부상이나 질병으로 인한 척수 손상은 운동 또는 감각 기능 상실, 만성 요통 등 건강에 치명적인 영향을 미칠 수 있으며, 이는 특정 시점에 약 540억 XNUMX천만 명의 사람들에게 영향을 미칩니다. 미국에 기반을 둔 연구팀은 이제 기능적 초음파 영상(fUSI)을 사용하여 척수를 시각화하고 전기 자극에 대한 반응을 실시간으로 매핑하여 만성 허리 통증 치료를 개선할 수 있는 접근 방식을 개발했습니다.
감각, 운동 및 자율 기능에서 중심적인 역할을 함에도 불구하고 인간 척수의 기능적 구조에 대해서는 알려진 바가 거의 없습니다. 기능적 MRI(fMRI)와 같은 전통적인 신경 영상 기술은 심장 박동과 호흡으로 인해 생성되는 강한 운동 인공물로 인해 방해를 받습니다.
대조적으로, fUSI는 동작 인공물의 영향을 덜 받고 높은 시공간 해상도(약 100μm 및 최대 100ms)와 수술 중 느리게 흐르는 혈액에 대한 높은 민감도로 척수를 이미지화할 수 있습니다. 이는 관심 영역에 초음파를 방출하고 해당 영역에 흐르는 혈액 세포에서 반사되는 신호(파워 도플러 신호)를 감지하는 방식으로 작동합니다. 또 다른 장점은 fUSI 스캐너가 이동 가능하여 fMRI 시스템에 필요한 광범위한 인프라가 필요 없다는 것입니다.
“척수에는 호흡, 삼키기, 배뇨 등 생명의 가장 중요한 기능 중 일부를 제어하고 조절하는 신경 회로가 있습니다. 그러나 신경 기능 연구에서는 종종 무시되어 왔습니다.”라고 리드 접촉은 설명합니다. 바실레이오스 크리스토풀로스 캘리포니아 대학교 리버사이드 출신. “기능성 초음파 영상은 기존 신경 영상 기술의 한계를 극복하고 fMRI보다 더 높은 시공간 해상도와 감도로 척수의 활동을 모니터링할 수 있습니다.”
이전 연구에서는 fUSI가 동물과 인간 환자의 뇌 활동을 측정할 수 있음을 입증했습니다. 여기에는 파워 도플러 신호의 저주파 변동이 신경 활동과 강한 상관관계가 있다는 것을 보여주는 한 연구도 포함됩니다. 최근 연구자들은 fUSI를 사용하여 동물의 전기 자극에 대한 척수 반응을 이미지화했습니다.
이 최신 연구에서 Christopoulos와 동료들은 USC 신경 복원 센터 Keck School of Medicine – fUSI를 사용하여 경막외 전기 척수 자극(ESCS)에 대한 반응으로 척수의 혈류역학적 활동(혈류 변화)을 특성화했습니다. – 전통적인 자극에 반응하지 않는 통증 상태를 치료하는 데 사용되는 신경조절 도구입니다. 치료법.
최초의 인간 대상 연구에서 팀은 만성 요통 치료를 위해 치료용 ESCS 장치를 이식한 6명의 환자의 혈역학적 활동을 모니터링했으며 그 결과를 다음과 같이 보고했습니다. 신경.
fMRI와 유사한 메커니즘을 활용하는 fUSI는 신경 혈관 결합 현상에 의존합니다. 여기서 신경 활동의 증가는 활성 뉴런의 대사 요구를 충족시키기 위해 혈류의 국부적인 변화를 유발합니다. 팀은 fUSI를 수행하기 위해 소형화된 15MHz 선형 어레이 변환기를 사용하여 10번째 흉추(T8)의 척수에 외과적으로 삽입하고 자극 전극을 T9-100 척추 분절에 걸쳐 배치했습니다. 기록된 이미지는 100 x 400 μm 공간 해상도, 약 12.8 μm의 슬라이스 두께 및 10 x XNUMX mm 시야를 가졌습니다.
10명의 환자는 자극이 있는 3.0초와 자극이 없는 30초로 구성된 저전류(30mA) 자극의 XNUMX ON-OFF 주기를 받았습니다. 자극은 척수 혈류역학의 지역적 변화를 일으켰으며 일부 지역에서는 혈류가 크게 증가하고 다른 지역에서는 크게 감소했습니다. 자극이 꺼지면 혈류가 초기 상태로 돌아갔습니다.
fUSI가 다양한 자극 프로토콜과 관련된 혈역학적 변화를 감지할 수 있는지 평가하기 위해 나머지 3.0명의 환자는 4.5mA 자극의 3회 ON-OFF 주기에 이어 3.0mA 자극의 4.5회 주기를 받았고, 두 주기 사이에 XNUMX분 동안 일시 중지했습니다. 연구진은 전류 진폭을 XNUMXmA에서 XNUMXmA로 증가시켜도 활성화된 척수 영역의 공간 분포가 변하지 않는다는 사실을 발견했습니다. 그러나 고전류 자극은 척수에 더 강한 혈역학적 변화를 유발했습니다.
다양한 ESCS 전류에 의해 유발되는 혈역학적 반응을 구별하는 fUSI의 이러한 능력은 자극 매개변수를 최적화하기 위한 초음파 기반 임상 모니터링 시스템을 개발하는 데 중요한 단계입니다. Christopoulos는 척수 수술 중에 환자가 마취되기 때문에 적용된 전기 자극 프로토콜이 실제로 통증을 감소시키는지 여부를 보고할 수 없다고 설명합니다. 따라서 신경외과 의사는 신경조절의 효과를 실시간으로 정확하게 평가할 수 없습니다.
미세전극 어레이로 보다 안전한 척수 수술 가능
“우리의 연구는 fUSI 기술을 사용하여 폐쇄 루프 임상 신경 조절 시스템을 개발하여 신경외과 의사가 자극 매개변수(펄스 폭, 펄스 형태, 주파수, 전류 진폭, 자극 위치 등)를 조정할 수 있다는 최초의 개념 증명을 제공합니다. 수술 중에”라고 말했다. 물리 세계.
앞으로 팀은 척수 기능을 조사하고 실시간 폐쇄 루프 임상 신경조절 시스템을 개발하기 위한 플랫폼으로 fUSI를 구축하기를 희망합니다. “우리는 최근 출판을 위해 제출했습니다. 임상 연구 이는 fUSI가 활동이 방광 압력과 강한 상관관계가 있는 인간 척수의 네트워크를 감지할 수 있음을 입증하는 것입니다.”라고 Christopoulos는 말합니다. "이 발견은 척수 손상 환자와 같은 요실금 환자의 방광 조절을 회복하기 위한 척수 기계 인터페이스 기술 개발의 새로운 길을 열어줍니다."
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- 출처: https://physicsworld.com/a/functional-ultrasound-imaging-provides-real-time-feedback-during-spinal-surgery/
