Klinisk säkerhet och effekt av infraröd neural stimulering under nervöverföringar

Ett brett utbud av kirurgiska ingrepp involverar lokalisering och identifiering av nerver och neurala strukturer. I fall som rekonstruktion av plexus brachialis måste kirurgen identifiera specifika nervfasciklar för transplantation. Medan i andra fall som dorsal rot rhizotomies, måste kirurgen identifiera hyperaktiva nervrötter för transektion. Förmågan att exakt identifiera och lokalisera nerver är avgörande för att undvika oavsiktliga och skadliga konsekvenser som kan vara kostsamma källor till medicinska rättstvister. Kirurger är vanligtvis beroende av sin anatomiska kunskap och visualisering av det kirurgiska området för att identifiera och lokalisera nerver. Fördelningen av nerver varierar dock från person till person och avviker ofta från anatomiska atlaser. För att ta hänsyn till denna interpatientvariabilitet använder kirurger också metoder för elektrisk stimulering (ES) för att identifiera och lokalisera nerver och nervfasciklar intraoperativt. Efter ES förlitar sig kirurger på elektromyografi eller närvaron av synliga muskelsammandragningar för att bekräfta identiteten och platsen för den stimulerade nerven. ES är dock begränsad av inneboende fysiska begränsningar. Strömspridning, där elektrisk ström sprids i den omgivande vävnaden, har länge plågat ES-metoder. Som ett resultat av strömspridning kommer den elektriska stimulansen att sträcka sig bortom kontaktpunkten med stimuleringssonden som aktiverar intilliggande nervfasciklar. Följaktligen gör ES dåliga stimuleringsfokalitet det till ett icke-idealiskt sätt att rikta in sig på små neurala mål eller att exakt övervaka neurala strukturer i omedelbar kontakt med stimuleringselektroden. I kliniska procedurer kan aktiveringen av avlägsna neurala vävnader eller flera neurala strukturer introducera tvetydighet och osäkerhet beträffande identiteten och placeringen av specifika neurala strukturer som orsakar oro bland kirurger. Det finns således ett behov av en neural stimuleringsteknik med en högre grad av rumslig selektivitet för att förbättra nervlokalisering och identifiering under operation.

Infraröd neural stimulering (INS) är en etikettfri optisk metod som används för att excitera neural vävnad med lågenergipulser av infrarött ljus. Som en optisk neurostimuleringsteknik har INS en hög grad av rumslig specificitet utan behov av direktkontakt med vävnaden (Figur 1). Vår grupp har upprepade gånger visat den rumsliga specificiteten hos INS för att aktivera individuella nervfasciklar hos råttor, icke-mänskliga primater och människor in vivo. De första resultaten från vår grupp har också lett till att andra grupper har utnyttjat den rumsliga selektiviteten hos INS för andra kliniska tillämpningar som nervövervakning och hjärtstimulering. Den inneboende rumsliga precisionen hos INS är ett direkt resultat av dess underliggande biofysiska mekanism. Avsättningen av infrarött ljus i den neurala vävnaden orsakar en övergående termisk gradient som depolariserar cellmembranet genom en termiskt inducerad förändring i membrankapacitans. Den termiska energin från de infraröda pulserna är spatialt begränsad till den bestrålade volymen som bestäms av laserpunktens storlek och ljusets penetrationsdjup in i vävnaden. Vår grupp såväl som andra har histologiskt bevisat att INS säkert och tillförlitligt kan excitera nerver utan att orsaka skada. Med tanke på dessa fördelar jämfört med traditionella metoder för ES tror forskarna att INS är en användbar alternativ stimuleringsteknik, särskilt i kirurgiska fall där det finns ett behov av begränsad neurostimulering. Målet med detta förslag är att dra fördel av INS inneboende styrkor och tillämpa dem på operationer i övre extremiteterna där rumsligt exakt neurostimulering är nödvändig för nervidentifiering och lokalisering. Denna studie kommer att bygga vidare på vår grupps tidigare kliniska arbete och ytterligare etablera INS som ett värdefullt tillägg till kliniska neurostimuleringsmetoder.

