Infrapunahermostimulaation kliininen turvallisuus ja tehokkuus hermonsiirtojen aikana

Laaja valikoima kirurgisia toimenpiteitä sisältää hermojen ja hermorakenteiden paikallistamisen ja tunnistamisen. Tapauksissa, kuten brachial plexus rekonstruktio, kirurgin on tunnistettava tietyt hermoketjut siirtämistä varten. Muissa tapauksissa, kuten selkäjuuren rhizotomioissa, kirurgin on tunnistettava hyperaktiiviset hermojuuret leikkausta varten. Kyky tunnistaa ja paikantaa hermoja tarkasti on ratkaisevan tärkeää, jotta vältetään tahattomat ja haitalliset seuraukset, jotka voivat olla kalliita lääketieteellisiä oikeudenkäyntejä. Kirurgit ovat yleensä riippuvaisia ​​anatomisesta tietämystään ja kirurgisen kentän visualisoinnista hermojen tunnistamiseksi ja paikallistamiseksi. Hermojen jakautuminen kuitenkin vaihtelee henkilöittäin ja usein poikkeaa anatomisista kartastoista. Tämän potilaiden välisen vaihtelun huomioon ottamiseksi kirurgit käyttävät myös sähköstimulaatiomenetelmiä (ES) tunnistaakseen ja paikantaakseen hermoja ja hermofakkelia leikkauksen aikana. ES:n jälkeen kirurgit luottavat elektromyografiaan tai näkyvään lihassupistukseen vahvistaakseen stimuloidun hermon identiteetin ja sijainnin. ES:tä rajoittavat kuitenkin luontaiset fyysiset rajoitukset. Virran leviäminen, jossa sähkövirta hajoaa ympäröivään kudokseen, on pitkään vaivannut ES-menetelmiä. Virran leviämisen seurauksena sähköinen ärsyke ulottuu kosketuspisteen ulkopuolelle stimulaatioanturin kanssa aktivoiden viereisiä hermofakkelia. Näin ollen ES:n heikko stimulaatiofokusiteetti tekee siitä ei-ihanteellisen tavan kohdistaa pieniin hermokohteisiin tai tarkkailla hermorakenteita, jotka ovat välittömässä kosketuksessa stimulaatioelektrodin kanssa. Kliinisissä toimenpiteissä etäisen hermokudoksen tai useiden hermorakenteiden aktivointi voi aiheuttaa epäselvyyttä ja epävarmuutta tiettyjen hermorakenteiden identiteetin ja sijainnin suhteen, mikä aiheuttaa huolta kirurgien keskuudessa. Täten on olemassa tarve hermostimulaatiotekniikalle, jolla on korkeampi spatiaalinen selektiivisyys hermon lokalisoinnin ja tunnistamisen parantamiseksi leikkauksen aikana.

Infrapunahermostimulaatio (INS) on tarraton optinen menetelmä, jota käytetään hermokudoksen virittämiseen matalan energian infrapunavalopulsseilla. Optisena neurostimulaatiotekniikana INS:llä on korkea spatiaalinen spesifisyys ilman suoraa kosketusta kudoksen kanssa (kuva 1). Ryhmämme on toistuvasti osoittanut INS:n spatiaalisen spesifisyyden aktivoida yksittäisiä hermofakkelia rotilla, ei-ihmiskädellisillä ja ihmisillä in vivo. Ryhmämme alustavat havainnot ovat myös saaneet muut ryhmät hyödyntämään INS:n spatiaalista selektiivisyyttä muihin kliinisiin sovelluksiin, kuten hermoseurantaan ja sydämen tahdistukseen. INS:n luontainen spatiaalinen tarkkuus on suora seuraus sen taustalla olevasta biofysikaalisesta mekanismista. Infrapunavalon laskeutuminen hermokudokseen aiheuttaa ohimenevän lämpögradientin, joka depolarisoi solukalvon termisesti indusoidun kalvon kapasitanssin muutoksen kautta. Infrapunapulssien lämpöenergia rajoittuu spatiaalisesti säteilytettyyn tilavuuteen laserpisteen koon ja valon kudokseen tunkeutumissyvyyden perusteella. Ryhmämme ja muut ovat histologisesti osoittaneet, että INS voi turvallisesti ja luotettavasti virittää hermoja vahingoittamatta. Ottaen huomioon nämä edut perinteisiin ES-menetelmiin verrattuna, tutkijat uskovat, että INS on käyttökelpoinen vaihtoehtoinen stimulaatiotekniikka erityisesti kirurgisissa tapauksissa, joissa tarvitaan rajoitettua neurostimulaatiota. Tämän ehdotuksen tavoitteena on hyödyntää INS:n luontaisia ​​vahvuuksia ja soveltaa niitä yläraajojen leikkauksiin, joissa spatiaalisesti tarkkaa neurostimulaatiota tarvitaan hermotunnistukseen ja -paikannukseen. Tämä tutkimus pohjautuu ryhmämme aikaisempaan kliiniseen työhön ja vahvistaa INS:ää arvokkaana lisäyksenä kliinisiin neurostimulaatiomenetelmiin.

