По способу размещения и установке электроды, применяемые в реабилитационной медицине, можно разделить на две основные категории: поверхностные и имплантируемые электроды.
Поверхностные электроды – неинвазивные, предназначены для наложения на участки поверхности тела человека и на открытые поверхности органов. ➥ Подробнее читайте: ЭЭГ электроды.
Имплантируемые электроды – инвазивный тип электродов, которые обеспечивают более точные измерения. Имплантируемые в свою очередь подразделяются на: мышечные электроды (MBEs) (эпимизиальные и внутримышечные) и нервные электроды (MBEs) (эпиневральные и интранервальные).
Имплантируемые электроды для управления протезами классифицируются на четыре категории с учетом цели и места использования.
| Экстра | Интра | |
|---|---|---|
| Мышцы | Эпимизиальные | Внутримышечные - cпиральный - имплантируемые миоэлектрические датчики (IMES) |
| Нервы | Эпиневральные - манжетный - плоский невральный электрод (FINE) | Интранервальные - планарные массивы микроигл (MEAs) - восстановительный |
Мышцы
Эпимизиальные (экстра-мышечные) микроэлектроды крепятся к эпимизию, что приводит к меньшему повреждению мышечных волокон по сравнению с внутримышечными электродами, и, поскольку они подвержены меньшему механическому воздействию, их срок службы значительно больше. После инкапсуляции (образование капсулы вокруг чуждых для организма объектов) эпимизиальный электрод находится в фасции и не смещается вместе с мышцей. Также было замечено, что электрод свободно находится в кармане капсулы, что, предположительно, уменьшает некоторые механические напряжения1.
Общим типом внутримышечного электрода является спиральный провод, который может быть расположен черескожно или полностью имплантирован. Спираль допускает определенное движение, которое необходимо во время мышечных сокращений. Один спиральный провод можно использовать в монополярной или в биполярной конфигурации. Более сложные устройства в этой категории включают имплантируемые миоэлектрические датчики (IMES). Эта технология является концептуально более интересным решением для долгосрочной реализации. Эти устройства могут быть имплантированы подкожно без необходимости хирургического вмешательства, и они питаются, управляются и адресуются с помощью телеметрии от внешней катушки. В случае ампутантов катушка помещается в гнездо протезного устройства, и данные для считывания можно извлечь, используя обратную телеметрию.
IMES – это небольшие беспроводные внутримышечные устройства (16,7мм×2,4мм) с биполярными электродами, которые могут передавать необработанные или интегрированные миоэлектрические сигналы (MES)2.
Нервная система
К нервным электродам относятся манжетные, массивы микроигл и восстановительные электроды.
Манжетные электроды уменьшают проблемы механического напряжения и смещения, которые являются общими для мышечных электродов. Это уменьшает вероятность отказа электрода. Тем не менее, в случае сбоя, их можно извлечь и заменить, причинив меньший ущерб, чем при использовании других инвазивных конструкций электродов. Мышечная длина и конечное положение не влияют на показания и стимуляцию при использовании манжетных электродов. Было показано, что нервная ткань инкапсулирует электроды и действует как стабилизатор, предотвращая смещение манжеты при движениях конечностей3. Электроды-манжеты обычно имеют окружные и дискретные контакты. Основной функциональной проблемой касающейся манжетных электродов является ограниченный доступ к информации из центральных нервных пучков. Плоский электрод для соединения с нервом (FINE) решает эту проблему, слегка расплющивая нерв, тем самым уменьшая расстояние до аксона. Идея этой конструкции заключается в естественной перестройке нерва, чтобы получить доступ к большинству пучков без ущерба для барьера кровь-нерв4.
а – UEA,Utah Electrode Array; б – USEA – Utah Slanted Electrode Array; в – МЭМ с интегрированными активными электронными компонентами
A: Планарный биочип MEA60. B: Планарная мультиэлектродная ванночка 64 (MED64) биочип
Массивы микроигл или микроэлектродные матрицы (англ. microelectrode array, MEA) состоят из множества микроэлектродов, через которые регистрируют биоэлектрическую активность или доставляют электрические стимулы к нейронам. Микроэлектродные массивы служат в качестве нейронных интерфейсов, которые соединяют нейроны с электронными устройствами.
Планарные массивы микроигл представляют собой комплекс из микроигл, зафиксированных на пластине. Острие каждой микро-иглы является электродом и, как правило, выполняется из оксида иридия или платиноиридиевого сплава. Вся остальная конструкция выполнена из изолирующего биосовместимого материала. Площадь пластины составляет несколько мм2. Контактные площадки располагаются на задней поверхности пластины. Электроды подобного типа являются наиболее подходящими для записи сигналов с большого числа изолированных нервных волокон.
