Summary
Dieser Artikel enthält eine detaillierte Beschreibung des Herstellungsprozesses eines hohen Kontaktdichte flache Schnittstelle Nervenelektrode (FINE). Diese Elektrode ist optimiert für die Aufzeichnung und die neuronale Aktivität selektiv innerhalb der peripheren Nerven zu stimulieren.
Abstract
Viele Versuche wurden Mehrkontakt Nervenmanschette Elektroden herzustellen, sind sicher, robust und zuverlässig für Langzeit neuroprothetischer Anwendungen. Dieses Protokoll beschreibt ein Herstellungsverfahren eines modifizierten zylindrischen Elektrode Nervenmanschette diese Kriterien zu erfüllen. Minimale Computer-Aided Design und Fertigung (CAD und CAM) Fähigkeiten sind notwendig, um konsequent Manschetten produzieren mit hoher Präzision (Kontaktplatzierung 0,51 ± 0,04 mm) und verschiedenen Manschettengrößen. Die Präzision in räumlich um die Kontakte zu verteilen und die Fähigkeit, eine vorgegebene Geometrie mit diesem Entwurf sind zwei Kriterien erreicht zu halten unerlässlich, um die Manschette die Schnittstelle zur selektiven Aufnahme und Stimulation zu optimieren. Die dargestellte Gestaltung maximiert auch die Flexibilität in der Längsrichtung, während eine ausreichende Steifigkeit in der Querrichtung Aufrechterhaltung der Nerven Umformen von Materialien mit unterschiedlichen Elastizitäten verwenden. Die Erweiterung des Querschnitts der ManschetteBereich als Ergebnis des Drucks im Inneren der Manschette Erhöhung beobachtet 25% bei 67 mm Hg sein. Dieser Test zeigt die Flexibilität der Manschette und ihre Reaktion auf Nerven Schwellung nach der Implantation. Die Stabilität der Kontakte Impedanz und Signal-zu-Rausch-Verhältnis Metriken aus einer chronisch implantierten Manschette (7,5 Monate) "Schnittstelle und Aufnahmequalität wurden auch mit Kontakten untersucht" und beobachtet bzw. 2,55 ± 0,25 kOhm und 5,10 ± 0,81 dB.
Introduction
Wirken mit dem peripheren Nervensystem (PNS) ermöglicht den Zugang zu hochverarbeiteten neuralen Befehlssignale, wie sie reisen, um verschiedene Strukturen innerhalb des Körpers. Diese Signale werden erzeugt, indem innerhalb Faszikel beschränkt Axonen und durch eng verbunden Perineuriums Zellen umgeben. Die Größe der meßbaren Potentialen aus den neuralen Aktivitäten resultiert, wird durch die Impedanz der verschiedenen Schichten innerhalb der Nerven wie dem Perineurium hochohmige Schicht beeinflusst, die die Faszikel umgibt. Folglich wurden zwei Schnittstellen Ansätze untersucht, je nach der Aufzeichnungsstelle in Bezug auf das Perineurium Schicht, nämlich intrafaszikuläre und extrafaszikuläres Ansätze. Intra-faszikulären Ansätze stellen die Elektroden im Inneren der Faszikel. Beispiele dieser Ansätze sind das Utah - Array 17, der Längs Intra-faszikuläre Electrode (LIFE) 18 und die Querintra faszikuläre mehrkanaligen Elektrode (TIME) 32. Tiese Techniken können selektiv aus dem Nerven aufnehmen sondern in vivo, wahrscheinlich aufgrund der Größe und der Nachgiebigkeit der Elektrode gezeigt zuverlässig Funktionalität für lange Zeiträume beibehalten 12 nicht.
Extra faszikulären Ansätze stellen die Kontakte um den Nerv. Die Manschette Elektroden in diesen Ansätzen verwendete keine Kompromisse das Perineurium noch das Epineurium und wurden von der Aufnahme aus dem peripheren Nervensystem 12 ein sicheres und robustes Mittel zu sein , beide gezeigt. Allerdings außer faszikulären Ansätze fehlt die Fähigkeit, einzelne Einheit Aktivität zu messen - im Vergleich zu den inner faszikulären Designs. Neuroprothetischer Anwendungen , die Nervenmanschette Elektroden verwenden , umfassen die Aktivierung der unteren Extremität, die Blase, die Membran, die Behandlung von chronischen Schmerzen, Block neuronaler Leitung, sensorisches Feedback, und die Aufnahme Elektron 1. Mögliche Anwendungen zu nutzen, periphere Nerven Interfacing umfassen Restoring Bewegung für Opfer von Lähmung mit funktionellen Elektrostimulation, die Aufnahme Motoneuron Aktivität von Rest Nerven angetriebenen Gliedmaßenprothesen in Amputierten zu steuern und mit dem autonomen Nervensystem eine Schnittstelle 20 Bioelektronik-Medikamente zu liefern.
