RU2421253C1 - Multichannel electrode with independent bundle travel of microconductors - Google Patents

Abstract

FIELD: medicine.

SUBSTANCE: invention refers to medical equipment, particularly, to neurophysiologic apparatuses for precision electrical stimulation and recording of bioelectric activity simultaneously of great number of neurons of human and animal brain. A multichannel electrode consists of a holder and a bundle of insulated ultrafine metal microconductors connected through contacts to a multichannel amplifier. In a central channel of the holder, there is a movable needle whereto ones of the ends of the microconductors of the bundle are attached, while the other ends are fixed in metal rods mounted in side inclined channels of the holder and independently movable and lifted to a level whereon an amplitude of the recorded bioelectric signal at an output of the related amplifier channel is maximum.

EFFECT: use of the invention shall allow higher efficiency of neurophysiologic testing due to increased simultaneously recorded cerebral neurons, enabled simultaneous micropoint brain stimulation within functionally marked nerve cells and due to decreased traumatism of cerebral tissue during neurosurgical intervention.

1 dwg

Description

Translated fromRussian

Область техники, к которой относится изобретениеFIELD OF THE INVENTION

Изобретение относится к медицинской технике, в частности к области производства приборов нейрофизиологического назначения для прецизионной электростимуляции и регистрации биоэлектрической активности одновременно большого числа нейронов головного мозга человека и животных.The invention relates to medical equipment, in particular to the field of production of neurophysiological devices for precision electrical stimulation and registration of bioelectrical activity at the same time a large number of neurons of the human and animal brain.

Уровень техникиState of the art

Аналогом изобретения является устройство для стимуляции и отведения разрядной активности больших групп нервных клеток (так называемый, «нейроинтерфейс»), состоящее из держателя и пучка покрытых изоляцией сверхтонких металлических микропроводников, подключенных через контакты к многоканальному усилителю [1, 2].An analogue of the invention is a device for stimulating and diverting the discharge activity of large groups of nerve cells (the so-called “neurointerface”), consisting of a holder and a sheath of ultra-thin metal microconductors coated with insulation, connected through contacts to a multi-channel amplifier [1, 2].

С существенными признаками изобретения совпадает следующая совокупность признаков аналога: «из держателя и пучка покрытых изоляцией сверхтонких металлических микропроводников, подключенных через контакты к многоканальному усилителю».With the essential features of the invention, the following combination of features of the analogue coincides: "from the holder and the sheath of superthin metal microconductors coated with insulation, connected through contacts to a multi-channel amplifier."

Недостатком аналога является его малая эффективность, поскольку отводящие поверхности лишь части микропроводников такого пучка (по разным данным от 15% до 40%) после его введения в ткань мозга оказываются в области локализации той или иной нервной клетки. Только эти каналы электрода в дальнейшем и могут использоваться для электростимуляции и регистрации нейронной активности. Замена же их индивидуально подвижными проводниками большого диаметра (с последующей заточкой и покрытием каждого из них слоем изоляции) [3] неизбежно приводит к возникновению множественных микротравм ткани мозга и, как следствие, нарушению нормального его функционирования в зоне отведения.The disadvantage of the analogue is its low efficiency, since only the parts of the microconductors of such a beam (according to various sources, from 15% to 40%), after their introduction into the brain tissue, appear in the localization area of a particular nerve cell. Only these electrode channels in the future can be used for electrical stimulation and registration of neural activity. Replacing them with individually moving large-diameter conductors (followed by sharpening and coating each of them with a layer of insulation) [3] inevitably leads to multiple microtraumas of brain tissue and, as a result, to disrupt its normal functioning in the lead zone.

Прототипом изобретения является «модульный многоканальный микроэлектрод» [4] (J.Hetke, D.Pellinen, D.Anderson. Modular multichannel microelectrode array and methods of making same // Patent USA. WO 2007/042999 A3 (2007)).A prototype of the invention is a “modular multichannel microelectrode” [4] (J. Getke, D. Pellinen, D. Anderson. Modular multichannel microelectrode array and methods of making the same // Patent USA. WO 2007/042999 A3 (2007)).

