Summary
Cet article fournit une description détaillée sur le processus de fabrication d'une interface plane électrode nerveuse haute contact densité (FINE). Cette électrode est optimisée pour l'enregistrement et la stimulation de l'activité neuronale sélective dans les nerfs périphériques.
Abstract
De nombreuses tentatives ont été faites pour la fabrication multi-contacts électrodes nerf de manchette qui sont sûrs, robustes et fiables pour les applications neuroprothèses à long terme. Ce protocole décrit une technique de fabrication d'une électrode de manchette de nerf cylindrique modifié pour répondre à ces critères. conception minimale assistée par ordinateur et de fabrication (CAO et FAO) compétences sont nécessaires pour produire régulièrement des poignets avec une grande précision (placement de contact 0,51 ± 0,04 mm) et différentes tailles rotateurs. La précision dans la distribution spatiale des contacts et la capacité de conserver une géométrie prédéfinie accomplie avec cette conception sont deux critères essentiels pour optimiser l'interface du brassard pour l'enregistrement sélectif et la stimulation. La conception présentée maximise également la flexibilité dans la direction longitudinale tout en conservant une rigidité suffisante dans la direction transversale à remodeler le nerf en utilisant des matériaux avec différentes élasticités. L'expansion de la section transversale de la manchettela zone en raison de l'augmentation de la pression à l'intérieur du brassard a été observée pour être 25% à 67 mm de Hg. Cet essai démontre la flexibilité de la coiffe et sa réponse au nerf de gonflement post-implant. La stabilité des contacts de l'interface et l'enregistrement de la qualité ont également été examinés avec des contacts de l'impédance et de signal sur bruit des mesures à partir d'un brassard chroniquement implanté (7,5 mois), et observé que 2,55 ± 0,25 kQ et 5,10 ± 0,81 dB, respectivement.
Introduction
Interfaçage avec le système nerveux périphérique (SNP) donne accès à des signaux de commande de neurones hautement transformés comme ils voyagent à différentes structures dans le corps. Ces signaux sont générés par des axones confinés dans les fascicules et entourés par des cellules périnèvre étroitement articulées. L'amplitude des potentiels mesurables résultant des activités neuronales est affecté par l'impédance des différentes couches à l'intérieur du nerf tel que la couche de perineurium très résistif qui entoure les faisceaux. Par conséquent, deux approches de l'interface ont été explorés en fonction de l'emplacement d'enregistrement par rapport à la couche de périnèvre, à savoir les approches et intrafasciculaires extrafascicular. approches intra-fasciculaires placer les électrodes à l'intérieur des faisceaux. Des exemples de ces approches sont le tableau Utah 17, l'électrode longitudinale intra-fasciculaire (LIFE) 18, et l'électrode transversale intra-fasciculaire multicanal (TIME) 32. Ttechniques es peuvent enregistrer sélectivement du nerf , mais n'a pas été démontré de conserver de manière fiable la fonctionnalité pendant de longues périodes de temps in vivo, probablement en raison de la taille et de la conformité de l'électrode 12.
approches extra-fasciculaires placent les contacts autour du nerf. Les électrodes de manchette utilisées dans ces approches ne compromettent pas la perineurium ni le épinèvre et se sont révélés être à la fois un moyen sûr et robuste de l' enregistrement à partir du système nerveux périphérique 12. Cependant, les approches extra-fasciculaire pas la capacité de mesurer l'activité d'une seule unité - par rapport aux modèles intra-fasciculaires. Neuroprothèses qui utilisent des électrodes nerveuses manchette comprennent l' activation de l'extrémité inférieure, la vessie, le diaphragme, le traitement de la douleur chronique, bloc de conduction nerveuse, la rétroaction sensorielle, et l' enregistrement electroneurograms 1. Les applications potentielles d'utiliser des nerfs périphériques interfaçage inclure reposoring mouvement aux victimes de la paralysie avec la stimulation électrique fonctionnelle, l' enregistrement moteur l' activité des neurones des nerfs résiduels pour contrôler les prothèses des membres motorisés chez les amputés, et l' interfaçage avec le système nerveux autonome à fournir des médicaments bio-électroniques 20.