Eine Design - Implementierung der Manschette Elektrode ist die Flat-Schnittstelle Nervenelektrode (FINE) 21. Dieser Entwurf formt die Nerven in einen flachen Querschnitt mit größeren Umfang im Vergleich zu einer runden Form. Die Vorteile dieser Bauart sind Anzahl der Kontakte erhöht, die auf dem Nerv angeordnet werden kann, und die Nähe der Kontakte mit den neu angeordneten internen Faszikel zur selektiven Erfassung und Stimulation. Ferner oberen und unteren Extremitäten Nerven bei großen Tieren und Mensch kann verschiedene Formen annehmen und die von der FINE erzeugt Umbildung nicht die natürliche Geometrie des Nerven verzerren. Jüngste Studien haben gezeigt, dass FINE fähig ist Gefühl der Wiederherstellung indas obere Ende 16 und die Rückstellbewegung in dem unteren Ende 22 mit funktionalen elektrischen Stimulation beim Menschen.
Die Grundstruktur einer Manschettenelektrode besteht auf der Oberfläche eines Nervensegment mehrere Metallkontakte zu platzieren, und isolierende dann diese Kontakte zusammen mit dem Nervensegment innerhalb einer nichtleitenden Manschette. Um diese Grundstruktur zu erreichen, mehrere Entwürfe wurden in früheren Studien vorgeschlagen, einschließlich:
(1) Die Metallkontakte in ein Dacron Masche eingebettet. Das Netz wird dann um den Nerv gewickelt und die sich ergebende Manschettenform folgt der Nervengeometrie 4, 5.
(2) Split-Zylinder - Designs , die vorgeformten verwenden starren und nichtleitenden Zylinder um die Kontakte zu fixieren den Nerv herum. Das Nervensegment , das diese Manschette aufnimmt , ist in den internen Stulpe der Geometrie umgestaltet 6 - 8.
Selbstwickel Konstruktionen , bei denen die Kontakte zwischen zwei Isolationsschichten eingeschlossen sind. Die innere Schicht geschmolzen wird, während sie mit einer externen un gestreckten Schicht gestreckt. Mit verschiedenen natürlichen Ruhelängen für die zwei miteinander verbundenen Schichten bewirkt, dass die endgültige Struktur eine flexible Spirale zu bilden, die sich um den Nerv wickelt. Das Material für diese Schichten verwendet wurden typischerweise Polyethylen 9 Polyimid 10 und Siliconkautschuk - 1.
(4) Nicht isolierte Segmente der Leitungsdrähte gegen den Nerv angeordnet , wie die Elektrodenkontakte dienen. Diese Leitungen werden entweder in Silikonschlauch gewebt 11 oder in Silikon verschachtelt Zylinder 12 geformt. Ein ähnliches Prinzip wurde verwendet , Bußgelder zu konstruieren , durch das Anordnen und isolierte Drähte Verschmelzen ein Array zu bilden, und dann eine Öffnung , durch die Isolierung erfolgt durch ein kleines Segment durch die Mitte dieser verbundenen Drähte 13 Strippen. Diese Entwürfe assume einen runden Querschnitt Nerven und entsprechen diese angenommen Nervengeometrie.
(5) Flexible auf Polyimidbasis Elektroden 33 mit den Kontakten , gebildet durch Polyimidstruktur Mikrobearbeitung und dann in gestreckte Silikonfolien integrierenden selbst Aufwickeln Manschetten zu bilden. Dieser Entwurf nimmt auch an einen runden Nervenquerschnitt.
Cuff - Elektroden sollten, um flexibel und selbst Sizing zu vermeiden Stretching und die Nerven zu komprimieren , dass Nervenschäden 3 führen kann. Einige der bekannten Mechanismen, durch die Manschettenelektroden diese Effekte sind die Übertragung der Kräfte von benachbarten Muskeln an der Manschette induzieren kann und somit auf den Nerv, Mismatch zwischen der Manschette ist und Nerven der mechanischen Eigenschaften und der übermäßige Spannung in den Leitungen der Manschette. Diese Sicherheitsprobleme führen zu bestimmten Satz von Designbeschränkungen auf die mechanische Flexibilität, geometrische Konfiguration und die Größe 1. Diese Kriterien sind besonders challein dem Fall eines hohen Kontaktzahl FINE rn de weil die Manschette zugleich steif in der Querrichtung sein muß, den Nerv und flexibel in Längsrichtung neu zu gestalten Schäden sowie das mehrere Kontakte zu verhindern. Selbst Sizing Spirale Designs können mehrere Kontakte Manschette 14 aufnehmen, aber die resultierende Manschette ist etwas steif. Flexible Polyimid-Design kann eine hohe Anzahl von Kontakten aufnehmen, sind aber anfällig für Delamination. Der Draht - Array - Design 13 erzeugt einen feinen mit flachem Querschnitt, aber um diese Geometrie die Drähte verschmolzen sind entlang der Länge der Manschette Herstellung steifen Flächen und scharfen Kanten zusammenzuhalten dann ungeeignet für Langzeitimplantate machen.
Das Herstellungsverfahren in diesem Artikel beschrieben erzeugt eine hohe Kontaktdichte FINE mit flexibler Struktur, die bei gleichbleibend hoher Präzision von Hand gemacht werden kann. Es verwendet ein starres Polymer (Polyetheretherketon (PEEK)) präzise p zu ermöglichenlacement der Kontakte. Das PEEK-Segment hält einen flachen Querschnitt in der Mitte der Elektrode, während in der Längsrichtung entlang des Nervs flexible verbleibt. Diese Konstruktion minimiert auch die Gesamtdicke und Steifigkeit der Manschette, da der Elektrodenkörper starr zu sein, nicht um die Nerven zu glätten hat oder die Kontakte zu sichern.
