经股动脉支架电极阵列进行股神经血管内刺激的可行性
经股动脉支架电极阵列进行股神经血管内刺激的可行性
近年来，对外周神经的电刺激作为恢复受损神经功能的一种治疗方法逐渐受到关注。传统的电极阵列通常需要通过侵入性手术进行植入，这对患者的身体造成了较大的负担。因此，血管内支架电极阵列作为一种侵入性较小的替代方案，显示出了巨大的潜力。本文旨在研究通过血管内支架电极阵列刺激股神经的可行性，并与商用的心脏起搏导管进行性能比较。
论文背景与目的
电刺激外周神经已被用于治疗无法通过常规药物疗法恢复的神经功能障碍，例如治疗难治性癫痫和抑郁症。此外，这项技术还被用于研究治疗炎症性肠病、肌肉骨骼疾病、慢性疼痛管理以及为假肢提供感觉反馈等应用场景。然而，传统电极阵列的侵入性植入手术限制了其作为长期治疗方法的实际应用。
本文描述的研究旨在解决血管内支架电极阵列在外周神经系统中的应用空白，以期通过血管内技术提供一种更为便捷和安全的治疗选择。
研究来源及作者信息
本研究由Jingyang Liu博士(学生), David B. Grayden, Janet R. Keast, Lindsea C. Booth, Clive N. May和Sam E. John共同完成。研究的伦理许可由澳大利亚墨尔本的Florey Institute of Neuroscience and Mental Health批准（伦理批准号：21-065-FINMH）。研究发表在《Journal of Neural Engineering》期刊上。
研究流程细节
实验设计及操作流程
实验对象与麻醉处理
- 审批通过后，选取了四只雌性澳大利亚绵羊进行实验。
- 动物在手术过程中使用异氟醚进行麻醉，并通过插管进行机械通气。
- 注射镇痛剂和抗生素来保证手术中动物的稳定。
电极植入与实验操作
- 通过手术暴露股动脉，并将导管鞘插入股动脉内，引导心脏起搏导管和支架电极阵列的植入。
- 初步实验使用四极起搏导管刺激股神经，记录股四头肌的肌电图（EMG）和股神经远端支的神经电图（ENG）。
- 随后撤离起搏导管，植入双极的支架电极阵列并重复实验记录过程。
- 在刺激过程中，测量不同脉宽和脉冲强度下的响应阈值和强度持续曲线。
数据处理和分析
- 利用MATLAB进行数据处理，将EMG和ENG信号进行滤波，去除干扰信号和伪影。
- 筛选得到统计上显著的最小刺激强度，并计算电击阈值、总注入电荷和电荷密度。
组织学检查
- 实验结束后，采集组织样本进行组织学检查，分析电极和神经的空间关系及其对周围组织的影响。
实验结果及讨论
电刺激可行性
- 研究确认了利用支架电极阵列进行股神经电刺激是可行的，可以引起强烈的肌肉和神经响应，且响应强度近似于商用起搏导管。
阈值电流和电荷密度
- 使用支架电极阵列的诱发响应电流阈值普遍高于心脏起搏导管，但在缩短脉宽至100µs时，电荷密度显著减少至安全范围内。
- 强度持续曲线分析显示，支架电极阵列的三个关键参数（Rheobase、Chronaxie、总注入电荷）的表现接近起搏导管。
组织和器械的长期影响
- 虽然本研究侧重于急性实验，但未来需要关注支架电极阵列在长期植入中的稳定性和安全性。
- 对于电极材料的选择和组织表面的电极结构，可以考虑更大数量和更大表面积的电极，以及增加电极表面的孔隙结构以改善充电密度和减少长期植入可能导致的不可逆电化学反应。
结论及研究意义
通过在体试验证明了血管内支架电极阵列应用于外周神经电刺激的可行性和有效性，实验结果对探索低侵入性的外周神经接口提供了新思路。未来的研究将进一步评估支架电极的长期稳定性、植入对局部组织的影响，以及记录外围神经信号的可行性。
研究亮点
首次应用血管内支架电极阵列进行外周神经电刺激
- 证明了在血管内通过支架电极进行外周神经刺激的技术可行性和安全性。
与商用心脏起搏导管性能比较
- 在临床应用参数范围内，支架电极阵列展示出类似的电刺激效果，建议其作为侵入性较小的替代方案。
优化电刺激参数
- 强度持续曲线表明，缩短脉宽可有效降低阈值电荷和电荷密度，从而进一步减少组织损伤的风险。
展望未来研究
- 强调了探索长久植入对局部组织和血流动力学影响、无线刺激器技术进展等方面未来研究的重要性。