注：真のスケール図を生成するために、任意のCADソフトウェアを使用してください。この図は、電極と様々な電極のコンポーネントの配置部位の寸法を決定します。 </li><li>通常の印刷機を用いてスケーリングするために、通常の印刷用紙上の2D図を印刷し、その後、中心部に位置し、図面で5平方cm片を5センチ切り出します。 </li><li>メスで熱透明シート（T1）5cmの正方形のピースを5センチ切り取ります。 </li><li>図を上に向けてベース板上に両方の層を配置し、次に図の紙の上に透明片T1を配置し、。粘着テープでベース板にテープそれらをダウン。 </li></ol> 4.電極ベース層とリファレンスコンタクトの配置<ol><li>メス（S1）と5cmのシリコンシートにより5センチ切り出し、目アンは、透明層の上に置きます。その後、ゆっくりとT1とS1シート（ 図2A）との間に気泡をトラップ回避するために、シートの残りの部分を下げる一角をドロップすることによって起動します。 </li><li>メーカーのデータシートに指示されるように、未硬化のシリコーンの約2グラムを混ぜます。厳密に滅菌した木製攪拌棒と一緒に二つの部分をかき混ぜます。 3分間の真空チャンバ内でミックスを置きます。彼らは表面に上昇として気泡を除去するためのサイクル真空。 130ºCでisotempオーブンを予熱。 注：ラテックス手袋は、シリコーンの硬化プロセスを阻害することができます。ラテックス手袋はまた、作業面上の汚染物質を残すことができ、硫黄が含まれています。代わりにニトリル手袋を使用することをお勧めします。 </li><li>歯科ピックツールを使用して、彼らは、案内図に配置されているスペーサーセグメントの中央に沿って未硬化のシリコーンの細い線を適用します。 </li><li>指定された領域の上にスペーサを配置し、その後、シリコンシートS1に対してそれらを押し下げます。</li><li>部分的には10分間のクールダウンさせ、30分間isotempオーブンでシリコーンを硬化させます。 </li><li>指定された領域上に、基準接点を配置します。溶接ポイントがアップ直面しているとの接触リードは遠端で終了するには、カフの正中線に向かって配線されていることを確認してください。正しい位置を確認した後、シリコーン層S1上にダウンして連絡先を押してください。スルーホールへの預金未硬化のシリコーン。 </li><li>リードダウンテープ、その後、完全に室温（ 図2B）で90分、または一晩130ºCでシリコーンを硬化させます。 </li></ol> 5.センター連絡先アレイの配置<ol><li>メス（T2）で5cmの透明ピース1.5センチ切り取ります。基準ダウンテープは、次のステップの間に接点配列の下に実行してからそれらを防ぐために、中間領域から離れてつながります。 </li><li>リード側を上に向けて専用の場所に接触アレイを配置します。で配列をタックするためのデポジット未硬化のシリコーン場所。 </li><li>それらを保持するために、電極の正中線を横切り、アレイ上に5.1からピース（T2）を配置し、その後、アレイ上押しながら両端をテープで固定します。手動で専用の位置に配列を整列させます。カフの境界外のリードダウンテープ。 </li><li>電極の中心を横断し、透明性の区間T2の上に小さな治具バーを配置します。ベースシリコン層S1に対して中央の接点を押して、適度な圧力でベースプレートにそれを取り締まります。 </li><li>完全に130ºCで、または一晩RTで90分間、シリコーンを硬化させます。 </li></ol> 6.電極コンポーネントを埋め込み<ol><li>小さな治具バーを外し、静かに中央のコンタクトアレイを露出するように透明なシートT2を削除します。参考文献と中間接点（ 図2C）の両方のためのリードを保持するすべてのテープを外します。 </li><li>の同じ幅にメスで透明シートの正方形のピースをカットその後、電極および長さ（T3）が5cm、及び全体電極表面（S2）を覆うようにシリコンシートの正方形片に切断します。 </li><li>透明ピース（T3）の上にシリコンシート（S2）を置き、任意の波や凹凸を除去するために、それを伸ばすとの間にトラップされる気泡を除去するために。 </li><li>シリコンチューブの4枚をカット。それぞれ長さ5cm。