Une mise en œuvre de la conception de l'électrode de brassard est l'interface plat nerf électrode (FINE) 21. Cette conception remodèle le nerf dans une section plate-cross avec une plus grande circonférence par rapport à une forme ronde. Les avantages de cette conception sont nombre de contacts qui peuvent être placés sur le nerf augmenté, et la proximité des contacts avec les fascicules internes réarrangés pour l'enregistrement sélectif et la stimulation. En outre, les nerfs supérieurs et inférieurs extrémités dans les grands animaux et humains peuvent prendre diverses formes et la refonte générée par le FINE ne faussent pas la géométrie naturelle du nerf. Des essais récents ont montré que FINE est capable de restaurer la sensation dansl'extrémité supérieure 16 et mouvement de rappel à l'extrémité inférieure 22 avec une stimulation électrique fonctionnelle chez l' homme.
La structure de base d'une électrode à ballonnet consiste à placer plusieurs contacts métalliques sur la surface d'un segment de nerf, puis d'isolation de ces contacts avec le segment de nerf à l'intérieur d'un brassard non conducteur. Pour parvenir à cette structure de base, plusieurs modèles ont été proposés dans les études antérieures, y compris:
(1) Des contacts métalliques intégrés dans un maillage Dacron. Le maillage est ensuite enroulé autour du nerf et de la forme brassard résultant suit la géométrie du nerf 4, 5.
(2) conçoit Split-cylindres qui utilisent des cylindres rigides et non conducteurs préformés pour fixer les contacts autour du nerf. Le segment de nerf qui reçoit ce brassard est remodelée dans la géométrie interne de la manchette 6-8.
Auto-enroulant dessins où les contacts sont enfermés entre deux couches d'isolation. La couche interne est fusionnée tout étiré avec une couche de non-étirée externe. Avec différentes longueurs de repos naturel pour les deux couches liées provoque la structure finale pour former une spirale flexible qui s'enroule autour du nerf. Le matériau utilisé pour ces couches ont été généralement en polyéthylène 9 polyimide 10, et le caoutchouc de silicone 1.
(4) segments non isolés des fils conducteurs placés contre le nerf pour servir les contacts d'électrodes. Ces pistes sont soit tissés dans un tube de silicone 11 ou moulés en silicone cylindres imbriqués 12. Un principe similaire a été utilisé pour construire Amendes en organisant et la fusion des fils isolés pour former un réseau, puis une ouverture à travers l'isolation est faite par stripping un petit segment au milieu de ces fils joints 13. Ces dessins assume une section transversale ronde nerf et se conformer à cette géométrie supposé du nerf.
Des électrodes (5) à base de polyimide flexible 33 avec des contacts formés par micro - usinage de la structure du polyimide, puis l' intégration dans des feuilles étirées à base de silicone pour former des manchettes auto-enroulant. Cette conception suppose également une section transversale ronde nerf.
Électrodes Cuff devraient être flexibles et auto-dimensionnement afin d'éviter l' étirement et la compression du nerf qui peut causer des dommages nerveux 3. Certains de ces mécanismes connus par lesquels les électrodes de la coiffe peuvent induire ces effets sont la transmission des forces des muscles adjacents à la manchette, et donc du nerf, non-concordance entre la manchette de propriétés mécaniques et de nerf, et la tension excessive dans les conducteurs de la manchette. Ces questions de sécurité conduisent à ensemble spécifique de contraintes de conception sur la flexibilité mécanique, la configuration géométrique, et la taille 1. Ces critères sont particulièrement challeNging dans le cas d'un compte FINE de contact élevée parce que le brassard doit être à la même raideur de temps dans la direction transversale pour remodeler le nerf et flexible dans le sens longitudinal pour éviter des dommages, ainsi que recevoir de multiples contacts. Auto-dimensionnement des conceptions en spirale pouvant accueillir de multiples contacts brassard 14, mais le brassard résultant est quelque peu rigide. conception de polyimide flexible peut accueillir un grand nombre de contacts, mais sont sujettes à la délamination. La conception du réseau de fils 13 produit une FINE avec section transversale plate, mais dans le but de conserver cette géométrie les fils sont fusionnés ensemble le long de la longueur de la manchette produisant des visages raides et des arêtes vives rendant alors inadapté pour les implants à long terme.
La technique de fabrication décrite dans cet article produit un contact densité FINE élevée avec une structure flexible qui peut être fait à la main avec précision élevée constante. Il utilise un polymère rigide (polyétheréthercétone (PEEK)) pour permettre la p préciselacement des contacts. Le segment de PEEK conserve une section transversale plate au centre de l'électrode tout en restant souple dans la direction longitudinale le long du nerf. Cette conception permet également de minimiser l'épaisseur et la rigidité globale de la manchette depuis le corps d'électrode n'a pas besoin d'être rigide afin d'aplatir le nerf ou fixer les contacts.
