神经转移过程中红外神经刺激的临床安全性和有效性

广泛的外科手术涉及定位和识别神经和神经结构。 在臂丛神经重建等情况下，外科医生需要确定特定的神经束进行移植。 而在其他情况下，如背根神经根切断术，外科医生需要识别过度活跃的神经根以进行横断。 准确识别和定位神经的能力对于避免意外和有害后果至关重要，这些后果可能是法医诉讼的昂贵来源。 外科医生通常依靠他们的解剖学知识和手术区域的可视化来识别和定位神经。 然而，神经分布因人而异，通常与解剖图谱存在偏差。 为了解释这种患者间的差异性，外科医生还利用电刺激 (ES) 方法在术中识别和定位神经和神经束。 在 ES 之后，外科医生依靠肌电图或可见肌肉收缩的存在来确认受刺激神经的身份和位置。 然而，ES 受到固有物理限制的限制。 电流扩散，即电流分散到周围组织中，长期以来一直困扰着 ES 方法。 作为电流传播的结果，电刺激将延伸超出与刺激相邻神经束的刺激探针的接触点。 因此，ES 较差的刺激焦点使其成为针对小型神经目标或精确监测与刺激电极直接接触的神经结构的非理想方法。 在临床手术中，远处神经组织或多个神经结构的激活可能会导致外科医生对特定神经结构的身份和位置产生歧义和不确定性，从而引起外科医生的关注。 因此，需要一种具有更高空间选择性的神经刺激技术，以改善手术过程中的神经定位和识别。

红外神经刺激 (INS) 是一种无标记光学方法，用于用低能量红外光脉冲激发神经组织。 作为一种光学神经刺激技术，INS 具有高度的空间特异性，无需与组织直接接触（图 1）。 我们小组已多次证明 INS 在大鼠、非人类灵长类动物和人类体内激活个体神经束的空间特异性。 我们小组的初步发现还导致其他小组将 INS 的空间选择性用于其他临床应用，例如神经监测和心脏起搏。 INS 固有的空间精度是其潜在生物物理机制的直接结果。 红外光沉积到神经组织中会产生瞬态热梯度，通过热诱导的膜电容变化使细胞膜去极化。 来自红外脉冲的热能在空间上被限制在由激光光斑大小和光进入组织的穿透深度所确定的照射体积内。 我们的团队以及其他团队已经在组织学上证明 INS 可以安全可靠地刺激神经而不造成伤害。 鉴于这些优于传统 ES 方法的优势，研究人员认为 INS 是一种可行的替代刺激技术，尤其是在需要限制性神经刺激的手术病例中。 该提案的目标是利用 INS 的内在优势，并将其应用于上肢手术，在这些手术中，神经识别和定位需要空间精确的神经刺激。 这项研究将建立在我们小组以前的临床工作的基础上，并进一步确立 INS 作为临床神经刺激方法的一个有价值的补充。

该提案的目的有两个：证明 INS 对上肢空间选择性神经刺激的功效，并确定使用二极管激光系统的 INS 在人类患者中的组织学安全性。 为此，研究人员将招募接受臂丛神经重建 (BPR) 和神经转移手术的患者，其中可以证明 INS 的有效性和空间选择性，并且可以在不损害患者护理或康复质量的情况下获得组织学样本。 为了实现这些目标，研究人员提出了以下目标：

目标 1：为基于二极管的 INS 系统设计和制造临床光纤探头 使用我们现有的二极管激光器，研究人员将通过构建 INS 光纤探头来创建临床二极管激光 INS 系统。 光纤探头将被设计和表征为从我们的二极管激光器收集光并将该光传送到神经。 探头将是可消毒的、符合人体工程学的和可操作的，在相关波长下具有透射性，并提供一致的刺激参数。 探头设计将基于现有的临床 ES 探头，并根据外科医生的反馈进行修改。

目标 2：证明 INS 在神经转移病例中的疗效 虽然使用昂贵的临床激光的 INS 已被证明是一种有效的神经刺激手段，但使用二极管激光的 INS 尚未在人类患者中得到证明。 在这里，研究人员将在一系列模拟参数（脉冲宽度、光斑大小、单位面积能量等）上刺激确定用于转移或移植的神经，以确定刺激阈值。 只有功能上不再需要的神经部分会受到光学刺激。 成功的 INS 事件将由视觉肌肉收缩决定。 刺激阈值将通过将数据拟合到累积分布函数来确定。

目标 3：确定基于二极管的 INS 系统的组织学安全性结合目标 2，将收集神经上的刺激部位并进行组织学检查以寻找 INS 引起的损伤的证据。 刺激部位将用组织染料标记并切除以进行组织学准备。 关于组织染料，研究外科医生将使用无菌手术标记笔标记刺激部位。 这些无菌手术标记笔旨在用于体内标记组织。 无菌手术标记笔在日常护理中定期使用，以在术中标记组织。 对于将用无菌手术标记笔标记刺激部位的研究参与者，没有额外的风险。 将用无菌手术标记笔标记的刺激部位（神经段）将被切除以进行组织学准备。

一旦样品被固定和切片，它们将被甲苯胺蓝和/或 Luxol fast blue-Periodic acid Schiff 染色剂染色并成像。 将检查成像的载玻片以寻找髓鞘破坏、胶原透明化和炭化等标准的证据。 还将根据神经本身损伤的严重程度和深度制定组织学损伤分级方案。 损伤阈值将类似地使用 Probit 分析来确定，并与刺激阈值进行比较以确定安全边际。

INS 有可能在临床上作为有价值的神经刺激技术。 由于其高度的空间选择性，INS 可以改进当前的电刺激方法，由于电流扩散，可以同时激发多个神经或束，从而减少神经识别过程中的不确定性。 虽然 INS 已成功且安全地用于人体，但尚未评估具有成本效益的激光二极管系统。 该提案将允许在有效性和安全性方面开发和测试基于临床二极管的 INS 系统。 该提案汇集了一支互补的研究团队，他们在 INS 及其应用的临床和技术方面具有独特的专业知识。 在 BPR 和神经转移病例中使用 INS 将使我们能够确定人体中基于二极管的 INS 的刺激和安全阈值，这将为该技术用于其他提高空间特异性非常有利的程序铺平道路。 通过将 INS 的使用扩展到上肢病例，该技术可以显着影响利用刺激来识别特定神经和神经束的手术护理标准。