Tällä ehdotuksella on kaksi tavoitetta: osoittaa INS:n teho spatiaalisesti selektiivisessä hermostimulaatiossa yläraajoissa ja määrittää INS:n histologinen turvallisuus käyttämällä diodilaserjärjestelmiä ihmispotilailla. Tätä varten tutkijat rekrytoivat potilaita, joille tehdään brachial plexus rekonstruktio (BPR) ja hermonsiirtoleikkaukset, joissa sekä INS:n tehokkuus että spatiaalinen selektiivisyys voidaan osoittaa ja histologisia näytteitä voidaan saada ilman, että potilaiden hoidon tai toipumisen laatu kärsii. Näiden tavoitteiden saavuttamiseksi tutkijat ehdottavat seuraavia tavoitteita:

Tavoite 1: Suunnittele ja valmista kliininen kuituoptinen anturi diodipohjaiselle INS-järjestelmälle Käyttämällä olemassa olevia diodilasereitamme tutkijat luovat kliinisen diodilaser-INS-järjestelmän rakentamalla INS-kuituoptisia antureita. Kuituoptiset anturit suunnitellaan ja karakterisoidaan keräämään valoa diodilasereistamme ja toimittamaan valoa hermoille. Anturit ovat steriloitavia, ergonomisia ja ohjattavia, läpäiseviä asianmukaisilla aallonpituuksilla ja tarjoavat yhdenmukaiset stimulaatioparametrit. Anturin suunnittelu perustuu olemassa oleviin kliinisiin ES-koettimiin, ja sitä muokataan kirurgin palautteen perusteella.

Tavoite 2: INS:n tehokkuuden osoittaminen hermonsiirtotapauksissa Vaikka kalliilla kliinisillä lasereilla käyttävän INS:n on osoitettu olevan tehokas hermostimulaatiokeino, diodilasereita käyttävän INS:n on vielä osoitettu ihmispotilailla. Tässä tutkija stimuloi hermoja, jotka on tunnistettu siirrettäväksi tai siirrettäväksi useiden simulaatioparametrien avulla (pulssin leveys, pisteen koko, energia pinta-alayksikköä kohti jne.) stimulaatiokynnyksen määrittämiseksi. Vain niitä hermon osia, joita ei enää toiminnallisesti tarvita, stimuloidaan optisesti. Onnistuneet INS-tapahtumat määräytyvät visuaalisten lihasten supistusten perusteella. Stimulaatiokynnykset määritetään sovittamalla tiedot kumulatiiviseen jakautumisfunktioon.

Tavoite 3: Määritä diodipohjaisen INS-järjestelmän histologinen turvallisuus Tavoitteen 2 yhteydessä hermon stimulaatiokohdat kerätään ja niistä tutkitaan histologisesti todisteita INS:n aiheuttamasta vauriosta. Stimulaatiokohdat merkitään kudosvärillä ja leikataan pois histologista valmistelua varten. Mitä tulee kudosväriin, tutkimuskirurgi käyttää steriiliä kirurgista merkintäkynää stimulaatiokohdan merkitsemiseen. Nämä steriilit kirurgiset merkintäkynät on tarkoitettu käytettäviksi in vivo kudosten merkitsemiseen. Steriilejä kirurgisia merkintäkyniä käytetään säännöllisesti rutiinihoidossa kudosten merkitsemiseen leikkauksen aikana. Tutkimuksen osallistujille, joiden stimulaatiokohta merkitään steriilillä kirurgisella merkintäkynällä, ei ole lisäriskiä. Steriilillä kirurgisella merkintäkynällä merkitty stimulaatiokohta (hermosegmentti) leikataan pois histologista valmistelua varten.

Kun näytteet on kiinnitetty ja leikattu, ne värjätään toluidiinisinisellä ja/tai Luxol fast blue-Periodic acid Schiff -värillä ja kuvataan. Kuvatut objektilasit tutkitaan muiden kriteerien ohella todisteiden myeliinin hajoamisesta, kollageenin hyalinisaatiosta ja hiiltymisestä. Myös histologinen vaurioluokitusjärjestelmä kehitetään vaurion vakavuuden ja syvyyden perusteella suhteessa itse hermoon. Vahinkojen kynnysarvot määritetään samalla tavalla Probit-analyysillä ja verrataan stimulaatiokynnykseen turvallisuusmarginaalin määrittämiseksi.

INS:llä on potentiaalia toimia arvokkaana hermostimulaatiotekniikana klinikalla. Suuren spatiaalisen selektiivisyytensä ansiosta INS voisi parantaa nykyisiä sähköisiä stimulaatiomenetelmiä, jotka voivat virittää useita hermoja tai sidekudoksia kerralla virran leviämisen vuoksi ja siten vähentää epävarmuutta hermotunnistuksen aikana. Vaikka INS:ää on käytetty menestyksekkäästi ja turvallisesti ihmisillä, kustannustehokkaita laserdiodijärjestelmiä ei ole vielä arvioitu. Tämä ehdotus mahdollistaa kliinisen diodipohjaisen INS-järjestelmän kehittämisen ja testaamisen sekä tehokkuuden että turvallisuuden kannalta. Tämä ehdotus kokoaa yhteen täydentävän tutkijaryhmän, jolla on ainutlaatuinen asiantuntemus sekä INS:n kliinisistä että teknisistä näkökohdista ja sen sovelluksista. INS:n käyttö BPR- ja hermosiirtotapauksissa antaa meille mahdollisuuden määrittää diodipohjaisen INS:n stimulaatio- ja turvallisuuskynnykset ihmisillä, mikä tasoittaa tietä tämän tekniikan käyttöön muissa menetelmissä, joissa parannettu spatiaalinen spesifisyys on erittäin edullista. Laajentamalla INS:n käytön yläraajojen tapauksiin, tämä tekniikka voi merkittävästi vaikuttaa hoidon tasoon leikkauksissa, joissa käytetään stimulaatiota tiettyjen hermojen ja hermoketjujen tunnistamiseen.