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Protocol
1. Composants Préparation de l'électrode
- Rassemblez quatre composants d'électrodes qui nécessitent une coupe de précision (laser-cut a été utilisé, S'il vous plaît se référer à la liste des matières) avant le processus de fabrication. Ces composants sont (Figure 1):
Contacts cadre de tableau: Ce cadre est fait de 125 um d'épaisseur feuille polyétheréthercétone (PEEK). Il couvre toute la largeur de la manchette et maintient les contacts du milieu et a des bords en forme de serpentins (figure 1B). Les contacts intermédiaires sont enveloppés dans les canaux de guidage; par conséquent, la largeur exposée des contacts est limitée par la largeur des canaux et l'espacement est déterminé par l'espacement entre les canaux.
Les contacts intermédiaires bandes: Les contacts intermédiaires sont formés en enroulant ces bandes autour du cadre des contacts de la matrice (figure 1B). Couper les bandes hors de la / 10% feuille Iridium Platinum à la largeur des canaux de guidage et d'ajouter une longueur supplémentaire pour leur permettre de be totalement repliée autour du cadre. Spot-soudure de plomb du contact à 0º angle avec l'axe principal de la bande.
Les contacts de référence: Quatre références sont nécessaires. La grande dimension de ces contacts est légèrement plus courte que la largeur du brassard pour contenir intégralement à l'intérieur de la manchette. Spot souder chaque contact de référence à une avance à 90º angle avec l'axe principal du contact.
Espaceurs PEEK: Spacers sont utilisés pour créer plus mince région sur l'électrode pour permettre la flexion et la fermeture (figure 1C). Toutes les pièces d'écartement sont fabriquées à partir PEEK (autre matériau pourrait être utilisé) et coupés à la longueur de l'électrode. La largeur de l'espace intermédiaire est égale à la hauteur de l'électrode.
2. Contacts Tableau Préparation
- Nettoyer les composants fabriqués dans l'étape 1 par sonication dans de l'éthanol pendant 2 minutes à 40 kHz et la température ambiante, puis 2 min dans de l'eau distillée désionisée dans les mêmes paramètres de sonication. Laisser sécher.
- Inspecter visuellement lacontacts pour les défauts tels que les résidus découpés au laser ou des déformations de surface.
- Positionner les contacts un par un sous le microscope avec le point de soudure vers le haut. Maintenez le contact avec des pincettes à environ 1/3 de la longueur à partir de l'extrémité libre. Surélevez la tête à un angle de 45º tout en maintenant le contact pour faire le premier virage.
- Placez le contact pré-plié sous le cadre de tableau avec la soudure vers le haut. Tenez le cadre vers le bas avec des pinces et d'élever la tête à un angle de 45º pour faire un deuxième coude. Tout en continuant tenant le cadre vers le bas, saisir l'extrémité libre du contact avec des pincettes et coude à un angle de 180º (replier vers la ligne médiane du châssis).
- Redresser et tirez le contact vers l'opérateur, puis plier à 180º angle (plier à la ligne médiane). Le point de soudage par points doit maintenant être enfermé entre les deux extrémités recourbées.
- Répétez les étapes 2.3 à 2.5 pour les contacts restants. Faire aussi serrée que possible. Alternez le contact conduit de chaque côté du cadre du tableau.
3. Guide Mise en page Cuff
- Créer un diagramme 2D de la manchette en position ouverte à plat.
REMARQUE: Utilisez un logiciel de CAO pour produire un diagramme vrai échelle. Ce diagramme permettra de déterminer les dimensions de l'électrode et le site de mise en place des divers éléments d'électrode. - Imprimer le diagramme 2D sur le papier d'impression régulière à l'échelle en utilisant la machine d'impression ordinaire, puis découper un 5 cm par 5 cm carré avec le dessin situé dans le centre.
- Découpez 5 cm par 5 cm carré de la feuille de transparence thermique (T1) avec un scalpel.
- Placez le T1 de pièce de transparence sur le dessus du papier de diagramme, puis placer les deux couches sur la plaque de base avec le schéma vers le haut. Ruban descendre dans la plaque de base avec un ruban adhésif.
