Az infravörös idegi stimuláció klinikai biztonsága és hatékonysága idegátvitel során

A sebészeti eljárások széles skálája magában foglalja az idegek és idegi struktúrák lokalizálását és azonosítását. Az olyan esetekben, mint a brachialis plexus rekonstrukciója, a sebésznek meg kell határoznia a specifikus idegi fasciculusokat az átültetéshez. Míg más esetekben, mint például a hátsó gyökér rhizotómiája, a sebésznek azonosítania kell a hiperaktív ideggyökereket a keresztmetszéshez. Az idegek pontos azonosításának és lokalizálásának képessége kritikus fontosságú a nem szándékos és káros következmények elkerülésében, amelyek költséges forrásai lehetnek az orvosi jogi pereknek. A sebészek általában anatómiai tudásukra és a műtéti terület vizualizációjára támaszkodnak az idegek azonosítása és lokalizálása érdekében. Az idegek eloszlása ​​azonban személyenként változik, gyakran eltérve az anatómiai atlaszoktól. A betegek közötti variabilitás figyelembe vétele érdekében a sebészek elektromos stimulációs (ES) módszereket is alkalmaznak az idegek és az idegrostok intraoperatív azonosítására és lokalizálására. Az ES után a sebészek elektromiográfiára vagy látható izomösszehúzódások jelenlétére támaszkodnak a stimulált ideg azonosításának és helyének megerősítésére. Az ES-t azonban belső fizikai korlátok korlátozzák. Az áramterjedés, amelyben az elektromos áram szétszóródik a környező szövetekben, régóta sújtja az ES módszereket. Az áram terjedésének eredményeként az elektromos inger túlnyúlik a stimulációs szondával való érintkezési ponton, aktiválva a szomszédos idegi fasciculusokat. Következésképpen az ES gyenge stimulációs fókusza miatt nem ideális eszköz a kis idegi célpontok megcélzására vagy a stimulációs elektróddal közvetlenül érintkező idegi struktúrák pontos monitorozására. Klinikai eljárások során a távoli idegszövet vagy több idegi struktúra aktiválása kétértelműséget és bizonytalanságot okozhat a specifikus idegi struktúrák azonosságával és elhelyezkedésével kapcsolatban, ami aggodalomra ad okot a sebészek körében. Így szükség van egy nagyobb fokú térbeli szelektivitással rendelkező idegi stimulációs technikára, amely javítja az idegek lokalizációját és azonosítását a műtét során.

Az infravörös neurális stimuláció (INS) egy címkementes optikai módszer, amellyel az idegszövetet alacsony energiájú infravörös fényimpulzusokkal gerjesztik. Mint optikai neurostimulációs technika, az INS nagy fokú térbeli specifitással rendelkezik, anélkül, hogy közvetlen érintkezésbe kellene lépnie a szövettel (1. ábra). Csoportunk ismételten kimutatta az INS térbeli specifitását, hogy aktiválja az egyes idegi fasciculusokat patkányokban, nem humán főemlősökben és emberekben in vivo. Csoportunk kezdeti megállapításai arra késztetnek más csoportokat is, hogy az INS térbeli szelektivitását más klinikai alkalmazásokhoz is felhasználják, mint például az idegi monitorozás és a szívingerlés. Az INS eredendő térbeli pontossága a mögöttes biofizikai mechanizmus közvetlen eredménye. Az infravörös fény lerakódása az idegszövetbe tranziens termikus gradienst okoz, amely a membrán kapacitásának termikusan indukált változása révén depolarizálja a sejtmembránt. Az infravörös impulzusokból származó hőenergia térben a besugárzott térfogatra korlátozódik, amelyet a lézerfolt mérete és a fény szövetbe való behatolási mélysége határoz meg. Csoportunk és mások is szövettanilag bizonyították, hogy az INS biztonságosan és megbízhatóan gerjeszti az idegeket anélkül, hogy károsítaná az idegeket. Tekintettel ezekre az előnyökre a hagyományos ES-módszerekkel szemben, a kutatók úgy vélik, hogy az INS egy életképes alternatív stimulációs technika, különösen olyan sebészeti esetekben, amikor szükség van korlátozott neurostimulációra. Ennek a javaslatnak az a célja, hogy kihasználja az INS belső erősségeit, és azokat olyan felső végtagi műtéteknél alkalmazza, ahol az idegek azonosításához és lokalizációjához térben pontos neurostimuláció szükséges. Ez a tanulmány csoportunk korábbi klinikai munkájára épít, és tovább erősíti az INS-t, mint a klinikai neurostimulációs módszerek értékes kiegészítését.

