말초신경계면

Peripheral nerve interface

말초 신경 인터페이스는 말초 신경 시스템과 인체와 기계 프로세서 사이의 신호를 기록하고 보내는 양방향 정보 변환기 역할을 하는 컴퓨터 인터페이스 사이의 다리입니다.화학적 자극과 감지가 가능하지만,[1] 신경계에 대한 인터페이스는 일반적으로 자극과 기록을 위한 전극의 형태를 취합니다.이 분야의 연구는 질병이나 부상 후 기능 회복을 위한 말초신경 인터페이스를 개발하여 관련 손실을 최소화하는 데 초점을 맞추고 있습니다.말초 신경 인터페이스는 또한 말초 신경계의 형태와 기능을 연구하기 위해 전기 자극과 말초 신경계의 기록을 가능하게 합니다.예를 들어, 최근 동물 연구는 관절 [2][3]각도와 같은 생리학적으로 의미 있는 측정을 추적하는 데 높은 정확도를 보여주었습니다.많은 연구자들은 또한 자연적인 감각 운동 제어와 [4]기능을 모방하기 위해 인간의 신경계를 바이오닉스와 연결하는 신경 보철술 분야에 집중합니다.말초 신경 인터페이스의 성공적인 이식은 적절한 적응증, 주술 테스트, 차별화된 계획 및 기능 [5]훈련을 포함한 많은 요소에 따라 달라집니다.일반적으로 마이크로 전극 장치는 말초 신경계와의 접촉을 설정하기 위해 신경 줄기에 인접하거나 주변 또는 내부에 이식됩니다.원하는 신호 유형과 도달 가능한 신호 유형에 따라 다른 접근 방식을 사용할 수 있습니다.

기능.

신경 인터페이스의 주요 목적은 효과적이고 고밀도의 자극 및 기록을 가능하게 하기 위해 지속적인 시간 동안 신경 시스템과 양방향 정보 교환을 가능하게 하는 것입니다.말초신경계는 뇌와 척수에서 신체와 등의 사지로 정보를 전달하는 역할을 합니다.말초 신경 인터페이스의 기능은 말초 신경 기능이 손상되었을 때 신경계를 보조하는 것입니다.신경계의 역할을 보완하기 위해, 인터페이스는 감각 정보를 식별할 뿐만 아니라 운동 기능을 강화할 필요가 있습니다.원하는 모터 출력을 달성하기 위한 말초 신경 자극의 가능성이 입증되었으며 이 연구 [6]분야의 주요 원동력 중 하나입니다.신경계 전체의 정보는 주로 활동전위를 통해 교환됩니다.이러한 신호는 개별 및 국소 영역의 신경 해부학적 및 신경 화학적 구성에 따라 다양한 수와 간격으로 발생합니다.정보는 신체로부터 활동전위를 유도하거나 회복함으로써 소개되거나 읽힐 수 있습니다.말초 신경 인터페이스의 성공적인 개발과 구현은 신경계에 정보의 도입과 신경계로부터 정보의 추출을 모두 허용할 것입니다.

문제 및 제한 사항

말초 신경 인터페이스의 문제와 한계는 본질적으로 생물물리학적이고 생물학적입니다.이러한[1] 과제는 다음과 같습니다.

  • 기능적 해상도 측면에서 인터페이스의 충실도
  • 어려운 인터페이스 설계 제약을 초래하는 상대적으로 약한 노이즈가 많은 전기 신호
  • 관심 신경 섬유에 대한 계면 주입 관련 손상
  • 시간 경과에 따른 염증으로 인한 계면의 안정성
  • 신체적 움직임 또는 신경 활동의 염증 관련 트리거로 인한 통증 또는 잘못된 감각/운동 자극과 같은 우발적인 결과 관리

어플

말초 신경 인터페이스는 통증 조절,[7] 척수 부상 또는 [8]뇌졸중 후 운동 기능 회복, 미주 [9]신경의 전기 자극에 의한 간질 치료, 배뇨를 조절하기 위한 신경 자극, 만성 편두통에 대한 후두 신경 자극 및 신경 연동에 사용됩니다.

종류들

다양한 전극 설계가 연구, 테스트 및 [10][11]제조되었습니다.이 전극들은 침습성의 정도가 다른 스펙트럼 위에 놓여 있습니다.이 분야의 연구는 말초 신경/조직 손상, 다른 신호 및 다른 신호에 대한 접근, 신경 조직의 선택적 기록/자극과 관련된 문제를 해결하고자 합니다.이상적으로 말초 신경 인터페이스는 말초 신경 섬유의 생물학적 제약과 상호 작용하고, 주변 조직의 기계적 및 전기적 특성과 일치하도록 최적으로 설계되며, 최소한의 면역 반응과 높은 센서 분해능으로 생체 적합성이 있으며, 최소 침습성이 있으며, 낮은 신호 대 잡음 비율로 만성적으로 안정적입니다.랭비어의 노드에서 가장 강한 신호가 기록됩니다.말초 신경 인터페이스는 신경 외 및 혈관 내 범주로 나눌 수 있습니다.