4. Electrode couche de base et de référence Contacts Placement
- Découper 5 cm par feuille de silicone de 5 cm avec un scalpel (S1), et een placer sur la couche de transparence. Commencez par laisser tomber un coin , puis abaissez lentement le reste de la feuille pour éviter d' emprisonner des bulles d'air entre T1 et feuilles S1 (figure 2A).
- Mélanger environ 2 g de silicone non polymérisé comme indiqué sur la fiche technique du fabricant. remuer Rigoureusement les deux parties ensemble avec stérilisée agitation bâton en bois. Placez le mélange dans une chambre à vide pendant 3 min. Cycle du vide pour éliminer les bulles comme ils montent à la surface. Préchauffer le four à 130 ºC Isotemp.
Remarque: Les gants en latex peuvent inhiber le processus de durcissement de la silicone. Les gants en latex contiennent également du soufre qui peut laisser des contaminants sur les surfaces de travail. En utilisant des gants au lieu de nitrile est recommandée. - Utilisation de l'outil de préhension dentaire, appliquer une fine ligne de silicone non vulcanisé le long du milieu des segments d'espacement où ils sont situés sur le schéma directeur.
- Placer les entretoises sur les régions désignées, puis les presser vers le bas contre la feuille de silicone S1.
- Partiellement durcir le silicone dans le four Isotemp pendant 30 minutes, laisser refroidir pendant 10 min.
- Placez les contacts de référence sur les zones désignées. Veiller à ce que les points de soudure sont orientés vers le haut et les fils de contact sont acheminés vers la ligne médiane de la manchette pour sortir à l'extrémité. Après avoir vérifié le positionnement correct, appuyez sur les contacts vers le bas sur la couche de silicone S1. Dépôt de silicone non durci dans les trous traversants.
- Bande vers le bas les fils et ensuite durcir complètement la silicone à 130 ° C pendant 90 minutes, ou une nuit à température ambiante (figure 2B).
5. Centre de Placement Contacts Array
- Découpez 1,5 cm par 5 cm pièce de transparence avec un scalpel (T2). Bande en bas de la référence conduit loin de la zone médiane pour les empêcher de courir sous le réseau de contacts au cours de la prochaine étape.
- Placez les tableaux de contact sur l'emplacement dédié avec le côté conduit vers le haut. Dépôt silicone non vulcanisé pour virer le tableau dansendroit.
- Placez le morceau de 5,1 (T2) à travers la ligne médiane de l'électrode et sur les réseaux pour les maintenir vers le bas, puis collez les extrémités tout en appuyant sur les tableaux. aligner manuellement le tableau avec la position dédiée. Bande vers le bas les mène à l'extérieur du périmètre de la manchette.
- Placez la petite barre de fixation à travers le centre de l'électrode et sur le T2 segment de transparence. Fixer le bas à la plaque de base avec une pression modérée à appuyer sur les contacts du milieu contre la silicone de la couche de base S1.
- guérir complètement la silicone pendant 90 min à 130 ° C, ou une nuit à température ambiante.
6. Intégrer les composants d'électrode
- Retirez la petite barre de fixation et retirez délicatement la feuille T2 transparent pour exposer les tableaux de contact du milieu. Retirez toutes les bandes qui maintiennent les pistes pour les deux références et contacts du milieu (figure 2C).
- Coupez un morceau carré de la feuille de transparence avec un scalpel à la même largeur de laélectrode et 5 cm de longueur (T3), puis couper un morceau carré de feuille de silicone pour recouvrir la surface de l'électrode entière (S2).
- Poser la feuille de silicone (S2) sur le dessus de la pièce de transparence (T3) et l'étirer pour enlever les vagues ou irrégularités et d'éliminer les bulles d'air d'être pris au piège entre les deux.
- Coupez quatre morceaux de tube en silicone; 5 cm de long chacun. Placez-les sur le site de sortie des pistes qui lui sont assignées sur le schéma directeur. Laisser un espace de 2 mm entre le bord de l'électrode et les bords des tubes. Tout en maintenant chaque paire de tubes avec des pincettes, bande vers le bas les tubes à partir de 1 mm de l'extrémité du tube. Répétez l'opération pour l'autre paire.
- Organiser et mène des contacts intermédiaires et les références en paquets, puis les passer à travers le tube correspondant à proximité des sites de sortie. Répétez l'opération pour les trois autres tubes. (Figure 2D).
- Dépôt quantité généreuse de silicone non vulcanisé sur le corps de l'électrode entière.