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Protocol
1. Elektrodenkomponenten Vorbereitung
- Sammeln Sie vier Elektrodenkomponenten, die erfordern, Präzisionsschnitt (Laser-Cut verwendet wurde, verweisen auf die Materialliste) vor dem Herstellungsprozess. Diese Komponenten sind (Abbildung 1):
Kontakte Array-Rahmen: Dieser Rahmen ist aus 125 & mgr; m dicken Polyetheretherketon (PEEK) Blech. Es deckt die gesamte Breite der Manschette und hält die mittleren Kontakte und hat serpentinenförmige Kanten (1B). Die Mittelkontakte sind in den Führungskanälen gewickelt; damit die belichtete Breite der Kontakte wird durch die Breite der Kanäle begrenzt, und wobei der Abstand durch den Abstand zwischen den Kanälen bestimmt wird.
Die mittleren Kontakte Streifen: Die mittleren Kontakte gebildet werden durch diese Streifen um die Kontakte Array - Rahmen (Abbildung 1B) gewickelt wird . Schneiden Sie die Streifen aus dem Platin / 10% Iridium Blatt auf die Breite der Führungskanäle und fügen Sie zusätzliche Länge, damit sie zu be vollständig um den Rahmen gefaltet. Punktschweiß die Führung bei 0 ° Winkel des Kontakts mit der Hauptachse des Streifens.
Die Referenzkontakte: Vier Referenzen benötigt. Die lange Abmessung dieser Kontakte ist etwas kürzer ist als die Manschettenbreite sie vollständig innerhalb der Manschette zu enthalten. Punktschweiß jedes Referenzkontakt zu einer Führung in 90º Winkel mit der Hauptachse des Kontakts.
PEEK Abstandhalter: Abstandhalter verwendet werden , um dünnere Bereich auf der Elektrode schaffen , damit das Biegen und Schließen (1C). Alle Abstandshalter sind aus PEEK (anderes Material verwendet werden könnte), und der Länge der Elektrode geschnitten. Die Breite des mittleren Raum ist auf die Höhe der Elektrode gleich.
2. Kontakte Array Vorbereitung
- Reinigen der Komponenten hergestellt in Schritt 1 durch Beschallung in Ethanol für 2 min bei 40 KHz und bei Raumtemperatur, dann 2 min in destilliertem deionisiertem Wasser unter den gleichen Beschallungsparameter. Trocknen lassen.
- Sichtprüfung derKontakte für etwaige Mängel wie lasergeschnittene Residuen oder Oberflächenverformungen.
- Positionieren Sie die Kontakte einzeln unter dem Mikroskop mit der Schweißpunkt nach oben zeigt. Halten Sie den Kontakt mit einer Pinzette auf etwa 1/3 der Länge, ausgehend von dem freien Ende. Elevate die Führung zu einem Winkel von 45 °, während die Kontakthalte, um die erste Kurve zu machen.
- Setzen Sie den vorgebogenen Kontakt unterhalb des Array-Rahmen mit der Schweißnaht nach oben zeigt. Halten Sie den Rahmen mit einer Pinzette nach unten und heben die Führung zu einem Winkel von 45 ° zu einer zweiten Biegung machen. Während er weiterhin den Rahmen gedrückt halten, mit einer Pinzette und biegen Sie das freie Ende des Kontakt greifen bei einem 180 ° Winkel (Falte in Richtung der Mittellinie des Rahmens).
- Begradigen und den Kontakt zu Bediener ziehen und biegen dann bei 180 ° Winkel (fold zur Mittellinie). Der Punktschweißpunkt sollte nun zwischen den beiden gebogenen Enden eingeschlossen werden.
- Wiederholen Sie die Schritte 2,3 bis 2,5 für die verbleibenden Kontakte. Machen Sie so fest wie möglich. Alternate die contact führt auf jeder Seite des Arrays Rahmens.
3. Cuff Leitfaden für das Layout
- Erstellen Sie ein 2D-Diagramm der Manschette in flachen offenen Position.
HINWEIS: Verwenden Sie eine beliebige CAD-Software eine maßstäbliche Diagramm zu erzeugen. In diesem Diagramm werden die Abmessungen der Elektrode und der Vermittlungsstelle für die verschiedenen Elektrodenkomponenten bestimmen. - Drucken Sie das 2D-Diagramm auf normalen Druckpapier unter Verwendung von gewöhnlichen Druckmaschine zu skalieren und dann schneiden Sie ein 5 cm mal 5 cm quadratisches Stück mit der Zeichnung in der Mitte.
- Schneiden Sie 5 cm mal 5 cm quadratisches Stück der thermischen Transparenzblatt (T1) mit einem Skalpell.
- Legen Sie die Transparenz Stück T1 auf dem Diagramm Papier, und legen Sie dann die beiden Schichten auf der Grundplatte mit dem Diagramm nach oben zeigt. Kleben Sie diese mit Klebeband an der Basisplatte nach unten.
