신경 전달 중 적외선 신경 자극의 임상 안전성 및 효능

광범위한 수술 절차에는 신경 및 신경 구조를 찾고 식별하는 것이 포함됩니다. 상완 신경총 재건과 같은 경우 외과의는 이식을 위한 특정 신경 다발을 식별해야 합니다. 후근 뿌리 줄기 절개술과 같은 다른 경우에는 외과의가 절개를 위한 과잉 활성 신경 뿌리를 식별해야 합니다. 신경을 정확하게 식별하고 국소화하는 능력은 비용이 많이 드는 의료법적 소송의 원인이 될 수 있는 의도하지 않은 해로운 결과를 피하는 데 중요합니다. 외과의는 일반적으로 해부학적 지식과 수술 분야의 시각화에 의존하여 신경을 식별하고 찾습니다. 그러나 신경의 분포는 종종 해부학적 지도책에서 벗어나 사람마다 다릅니다. 이러한 환자 간 가변성을 설명하기 위해 외과의는 전기 자극(ES) 방법을 활용하여 수술 중에 신경 및 신경 다발을 식별하고 찾습니다. ES 후, 외과의는 자극된 신경의 정체와 위치를 확인하기 위해 근전도검사 또는 눈에 보이는 근육 수축의 존재에 의존합니다. 그러나 ES는 본질적인 물리적 한계에 의해 제약을 받습니다. 전류가 주변 조직으로 분산되는 전류 확산은 오랫동안 ES 방법을 괴롭혔습니다. 전류 확산의 결과로 전기 자극은 인접한 신경 다발을 활성화하는 자극 프로브와의 접촉 지점을 넘어 확장됩니다. 결과적으로 ES의 열악한 자극 초점은 작은 신경 표적을 표적으로 하거나 자극 전극과 직접 접촉하는 신경 구조를 정밀하게 모니터링하는 비이상적인 수단이 됩니다. 임상 절차에서 원거리 신경 조직 또는 다중 신경 구조의 활성화는 외과 의사들 사이에서 우려를 불러일으키는 특정 신경 구조의 정체와 위치에 대한 모호성과 불확실성을 가져올 수 있습니다. 따라서 수술 시 신경의 위치 파악 및 식별을 향상시키기 위해 보다 높은 공간 선택도를 갖는 신경 자극 기법이 필요하다.

적외선 신경 자극(INS)은 적외선의 낮은 에너지 펄스로 신경 조직을 자극하는 데 사용되는 라벨 없는 광학 방법입니다. 광학적 신경 자극 기술로서 INS는 조직과 직접 접촉할 필요 없이 높은 수준의 공간 특이성을 가지고 있습니다(그림 1). 우리 그룹은 쥐, 비인간 영장류 및 인간의 생체 내에서 개별 신경 다발을 활성화하는 INS의 공간적 특이성을 반복적으로 입증했습니다. 우리 그룹의 초기 발견은 또한 다른 그룹이 신경 모니터링 및 심박 조절과 같은 다른 임상 적용을 위해 INS의 공간 선택성을 활용하도록 이끌었습니다. INS의 고유한 공간 정밀도는 기본 생물물리학적 메커니즘의 직접적인 결과입니다. 적외선이 신경 조직에 침착되면 막 정전용량의 열 유도 변화를 통해 세포막을 탈분극시키는 일시적인 열 구배가 발생합니다. 적외선 펄스의 열 에너지는 레이저 스폿 크기 및 조직으로의 빛의 침투 깊이에 의해 결정되는 조사된 부피에 공간적으로 제한됩니다. 우리 그룹과 다른 그룹은 INS가 손상을 입히지 않고 안전하고 안정적으로 신경을 자극할 수 있음을 조직학적으로 입증했습니다. ES의 전통적인 수단에 비해 이러한 이점을 감안할 때 연구자들은 INS가 특히 제한된 신경 자극이 필요한 수술 사례에서 실행 가능한 대체 자극 기술이라고 생각합니다. 이 제안의 목표는 INS의 고유한 장점을 활용하여 신경 식별 및 위치 파악을 위해 공간적으로 정확한 신경 자극이 필요한 상지 수술에 적용하는 것입니다. 이 연구는 우리 그룹의 이전 임상 작업을 기반으로 하며 INS를 임상 신경자극 방법에 대한 귀중한 추가 기능으로 추가로 확립할 것입니다.

이 제안의 목적은 상지에서 공간 선택적 신경 자극에 대한 INS의 효능을 입증하고 인간 환자에서 다이오드 레이저 시스템을 사용하여 INS의 조직학적 안전성을 결정하는 것입니다. 이를 위해 조사관은 상완 신경총 재건(BPR) 및 신경 전달 수술을 받는 환자를 모집하여 INS의 효과와 공간 선택성을 모두 입증할 수 있고 환자의 치료 또는 회복 품질에 해를 끼치지 않고 조직학적 샘플을 얻을 수 있습니다. 이러한 목표를 달성하기 위해 조사자는 다음 목표를 제안합니다.