NOTE: Eviter la formation d'unir bulles au cours de cette étape, soit en versant lentement le silicone non polymérisé à partir du récipient de mélange aspiré ou de l'injection avec une seringue. - Placer la structure de 6,3 au-dessus de la silicone non durcie déposée auprès de la feuille de silicone S2 vers le bas. Alignez le T3 de pièce de transparence avec l'électrode tout en maintenant la feuille de silicone S2 collé à elle.
- Ruban sur le T3 de pièce de transparence, puis appliquer une pression pour canaliser les bulles d'air piégées. Placez la grande barre de fixation à travers le centre de l'électrode et sur le T3 de segment de transparence. Puis serrer vers le bas sur la plaque de base avec une pression modérée. guérir complètement la silicone pendant 90 min à 130 ° C, ou une nuit à température ambiante.
7. Placement Layer Blindage (Recommandé pour Poignets Enregistrement)
- Retirez la grande barre de fixation et de délaminer la pièce de transparence (T3) avec des pincettes. Placez la feuille de blindage dans le centre de chaque face de l'électrode et appliquer une légère pression to les presser dans l'électrode. Dépôt de silicone non durci dans les trous traversants.
- Partiellement durcir le silicone pendant 30 min à 130 ° C, puis le laisser refroidir complètement à la température ambiante. Placer un ruban adhésif sur les extrémités extérieures de l'électrode et sur les brides de fermeture pour empêcher l'addition de silicone non durcie supplémentaire à ces segments.
- Répétez les étapes 6.6 à 6.8.
8. Découper l'électrode finie
- Décollez et couper l'excédent de silicone sur le dessus de la bande ajoutée à l'étape 7.2 en utilisant la lame de scalpel adhésif, puis retirez délicatement le ruban adhésif.
- Découpez les fenêtres à travers le silicone pour exposer les entretoises segments à travers la couche S2. Extraire les segments d'espacement intégrés avec des pincettes. Cette étape laisser des vides et former la feuille de silicone unique flexible au niveau de ces régions (à l'origine S1).
- Décoller l'excès de silicone sur le dessus des bandes adhésives qui couvrent les tubes de silicone, puis le couper avec un scalpel blade pour niveler les tubes avec le corps de l'électrode.
- Couper autour du périmètre de l'électrode vers le bas sur la plaque de base.
- Découper un triangle entre chaque paire de tubes complètement à travers la plaque de base et sur le côté extérieur suivant le schéma de guidage pour former des sites de sortie des pistes. Enlever tout le matériau de silicone qui a été détachée du corps de l'électrode au cours des dernières étapes.
9. Exposer les contacts et les couches de blindage
- Découper des fenêtres à travers la couche S2 de silicone qui recouvre la couche de blindage. Glisser le polypropylène filament de suture entre la base d'électrode (couche S1) et la couche T1 transparente sur la plaque de base pour délaminer l'électrode de manchette fini.
- Retournez l'électrode de telle sorte que les contacts centraux et la couche de silicone S1 sont orientés vers le haut, puis les exposer en découpant des fenêtres à travers le silicone de la couche de base S1. Répéter pour les contacts extérieurs de référence exposant de 1 mm de large le long des segments du centre de la contacts. Faire en sorte que la stabilisation de trous traversants sur les côtés des contacts de référence sont entièrement noyées à l'intérieur du corps de l'électrode.
10. souder un connecteur aux Leads
- Dépôt de brasage substance sur les pistes et sur les broches de connecteur séparément, puis la chaleur et fusionner les deux parties en même temps que le fer à souder.
Remarque: Les fils conducteurs DFT sont constitués de noyau d'argent entouré par une couche extérieure faite de l'alliage de nickel-cobalt de base MP35N. Déposer la substance de soudure sur ces fils nécessite l'utilisation de la spécialité flux pour permettre l'adhésion au fil (s'il vous plaît se référer à la liste des matériaux).
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Representative Results
L'enregistrement de l'activité neuronale a été réalisée avec un pré-amplificateur personnalisé en utilisant un amplificateur de super-β entrée d'instrumentation (700 Hz - 7 kHz, la bande passante et le gain total de 2000). Un exemple de l'électrode FINE fabriqué avec le protocole présenté est représenté sur la figure 3. Implanter FINE autour du nerf qui se fait en suturant les deux bords libres ensemble. Une démonstration de la flexibilité de la manchette (figure 3B) indique que le brassard aplatit le nerf tout en conservant la flexibilité dans la direction longitudinale.