4. Elektrodenbasisschicht und Referenzen Kontakte Platzierung
- Schnitten 5 cm mal 5 cm Silikonfolie mit einem Skalpell (S1) und then es auf die Transparenz Ebene platzieren. Beginnen Sie mit einer Ecke fallen dann langsam den Rest des Blattes senken zu vermeiden Luftblasen zwischen T1 und S1 Blätter Trapping (2A).
- Mischen Sie ca. 2 g nicht gehärteten Silikon als auf Herstellerdatenblatt gerichtet. Konsequent rühren die beiden Teile zusammen mit hölzernen Rührstab sterilisiert. Setzen Sie die Mischung in einer Vakuumkammer für 3 min. Zyklus das Vakuum um die Blasen zu beseitigen, da sie an die Oberfläche steigen. Wärmen Sie den isotemp Ofen bei 130 ° C.
Hinweis: Latex-Handschuhe den Aushärtungsprozess des Silikon hemmen kann. Latex-Handschuhe auch Schwefel enthalten, die Verunreinigungen auf den Arbeitsflächen zu verlassen. Mit Nitrilhandschuhen stattdessen wird empfohlen. - Mit dem Zahn-Auswahlwerkzeug, eine dünne Linie von nicht ausgehärteten Silikon entlang der Mitte der Distanzsegmente, in denen sie auf dem Führungsplan befinden.
- Legen Sie die Abstandshalter auf den dafür vorgesehenen Bereichen, und sie dann nach unten drücken gegen die Silikonfolie S1.
- Heilung teilweise das Silikon in der isotemp Ofen für 30 Minuten, lassen Sie es 10 Minuten lang abkühlen.
- Legen Sie die Referenz Kontakte auf ausgewiesenen Bereichen. Sicherzustellen, dass die Schweißpunkte nach oben und Kontaktleitungen sind in Richtung der Mittellinie der Manschette exit am fernen Ende geroutet. Nach der korrekten Positionierung zu gewährleisten, drücken Sie die Kontakte nach unten auf die Silikonschicht S1. Ablagerung ungehärtetem Silikon in die Durchgangslöcher.
- Band nach unten die Leitungen und härten dann vollständig das Silikon bei 130 ºC für 90 Minuten oder über Nacht bei Raumtemperatur (2B).
5. Mittel Kontakte Array Placement
- Schneiden Sie 1,5 cm mal 5 cm Transparenz Stück mit einem Skalpell (T2). Band nach unten der Referenz führt von dem mittleren Bereich weg zu verhindern, dass von der Unterseite der Kontaktanordnung im nächsten Schritt ausgeführt wird.
- Legen Sie die Kontaktanordnungen auf dem dedizierten Standort mit den Leitungen nach oben. Kaution nicht ausgehärteten Silikon das Array zu heften inOrt.
- Legen Sie das Stück von 5,1 (T2) über die Mittellinie der Elektrode und über den Arrays sie niedrig zu halten, und kleben Sie dann die Enden, während nach unten auf den Arrays drücken. richten Sie manuell die Anordnung mit der speziellen Position. Band nach unten die Leitungen außerhalb des Umfangs der Manschette.
- Legen Sie die kleine Fixierstange über die Mitte der Elektrode und über das Transparenzsegment T2. Klemmen Sie es mit leichtem Druck auf die Grundplatte in der Mitte durch Kontakte gegen die Basis Silikonschicht S1 zu drücken.
- Vollständig auszuhärten das Silikon für 90 min bei 130 ºC oder über Nacht bei RT.
6. Einbetten der Elektrodenkomponenten
- Entfernen Sie die kleine Fixierstange und entfernen Sie vorsichtig die transparente Folie T2 die mittleren Kontaktanordnungen zu belichten. Entfernen Sie alle Bänder , die die Leitungen für beide Referenzen und mittleren Kontakte (Abbildung 2C) zu halten.
- Geschnitten, um ein quadratisches Stück des Transparenzblatt mit einem Skalpell auf die gleiche Breite derElektrode und 5 cm in der Länge (T3), und schneiden dann ein quadratisches Stück Silikonfolie die gesamte Elektrodenoberfläche (S2) zu bedecken.
- Legen Sie die Silikonfolie (S2) auf der Oberseite der Transparenz Stück (T3) und strecken es keine Wellen oder Unregelmäßigkeiten zu entfernen und Luftblasen aus eingeklemmt zwischen zu beseitigen.
- Schneiden vier Stücke von Silikonschlauch; 5 cm lang jeden. Legen Sie sie auf der Austrittsstelle der Leitungen wie auf dem Führungsplan zugeordnet. Lassen Sie eine 2 mm Abstand zwischen der Elektrodenkante und die Kanten 'Rohre. Während jedes Paar von Rohren mit einer Pinzette gedrückt, und Band nach unten die Rohre bei 1 mm ausgehend von dem Rohrende entfernt. Wiederholen Sie dies für das andere Paar.
- Ordnen und Leitungen der mittleren Kontakte und Referenzen in Bündel, und sie dann durch das entsprechende Rohr in der Nähe der Austrittsstellen. Wiederholen Sie dies für die anderen drei Röhren. (2D).
- Kaution großzügige Menge von nicht gehärteten Silikon über die gesamte Elektrodenkörper.
