Skader på ryggmargen, enten på grunn av skade eller sykdom, kan ha ødeleggende konsekvenser for helsen, inkludert tap av motoriske eller sensoriske funksjoner, eller kroniske ryggsmerter, som påvirker anslagsvis 540 millioner mennesker til enhver tid. Et amerikansk-basert forskerteam har nå brukt funksjonell ultralydavbildning (fUSI) for å visualisere ryggmargen og kartlegge dens respons på elektrisk stimulering i sanntid, en tilnærming som kan forbedre behandlinger av kroniske ryggsmerter.
Til tross for at de spiller en sentral rolle i sensoriske, motoriske og autonome funksjoner, er lite kjent om den funksjonelle arkitekturen til den menneskelige ryggmargen. Tradisjonelle nevroimaging-teknikker, som funksjonell MR (fMRI), hindres av sterke bevegelsesartefakter generert av hjertepulsering og pust.
I kontrast er fUSI mindre påvirket av bevegelsesartefakter og kan avbilde ryggmargen med høy spatiotemporal oppløsning (omtrent 100 µm og opptil 100 ms) og høy følsomhet for sakte flytende blod under operasjonen. Det fungerer ved å sende ut ultralydbølger inn i et område av interesse og oppdage ekkosignalet fra blodceller som strømmer i det området (kraft-dopplersignalet). En annen fordel er at fUSI-skanneren er mobil, og eliminerer den omfattende infrastrukturen som kreves for fMRI-systemer.
"Ryggmargen huser de nevrale kretsene som kontrollerer og modulerer noen av de viktigste funksjonene i livet, som pust, svelging og vannlating. Imidlertid har det ofte blitt neglisjert i studiet av nevrale funksjoner, forklarer lederkontakt Vasileios Christopoulos fra University of California Riverside. "Funksjonell ultralydavbildning overvinner begrensningene til tradisjonelle nevroavbildningsteknologier og kan overvåke aktiviteten til ryggmargen med høyere spatiotemporal oppløsning og følsomhet enn fMRI."
Tidligere forskning viste at fUSI kan måle hjerneaktivitet hos dyr og menneskelige pasienter, inkludert en studie som viser at lavfrekvente svingninger i kraftdopplersignalet er sterkt korrelert med nevronal aktivitet. Nylig brukte forskere fUSI for å avbilde ryggmargsresponser på elektrisk stimulering hos dyr.
I dette siste verket, Christopoulos og kolleger – også fra USC Neurorestoration Center ved Keck School of Medicine – brukte fUSI for å karakterisere hemodynamisk aktivitet (endringer i blodstrømmen) i ryggmargen som respons på epidural elektrisk ryggmargsstimulering (ESCS) – et nevromodulasjonsverktøy som brukes til å behandle smertetilstander som ikke reagerer på tradisjonelle terapier.
I en første in-human studie overvåket teamet hemodynamisk aktivitet hos seks pasienter som gjennomgikk implantasjon av en terapeutisk ESCS-enhet for å behandle kroniske ryggsmerter, og rapporterte funnene i Neuron.
Ved å bruke en lignende mekanisme som fMRI, er fUSI avhengig av det neurovaskulære koblingsfenomenet, der økt nevral aktivitet forårsaker lokaliserte endringer i blodstrømmen for å møte de metabolske kravene til aktive nevroner. Teamet brukte en miniatyrisert 15-MHz lineær array-transduser for å utføre fUSI, og satte den kirurgisk inn på ryggmargen ved den tiende thorax vertebra (T10), med stimuleringselektrodene plassert for å spenne over T8–9-ryggradssegmentene. De registrerte bildene hadde en romlig oppløsning på 100 x 100 µm, en skivetykkelse på ca. 400 µm og et synsfelt på 12.8 x 10 mm.
Fire pasienter mottok 10 PÅ–AV-sykluser med lavstrømsstimulering (3.0 mA), bestående av 30 s med stimulering og deretter 30 s uten. Stimulering forårsaket regionale endringer i ryggmargshemodynamikk, med noen regioner som viser signifikant økning i blodstrømmen og andre viser betydelige reduksjoner. Når stimuleringen ble slått av, gikk blodstrømmen tilbake til den opprinnelige tilstanden.
For å vurdere om fUSI kan oppdage hemodynamiske endringer assosiert med ulike stimuleringsprotokoller, fikk de resterende to pasientene fem PÅ–AV-sykluser med 3.0 mA-stimulering etterfulgt av fem sykluser med 4.5 mA-stimulering, med en 3-minutters pause mellom de to. Forskerne fant at å øke strømamplituden fra 3.0 til 4.5 mA ikke endret den romlige fordelingen av de aktiverte ryggmargsregionene. Imidlertid induserte høystrømsstimulering sterkere hemodynamiske endringer på ryggmargen.
Denne evnen til fUSI til å differensiere hemodynamiske responser fremkalt av forskjellige ESCS-strømmer er et viktig skritt mot å utvikle et ultralydbasert klinisk overvåkingssystem for å optimalisere stimuleringsparametere. Christopoulos forklarer at fordi pasienter blir bedøvet under ryggmargsoperasjoner, kan de ikke rapportere om den anvendte elektriske stimuleringsprotokollen faktisk reduserer smerte. Som sådan kan ikke nevrokirurgen nøyaktig vurdere effekten av nevromodulering i sanntid.
Microelectrode array kan muliggjøre sikrere ryggmargskirurgi
"Vår studie gir et første bevis på at fUSI-teknologi kan brukes til å utvikle kliniske nevromodulasjonssystemer med lukket sløyfe, slik at nevrokirurger kan justere stimuleringsparametere (pulsbredde, pulsform, frekvens, strømamplitude, plassering av stimulering, etc.) under operasjonen, forteller han Fysikkens verden.
I fremtiden håper teamet å etablere fUSI som en plattform for å undersøke ryggmargsfunksjon og utvikle sanntids kliniske nevromodulasjonssystemer med lukket sløyfe. «Vi har nylig sendt inn for publisering en klinisk studie demonstrerer at fUSI er i stand til å oppdage nettverk i den menneskelige ryggmargen der aktivitet er sterkt korrelert med blæretrykk, sier Christopoulos. "Dette funnet åpner nye veier for utvikling av ryggmargsmaskingrensesnittteknologier for å gjenopprette blærekontroll hos pasienter med urininkontinens, for eksempel de med ryggmargsskade."
- SEO-drevet innhold og PR-distribusjon. Bli forsterket i dag.
- PlatoData.Network Vertical Generative Ai. Styrk deg selv. Tilgang her.
- PlatoAiStream. Web3 Intelligence. Kunnskap forsterket. Tilgang her.
- PlatoESG. Karbon, CleanTech, Energi, Miljø, Solenergi, Avfallshåndtering. Tilgang her.
- PlatoHelse. Bioteknologisk og klinisk etterretning. Tilgang her.
- kilde: https://physicsworld.com/a/functional-ultrasound-imaging-provides-real-time-feedback-during-spinal-surgery/
