उच्च संपर्क घनत्व का निर्माण, रिकॉर्डिंग और उत्तेजना अनुप्रयोगों के लिए फ्लैट इंटरफेस तंत्रिका इलेक्ट्रोड
Summary
यह लेख एक उच्च संपर्क घनत्व फ्लैट इंटरफेस तंत्रिका इलेक्ट्रोड (ठीक) के निर्माण की प्रक्रिया पर एक विस्तृत विवरण प्रदान करता है। यह इलेक्ट्रोड रिकॉर्डिंग और परिधीय नसों के भीतर चुनिंदा तंत्रिका गतिविधि उत्तेजक के लिए अनुकूलित है।
Abstract
कई प्रयासों के बहु संपर्क तंत्रिका कफ इलेक्ट्रोड है कि सुरक्षित, मजबूत और लंबे समय तक neuroprosthetic अनुप्रयोगों के लिए विश्वसनीय हैं निर्माण करने के लिए बनाया गया है। इस प्रोटोकॉल एक संशोधित बेलनाकार तंत्रिका कफ इलेक्ट्रोड की एक निर्माण तकनीक का वर्णन इन मानदंडों को पूरा करने के लिए। न्यूनतम कंप्यूटर एडेड डिजाइन और विनिर्माण (सीएडी और सीएएम) कौशल लगातार उच्च परिशुद्धता (संपर्क प्लेसमेंट के 0.51 ± 0.04 मिमी) और विभिन्न आकारों के साथ कफ कफ का उत्पादन करने के लिए आवश्यक हैं। स्थानिक संपर्क और एक पूर्वनिर्धारित ज्यामिति इस डिजाइन के साथ पूरा किया बनाए रखने की क्षमता के वितरण में सटीक दो चयनात्मक रिकॉर्डिंग और उत्तेजना के लिए कफ के इंटरफेस का अनुकूलन करने के लिए आवश्यक मापदंड हैं। प्रस्तुत डिजाइन भी जबकि अनुप्रस्थ दिशा में पर्याप्त कठोरता को बनाए रखने के अलग-बढने के साथ सामग्री का उपयोग करके तंत्रिका नयी आकृति प्रदान करने के लिए अनुदैर्ध्य दिशा में लचीलापन अधिकतम हो। कफ के पार अनुभागीय का विस्तारकफ के अंदर दबाव में वृद्धि का एक परिणाम के रूप में क्षेत्र की 67 एमएम एचजी से कम 25% होना करने के लिए मनाया गया। इस परीक्षा में कफ के लचीलेपन और सूजन के बाद प्रत्यारोपण तंत्रिका को अपनी प्रतिक्रिया दर्शाता है। संपर्कों की स्थिरता प्रतिबाधा और एक लंबे समय से प्रत्यारोपित कफ से संकेत करने वाली शोर अनुपात मैट्रिक्स (7.5 महीने) 'इंटरफेस और रिकॉर्डिंग की गुणवत्ता भी संपर्कों के साथ जांच की गई', और 2.55 ± 0.25 kΩ और 5.10 ± 0.81 डीबी क्रमश होने के लिए मनाया।
Introduction
परिधीय तंत्रिका तंत्र (पीएन) के साथ Interfacing के रूप में वे शरीर के भीतर विभिन्न संरचनाओं के लिए यात्रा अत्यधिक संसाधित तंत्रिका संकेतों आदेश होते हैं। इन संकेतों fascicles के भीतर ही सीमित एक्सोन द्वारा उत्पन्न और कस-jointed perineurium कोशिकाओं से घिरे हैं। तंत्रिका गतिविधियों से उत्पन्न औसत दर्जे क्षमता की भयावहता को इस तरह के अत्यधिक प्रतिरोधक perineurium परत है कि fascicles चारों ओर से घेरे के रूप में तंत्रिका के भीतर विभिन्न परतों का मुक़ाबला से प्रभावित है। नतीजतन, दो इंटरफेस के दृष्टिकोण perineurium परत, अर्थात् इंट्राफैसिकुलर और extrafascicular दृष्टिकोण के संबंध में रिकॉर्डिंग स्थान के आधार पर लगाया गया है। इंट्रा-स्तबकीय दृष्टिकोण fascicles अंदर इलेक्ट्रोड जगह है। इन तरीकों के उदाहरण यूटा सरणी 17, अनुदैर्ध्य इंट्रा-स्तबकीय इलेक्ट्रोड (जीवन) 18, और अनुप्रस्थ इंट्रा-स्तबकीय मल्टीचैनल इलेक्ट्रोड (समय) 32 हैं। टीhese तकनीक तंत्रिका से चुनिंदा रिकॉर्ड कर सकते हैं लेकिन मज़बूती से आकार और इलेक्ट्रोड 12 के अनुपालन के कारण विवो में समय की लंबी अवधि, संभावना के लिए कार्यक्षमता बनाए रखने के लिए नहीं दिखाया गया है।