С существенными признаками изобретения совпадает следующая совокупность признаков прототипа: «из держателя и пучка покрытых изоляцией металлических микропроводников, подключенных через контакты к многоканальному усилителю».With the essential features of the invention, the following set of features of the prototype coincides: "from the holder and the bundle of insulated metal microconductors connected through contacts to a multi-channel amplifier."

Недостатком прототипа также является его малая эффективность, а именно невозможность получения на выходе каждого из каналов усилителя биоэлектрического сигнала максимальной амплитуды.The disadvantage of the prototype is its low efficiency, namely the impossibility of obtaining at the output of each channel of the amplifier bioelectric signal of maximum amplitude.

Устранение недостатка может быть достигнуто за счет того, что в центральном канале держателя устанавливается подвижная игла, к которой прикрепляют одни из концов микропроводников пучка, а другие их концы фиксируют внутри металлических стержней, находящихся в боковых наклонных каналах держателя и выполненных с возможностью независимого перемещения относительно друг друга и поднятия до уровня, при котором амплитуда регистрируемого биоэлектрического сигнала на выходе соответствующего канала усилителя оказывается максимальной.Elimination of the disadvantage can be achieved due to the fact that a movable needle is mounted in the central channel of the holder, to which one of the ends of the beam microconductors is attached, and their other ends are fixed inside the metal rods located in the lateral inclined channels of the holder and made with the possibility of independent movement relative to each other friend and raising to a level at which the amplitude of the recorded bioelectric signal at the output of the corresponding channel of the amplifier is maximum.

Сущность изобретенияSUMMARY OF THE INVENTION

Задачей, на решение которой направлено изобретение, является создание многоканального электрода для эффективной регистрации биоэлектрической активности больших групп нервных клеток и их электростимуляции.The problem to which the invention is directed, is the creation of a multi-channel electrode for the effective registration of the bioelectric activity of large groups of nerve cells and their electrical stimulation.

При осуществлении изобретения могут быть получены следующие результаты:When carrying out the invention, the following results can be obtained:

А. Увеличение числа одновременно регистрируемых нейронов головного мозга человека и животных и, как следствие, значительное повышение уровня эффективности нейрофизиологического тестирования.A. An increase in the number of simultaneously recorded neurons of the human and animal brain and, as a result, a significant increase in the level of effectiveness of neurophysiological testing.

Б. Появление возможности одновременной микроточечной стимуляции мозга в области локализации функционально маркированных нервных клеток.B. The emergence of the possibility of simultaneous micro-point stimulation of the brain in the localization of functionally labeled nerve cells.

С. Снижение уровня травматичности мозговой ткани в ходе нейрохирургических операций, связанных с необходимостью локальной стимуляции отдельных нейронов и регистрации их биоэлектрической активности.C. Decrease in the level of traumaticness of brain tissue during neurosurgical operations associated with the need for local stimulation of individual neurons and registration of their bioelectric activity.

Указанные технические результаты достигаются за счет того, что в центральном канале держателя установлена подвижная игла, к которой прикреплены одни из концов микропроводников пучка, другие зафиксированы внутри металлических стержней, находящихся в боковых наклонных каналах держателя и выполненных с возможностью независимого перемещения относительно друг друга и поднятия до уровня, при котором амплитуда регистрируемого биоэлектрического сигнала на выходе соответствующего канала усилителя максимальна.These technical results are achieved due to the fact that a movable needle is installed in the central channel of the holder, to which one of the ends of the beam microconductors is attached, others are fixed inside the metal rods located in the lateral inclined channels of the holder and made with the possibility of independent movement relative to each other and lifting up the level at which the amplitude of the recorded bioelectric signal at the output of the corresponding channel of the amplifier is maximum.

Признаки, отличающие изобретение от наиболее близкого аналога, выражаются следующей совокупностью признаков: «в центральном канале держателя установлена подвижная игла, к которой прикреплены одни из концов микропроводников пучка, другие зафиксированы внутри металлических стержней, находящихся в боковых наклонных каналах держателя и выполненных с возможностью независимого перемещения относительно друг друга».The features distinguishing the invention from the closest analogue are expressed by the following combination of features: “a movable needle is installed in the central channel of the holder, to which one of the ends of the beam microconductors is attached, others are fixed inside the metal rods located in the side inclined channels of the holder and made with the possibility of independent movement relative to each other".

