在現代神經(jīng)外科手術(shù)中,術(shù)中功能性皮質(zhì)定位是確保手術(shù)成功和患者術(shù)后康復的重要環(huán)節。傳統的術(shù)中定位技術(shù)包括術(shù)前功能成像研究和多種術(shù)中神經(jīng)生理學(xué)測試。這些方法不僅需要較高的技術(shù)水平,還存在一定的局限性。例如,體感誘發(fā)電位(SSEP)階段逆轉用于中央溝定位以及直接電刺激皮質(zhì)映射和皮質(zhì)下刺激等方法,盡管有效,但在一些情況下可能無(wú)法提供足夠的空間分辨率和準確性。


近年來(lái),術(shù)中被動(dòng)高伽馬(70–170Hz)映射(HGM)作為一種無(wú)需電刺激的技術(shù),越來(lái)越受到關(guān)注。這種方法通過(guò)硬腦膜下條帶或網(wǎng)格的皮層電圖(ECoG)來(lái)捕捉大腦活動(dòng)。HGM在識別與功能皮質(zhì)區域相關(guān)的神經(jīng)活動(dòng)方面表現出色,但現有的ECoG網(wǎng)格在空間分辨率和與皮層表面貼合度方面仍有不足。傳統的ECoG網(wǎng)格難以完美適應復雜的皮層表面形狀,可能導致數據采集不完整,影響手術(shù)的精確性和患者的舒適度。


為了克服現有ECoG網(wǎng)格的限制,本研究由俄勒岡健康與科學(xué)大學(xué)、加州大學(xué)圣地亞哥分校、馬薩諸塞總醫院和布里格姆婦女醫院的研究團隊合作,開(kāi)發(fā)了一種由薄膜聚(3,4-乙烯二氧噻吩)與聚苯乙烯磺酸酯(PEDOT:PSS)和鉑納米棒組成的ECoG網(wǎng)格。這些高分辨率電極網(wǎng)格不僅能顯著(zhù)提高空間分辨率,還具有更好的靈活性,能夠更好地適應皮層表面的復雜形狀,從而提供更精確的功能區域定位。


本研究的目標是評估這些新型高分辨率電極網(wǎng)格在術(shù)中的應用效果,并通過(guò)對比分析,驗證其在術(shù)中診斷和定位功能皮質(zhì)區域方面的可靠性和有效性。研究主要通過(guò)觀(guān)察性數據收集和臨床應用實(shí)例來(lái)實(shí)現這一目標。


研究方法


本研究設計為一項觀(guān)察性研究,收集了在2019年1月1日至2021年9月10日期間同意術(shù)中放置高分辨率電極網(wǎng)格的所有成年患者的數據。研究包括患者的年齡、性別、手術(shù)指征、術(shù)前功能缺陷、麻醉類(lèi)型和臨床映射方式等變量。術(shù)中使用的電極網(wǎng)格包括PEDOT:PSS和PtNR網(wǎng)格,網(wǎng)格數據包括化學(xué)組成、通道數量、放置策略和放置位置。

圖1使用的范例微電極網(wǎng)格(特別是PtNR網(wǎng)格)的照片。注意電極觸點(diǎn)是肉眼看不見(jiàn)的。右邊是網(wǎng)格相對于手指的照片,來(lái)表示微電極接觸的緊湊程度


具體來(lái)說(shuō),研究對象為在俄勒岡健康與科學(xué)大學(xué)、加州大學(xué)圣地亞哥分校、馬薩諸塞總醫院和布里格姆婦女醫院接受病理組織切除手術(shù)的成年患者。數據收集涵蓋了多項變量,包括患者的基本人口統計信息(如年齡、性別)、手術(shù)指征(如癲癇、腫瘤切除等)、術(shù)前功能狀態(tài)、麻醉方式(全身麻醉或局部麻醉)以及具體的臨床映射方法(如電刺激、語(yǔ)言測試等)。


電極網(wǎng)格的具體參數也被詳細記錄,包括網(wǎng)格的材料組成(PEDOT:PSS或PtNR)、通道數量、放置策略(如網(wǎng)格的具體位置、角度等)以及放置位置(如腦皮層的具體區域)。此外,研究還記錄了術(shù)中網(wǎng)格使用的成功率、術(shù)中并發(fā)癥(如出血、感染等)以及電極故障情況。


研究的主要結局指標包括網(wǎng)格使用成功率(即成功放置并正常記錄腦電活動(dòng)的網(wǎng)格數量)、術(shù)中并發(fā)癥的發(fā)生率以及電極故障率。次要結局指標包括術(shù)后患者的功能恢復情況以及手術(shù)的總體效果。