Syftet med detta förslag är tvåfaldigt: att demonstrera effektiviteten av INS för rumsligt selektiv nervstimulering i den övre extremiteten och att fastställa den histologiska säkerheten för INS med användning av diodlasersystem hos mänskliga patienter. För att göra det kommer utredarna att rekrytera patienter som genomgår plexus brachialis-rekonstruktion (BPR) och nervöverföringsoperationer där både effektiviteten och rumslig selektivitet av INS kan påvisas och histologiska prover kan erhållas utan att skada patientens kvalitet på vård eller återhämtning. För att uppnå dessa mål föreslår utredarna följande mål:

Syfte 1: Designa och tillverka en klinisk fiberoptisk sond för ett diodbaserat INS-system Med hjälp av våra befintliga diodlasrar kommer utredarna att skapa ett kliniskt INS-system för diodlaser genom att konstruera INS fiberoptiska sonder. Fiberoptiska sonder kommer att designas och karakteriseras för att samla in ljus från våra diodlasrar och leverera det ljuset till nerven. Sonderna kommer att vara steriliserbara, ergonomiska och manövrerbara, transmissiva vid relevanta våglängder och ge konsekventa stimuleringsparametrar. Sondens design kommer att baseras på befintliga kliniska ES-sonder och modifieras utifrån kirurgens feedback.

Syfte 2: Demonstrera effektiviteten av INS i nervöverföringsfall Medan INS med dyra kliniska lasrar har visat sig vara ett effektivt sätt för nervstimulering, har INS med diodlasrar ännu inte påvisats hos mänskliga patienter. Här kommer utredaren att stimulera nerver som identifierats för överföring eller ympning över en rad simuleringsparametrar (pulsbredd, fläckstorlek, energi per ytenhet, etc) för att bestämma stimuleringströskeln. Endast delar av nerven som inte längre behövs kommer att stimuleras optiskt. Framgångsrika INS-händelser kommer att bestämmas av visuella muskelsammandragningar. Stimuleringströsklar kommer att bestämmas genom att anpassa data till en kumulativ distributionsfunktion.

Syfte 3: Bestäm den histologiska säkerheten för det diodbaserade INS-systemet I samband med Mål 2 kommer stimuleringsställen på nerven att skördas och histologiskt undersökas för bevis på INS-inducerad skada. Stimuleringsställena kommer att markeras med ett vävnadsfärgämne och skäras ut för histologisk beredning. När det gäller vävnadsfärgen kommer studiekirurgen att använda en steril kirurgisk märkningspenna för att markera stimuleringsstället. Dessa sterila kirurgiska märkpennor är avsedda att användas in vivo för att markera vävnad. De sterila kirurgiska märkpennorna används regelbundet i rutinvård för att markera vävnad intraoperativt. Det finns ingen ytterligare risk för studiedeltagare som kommer att få sitt stimuleringsställe märkt med en steril kirurgisk märkpenna. Stimuleringsstället (nervsegmentet) som kommer att markeras med den sterila kirurgiska märkpennan kommer att skäras ut för histologisk beredning.

När proverna är fixerade och skivade kommer de att färgas med toluidinblått och/eller Luxol snabbblått-Periodic acid Schiff-färger och avbildas. Avbildade diabilder kommer att undersökas för bevis på myelinavbrott, kollagenhyalinisering och förkolning bland andra kriterier. Ett histologiskt skadegraderingsschema kommer också att utvecklas baserat på skadans svårighetsgrad och djup med avseende på själva nerven. Skadetrösklar kommer på liknande sätt att bestämmas med hjälp av Probit Analysis och jämföras med stimuleringströskeln för att bestämma säkerhetsmarginalen.

INS har potential att fungera som värdefull neural stimuleringsteknik på kliniken. På grund av sin höga grad av rumslig selektivitet kan INS förbättra nuvarande elektriska stimuleringsmetoder som kan excitera flera nerver eller fasciklar samtidigt på grund av strömspridning och därför minska osäkerheten under nervidentifieringsprocedurer. Medan INS har använts framgångsrikt och säkert hos människor, har kostnadseffektiva laserdiodsystem ännu inte utvärderats. Detta förslag kommer att möjliggöra utveckling och testning av ett kliniskt diodbaserat INS-system både vad gäller effektivitet och säkerhet. Detta förslag sammanför ett kompletterande team av utredare med unik expertis inom både de kliniska och tekniska aspekterna av INS och dess tillämpningar. Användningen av INS i BPR och nervöverföringsfall kommer att tillåta oss att bestämma stimulerings- och säkerhetströsklarna för diodbaserade INS hos människor kommer att bana väg för denna teknik att användas i andra procedurer där förbättrad rumslig specificitet är mycket fördelaktig. Genom att utvidga användningen av INS till fall av övre extremiteter kan denna teknik avsevärt påverka standarden på vården vid operationer som använder stimulering för att identifiera specifika nerver och nervfasciklar.