HINWEIS: Vermeiden Sie eine Formir Blasen während dieser Schritt entweder langsam das ungehärtete Silikon aus dem Mischbehälter gesaugt Gießen oder es mit einer Spritze injiziert wird. - Legen Sie die Struktur von 6.3 auf der Oberseite des abgeschiedenen nicht gehärteten Silikon mit dem Silikonfolie S2 nach unten zeigt. Richten Sie die Transparenz Stück T3 mit der Elektrode, während die Silikonfolie halten S2 daran haften.
- Band auf der Transparenz Stück T3 und dann Druck ausüben, um eingeschlossene Luftblasen zu bahnen. Legen Sie die große Fixierstange über die Mitte der Elektrode und über das Transparenzsegment T3. klemmen Sie es dann mit mäßigem Druck auf die Grundplatte nach unten. Vollständig auszuhärten das Silikon für 90 min bei 130 ºC oder über Nacht bei RT.
7. Abschirmschicht Placement (empfohlen für die Aufnahme Cuffs)
- Entfernen Sie die große Fixierstange und delaminieren die Transparenz Stück (T3) mit einer Pinzette entfernen. Legen Sie das Schutzblatt in der Mitte jeder Fläche der Elektrode und mit leichtem Druck to sie in die Elektrode drücken. Ablagerung ungehärtetem Silikon in die Durchgangslöcher.
- Heilung teilweise das Silikon für 30 Minuten bei 130 ° C und dann vollständig auf Raumtemperatur abkühlen lassen. Platzieren Klebeband über die äußeren Enden der Elektrode und über die Schließ Flansche zu verhindern Hinzufügen zusätzlicher ungehärtetem Silikon zu diesen Segmenten.
- Wiederholen Sie die Schritte 6.6 bis 6.8.
8. Ausschneiden der fertigen Elektrode
- Ziehen Sie und schneiden Sie das überschüssige Silikon auf der Oberseite des Klebebands in Stufe 7.2 Skalpellklinge verwenden, dann vorsichtig das Klebeband entfernen.
- Schneiden Sie Fenster durch das Silikon die Abstandssegmente durch die S2-Schicht freizulegen. Extrahieren Sie die eingebetteten Abstandssegmente mit einer Pinzette. Dieser Schritt wird Hohlräume verlassen und in diesen Bereichen Blatt flexible Einzel Silikon bilden (ursprünglich S1).
- Ziehen Sie das überschüssige Silikon auf der Klebebänder aus, die die Silikonschläuche decken, und schneiden Sie es dann mit Skalpell blade die Rohre mit dem Elektrodenkörper zu nivellieren.
- Schneiden um den Umfang der Elektrode nach unten an der Grundplatte.
- Schneiden Sie ein Dreieck zwischen jedem Paar Rohre vollständig durch die Grundplatte und auf der Außenseite nach dem Führungsbild, das die Leitungen den Websites Ausgang zu gestalten. Entfernen Sie die alle Silikon-Material, das von der Elektrodenkörper in den letzten Schritten abgelöst wurde.
9. Machen Kontakte und Abschirmschichten
- Schneiden Sie Fenster, durch die Silikonschicht S2, die die Schutzschicht bedeckt. Gleiten die Polypropylennahtfaden zwischen der Elektrodenbasis (Schicht S1) und der transparenten Schicht T1 auf der Grundplatte des fertigen Manschettenelektrode zu delaminieren.
- Flip die Elektrode, so dass die Mittelkontakte und die Silikonschicht S1 nach oben zeigen und sie dann aussetzen durch Ausschneiden Fenster durch die Basis Silikonschicht S1. Wiederholen Sie dies für den äußeren Referenz Kontakte auszusetzen 1 mm breite Segmente entlang der Mitte der contakte. Sicherzustellen, dass die Stabilisierungsdurchgangslöcher an den Seiten der Referenz-Kontakte vollständig innerhalb des Körpers des Elektrode eingebettet sind.
10. Löten ein Stecker mit den Leitungen
- Deposit Lötsubstanz auf die Leitungen und auf die connecter Stifte getrennt, und dann Wärme und verschmelzen beide Teile zusammen mit Lötkolben.
Hinweis: Die DFT Leitungsdrähte bestehen aus Silberkern durch eine äußere Schicht aus der Nickel-Cobalt-Basis-Legierung MP35N hergestellt umgeben. Das Aufbringen des Lotes Substanz auf diese Drähte erfordert die Verwendung von Spezialfluss zu ermöglichen, an dem Draht anhaftet (siehe die Materialliste).
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Representative Results
(- 7 kHz Bandbreite und Gesamtgewinn von 2.000 700 Hz) neurale Aktivität Aufnahme wurde mit einem angepassten Vorverstärker mit Super-β-Eingangsinstrumentenverstärker ausgeführt. Ein Beispiel für die hergestellten FINE - Elektrode mit dem vorgestellten Protokoll ist in Abbildung 3 dargestellt. Die Kombination aus FINE um den Nerv Implantieren zusammen durch Vernähen der beiden freien Kanten getan. Eine Demonstration der Flexibilität der Manschette (3B) zeigt an, dass die Manschette den Nerv abflacht , während Flexibilität in Längsrichtung beibehalten wird .