圖2放置在滅菌托盤(pán)中的DuraHolder袋中微電極網(wǎng)格(a)。擴展板穿過(guò)情境?無(wú)菌膜,并由Tegaderm固定以形成無(wú)菌屏障(B)。然后將綠色擴展板連接到放大板(C),然后從內部拉出膜。由一名團隊成員制作的非無(wú)菌表面,覆蓋放大器板和相關(guān)的出線(xiàn)電纜(D)。然后用無(wú)菌鹽水(E)進(jìn)行阻抗和通道產(chǎn)量測試。一旦定位正確,使用格林伯格或C夾用于將放大器板固定在適當的位置(F)。記錄設置如圖(G)所示。Intan放大器A通過(guò)8根SPI電纜連接到放大器板b,放大器板C分別連接到擴展板和柵格D和E。右面板展示了資深作者在術(shù)中使用微電極網(wǎng)格。


研究結果分析


在2019年1月1日至2022年4月1日期間,89名患者在開(kāi)顱手術(shù)中接受了94個(gè)網(wǎng)格的植入,以切除病理組織。這些手術(shù)分別在Oregon Health&Science University(OHSU)和Massachusetts General Hospital(MGH)進(jìn)行,比例分別為63.0%和24.7%。研究重點(diǎn)是患者的人口統計、網(wǎng)格類(lèi)型及其植入位置、數據收集成功率及測試結果、安全性評估和具體臨床應用?;颊叩钠骄挲g為45.9±1.7歲,顱內腫瘤切除術(shù)是最常見(jiàn)的手術(shù)指征,占65.2%。大多數患者在術(shù)前沒(méi)有功能缺陷,并在麻醉監護下進(jìn)行清醒開(kāi)顱手術(shù),占68.5%。


微電極網(wǎng)格類(lèi)型和植入位置


在研究期間,共放置了36個(gè)PtNRGrids和58個(gè)PEDOT網(wǎng)格。網(wǎng)格大小和通道數量各異,包括32mm×32mm的1024通道網(wǎng)格(48個(gè),占51.1%)、128通道網(wǎng)格(44個(gè),占46.8%)以及2個(gè)2048通道網(wǎng)格。網(wǎng)格的放置位置主要基于解剖標志和評估中的假設,顳葉區域是最常見(jiàn)的植入部位。


在94個(gè)原始網(wǎng)格中,86個(gè)用于成功收集皮質(zhì)記錄。數據收集涵蓋82名患者,其中4名患者使用了2個(gè)網(wǎng)格進(jìn)行記錄。網(wǎng)格主要用于記錄實(shí)驗研究任務(wù)(58.4%)或被動(dòng)靜息狀態(tài)。接受功能測試的患者中,36.0%進(jìn)行了接受性語(yǔ)言測試,27.0%進(jìn)行了肢體體感和運動(dòng)測試。參與研究任務(wù)的患者中,33.7%參與音素任務(wù),23.6%參與肢體運動(dòng)和感覺(jué)任務(wù),19.1%進(jìn)行被動(dòng)體感誘發(fā)電位記錄。

圖3:滅菌方式對PtNR網(wǎng)格阻抗和通道屈服的影響左圖給出了內部MATLAB腳本的示例輸出,該腳本用于在PtNR網(wǎng)格上進(jìn)行阻抗和通道屈服測試。請注意,與V-PRO相比,蒸汽高壓滅菌后阻抗中值增加更大(見(jiàn)內嵌阻抗大小直方圖)。右圖顯示了V-PRO和蒸汽滅菌方法后可用通道的差異。非參數Mann-Whitney u檢驗比較蒸汽滅菌的PtNR柵格(n=7)和V-PRO(n=20)的通道產(chǎn)量表明,V-PRO保存的通道數量明顯更多(905個(gè)[650.8-935.5]比356個(gè)[18.0-597.8],p=0.0031)。


在研究過(guò)程中,共有8例PtNRGrid失敗,主要原因是消毒過(guò)程中網(wǎng)格損壞。最初使用蒸汽滅菌和自來(lái)水進(jìn)行消毒,但觀(guān)察到通道產(chǎn)量和阻抗的差異,導致改用V-PRO循環(huán)(包括霧化過(guò)氧化氫)。V-PRO滅菌顯著(zhù)提高了通道產(chǎn)率,與蒸汽滅菌相比,V-PRO滅菌的通道產(chǎn)率更高(905[650.8-935.5]vs.356[18.0-597.8],p=0.0031)。


研究未發(fā)現與PEDOT網(wǎng)格或PtNRGrid使用相關(guān)的術(shù)中不良事件或可見(jiàn)組織損傷。術(shù)后影像學(xué)檢查也未發(fā)現由網(wǎng)格覆蓋的皮質(zhì)區域內或附近有任何局灶性異常。此外,術(shù)后90天內未出現術(shù)后顱內感染病例,這表明網(wǎng)格材料在手術(shù)應用中的安全性。