En plus de la flexibilité du brassard dans la direction longitudinale, le brassard devrait également être élastique pour accueillir nerf gonflement, en particulier au début de la guérison étapes post-implantation. Haute pression à l'intérieur du brassard pourrait constriction des vaisseaux sanguins et obturer le flux sanguin à l'intérieur du nerf. En conséquence, la pression générée à l'intérieur de la manchette en raison du gonflement du nerf ne doit pas dépasser le diastOlic pression artérielle. La figure 4 montre la réponse du manchon assemblé à divers niveaux de pression à l' intérieur de la manchette. Lorsque la pression augmente, l'électrode se dilate pour former une surface en coupe transversale plus grande. A 67 mm Hg; l'électrode augmente à 1,25 fois sa surface de section transversale d'origine. Cette observation peut être interprété comme si la taille du brassard est au moins 1,2 fois la section transversale initiale du nerf, le nerf peut étendre jusqu'à 1,5 sa zone de section initiale transversale tandis que l'augmentation résultante de la pression à l'intérieur du brassard reste sous 67 mm Hg . Par conséquent , la conception critère 15, 30, 31 pour une électrode nerf brassard pour présenter une croix brassard à nerf ratio de surface de la section d'au moins 1,5 est satisfaite.
La fonctionnalité et la stabilité de la conception de la coiffe manufacturé a été examiné par l' implantation sur le nerf sciatique d'un chien (figure 5). L'étude a été approuvée par CWRU IACUC unnd ACURO. Trois paramètres ont été mesurés périodiquement pendant toute la durée de l'implant chronique: 1) le rapport signal-sur-bruit (SNR), 2) l'impédance de contact et 3) le nombre de contacts qui assurent l'enregistrement viable. Le SNR est défini comme étant le rapport entre l'activité neuronale puissance moyenne (segment rouge) par rapport à la puissance moyenne de l'activité de base (segment jaune). 100 ms fenêtre en mouvement a été utilisé. Pendant toute la durée de l' implant de 7,5 mois, le SNR est resté stable avec une valeur de 5,10 ± 0,81 dB (figure 5B).
L'ampleur de l'impédance de contact a été mesurée in vivo à 1 kHz , et il est représenté sur la figure 5C. Ces mesures ont été effectuées à l'aide du système d'évaluation de l'amplificateur RHD2000 série. L'impédance a été observée pour être stable, avec une valeur moyenne de 2,55 ± 0,25 kQ (33 essais, 16 contacts (N = 528)). Enfin, le nombre de contacts qui sont devenus inactifs au fil du temps est également représenté sur la figure 5C. Le nombre d'inactifsdes contacts sont restés sous 2 pendant toute la durée de l'implant. La fluctuation du nombre de canaux exclus résulte majoritairement d'une mauvaise connexion entre le connecteur externe et l'amplificateur et la fonction repris pendant les sessions d'enregistrement.
Figure 1: Vue d' ensemble de l'FINE et ses composantes A) FINE en position ouverte et les quatre principaux éléments de construction qui exigent coupe de précision.. Ces composants sont: Contacts cadre de tableau (I), les contacts des bandes intermédiaires (II), les contacts de référence (III), les entretoises de PEEK (IV). Le brassard est orientée vers le bas par rapport à la mise en place de contacts contre le nerf. Les entretoises (IV) sont enlevés après l'assemblage. B) Une vision élargie des contacts centraux et les étapes à plier et à les fixer dans le cadre du milieu. C) de configuration pliée de t il électrode. S'il vous plaît cliquer ici pour voir une version plus grande de cette figure.
Figure 2:... Snapshots de l'électrode au cours du processus de fabrication A) Le schéma directeur, T1 et S1 stacks à la fin de l' étape 4.1 B) Montage des segments d'espacement et des contacts de référence à la fin de l' étape 4.7 C) Adhérant le centre contacts tableau à feuilles S1 à la fin de l' étape 6.1. D) Arranger les fils et tube de silicone avant de les intégrer à l' intérieur du corps d'électrode à la fin de l' étape 6.5. S'il vous plaît cliquer ici pour voir une version plus grande de cette figure.