상피뇨관 전극 계면

상피뇨 전극은 말초 신경과 접촉하기 위해 두 개 이상의 접촉 부위를 유지하는 세로 스트립으로 제작됩니다.이 전극들은 신경에 배치되고 상피뇨관에 봉합함으로써 고정됩니다.봉합 과정은 섬세한 수술이 필요하며 과도한 움직임이 긴장을 유발할 경우 신경에서 찢어질 수 있습니다.전극이 상피뇨관에 봉합되어 있기 때문에 신경 트렁크가 손상될 가능성은 낮습니다.

헬리코이드 전극 인터페이스

헬리코이드 전극은 신경 주변에 배치되며 나선형 설계의 유연한 백금 리본으로 만들어집니다.이 설계를 통해 전극은 기계적 외상을 최소화하기 위해 신경의 크기와 모양을 준수할 수 있습니다.구조 설계로 인해 선택성이 낮습니다.헬리코이드 전극은 현재 난치성 간질, 수면 무호흡증을 제어하고 우울증을 치료하기 위해 미주 신경의 FES 자극에 사용됩니다.

전극 인터페이스 예약

책 전극은 슬롯이 있는 실리콘 고무 블록으로 구성되어 있습니다.각 슬롯에는 전극, 양극 전극 및 음극 전극 역할을 하는 3개의 백금 호일이 있습니다.신경의 척추 뿌리가 이 구멍에 배치되고, 그 구멍은 실리콘으로 만들어진 플랩으로 덮이고 실리콘 접착제로 고정됩니다.이 전극은 주로 등천골 뿌리의 반사 회로를 차단하고 방광 기능을 조절하는 데 사용됩니다.책의 전극은 여전히 매우 부피가 큰 것으로 여겨집니다.

레퍼런스

  1. ^ a b Grill WM, Norman SE, Bellamkonda RV (2009). "Implanted neural interfaces: biochallenges and engineered solutions". Annual Review of Biomedical Engineering. 11: 1–24. doi:10.1146/annurev-bioeng-061008-124927. PMID 19400710. S2CID 9380584.
  2. ^ Koh RG, Balas M, Nachman AI, Zariffa J (January 2020). "Selective peripheral nerve recordings from nerve cuff electrodes using convolutional neural networks". Journal of Neural Engineering. 17 (1): 016042. Bibcode:2020JNEng..17a6042K. doi:10.1088/1741-2552/ab4ac4. PMID 31581142. S2CID 203661866.
  3. ^ Koh RG, Nachman AI, Zariffa J (July 2019). "Classification of naturally evoked compound action potentials in peripheral nerve spatiotemporal recordings". Scientific Reports. 9 (1): 11145. Bibcode:2019NatSR...911145K. doi:10.1038/s41598-019-47450-8. PMC 6668407. PMID 31366940.
  4. ^ Donaldson PE (May 1983). "The Cooper cable: an implantable multiconductor cable for neurological prostheses". Medical & Biological Engineering & Computing. 21 (3): 371–4. doi:10.1007/BF02478508. PMID 6876913. S2CID 11803616.
  5. ^ Navarro X, Krueger TB, Lago N, Micera S, Stieglitz T, Dario P (September 2005). "A critical review of interfaces with the peripheral nervous system for the control of neuroprostheses and hybrid bionic systems". Journal of the Peripheral Nervous System. 10 (3): 229–58. doi:10.1111/j.1085-9489.2005.10303.x. PMID 16221284. S2CID 923522.
  6. ^ Bhadra, Niloy; Peckham, P. Hunter (September 1997). "Peripheral Nerve Stimulation for Restoration of Motor Function". Journal of Clinical Neurophysiology. 14 (5): 378–393. doi:10.1097/00004691-199709000-00004. PMID 9415385.
  7. ^ Weiner RL (April 2000). "The future of peripheral nerve neurostimulation". Neurological Research. 22 (3): 299–304. doi:10.1080/01616412.2000.11740674. PMID 10769824. S2CID 35257447.
  8. ^ Stein RB, Peckham PH, Popovic DB, eds. (1992). Neural Prostheses Replacing Motor Function After Disease or Disability. New York: Oxford Univ. Press.
  9. ^ George R, Sonnen A, Upton A, Salinsky M, Ristanovic R, et al. (1995). "A randomized controlled trial of chronic vagus nerve stimulation for treatment of medically intractable seizures". Neurology. 45 (2): 224–230. doi:10.1212/WNL.45.2.224. PMID 7854516. S2CID 37227118.
  10. ^ Varga M, Luniak M, Wolter KJ (April 2013). Novel self-folding electrode for neural stimulation and recording. 2013 IEEE XXXIII International Scientific Conference Electronics and Nanotechnology (ELNANO). IEEE. pp. 237–240. doi:10.1109/ELNANO.2013.6552092. ISBN 978-1-4673-4672-6. S2CID 21565816.
  11. ^ Varga M, Luniak M, Wolter KJ (December 2013). Technology for bipolar polycarbonate electrodes applied for intraoperative neuromonitoring. 2013 IEEE 15th Electronics Packaging Technology Conference (EPTC 2013). IEEE. pp. 103–107. doi:10.1109/EPTC.2013.6745693. ISBN 978-1-4799-2834-7. S2CID 33936455.