研究通過(guò)多種測試和監測方法驗證了網(wǎng)格的功能和應用價(jià)值。例如,在接受清醒腫瘤切除術(shù)的患者中,1024通道PtNRGrid用于記錄體感誘發(fā)電位(SSEP),捕獲相位反轉波形,顯示M1-S1功能邊界。PtNRGrid的記錄精度高于傳統的臨床ECoG網(wǎng)格,體現在SSEP的最大峰間振幅比傳統網(wǎng)格大20倍以上,并清晰顯示相位反轉邊界。對于因難治性癲癇接受左側顳葉切除術(shù)的患者,PtNRGrid幫助識別癲癇發(fā)作區,通過(guò)捕獲癲癇發(fā)作活動(dòng)的傳播模式,提供了自發(fā)和雙極刺激誘發(fā)的癲癇發(fā)作活動(dòng)的時(shí)空動(dòng)態(tài)數據。這些數據通過(guò)向量場(chǎng)和流線(xiàn)圖呈現,顯示了發(fā)作活動(dòng)的起源和傳播路徑,有助于確定癲癇發(fā)作區的位置,并指導致癲癇組織的切除。

圖4:PtNR微電極網(wǎng)格放置與中央溝與相位反轉識別的M1-S1功能邊界的差異顯示(A)。右上、左、右面板分別顯示網(wǎng)格放置和識別的功能邊界(FB)相對于中央溝(CS)的位置。底部面板顯示了FB與CS的關(guān)系,這是通過(guò)基于潛力的圖(左)和相關(guān)系數圖(右)確定的。感覺(jué)和運動(dòng)實(shí)驗范式示意圖及相關(guān)結果(B)。左下角的五組圖顯示了每個(gè)指尖在振動(dòng)觸覺(jué)刺激下HGA的定位和強度。右側垂直的三個(gè)窗格顯示了手握開(kāi)始后85ms,205ms和300ms時(shí)HGA在初級運動(dòng)和感覺(jué)皮質(zhì)區域的進(jìn)展情況。經(jīng)Tchoe et al.2022.7許可改編。

圖5:PtNR微電極網(wǎng)格相對于潛在癲癇發(fā)作病灶、顳上回(STG)和顳中回(MTG)的位置(A)。微電極網(wǎng)格捕捉到刺激誘發(fā)的和自發(fā)的皮層放電(B)。左側圖顯示刺激和自發(fā)誘發(fā)的腦電波振幅的時(shí)間變化,右側圖顯示流線(xiàn)圖,箭頭表示腦電波傳播方向。經(jīng)Tchoe et al.2022.7許可改編


在聽(tīng)覺(jué)語(yǔ)言處理的研究中,PtNRGrid被用于記錄清醒顳頂骨開(kāi)顱術(shù)患者的皮層活動(dòng)。通過(guò)聽(tīng)覺(jué)語(yǔ)言測試范式,研究人員能夠捕獲皮層對英語(yǔ)單詞刺激的反應。在刺激傳遞后500-600ms,大腦皮層對聽(tīng)覺(jué)單詞刺激有強烈反應。通過(guò)分析PtNRGrid通道在單詞刺激期間捕獲的皮層反應,研究人員能夠識別出在STG中對聽(tīng)覺(jué)語(yǔ)言刺激表現出優(yōu)先參與反應的區域。


圖6:術(shù)中照片顯示PtNR微電極網(wǎng)格相對于顳頂開(kāi)顱術(shù)的位置(A)。插圖描繪了ptnr網(wǎng)格相對于顳上回(STG)的位置(淺紫色)(B)。熱圖顯示了聽(tīng)覺(jué)語(yǔ)言刺激通過(guò)PtNRGrid通道傳遞后500-600ms的平均皮層反應程度(C)。注意深紅色顯示的水平長(cháng)方形區域反應特別強烈。


結論與展望


本研究通過(guò)對高分辨率電極網(wǎng)格在人類(lèi)微皮層電圖中的術(shù)中應用進(jìn)行評估,驗證了這些新型電極網(wǎng)格在臨床中的可行性和有效性。結果表明,由PEDOT:PSS和PtNR組成的高分辨率電極網(wǎng)格能夠顯著(zhù)提高術(shù)中功能皮質(zhì)定位的精確性和可靠性,尤其是在需要高空間分辨率和精確功能定位的開(kāi)顱手術(shù)中。


高分辨率電極網(wǎng)格的應用前景廣闊,不僅在臨床手術(shù)中具有重要意義,還為未來(lái)的神經(jīng)科學(xué)研究提供了新的工具。未來(lái)的研究應繼續優(yōu)化電極網(wǎng)格的預處理和滅菌方法,以進(jìn)一步降低故障率和提高操作簡(jiǎn)便性。此外,需開(kāi)展更大規模的臨床研究,比較這些高分辨率網(wǎng)格與市售網(wǎng)格在診斷效用和臨床結果方面的差異,從而進(jìn)一步驗證其臨床應用價(jià)值。


本研究為術(shù)中功能皮質(zhì)定位提供了一種新方法,具有重要的臨床和研究意義。這些高分辨率電極網(wǎng)格的應用不僅有助于提高手術(shù)的成功率和患者的術(shù)后康復質(zhì)量,還能為神經(jīng)科學(xué)研究提供高質(zhì)量的數據支持。未來(lái)的研究和應用將繼續探索這些電極網(wǎng)格在更廣泛的臨床場(chǎng)景中的潛力,并不斷完善其技術(shù)和操作規范,以實(shí)現更高效、更安全的臨床應用。