목표 1: 다이오드 기반 INS 시스템용 임상 광섬유 프로브 설계 및 제작 기존 다이오드 레이저를 사용하여 INS 광섬유 프로브를 구성하여 임상 다이오드 레이저 INS 시스템을 만듭니다. 광섬유 프로브는 다이오드 레이저에서 빛을 수집하고 그 빛을 신경으로 전달하도록 설계 및 특성화됩니다. 프로브는 살균 가능하고 인체 공학적이고 조작 가능하며 관련 파장에서 투과성이 있으며 일관된 자극 매개 변수를 제공합니다. 탐침 디자인은 기존의 임상 ES 탐침을 기반으로 하며 외과 의사의 피드백에 따라 수정됩니다.

목표 2: 신경 전달 사례에서 INS의 효능 입증 고가의 임상 레이저를 사용한 INS가 신경 자극의 효과적인 수단인 것으로 나타났지만 다이오드 레이저를 사용한 INS는 아직 인간 환자에서 입증되지 않았습니다. 여기에서 조사자는 자극 임계값을 결정하기 위해 시뮬레이션 매개변수(펄스 폭, 스폿 크기, 단위 면적당 에너지 등)의 범위에 걸쳐 전달 또는 접목을 위해 식별된 신경을 자극합니다. 더 이상 기능적으로 필요하지 않은 신경 부분만 광학적으로 자극됩니다. 성공적인 INS 이벤트는 시각적 근육 수축에 의해 결정됩니다. 누적 분포 함수에 데이터를 맞추면 자극 임계값이 결정됩니다.

목표 3: 다이오드 기반 INS 시스템의 조직학적 안전성 결정 목표 2와 함께 신경의 자극 부위를 수확하고 조직학적으로 INS 유발 손상의 증거를 검사합니다. 자극 부위는 조직 염료로 표시되고 조직학적 준비를 위해 절제됩니다. 조직 염료와 관련하여 연구 외과의는 살균된 수술용 마킹 펜을 사용하여 자극 부위를 표시합니다. 이 멸균 수술용 마킹 펜은 조직을 표시하기 위해 생체 내에서 사용하기 위한 것입니다. 멸균 수술용 마킹 펜은 수술 중 조직을 표시하기 위해 일상적인 관리에서 정기적으로 사용됩니다. 멸균 수술용 마킹 펜으로 자극 부위를 표시할 연구 참여자에게는 추가적인 위험이 없습니다. 멸균 수술용 마킹 펜으로 표시할 자극 부위(신경 세그먼트)를 조직학적 준비를 위해 절제합니다.

샘플이 고정되고 슬라이스되면 톨루이딘 블루 및/또는 Luxol fast blue-Periodic acid Schiff 얼룩으로 염색되고 이미지화됩니다. 이미지 슬라이드는 미엘린 붕괴, 콜라겐 유리질화 및 다른 기준 중에서 탄화의 증거에 대해 검사됩니다. 신경 자체에 대한 손상의 정도와 깊이에 따라 조직학적 손상 등급 체계도 개발됩니다. Probit Analysis를 사용하여 손상 임계값을 유사하게 결정하고 안전 한계를 결정하기 위해 자극 임계값과 비교합니다.

INS는 임상에서 귀중한 신경 자극 기술로 사용될 가능성이 있습니다. 높은 수준의 공간 선택성으로 인해 INS는 전류 확산으로 인해 한 번에 여러 신경 또는 근막을 자극할 수 있는 현재의 전기적 자극 방법을 개선할 수 있으므로 신경 식별 절차 중에 불확실성을 줄일 수 있습니다. INS는 인간에게 성공적으로 안전하게 활용되었지만 비용 효율적인 레이저 다이오드 시스템은 아직 평가되지 않았습니다. 이 제안은 효능과 안전성 측면에서 임상 다이오드 기반 INS 시스템의 개발 및 테스트를 허용할 것입니다. 이 제안은 INS 및 그 적용의 임상적 및 기술적 측면 모두에서 고유한 전문 지식을 갖춘 보완적인 조사자 팀을 한데 모았습니다. BPR 및 신경 전달 사례에서 INS를 활용하면 인간의 다이오드 기반 INS의 자극 및 안전 임계값을 결정할 수 있으며 이 기술이 향상된 공간 특이성이 매우 유리한 다른 절차에 사용될 수 있는 길을 열 것입니다. INS의 사용을 상지 사례로 확장함으로써 이 기술은 특정 신경 및 신경 다발을 식별하기 위해 자극을 사용하는 수술의 치료 표준에 상당한 영향을 미칠 수 있습니다.