С целью повышения эффективности регистрации и стимуляции нейронной активности предусмотрена возможность независимого перемещения микроэлектродов относительно друг друга и поднятия каждого из них до уровня, при котором амплитуда регистрируемого биоэлектрического сигнала на выходе соответствующего канала усилителя оказывается максимальной.In order to increase the efficiency of registration and stimulation of neural activity, it is possible to independently move the microelectrodes relative to each other and raise each of them to a level at which the amplitude of the recorded bioelectric signal at the output of the corresponding amplifier channel is maximum.

Таким образом, задача изобретения решена.Thus, the objective of the invention is solved.

Сведения, подтверждающие возможность осуществления изобретенияInformation confirming the possibility of carrying out the invention

Определение эффективности предлагаемого устройства проводилось в рамках нейрофизиологического анализа биоэлектрической активности нейронов сенсомоторной области коры кроликов, находящихся в условиях свободного поведения.The effectiveness of the proposed device was determined in the framework of the neurophysiological analysis of the bioelectric activity of neurons in the sensorimotor region of the cortex of rabbits in free behavior.

На чертеже изображена схема многоканального электрода, который использовался для регистрации нейронной активности.The drawing shows a diagram of a multi-channel electrode, which was used to register neural activity.

Схема содержит изготовленный из диэлектрического материала (фторопласта) держатель 1, в центральном канале которого находится подвижная игла из вольфрама 2, а в боковых наклонных отверстиях с помощью винтов 3 укреплены микропроводники. Каждый из них представляет собой микропровод 4 в стеклянной изоляции (диаметр токопроводящей жилы 1-3 мкм, толщина изолирующего ее стеклянного покрытия 5-7 мкм), верхнюю часть которого после удаления слоя стекла во фтористоводородной кислоте фиксируют токопроводящим клеем внутри металлического стержня 5 (отрезок инъекционной иглы). Нижние концы всех микропроводников 4 с помощью раствора сахарозы приклеивают к центральной игле 2. Ближние к центру держателя 1 концы токосъемников 6 (ламели микроразъема РГ1Н-1-5) припаяны к микрокабелю, подключенному к входам многоканального усилителя.The circuit contains a holder 1 made of a dielectric material (fluoroplastic), in the central channel of which there is amovable tungsten needle 2, and microconductors are fixed in the side inclined holes withscrews 3. Each of them is amicrowire 4 in glass insulation (the diameter of the conductive core is 1-3 μm, the thickness of the glass coating insulating it is 5-7 μm), the upper part of which after removing the glass layer in hydrofluoric acid is fixed with conductive glue inside the metal rod 5 (injection needles). The lower ends of allmicroconductors 4 are glued with a sucrose solution to thecentral needle 2. The ends of the current collectors 6 (micro slots RG1N-1-5) closest to the center of the holder 1 are soldered to a microcable connected to the inputs of a multi-channel amplifier.

Устройство работает следующим образом. После трепанации кости черепа над областью регистрации и удаления участка твердой мозговой оболочки в ткань мозга плавно погружают многоканальный электрод и жидкой пластмассой (Норакрил-100) скрепляют держатель 1 с костью черепа. Спустя 15-20 минут, которые необходимы для растворения сахарозы в ткани мозга, иглу 2 вынимают из центрального отверстия и подключают каждый микропроводник через токосъемник 6 к одному из входов многоканального усилителя. Затем, используя (в зависимости от вида биологического объекта) либо стереотаксический аппарат, либо микроманипулятор, последовательно поднимают каждый из стержней 5 в канале держателя 1 до уровня, обеспечивающего наибольшую амплитуду активного биоэлектрического сигнала на выходе соответствующего канала усилителя. В этом положении каждый стержень окончательно фиксируют микровинтом 3 в канале держателя 1.The device operates as follows. After trepanation of the bone of the skull over the area of registration and removal of the dura mater, the multichannel electrode is gently immersed in the brain tissue and the holder 1 is fastened to the skull bone with liquid plastic (Noracryl-100). After 15-20 minutes, which are necessary for dissolving sucrose in the brain tissue, theneedle 2 is removed from the central hole and each microconductor is connected through acurrent collector 6 to one of the inputs of the multi-channel amplifier. Then, using (depending on the type of biological object) either a stereotactic apparatus or a micromanipulator, each of therods 5 in the channel of the holder 1 is successively raised to a level that provides the largest amplitude of the active bioelectric signal at the output of the corresponding amplifier channel. In this position, each rod is finally fixed with amicroscrew 3 in the channel of the holder 1.