案内図で割り当てられているように、リード線の出口部位の上に置きます。電極端およびチューブ「エッジ間の2ミリメートルのスペースを入れてください。ピンセットでチューブの各ペアを押しながら、ダウンチューブテープが離れて管端部から1ミリメートルから始まります。他のペアについて、この手順を繰り返します。 </li><li>アレンジと中間連絡先や参考文献のリード線束にして、[終了部位の近くに対応するチューブを介してそれらを渡します。他の3本のチューブのために繰り返します。 （ 図2D）。 </li><li>電極全体の体の上に未硬化のシリコーンの寛大な量を堆積させます。 注：形成は避けてくださいIRはゆっくりと真空に混合容器から未硬化シリコーンを注入または注射器でそれを注入することのいずれかによって、この工程の間に泡。 </li><li>下向きにシリコンシートS2に堆積した未硬化のシリコーンの上に6.3から構造を配置します。 S2はそれに付着したシリコンシートを維持しながら、電極と透明性片T3を合わせます。 </li><li>透明ピースT3ダウンテープと、任意の閉じ込められた空気の泡をチャネルに圧力をかけます。電極の中心を横断し、透明性の区間T3を超える大規模なフィクスチャバーを配置します。そして、適度な圧力でベースプレートにそれを取り締まります。完全に130ºCで、または一晩RTで90分間、シリコーンを硬化させます。 </li></ol> 7.シールド層の配置（記録袖口に推奨） <ol><li>大きなフィクスチャバーを削除し、ピンセットで透明ピース（T3）を剥離し。電極の各面の中央に遮光シートを置き、わずかな圧力tを適用しますO電極にそれらを押してください。スルーホールへの預金未硬化のシリコーン。 </li><li>部分的に130ºCで30分間、シリコーンを硬化し、次にそれを室温に完全に冷まします。電極の外端部の上に粘着テープを置き、閉鎖フランジを介してこれらのセグメントに余分な未硬化のシリコーンを追加防ぐために。 </li><li>繰り返しは6.8を通じて6.6を繰り返します。 </li></ol> 8.完成電極を切り出します<ol><li>はがし、慎重に粘着テープを取り外した後、メスの刃を使用して、ステップ7.2で追加された粘着テープの上に過剰なシリコーンをカット。 </li><li> S2層を介してスペーサーセグメントを露出させるために、シリコーンを介して窓を切り取ります。ピンセットで埋め込まれたスペーサーセグメントを抽出します。このステップは、空隙を残し、これらの領域（元々S1）での柔軟な単一のシリコーンシートを形成します。 </li><li>シリコンチューブをカバーする粘着テープの上に余分なシリコンをはがし、その後、メスの宣伝ちらしでそれをカットeは、電極本体とチューブレベル。 </li><li>ベースプレートまで電極の周囲に切断します。 </li><li>完全にベースプレートを介して各チューブのペア間の三角形を切り取り、そして外側にリード」の出口部位を成形するように案内図を以下に示します。最後のステップ中に電極本体から切り離されたすべてのシリコーン材料を取り除きます。 </li></ol> 9.公開連絡先とシールド層<ol><li>シールド層を覆うシリコン層S2を介して窓を切り取ります。仕上がったカフ電極を剥離し、電極基材（層S1）と、基板上に透明層T1との間にポリプロピレン縫合糸を滑ります。 </li><li>センターの連絡先とシリコーン層S1が上向きされるように電極をフリップし、その後ベースシリコン層S1を介して窓を切り出すことによって、それらを公開します。 Cの中心に沿って1mm幅のセグメントを露出する外部参照の連絡先について繰り返しontacts。スルーホールの基準接点の両側に安定化完全に電極の体内に埋め込まれていることを確認してください。 </li></ol> 10.はんだ付けリードするコネクタ<ol><li>預金のはんだ付けリード上に、別途コネクタのピンに物質、その後、熱やはんだごてと一緒に両方の部分を融合。 注：DFTリード線は、ニッケル - コバルト基合金MP35Nのうちからなる外層により囲まれた銀コアから成ります。これらのワイヤ上にはんだ物質を堆積する（物質一覧を参照してください）電線に付着できるようにする特殊フラックスを使用する必要があります。 </li></ol>