Figure 3: Le Nerve Cuff électrode décrite dans le Protocole. A) 16 fabriqué -Contacts FIN dans la position ouverte. Les fils sont disposés en quatre faisceaux de 5 conduit par sortie site. B) Un exemple de la mise en place du brassard autour du nerf sciatique chez le chien. Le segment milieu de la FINE est restée stable dans la direction transversale, et le corps du brassard est flexible dans le sens longitudinal. C) Une photographie de nerf implanté post - mortem montrant la section transversale aplatie et la disposition des faisceaux après l' implantation d' une électrode FINE pour 12 semaines. S'il vous plaît cliquer ici pour voir une version plus grande de cette figure.
figueure 4: Réponse FINE pour augmenter la pression interne Ces mesures ont été effectuées en plaçant une chambre élastique gonflable à l' intérieur d' une manchette fermée, puis la pression a été progressivement augmenté par une colonne -length variable d'eau.. Les axes majeurs et mineurs de section transversale de la manchette ont été mesurés à chaque niveau de pression et une section elliptique a supposé afin de calculer la section transversale (n = 20). Les barres d'erreur représentent l'écart type.
Figure 5: L'évaluation des Cuff Fonctionnalité avec enregistrement chronique du nerf sciatique activité chez les chiens A) Deux secondes d'exemple de signal ENG brut enregistré à un contact alors que l'animal est volontairement marcher sur un tapis roulant.. SNR a été défini comme le rapport d'activité et les pouvoirs de base moyenne. B) Les valeurs moyennes de SNR ont été observées dendant la durée de l' implant. C) Valeur moyenne des contacts impédance à 1 kHz (noir) et le nombre de contacts non-fonctionnels au fil du temps (rouge). 14 des 16 contacts sont restés fonctionnelle pendant toute la durée de l'implant. Les barres d'erreur représentent l'écart - type. S'il vous plaît cliquer ici pour voir une version plus grande de cette figure.
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Discussion
Le procédé de fabrication décrit dans cet article exige des mouvements adroites et fines afin d'assurer la qualité de la coiffe finale. Les contacts d'enregistrement doivent être placées exactement au milieu des deux électrodes de référence. Ce placement a été montré pour réduire de manière significative les interférences de muscles entourant l' activité électrique 27. Tout déséquilibre dans la position relative du contact lors de la fabrication peut dégrader le rejet des signaux en mode commun interférence générés en dehors de la manchette. Cependant, avec une technique soigneuse très peu à pas de déséquilibre notable dans les contacts de référence a été observée.
Plusieurs améliorations ont été apportées à la conception du brassard pour répondre aux modes de défaillance rencontrés lors des essais sur les animaux initiaux. Ces modes et les améliorations correspondantes sont:
Bris de plomb: les fils de contacts de référence ont été observés à l' échec à l'endroit de soudage. Cette failure a été attribuée à l'insuffisance de la décharge de traction sur le site où le fil sort de l'électrode. Ce problème a été résolu par la incluant une longueur de conducteurs de référence à l'intérieur du corps d'électrode avant de quitter.
Fermeture place Failure: ouverture de la coiffe post-implant a été observée et attribuée à la coupe de suture à travers le silicone. Ce problème a été résolu par l'addition d'un treillis d'armature et en utilisant plus mou matériau de suture tel que la soie à suturer la manchette.
Artefacts de mouvement: objets grands spontanés (> 100 mV) ont été rencontrés avec la première conception des poignets d'enregistrement. Artefacts similaires ont été signalés précédemment 23 , mais n'a pas été abordée. Ces artefacts ont été trouvés pour être le bruit triboélectrique et ont été attribués au fait que les deux matériaux non conducteurs dissemblables peuvent générer la charge le long de plomb et les pics de tension liés au mouvement des fils conducteurs. En particulier, le silicone tuterril qui entoure les conducteurs de contact et de la matière isolante (polytétrafluoroéthylène) présentent des affinités différentes de charge, ce qui provoque le transfert de charge entre eux et dans les dérivations des conducteurs centraux des conducteurs formant des pointes au cours du mouvement de la tête. La validation de la nature de ces objets est faite par la reconstruction du mouvement de la structure de câble similaire dans le chemin de la solution saline normale et des objets similaires ont été observés. Pour résoudre ce problème, le matériau d'isolation doit avoir une affinité de charge semblable à celle du matériau du tube enveloppant.
Electrode Blindage: Une couche de blindage (or feuille de métal) a également été ajouté aux faces extérieures de la coiffe pour fournir une réduction supplémentaire EMG 28. La feuille crée un chemin à basse impédance le long du corps d'électrode qui shunte les courants parasites provenant de l'extérieur de la manchette.