Возможность осуществления изобретения с реализацией указанного назначения подтверждается известностью средств и методов получения устройств.The possibility of carrying out the invention with the implementation of this purpose is confirmed by the well-known means and methods of obtaining devices.

Таким образом, подтверждена возможность осуществления изобретения.Thus, the possibility of carrying out the invention is confirmed.

Техническим результатом изобретения является повышение уровня эффективности нейрофизиологического тестирования за счет увеличения одновременно регистрируемых нейронов головного мозга, появления возможности одновременной микроточечной стимуляции мозга в области локализации функционально маркированных нервных клеток и за счет снижения уровня травматичности мозговой ткани в ходе нейрохирургического вмешательства.The technical result of the invention is to increase the efficiency of neurophysiological testing by increasing simultaneously recorded brain neurons, the possibility of simultaneous micro-point stimulation of the brain in the area of functionally labeled nerve cells and by reducing the level of brain tissue trauma during neurosurgical intervention.

Источники информацииInformation sources

1. V.Tsytsarev, M.Taketani, F.Schottler, Shigeru Tanaka and Masahiko Hara. A new planar multielectrode array: recording from a rat auditory cortex// J. Neural Eng. 3 (2006). 293-298.1. V. Tsytsarev, M. Taketani, F. Schottler, Shigeru Tanaka and Masahiko Hara. A new planar multielectrode array: recording from a rat auditory cortex // J. Neural Eng. 3 (2006). 293-298.

2. Justin С.Williams, Robert L. Rennaker, Daryl R. Kipke. Long-term neural recording characteristics of wire microelectrode arrays implanted in cerebral cortex. Brain Research Protocols. 4 (1999). 303-313.2. Justin C. Williams, Robert L. Rennaker, Daryl R. Kipke. Long-term neural recording characteristics of wire microelectrode arrays implanted in cerebral cortex. Brain Research Protocols. 4 (1999). 303-313.

3. Steven J. Eliades, Xiaoqin Wang. Chronic multi-electrode neural recording in free-roaming monkeys// Journal of Neuroscience Methods. 172 (2008). 201-214.3. Steven J. Eliades, Xiaoqin Wang. Chronic multi-electrode neural recording in free-roaming monkeys // Journal of Neuroscience Methods. 172 (2008). 201-214.

4. J.Hetke, D.Pellinen, D.Anderson. Modular multichannel microelectrode array and methods of making same// Patent USA. WO 2007/042999 A3 (19.04.2007).4. J. Hatke, D. Pellinen, D. Anderson. Modular multichannel microelectrode array and methods of making the same // Patent USA. WO 2007/042999 A3 (04/19/2007).

Claims (1)

Translated fromRussian

Многоканальный электрод для регистрации биоэлектрической активности больших групп нервных клеток и их электростимуляции, состоящий из держателя и пучка покрытых изоляцией сверхтонких металлических микропроводников, подключенных через контакты к многоканальному усилителю, отличающийся тем, что в центральном канале держателя установлена подвижная игла, к которой прикреплены одни из концов микропроводников пучка, другие концы зафиксированы внутри металлических стержней, находящихся в боковых наклонных каналах держателя и выполненных с возможностью независимого перемещения относительно друг друга и поднятия до уровня, при котором амплитуда регистрируемого биоэлектрического сигнала на выходе соответствующего канала усилителя максимальна.A multichannel electrode for recording the bioelectric activity of large groups of nerve cells and their electrical stimulation, consisting of a holder and a sheath of insulated ultra-thin metal microconductors connected through contacts to a multi-channel amplifier, characterized in that a movable needle is installed in the central channel of the holder, to which one of the ends is attached microconductors of the beam, the other ends are fixed inside the metal rods located in the side inclined channels of the holder and made x independently moveable relative to each other and raising to a level at which the amplitude of the bioelectric signal detected at the output of the corresponding amplifier is maximum.

Images