E javaslat célja kettős: az INS hatékonyságának bemutatása a felső végtag térbeli szelektív idegstimulációjában, valamint az INS szövettani biztonságosságának meghatározása dióda lézerrendszerek segítségével humán betegeknél. Ennek érdekében a kutatók plexus brachialis rekonstrukción (BPR) és idegátviteli műtéten áteső betegeket toboroznak, amelyek során az INS hatékonysága és térbeli szelektivitása egyaránt kimutatható, és szövettani minták nyerhetők anélkül, hogy a betegek ellátási minősége vagy gyógyulása romlana. E célok elérése érdekében a vizsgálók a következő célokat javasolják:

1. cél: Klinikai száloptikai szonda tervezése és gyártása dióda alapú INS rendszerhez Meglévő dióda lézereink felhasználásával a kutatók klinikai dióda lézeres INS rendszert hoznak létre INS száloptikai szondák megépítésével. A száloptikás szondákat úgy tervezik és jellemezzük, hogy összegyűjtsék a fényt a diódalézereinkből, és eljuttassák azt az ideghez. A szondák sterilizálhatók, ergonomikusak és manőverezhetők, a megfelelő hullámhosszokon áteresztőek, és konzisztens stimulációs paramétereket biztosítanak. A szonda kialakítása a meglévő klinikai ES szondákon alapul, és a sebész visszajelzései alapján módosul.

2. cél: Az INS hatékonyságának bemutatása idegátviteli esetekben Míg a drága klinikai lézerekkel végzett INS hatékony idegstimulációs eszköznek bizonyult, addig humán betegekben a dióda lézeres INS-t még nem sikerült demonstrálni. Itt a vizsgáló az átvitelre vagy beültetésre azonosított idegeket a szimulációs paraméterek tartományában (impulzusszélesség, foltméret, egységnyi területre jutó energia stb.) stimulálja, hogy meghatározza a stimulációs küszöböt. Csak az ideg azon részeit ingerlik optikailag, amelyekre már nincs szükség funkcionálisan. A sikeres INS eseményeket a vizuális izomösszehúzódások határozzák meg. A stimulációs küszöbértékek meghatározása az adatok kumulatív eloszlásfüggvényhez való illesztésével történik.

3. cél: A dióda alapú INS rendszer szövettani biztonságának meghatározása A 2. céllal összefüggésben az ideg stimulációs helyeit összegyűjtik, és szövettanilag megvizsgálják az INS által kiváltott károsodások bizonyítékait. A stimulációs helyeket szövetfestékkel megjelölik, és szövettani előkészítés céljából kivágják. A szövetfestéket illetően a vizsgálati sebész steril sebészeti jelölőtollat ​​használ a stimuláció helyének megjelölésére. Ezeket a steril sebészeti jelölőtollakat in vivo szövetjelölésre tervezték. A steril sebészeti jelölőtollakat rendszeresen használják a rutin ellátás során a szövetek intraoperatív megjelölésére. Nincs további kockázat a vizsgálatban részt vevők számára, akiknél a stimuláció helyét steril sebészeti jelölőtollal jelölik meg. A steril sebészeti jelölőtollal megjelölt stimulációs helyet (idegszegmentumot) szövettani előkészítés céljából kivágják.

A minták rögzítése és szeletelése után toluidin kék és/vagy Luxol fast blue-Periodic acid Schiff festéssel megfestik és leképezik őket. A leképezett tárgylemezeken többek között megvizsgáljuk a mielin szétesését, a kollagén hialinizációját és az elszenesedést. Szövettani károsodás-besorolási rendszert is kidolgoznak a károsodás súlyossága és mélysége alapján magához az ideghez képest. A sérülési küszöbértékeket hasonlóképpen a Probit-analízis segítségével határozzák meg, és összehasonlítják a stimulációs küszöbértékkel a biztonsági határ meghatározásához.

Az INS értékes neurális stimulációs technikaként szolgálhat a klinikán. Magas fokú térbeli szelektivitásának köszönhetően az INS javíthatja a jelenlegi elektromos stimulációs módszereket, amelyek az áram terjedése miatt egyszerre több ideget vagy fasciculumot gerjeszthetnek, és így csökkenthetik az idegazonosítási eljárások során tapasztalható bizonytalanságot. Míg az INS-t sikeresen és biztonságosan alkalmazzák emberekben, a költséghatékony lézerdióda-rendszereket még nem értékelték. Ez a javaslat lehetővé teszi egy klinikai dióda alapú INS rendszer kifejlesztését és tesztelését mind a hatékonyság, mind a biztonság szempontjából. Ez a javaslat az INS és alkalmazásai klinikai és technikai vonatkozásaiban egyedülálló szakértelemmel rendelkező, kiegészítő kutatócsoportot hoz össze. Az INS alkalmazása BPR-ben és idegátviteli esetekben lehetővé teszi számunkra, hogy meghatározzuk a dióda alapú INS stimulációs és biztonsági küszöbértékeit emberekben, és ez megnyitja az utat e technika más eljárásokban történő alkalmazásához, ahol a jobb térspecifitás nagyon előnyös. Az INS alkalmazásának a felső végtag eseteire való kiterjesztésével ez a technika jelentősen befolyásolhatja az ellátás színvonalát azokban a műtétekben, ahol stimulációt alkalmaznak a specifikus idegek és idegfacsontok azonosítására.