Сетчатый (восстановительный) электрод представляет собой тонкую пластину (подложку), линейные размеры которой составляют 1–2 мм, из гибкого, легкого и биосовместимого материала с множеством отверстий, внутри которых располагаются электроды. Пластина фиксируется на срезе нерва, через отверстия прорастают (регенерируют) пучки аксонов, таким образом, создается электрический контакт нервных клеток с электродом. Количество отверстий может составлять несколько десятков или сотен. Подобные электроды применяются для имплантации в периферические нервы. Электроды могут быть выполнены в виде металлического кольца, расположенного внутри отверстия, или в виде металлизации вокруг отверстия (в этом случае надежность электрического контакта несколько ниже)5.
Сравнение поверхностных и имплантируемых электродов
В таблице представлено сравнение поверхностных и имплантируемых электродов, а также мышечных и нервных электродов. В случае ампутации большинство мышц, необходимых для осуществления движений, удаляются. Однако аксоны, которые использовались для иннервации этих мышц, остаются. Их нейронной активности, связанной с движением конечностей будет достаточно для контроля простых движений в роботизированном протезе.
| Поверхностные электроды | Имплантируемые электроды | |
|---|---|---|
| Установка | Необходима подготовка кожи пациента | Установка в клинических условиях |
| Стабильность | Высокая экологическая зависимость (то есть потная или сухая кожа) | Долгосрочный стабильный импеданс после инкапсуляции тканей |
| Съем сигнала | Невозможно записать информацию со всех мышц в культе из-за суперпозиции мышц | Возможны записи с отдельных моторных единиц, а также прямые записи с нервов |
| Информация | Обеспечивает более общую пространственную характеристику распределения потенциала | Больше мест для контроля, уменьшает перекрестные помехи и обеспечивает доступ к информации из нервов |
| Длительность использование | Проблемы с кожей и стабилизацией препятствуют длительному размещению | Различные мышечные и нервные электроды имплантируются людям на длительные сроки |
Теоретически нервные электроды лучше из-за большого количества информации, которую они могли бы получить. Сигналы к нескольким мышцам могут быть получены из одного нерва и поэтому для получения той же информации, что и с одного нервного электрода с несколькими контактами, потребуется несколько мышечных. Примечательно, что последнее утверждение не будет верным, если электроды были помещены в отдельные пучки.
Кроме того, было обнаружено, что нейроэлектрические сигналы (NES) проявляют большую регулярность формы, чем мышечные. Это облегчает распознавание образов и тем самым повышает стабильность системы управления. Поскольку мышечные электроды имеют порядок mV, а а нервные – порядка μV, с первых легче проводить запись. С другой стороны, пик биосигналов в разных спектрах (МЭ 200 Гц, НЭ 2000 Гц), дает возможность фильтрации6. Вариации позиций мышечных электродов в отношении мышц приводят к зависящему от позиции сигналу, что не является проблемой для нервных электродов. Кроме того, нервные электроды устраняют проблемы механического напряжения, становясь стабильнее с течением времени и давая электроду и проводам больший срок службы7. Наконец, нервные электроды по своей природе более подходят для обеспечения обратной связи.
Анализируя мышечные и нервные электроды, можно сказать, что все они могут эффективно применяться. Однако для широкого практического применения этих электродов необходимо решить проблему обеспечения безопасной и долговременной (несколько десятков лет) интеграции в ткани человека.
Читайте также
- Нейрокомпьютерный интерфейс
- Электроды ЭЭГ
- Микроэлектроды
- Patch clamp метод
- Прогноз фармакологического эффекта соединения по биоэлектрической активности мозга
Footnotes
- Электрод спиральной нервной манжеты для стимуляции периферических нервов. Пер. с англ. Неаполь Г.Г. Мортимер Дж. Т. Суини Д.Д., Сделки по биомедицинскому обслуживанию. №35. 1988.905 с
- Сафин Д.Р., Пильщиков И. С., Ураксеев М. А. Применение имплантируемых микроэлектродов в системах управления протезами/ Д. Р. Сафин, Вестник Уфимского государственного авиационного технического университета №2. 2010. С. 104-109.
- Жизнеспособность имплантируемых электродов для естественного контроля протезов / пер. с англ. Макс Ортис-Каталан, Рикард Бранемарк, Бо Хаканссон, 2012. 211 с.
- Электрод спиральной нервной манжеты для стимуляции периферических нервов. Пер. с англ. Неаполь Г.Г. Мортимер Дж. Т. Суини Д.Д., Сделки по биомедицинскому обслуживанию. №35. 1988.905 с
- Сафин Д.Р., Пильщиков И. С., Ураксеев М. А. Применение имплантируемых микроэлектродов в системах управления протезами/ Д. Р. Сафин, Вестник Уфимского государственного авиационного технического университета №2. 2010. С. 104-109.
- Жизнеспособность имплантируемых электродов для естественного контроля протезов / пер. с англ. Макс Ортис-Каталан, Рикард Бранемарк, Бо Хаканссон, 2012. 211 с.
- Жизнеспособность имплантируемых электродов для естественного контроля протезов / пер. с англ. Макс Ортис-Каталан, Рикард Бранемарк, Бо Хаканссон, 2012. 211 с.