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著者は、彼らが競合する金融利害関係を持たないことを宣言します。この原稿に記載されているサプライヤーは、参考のために提供されています。

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を低下させる可能性があります。しかし、慎重な技術を用いて、基準接点における顕著な不均衡にはほとんど観察されました。 いくつかの改良は、初期の動物試験中に発生した故障モードに対処するためにカフのデザインに行われました。これらのモードと対応する改善は、次のとおりです。 リード破損：基準接点のリードが溶接スポットで失敗することが観察されました。このfailuリード電極を出るサイトでは不十分ストレインリリーフに起因した再。この問題は、終了する前に、電極本体内部の基準リードの長さを含むことによって解決しました。 <p class="jove_con...

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。 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。

<table><tbody><tr><td>プラチナイリジウムホイル</td><td>Alfa Aesar</td><td>41802</td><td>90% プラチナイリジウム&nbsp;</td></tr><tr><td>DFTワイヤー</td><td>Fort Wayne Metals</td><td>35N LT-DFT-28%Ag</td><td></td></tr><tr><td>リードコネクタ</td><td>Omnetics Connector Corporation</td><td>MCS-27-SS</td><td></td></tr><tr><td>シリコンシート</td><td>スペシャリティ シリコンファブリケーター</td><td>0.005インチ x 12インチ x 12インチ シリコンシート</td><td>高デュロメーター、加硫&nbsp;</td></tr><tr><td>ポリエーテルエーテルケトン(PEEK)シート</td><td>Peek-Optima</td><td>0.005シート LT3グレード</td><td></td></tr><tr><td>ポリエステルスタベライジングメッシュ</td><td>サージカルメッシュ</td><td>PETKM2002</td><td></td></tr><tr><td>シリコンチューブ(0.04インチI.D. 0.085インチOD)</td><td>シルコンメディカル/ニューエイジインダストリーズ。</td><td></td><td></td>2810458</tr><tr><td>外側のシールド層</td><td>アルファ Aesar、A Johnson Matthey</td><td>MFCD00003436 (11391)</td><td>金箔、厚さ 0.004インチ</td></tr><tr><td>透明シート</td><td>アポロ</td><td>APOCG7060</td><td></td></tr><tr><td>超音波浴クリーナー</td><td>テラ ユニバーサル</td><td>2603-00A-220</td><td></td></tr><tr><td>アイソテンプ標準ラボ オーブン</td><td>フィッシャー サイエンティフィック</td><td>13247637G</td><td></td></tr><tr><td>光学顕微鏡</td><td>フィッシャーサイエンティフィック</td><td>15-000-101</td><td></td></tr>ピン<tr><td>セット</td><td>Technik</td><td>18049USA(2A-SA)</td><td></td></tr><tr><td>外科用ブレードハンドル</td><td>アスペンサージカル製品</td><td>371031</td><td></td></tr><tr><td>ベースフレーム&nbsp;</td><td>McMaster-Carr</td><td>9785K411</td><td></td></tr><tr><td>サポートビーム</td><td>McMaster-Carr</td><td>9524K359</td><td></td></tr><tr><td>2 部 シリコーン</td><td>Nusil</td><td>MED 4765</td><td></td></tr><tr><td>はんだ付け フラックス</td><td>SRA はんだ付け製品</td><td>FLS71</td><td></td></tr><tr><td>テープ</td><td>3M ヘルスケア</td><td>1535-0 (SKUMMM15350H)</td><td>紙、低アレルギー性外科用テープ</td></tr><tr><td>スポット溶接機</td><td>Unitek</td><td>101F溶接ヘッドレーザー切断プラットフォーム付き125電源ユニバーサル</td>レーザーシステムズPLS6.150D150ワットレーザー <td></td></tr><tr><td></td><td></td><td></td><td></td></tr></tbody></table>

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

Fabrication of High Contact-Density, Flat-Interface Nerve Electrodes for Recording and Stimulation Applications

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。

（ - 7 kHzの帯域幅と2000の総合利得700 Hz）で神経活動を記録するスーパーβ入力計装アンプを使用して、カスタマイズ前置増幅器を用いて行きました。提示されたプロトコルを用いて製造FINE電極の例が図3に示されている。2つの自由縁部を縫合することによって行われ、神経の周りにFINEを注入します。カフの柔軟性（ 図3B）のデモンストレーションは、長手方向の柔軟性を維持しつつ、カフが神経を平坦化することを示しています。 長手方向のカフの柔軟性に加えて、カフはまた、早期の治癒は、移植後のステージ、特にで、神経の腫れに対応するために弾性であるべきです。カフ内部の高い圧力は、血管を収縮し、神経内部の血流を閉塞する可能性があります。その結果、神経腫脹の結果としてカフの内部で発生した圧力は、ジアステレオを超えてはなりませんオリッチ血圧。 図4は、カフ内部の様々な圧力レベルに組み立てられたカフの応答を示しています。圧力が増加すると、電極は、より大きな断面積を形成するように拡張します。...