Zusätzlich zu der Manschette Flexibilität in Längsrichtung sollte die Manschette auch elastisch sein Nerven Quellung aufzunehmen, vor allem in der frühen Heilungsstadien nach der Implantation. Hoher Druck innerhalb der Manschette könnte verengen die Blutgefäße und den Blutfluss im Inneren der Nerven verschließen. Folglich erzeugt der Druck innerhalb der Manschette infolge der Nerven Schwellung sollte nicht die diast überschreitenolic Blutdruck. 4 zeigt die Reaktion des innerhalb der Manschette auf verschiedene Druckniveaus montiert Manschette. Wenn der Druck ansteigt, dehnt sich die Elektrode eine größere Querschnittsfläche zu bilden. Bei 67 mm Hg; die Elektrode erweitert bis 1,25-fache ihrer ursprünglichen Querschnittsfläche. Diese Beobachtung kann als interpretiert werden, wenn der Manschettengröße mindestens 1,2-fache der ursprünglichen Querschnittsfläche des Nervs ist, kann der Nerv bis 1,5 seine ursprüngliche Querschnittsfläche zu erweitern, während die sich ergebende Erhöhung des Drucks innerhalb der Manschette unter 67 mm verbleibt Hg . Daher ist die Konstruktionskriterium 15, 30, 31 für eine Nervenmanschettenelektrode eine Manschette-zu-nerve Querschnittsflächenverhältnis von mindestens 1,5 aufweisen erfüllt ist .
Die Funktionalität und Stabilität der hergestellten Manschette Design wurde durch Implantieren es auf den Ischiasnerv eines Hundes (Abbildung 5) untersucht. Die Studie wurde von CWRU IACUC ein genehmigtnd ACURO. Drei Parameter wurden periodisch durch die chronische Implantationsdauer gemessen: 1) das Signal-zu-Rausch-Verhältnis (SNR), 2) der Kontaktimpedanz und 3) die Anzahl der Kontakte, die lebensfähige Aufzeichnung bereitzustellen. Das SNR ist definiert als das Verhältnis von neuronaler Aktivität Leistung (rotes Segment) bedeuten, über die mittlere Leistung von Baseline-Aktivität (gelb-Segment). 100 ms Fenster bewegte verwendet. Während der 7,5-Monats - Implantat Dauer blieb das SNR stetig mit einem Wert von 5,10 ± 0,81 dB (5B).
Die Größe der Kontakte 'Impedanz wurde in vivo bei 1 kHz gemessen und ist in 5C gezeigt. Diese Messungen wurden unter Verwendung des RHD2000-Series Verstärker Auswertungssystem. Die Impedanz wurde beobachtet, mit einem Mittelwert von 2,55 ± 0,25 k & OHgr; (33 Trials, 16 Kontakte (N = 528)) stabil. Die Anzahl der Kontakte schließlich die inaktiv im Laufe der Zeit wurde auch in 5C gezeigt. Die Anzahl der inaktivenKontakte blieb unter 2 für die Dauer des Implantats. Die Schwankungen in der Anzahl der ausgeschlossenen Kanäle resultiert vor allem aus einer schlechten Verbindung zwischen dem externen Anschluss und dem Verstärker und wieder Funktion während der Aufnahme-Sessions.
Abbildung 1: Überblick über die FINE und seine Komponenten A) FINE in der offenen Position und die vier wichtigsten Bauteile , die Präzisionsschnitt erfordern.. Diese Komponenten sind: Kontakte Array-Rahmen (I), die mittleren Kontakte Streifen (II) werden die Referenzkontakte (III), PEEK Abstandshalter (IV). Die Manschette ist nach unten gerichtet in Bezug auf die Kontakte Platzierung gegen den Nerv. Die Abstandshalter (IV) sind nach der Montage. B) eine vergrößerte Ansicht der Kontakte Zentrum entfernt und die Schritte zu falten und zu lösen um den mittleren Rahmen. C) Gefaltete Konfiguration von t er Elektrode. Bitte klicken Sie hier , um eine größere Version dieser Figur zu sehen.
Abbildung 2:... Snapshots der Elektrode während des Herstellungsverfahrens A) Das Führungs Diagramm, T1 und S1 - Stacks am Ende von Schritt 4.1 B) Montage der Abstandssegmente und Referenz Kontakte am Ende von Schritt 4.7 C) Ankleben der Mitte Kontakte Array S1 Blatt am Ende von Schritt 6.1. D) Anordnen der Leitungen und Silikonschlauch , bevor sie im Inneren der Elektrodenkörper am Ende von Schritt 6.5. Einbetten Bitte klicken hier , um eine größere Version dieser Figur.
Abbildung 3: Die Nerve Cuff - Elektrode beschrieben , in dem Protokoll. A) Die hergestellte 16 -Kontakte FINE in der offenen Position. Die Leitungen werden in vier Bündel von 5 Leads pro Austrittsstelle angeordnet. B) Ein Beispiel für die Platzierung der Manschette um den Ischiasnerv in Hund. Das mittlere Segment der FINE stagnierte in der Querrichtung, und der Manschettenkörper ist flexibel in der Längsrichtung. C) Ein Foto von implantierten Nerven post mortem die abgeflachten Querschnitt zeigt und die Anordnung der Faszikel nach einer FINE - Elektrode implantieren für 12 Wochen. Bitte hier klicken , um eine größere Version dieser Figur zu sehen.