एक्स्ट्रा-स्तबकीय दृष्टिकोण तंत्रिका आसपास संपर्कों जगह है। कफ इन तरीकों में इस्तेमाल किया इलेक्ट्रोड perineurium है और न ही epineurium समझौता नहीं करते और परिधीय तंत्रिका तंत्र 12 से रिकॉर्डिंग के दोनों एक सुरक्षित और मजबूत साधन होना दिखाया गया है। हालांकि, अतिरिक्त स्तबकीय दृष्टिकोण एकल इकाई गतिविधि को मापने की क्षमता की कमी – इंट्रा-स्तबकीय डिजाइन की तुलना में। Neuroprosthetic अनुप्रयोगों है कि तंत्रिका कफ इलेक्ट्रोड का उपयोग निचले छोर की सक्रियता, मूत्राशय, डायाफ्राम, पुराने दर्द के इलाज, तंत्रिका चालन के ब्लॉक, संवेदी प्रतिक्रिया, और रिकॉर्डिंग electroneurograms 1 शामिल हैं। संभावित अनुप्रयोगों परिधीय तंत्रिका interfacing का उपयोग करने के लिए बाकी शामिलकार्यात्मक बिजली की उत्तेजना के साथ पक्षाघात के शिकार लोगों के लिए आंदोलन oring, अवशिष्ट नसों से मोटर न्यूरॉन गतिविधि रिकॉर्डिंग amputees में संचालित अंग कृत्रिम अंग को नियंत्रित करने, और जैव इलेक्ट्रॉनिक दवाएं वितरित करने के लिए 20 स्वायत्त तंत्रिका तंत्र के साथ interfacing।
कफ इलेक्ट्रोड का एक डिजाइन कार्यान्वयन फ्लैट इंटरफेस तंत्रिका इलेक्ट्रोड (ठीक) 21 है। इस डिजाइन एक गोल आकार की तुलना में बड़ा परिधि के साथ एक फ्लैट क्रॉस सेक्शन में तंत्रिका को नया स्वरूप दे। इस डिजाइन के फायदे के संपर्क है कि तंत्रिका पर रखा जा सकता है की संख्या बढ़ रहे हैं, और चयनात्मक रिकॉर्डिंग और उत्तेजना के लिए पुनर्व्यवस्थित आंतरिक fascicles के साथ संपर्क के करीब निकटता। इसके अलावा, बड़े जानवरों और मानव में ऊपरी और निचले छोर नसों विभिन्न आकार ले जा सकते हैं और ठीक से उत्पन्न देगी तंत्रिका की प्राकृतिक ज्यामिति बिगाड़ना नहीं है। हाल के परीक्षणों से पता चला है कि ठीक में सनसनी बहाल करने के लिए सक्षम हैऊपरी सिरा 16 और बहाल आंदोलन मनुष्यों में कार्यात्मक बिजली की उत्तेजना के साथ निचले छोर 22 में।
एक कफ इलेक्ट्रोड की बुनियादी संरचना एक nonconductive कफ के भीतर तंत्रिका खंड के साथ-साथ इन संपर्कों एक तंत्रिका खंड की सतह पर कई धातु संपर्कों रखने, और फिर इन्सुलेट के होते हैं। इस बुनियादी संरचना को प्राप्त करने के लिए, कई डिजाइन सहित पिछले अध्ययनों में प्रस्तावित किया गया है:
(1) धातु संपर्कों के एक Dacron जाल में एम्बेडेड। जाल तो तंत्रिका चारों ओर लपेटा जाता है और जिसके परिणामस्वरूप कफ आकार तंत्रिका ज्यामिति 4, 5 प्रकार है।
(2) जो पूर्व के आकार का कठोर और गैर प्रवाहकीय सिलेंडरों का उपयोग विभाजन सिलेंडर डिजाइन तंत्रिका आसपास संपर्कों ठीक करने के लिए। 8 – तंत्रिका खंड है कि इस कफ प्राप्त कफ के आंतरिक ज्यामिति 6 में reshaped है।
<p class= "jove_content"> (3) स्व-coiling डिजाइन जहां संपर्कों दो इन्सुलेशन परतों के बीच संलग्न हैं। एक बाहरी संयुक्त राष्ट्र के फैला परत के साथ फैला है, जबकि आंतरिक परत जुड़े हुए है। दो बंधुआ परतों के लिए विभिन्न प्राकृतिक आराम लंबाई के साथ अंतिम संरचना एक लचीला सर्पिल है कि खुद को तंत्रिका के आसपास wraps के लिए फार्म का कारण बनता है। इन परतों के लिए सामग्री का इस्तेमाल आम तौर पर पॉलीथीन 9 polyimide 10, और सिलिकॉन रबर 1 किया गया है।(4) तंत्रिका के खिलाफ रखा नेतृत्व तारों की uninsulated खंडों इलेक्ट्रोड संपर्क के रूप में सेवा करने के लिए। ये होता है या तो सिलिकॉन टयूबिंग 11 में बुना या सिलिकॉन नेस्ट सिलेंडर 12 में ढाला जाता है। एक समान सिद्धांत की व्यवस्था करने और पृथक की तारों fusing एक सरणी बनाने के लिए, और फिर इन्सुलेशन के माध्यम से एक खोलने इन तारों में शामिल हुए 13 के बीच के माध्यम से एक छोटे से क्षेत्र अलग करना द्वारा किया जाता है द्वारा जुर्माना निर्माण करने के लिए इस्तेमाल किया गया था। इन डिजाइनों गधाUme एक दौर तंत्रिका क्रॉस सेक्शन है और इस के अनुरूप तंत्रिका ज्यामिति ग्रहण किया।