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。

Many attempts have been made to manufacture multi-contact nerve cuff electrodes that are safe, robust and reliable for long term neuroprosthetic ...

このプロトコルの総合的な目的は、神経インターフェースへの応用に使用するフラットインターフェース・カフ電極を作製することです。フラットインターフェース・カフ電極の使用は、神経から肢を動かそうとする意図をどのように記録するかといった、神経 prosthetic（神経義体）分野における課題の解決に寄与します。カフ電極はサブミリメートル単位の特徴を備えていますが、手作業で確実に作製することが可能です。また、この設計は柔軟であり、多くの異なるニューラルインターフェースアプリケーションに容易にカスタマイズすることが可能です。まずCADソフトウェアを使用して、電極の実寸図を作成します。この図面を用いて、電極の寸法および各電極構成部品の配置場所を決定します。同様に、レーザー切断機で製作できるよう、接点および電極構成部品の別途CADファイルを作成してください。準備として、中心接点を顕微鏡下に配置し、スポット溶接機を用いてリード線に接合します。コンタクトを押し下げて約45度の角度で最初に曲げ、その後コンタクトのフレームに合わせて折り曲げます。アレイフレームの両側でコンタクトリードを交互に配置してください。次に、ガイド図の上に透明シートを置き、それをベースプレートにテープで固定します。次に、作製を開始するために、厚さ5 milのシリコンシートから5 cm四方の正方形を切り出します。気泡が入らないように注意して、それをベースプレート上に配置してください。その後、未硬化のシリコンを2 g準備し、真空チャンバー内で3分間脱泡させます。閉じ込められた空気が逃げるよう、定期的に真空を解除し、再度印加してください。次に、ガイドに従い、スペーサーセグメントの位置に未硬化のシリコンを細く塗布します。その後、準備したスペーサーコンポーネントをシリコンシート上に押し付け、指定の領域に接着させます。次に、シリコンを130 °Cに予熱した等温オーブンに30分間入れ、その後10分間冷却します。次に、リファレンスコンタクトを所定の位置に配置します。この際、溶接箇所を上にし、コンタクトリードをカフの中線方向へ向け、末端から出るように配置してください。正しく配置されていることを確認した後、コンタクトをシリコン層の上に押し付け、スルーホールに未硬化のシリコンを注入します。次に、リード線をテープで一時的に固定し、シリコンを130 °Cで90分間、または室温で一晩硬化させます。リファレンス接点がシリコンで固定されたら、同様の手法を用いてセンターコンタクトアレイを取り付けます。高品質な記録を得るためには、センターコンタクトを正確に配置することが重要です。リードを指定の出口サイトへ適切に配線することも非常に重要です。1 cm × 5 cmの透明シートを切り出し、それを用いて中央のコンタクトアレイを覆います。その後、ベースプレートにテープで固定してください。小型の固定バーを電極の中央に渡し、ベースプレートにクランプして固定し、シリコンが硬化するまで中央のコンタクトを所定の位置に保持します。硬化した後、小型の固定バーを取り除きます。次に、リファレンスおよび金属コンタクトのリードを固定しているテープをすべて剥がし、透明シートを慎重に取り除いて金属コンタクトアレイを露出させます。次に、電極と同じ幅で、長さ5 cmの正方形の透明フィルムを切り出します。続いて、電極表面全体を覆うことができるサイズの正方形のシリコンシートを切り出します。このシリコンシートを透明フィルムの上に重ね、ムラを取り除き、気泡が混入しないように平らに伸ばします。次に、長さ5 cmのシリコンチューブを4本切り出し、図に従って出口箇所に配置します。電極の端とチューブの間に2 mmの隙間を空けてください。ピンセットでチューブの各ペアを押さえながら、チューブ端から1 mm離れた位置からテープで固定します。次に、中央のコンタクトとリファレンスのリードを束にまとめます。その後、出口付近にある対応するチューブに通してください。すべてのチューブに対してこの操作を行います。