Feigeure 4: FINE Reaktion auf das interne Druckerhöhung Diese Messungen , indem eine aufblasbare elastische Kammer in einem geschlossenen Manschette gemacht wurden, und dann wurde der Druck allmählich durch eine variable -length Wassersäule erhöht.. Die Haupt- und Nebenachsen des Querschnitts der Manschette wurden bei jedem Druckpegel und einen elliptischen Querschnitt gemessen wurde, um zu berechnen, die Querschnittsfläche angenommen (n = 20). Die Fehlerbalken repräsentieren die Standardabweichung.
Abbildung 5: Die Bewertung der Cuff - Funktionalität mit chronischer Aufnahme von Ischiasnerv Aktivität bei Hunden A) Ein Zwei Sekunden Beispiel von rohem ENG - Signals an einem Kontakt aufgenommen , während das Tier freiwillig auf einem Laufband.. SNR wurde als das Verhältnis der Aktivität definiert und Basis mittleren Leistungen. B) Durchschnittliche SNR - Werte wurden d beobachtetährend des Implantates Dauer. C) Mittelwert der Kontaktwiderstand bei 1 kHz (schwarz) und der Anzahl der nicht-funktionalen Kontakte über die Zeit (rot). 14 der 16 Kontakte blieb während der Implantationsdauer funktionsfähig. Die Fehlerbalken stellen die Standardabweichung. Bitte hier klicken , um eine größere Version dieser Figur zu sehen.
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Discussion
Das Herstellungsverfahren in diesem Artikel beschriebenen erfordert geschicktes und feine Bewegungen, um die Qualität der endgültigen Manschette zu gewährleisten. Die Aufnahmekontakte müssen genau in der Mitte der beiden Referenzelektroden angeordnet werden. Diese Platzierung wurde Aktivität elektrischen aus den umliegenden Muskeln 27 zu einer signifikanten Störungen zu reduzieren. Ein Ungleichgewicht in der relativen Position des Kontakts während der Herstellung kann verschlechtern die Abstoßung von Gleichtakt Störsignale außerhalb der Manschette erzeugt. Doch mit einer sorgfältigen Technik sehr wenig bis gar keine merkliche Ungleichgewicht in den Referenz Kontakte beobachtet.
Verschiedene Verbesserungen wurden an der Manschette Design gemacht, die Störungsarten während der ersten Tierversuchen festgestellt zu werden. Diese Modi und die entsprechenden Verbesserungen sind:
Leitungsbruch: die Leiter der Referenz Kontakte beobachtet wurden am Schweißpunkt zum Scheitern verurteilt. Diese failuRe wurde an der Stelle der ungenügenden Zugentlastung zurückgeführt, wo die Führung der Elektrode austritt. Dieses Problem wurde durch die einschließlich einer Länge von Referenzleitungen im Inneren des Elektrodenkörpers vor dem Beenden gelöst.
Schließstelle Ausfall: Post-Implantat Manschette Öffnung wurde an die Nahtschneiden durch das Silikon beobachtet und zugeschrieben. Dieses Problem wurde durch Zugabe einer Bewehrungsmatte gelöst und unter Verwendung von weicheren Nahtmaterial wie Seide um die Manschette zu vernähen.
Bewegungsartefakte: große spontane Artefakte (> 100 & mgr ; V) wurden mit der ersten Gestaltung der Aufzeichnungs Manschetten angetroffen. Ähnliche Artefakte wurden 23 bereits berichtet haben aber nicht in Angriff genommen. Diese Artefakte wurden als triboelektrische Rauschen gefunden und wurden auf die Tatsache zurückzuführen, dass die zwei unterschiedlichen nichtleitenden Materialien Ladung entlang der Führung und Spannungsspitzen im Zusammenhang mit der Bewegung der Leitungsdrähte erzeugen kann. Insbesondere das Silikon tubing, die die Kontaktleitungen und die Leitungen 'Isoliermaterial (Polytetrafluorethylen) haben unterschiedliche Ladungsaffinitäten, die zwischen ihnen Übertragung verursacht Ladung und in die Leitungen' umschließt leitenden Kern bilden Spitzen während der Bewegung der Führung. Die Validierung der Natur dieser Artefakte durch Rekonstruieren des Bewegungs ähnlicher Kabelstruktur in normaler Kochsalzlösung Pfad und ähnliche Artefakte beobachtet wurden hergestellt. Um dieses Problem zu lösen, muss das Isoliermaterial Ladungsaffinität ähnlich derjenigen des umschließenden Schlauchmaterial.
Elektrode Abschirmung: eine Abschirmschicht (Goldmetallfolie) wurde auch auf den Außenflächen der Manschette 28 hinzugefügt zusätzliche EMG Reduktion bereitzustellen. Die Folie erzeugt einen niederohmigen Pfad entlang des Elektrodenkörpers von Störströmen außerhalb der Manschette Shunts Ursprung.