(5) लचीले polyimide आधारित इलेक्ट्रोड polyimide संरचना micromachining, और फिर फैला सिलिकॉन शीट में एकीकृत आत्म coiling कफ के लिए फार्म का गठन करके संपर्कों के साथ 33। इस डिजाइन भी एक दौर तंत्रिका क्रॉस सेक्शन मान लिया गया है।
कफ इलेक्ट्रोड लचीला और आत्म-नौकरशाही का आकार घटाने के आदेश खींच और तंत्रिका कि तंत्रिका क्षति 3 पैदा कर सकता है संपीड़ित करने से बचने के लिए किया जाना चाहिए। नाम से जाना जाता तंत्र है जिसके द्वारा कफ इलेक्ट्रोड इन प्रभावों को प्रेरित कर सकते हैं में से कुछ कफ और इसलिए तंत्रिका से सटे मांसपेशियों से बलों के संचरण कर रहे हैं, कफ और तंत्रिका के यांत्रिक गुणों, और कफ के सुराग में अनुचित तनाव के बीच बेमेल। ये सुरक्षा के मुद्दों यांत्रिक लचीलेपन पर डिजाइन की कमी के विशिष्ट सेट, ज्यामितीय विन्यास, और आकार 1 के लिए सीसा। इन मानदंडों को विशेष रूप से challe हैंएक उच्च संपर्क गिनती ठीक करने के मामले में nging क्योंकि कफ नुकसान को रोकने के अनुदैर्ध्य दिशा के साथ ही कई संपर्कों को समायोजित करने में तंत्रिका और लचीला नयी आकृति प्रदान करने के लिए अनुप्रस्थ दिशा में एक ही समय में अकड़न पर होना चाहिए। सर्पिल डिजाइन स्व-नौकरशाही का आकार घटाने समायोजित कर सकते हैं एकाधिक संपर्कों कफ 14, लेकिन जिसके परिणामस्वरूप कफ कुछ हद तक कठोर है। लचीले polyimide डिजाइन संपर्कों के एक उच्च संख्या को समायोजित लेकिन delamination होने का खतरा हो सकता है। तार सरणी डिजाइन 13 फ्लैट पार अनुभाग के साथ जुर्माना भी पैदा करता है, लेकिन आदेश में इस ज्यामिति तारों कड़ी चेहरे और फिर लंबी अवधि के प्रत्यारोपण के लिए अनुपयुक्त बना तेज किनारों के उत्पादन कफ की लंबाई के साथ एक साथ जुड़े हुए हैं बनाए रखने के लिए।
निर्माण तकनीक इस आलेख में वर्णित लचीली संरचना है कि लगातार उच्च परिशुद्धता के साथ हाथ से बनाया जा सकता है के साथ एक उच्च घनत्व संपर्क ठीक पैदा करता है। यह एक कठोर बहुलक (polyether ईथर कीटोन (तिरछी)) का उपयोग करता सटीक पी अनुमति देने के लिएसंपर्कों के lacement। तंत्रिका साथ अनुदैर्ध्य दिशा में लचीला, जबकि शेष तिरछी खंड इलेक्ट्रोड के केंद्र में एक फ्लैट क्रॉस सेक्शन बनाए रखता है। इस डिजाइन भी समग्र मोटाई और कफ की कठोरता को कम करता है के बाद से इलेक्ट्रोड शरीर आदेश तंत्रिका समतल या संपर्कों को सुरक्षित करने में कठोर होने की जरूरत नहीं है।
Protocol
Representative Results
Discussion
विनिर्माण इस आलेख में वर्णित विधि के क्रम में अंतिम कफ की गुणवत्ता सुनिश्चित करने में निपुण और ठीक आंदोलनों की आवश्यकता है। रिकॉर्डिंग संपर्कों दो संदर्भ इलेक्ट्रोड के बीच में ठीक रखा जाना चाहिए। यह …
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
इस काम के लिए अंतरिक्ष और नौसेना वारफेयर सिस्टम केंद्र, प्रशांत अनुदान / अनुबंध No.N66001-12-C-4173 के माध्यम से डॉ जैक लगा हुआ है और डॉ डौग वेबर के तत्वावधान में डिफेंस एडवांस्ड रिसर्च प्रोजेक्ट्स एजेंसी (DARPA) एमटीओ द्वारा प्रायोजित किया गया था । हम समग्र तंत्रिका कफ डिजाइन के विकास में उनके योगदान के लिए निर्माण की प्रक्रिया में उनकी मदद के लिए थॉमस Eggers, और रोनाल्ड TRIOLO, मैथ्यू Schiefer, ली फिशर और मैक्स Freeburg को धन्यवाद देना चाहूंगा।
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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