Échec de la connexion: Il a été observé que la connexion transcutanée à travers la peauétait pas fiable et provoqué la discontinuité avec jusqu'à 2 des 16 contacts (tracé rouge dans la figure 5C). Par conséquent, la connexion au dispositif d'enregistrement doit être améliorée pour accroître la fiabilité de l'interface globale.
Les électrodes produites avec ce protocole ont été implantés chez les chiens. Certains des matériaux inclus dans cette électrode (par exemple, le brasage étain, feuille de transparence) n'a pas encore été approuvé pour usage humain. Cependant, le choix des matériaux qui forment la structure de l'électrode sont inclus dans certains dispositifs de la FDA pour les implants à long terme (par exemple, le silicone, le PEEK, la feuille de platine / iridium) approuvée. Par conséquent, traduire le processus en application humaine ne nécessite une sélection rigoureuse des matériaux d'outillage et la fabrication dans des conditions de salle blanche appropriées.
Trois principales approches alternatives ont été explorées pour produire multicontacts électrodes nerf de la coiffe qui peut remodeler periphenerfs ral. La première est la technique à chaud couteau 13. Il a été démontré être une approche rentable de fabriquer de manière fiable Amendes avec une densité de contact élevée et une grande précision de contact de placement (238 ± 9 um d'espacement de contact). Cependant, les poignets produits par ce procédé sont raides et les propriétés mécaniques globales ne peuvent pas appropriée pour une implantation à long terme. La deuxième approche est un motif laser 24. Laser Nd: YAG ont été utilisées pour former les contacts en créant des motifs de PDMS de platine par pulvérisation cathodique à couches multiples. Bien que cette approche est hautement reproductible et donné des caractéristiques de haute précision (30 um), la machinerie nécessaire est très spécialisé et long biocompatibilité à long terme des électrodes n'a pas été étudiée. La troisième approche est des contacts fabriqués à la main tableau en disques de platine ou de sphères fixes sur le caoutchouc de silicone 25, 26.
Cette approche ne nécessite pas d'équipement et les usages coûteuxdes matériaux hautement biocompatible. Les principaux inconvénients de cette approche sont la tolérance élevée (> 0,5 mm) et la forte dépendance à l'erreur humaine. Le procédé de fabrication décrit dans ce protocole, on obtient un positionnement précis des contacts et il est hautement reproductible en raison de la géométrie prédéfinie du cadre de fixation. L'écartement entre les contacts du milieu a été mesuré à 0,51 mm ± 0,04 (n = 70) et les dimensions des contacts sont déterminés par la tolérance de la machine de découpe au laser.
Les Amendes fabriqués avec cette procédure sont capables avec l'algorithme approprié pour détecter l'emplacement des faisceaux dans le nerf et de récupérer les signaux fasciculaires chez les animaux se déplacent librement sans une cage de Faraday et SNR de 5,10 ± 0,81 dB. Cette conception est adaptée pour la stimulation nerveuse et pourrait être utilisé pour la stimulation sélective en utilisant la configuration du brassard tripolaire artéfacts minimum 29. Cette technique de fabrication a également laflexibilité pour produire une variété de manchettes pour des applications particulières telles que la stimulation monopolaire et l'enregistrement de la vitesse du nerf.
conception monopolaire peut être mis en œuvre en supprimant les contacts de référence quatre tout en gardant les contacts centraux. Le brassard résultant peut alors être plus courte en longueur et peut être encore modifié par l'acheminement de tous les fils à la sortie d'un côté (une paire de silicone au lieu de deux tubes). L'électrode d'enregistrement de vitesse peut être mis en oeuvre par le remplacement des électrodes de référence à quatre trames de réseau de contacts supplémentaires et ensuite disposer les conducteurs des contacts supplémentaires à l'intérieur du corps d'électrode vers le site de sortie opposé.
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Disclosures
Les auteurs déclarent qu'ils ont aucun intérêt financier concurrents. Les fournisseurs figurant dans ce manuscrit sont fournis à titre indicatif.
Acknowledgments
Ce travail a été parrainé par le MTO Defense Advanced Research Projects Agency (DARPA) sous les auspices du Dr Jack Judy et le Dr Doug Weber par le biais du Warfare Systems Space Center et Naval, Pacific Grant / contrat No.N66001-12-C-4173 . Nous tenons à remercier Thomas Eggers pour son aide dans le processus de fabrication, et Ronald Triolo, Matthew Schiefer, Lee Fisher et Max Freeburg pour leur contribution dans le développement de la conception du nerf de la coiffe composite.
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).