次に、真空脱泡したミキシングコンテナまたはシリンジを用いて、未硬化のシリコンを電極全体にたっぷりとゆっくりと塗布します。続いて、シリコンと透明構造体を未硬化のシリコンの上に配置します。シリコンシートを密着させたまま、透明パーツを電極に合わせて調整します。次に、透明フィルムをテープで固定し、軽く圧力をかけて内部の気泡を取り除きます。最後に、大きな固定バーを電極の中央および透明フィルムのセグメントの上に配置します。その後、適度な圧力でベースプレートにクランプで固定し、シリコンを完全に硬化させます。遮蔽層を追加するには、大型の固定バーを取り外し、ピンセットで透明パーツを取り除きます。次に、電極の各面の中心に遮蔽シートを配置し、電極にゆっくりと押し込みます。その後、スルーホールに未硬化のシリコンを注入し、130 °Cで30分間部分的に硬化させます。室温まで冷却した後、電極の外端と閉鎖フランジの上に粘着テープを貼り、これらの部分にシリコンが入らないようにします。次に、電極本体全体を覆うようにシリコンの層を追加する工程を繰り返します。続いて、電極の上にシリコンと透明シートを配置し、大型の固定バーで固定してシリコンを硬化させます。硬化後、プロセスを完了させるために、余分なシリコンとテープを取り除きます。次に、シリコンに窓状の切り込みを入れてスペーサーセグメントを露出させ、ピンセットを使用してスペーサーセグメントを取り除きます。その後、顕微鏡下で、チューブ上のテープとシリコンを電極本体の高さまで取り除きます。次に、電極の周囲をベースプレートまで慎重に切り出します。そして、電極を損傷させないよう注意しながら、ガイド図に従ってリードの出口箇所を形成します。チューブの各ペアの間に、電極層を完全に貫通して外側まで達する三角形を切り出してください。次に、遮蔽層を覆っているシリコンにウィンドウを切り出します。その後、電極ベースと隣接する透明層の間にポリプロピレン縫合糸を滑り込ませ、ほぼ完成したカフ電極を剥離させます。最後に、シリコンにウィンドウを切り出し、センターコンタクトとリファレンスコンタクトを露出させます。作製したFINE電極を用いて、イヌの坐骨神経の活動を7.5ヶ月間にわたり記録しました。専用のプリアンプとスーパーベータ入力計装アンプを実装しました。電極の2つの自由端を縫合して一緒に固定することで、神経の周囲にインプラントしました。カフは、縦方向の柔軟性を維持しつつ神経を平坦化します。カフ内部の圧力レベルの上昇に対する電極応答を測定しました。拡張期血圧レベルの 67 mm mercury において、カフは初期断面積の 1.25 倍まで拡張しました。この拡張機能は、インプラント処置後の神経の腫脹を補正するために利用できます。慢性インプラント期間中、いくつかのパラメータを定期的に測定しました。信号対雑音比（S/N比）は、7.5ヶ月の全期間を通じて安定していました。1 kHzで測定した接触インピーダンスも安定したままでした。最終的に、不活性な接点は2つ以下であり、それらは動物の皮膚における接続不良によって生じたものであることが観察されました。このビデオを視聴することで、同様のマルチチャンネル神経電極の作製方法を十分に理解し、最終的なアプリケーションの要件に合わせて設計を調整できるようになるはずです。これらの電極の使用により、神経プロステティクス分野の研究者が神経から随意信号を記録することが可能になりました。

fabrication-high-contact-density-flat-interface-nerve-electrodes-for

Research

JoVE Journal

Neuroscience

神経科学

テクニックは、4を注入するために記述されています...

の電極の作製と注入アメフラシカリフォルニ無傷、自由に振る舞う動物における多チャンネル神経と筋肉の録音のための

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学ぶフラットインターフェイス神経電極の作製法。高接触密度設計で末梢神経の記録と刺激を最適化し、神経プロステティクス研究に応用可能な信頼性の高い手法を解説します。

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

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