Failure - Verbindung: Es wurde beobachtet , dass die transkutane Verbindung durch die Hautnicht zuverlässig war und verursachte Diskontinuität mit bis zu 2 der 16 Kontakte (rot Grundstück in 5C). Daher sollte die Verbindung zu der Aufzeichnungsvorrichtung verbessert werden, um die Gesamtoberfläche Zuverlässigkeit zu verbessern.
Die Elektroden mit diesem Protokoll hergestellt wurden in Hunde implantiert. Einige der Materialien, die in dieser Elektrode (zB Lötzinn, Transparenz Blatt) sind noch nicht für den menschlichen Gebrauch zugelassen. Die Auswahl der Materialien jedoch, dass die Struktur der Elektrode bilden , enthalten sind , in einigen FDA Vorrichtungen für Langzeitimplantate zugelassen (zB Silikon, PEEK, Platin / Iridium Blatt). Daher wird nur der Prozess in die menschliche Anwendung übersetzen erfordert eine sorgfältige Auswahl der Werkzeugmaterialien und die Herstellung unter den richtigen Reinraumbedingungen.
Drei wichtige alternative Ansätze wurden untersucht, um Mehrkontaktnervenmanschette Elektroden erzeugen, die periphe umformen könnenral Nerven. Erstens ist die Hot-Messer - Technik 13. Es wurde eine kostengünstige Lösung erwiesen, um zuverlässig Fines mit hoher Kontaktdichte und hohe Kontakt Platzierung Präzision (238 ± 9 & mgr; m Kontaktabstand) herzustellen. Allerdings sind die Manschetten durch dieses Verfahren hergestellte steif und die gesamten mechanischen Eigenschaften kann nicht geeignet für die Langzeitimplantation. Der zweite Ansatz ist Laserstrukturierung 24. Nd: Yag-Laser verwendet worden, um die Kontakte zu bilden, indem Muster in mehrschichtigen Platin aufgesputtert PDMS erzeugen. Obwohl dieser Ansatz sehr gut reproduzierbar ist und hohe Präzision Merkmale (30 & mgr; m) ergeben, benötigt die Maschine ist sehr spezialisiert und die langfristige Biokompatibilität der Elektroden wurde nicht untersucht. Der dritte Ansatz ist Array handgearbeiteten Kontakte aus Platin Scheiben oder Kugeln auf Silikonkautschuk 25 fixiert, 26.
Dieser Ansatz erfordert keine teure Ausrüstung und Anwendungenhoch biokompatible Materialien. Die wesentlichen Nachteile dieses Ansatzes sind die hohe Toleranz (> 0,5 mm) und die hohe Abhängigkeit von menschlichen Fehlern. Das Herstellungsverfahren in diesem Protokoll beschrieben ergibt präzise Platzierung der Kontakte und ist in hohem Maße reproduzierbar aufgrund der vorgegebenen Geometrie des Befestigungsrahmens. Der Abstand zwischen den Mittelkontakten wurde bei 0,51 ± 0,04 mm (n = 70) gemessen, und die Abmessungen der Kontakte durch die Toleranz des Laser-Schneidemaschinen bestimmt.
Die Bußgelder mit diesem Verfahren hergestellt sind in der Lage mit dem entsprechenden Algorithmus, um die Lage der Faszikel innerhalb des Nervs zu erkennen und die faszikulären Signale in sich frei bewegenden Tieren ohne einen Faraday-Käfig und mit SNR von 5,10 ± 0,81 dB zu erholen. Dieser Entwurf ist für die Nervenstimulation geeignet und könnte für die selektive Stimulation unter Verwendung tripolar Manschette Konfiguration mit minimalen Artefakten 29 verwendet werden. Dieses Herstellungsverfahren hat auch dieFlexibilität eine Vielzahl von Manschetten für bestimmte Anwendungen wie monopolare Stimulation und Nervengeschwindigkeitsaufzeichnung zu erzeugen.
Monopolar-Design kann durch Entfernen der vier Referenzkontakte realisiert werden, während die Mittelkontakte zu halten. Die sich ergebende Manschette kann dann in der Länge kürzer sein und kann weiter durch Routing alle Leitungen an einer Seite (ein Silikonschlauch Paar anstelle von zwei) zu verlassen modifiziert werden. Die Geschwindigkeitsaufzeichnungselektrode kann durch Ersetzen der Referenzelektroden mit vier zusätzlichen Kontaktfeldrahmen und dann im Inneren des Elektrodenkörpers in Richtung der gegenüberliegenden Austrittsstelle die Leiter der zusätzlichen Kontakte Anordnung implementiert werden.
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Disclosures
Die Autoren erklären, dass sie keine finanziellen Interessen haben. Die Lieferanten in diesem Manuskript aufgeführt sind nur als Referenz zur Verfügung gestellt.
Acknowledgments
Diese Arbeit wurde von der Defense Advanced Research Projects Agency (DARPA) MTO unter der Schirmherrschaft von Dr. Jack Judy und Dr. Doug Weber durch den Raum und Naval Warfare Systems Center, Pacific Zuschuss / Vertrag No.N66001-12-C-4173 gefördert . Wir möchten Thomas Eggers für seine Hilfe bei dem Herstellungsprozess, und Ronald Triolo, Matthew Schiefer, Lee Fisher und Max Freeburg für ihren Beitrag bei der Entwicklung des Verbundnerven Stulpeentwurf danken.
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 |
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