यह सर्जिकल आरोपण और परिधीय नसों के लिए वायरलेस संचालित इंटरफ़ेस के संचालन के लिए एक प्रोटोकॉल है। हम या तो चूहे sciatic या phrenic तंत्रिका पर रखा तंत्रिका उत्तेजक से उदाहरण के साथ इस दृष्टिकोण की उपयोगिता का प्रदर्शन.
परिधीय तंत्रिका इंटरफेस अक्सर प्रयोगात्मक तंत्रिका विज्ञान और पुनर्योजी चिकित्सा में विभिन्न प्रकार के अनुप्रयोगों के लिए उपयोग किया जाता है। ऐसे इंटरफेस सेंसर, एक्ट्यूएटर या दोनों हो सकते हैं। परिधीय तंत्रिका इंटरफेसिंग के पारंपरिक तरीकों को या तो बाहरी प्रणाली से जुड़ना चाहिए या बैटरी पावर पर भरोसा करना चाहिए जो ऑपरेशन के लिए समय सीमा को सीमित करता है। वायरलेस, बैटरी-मुक्त और पूरी तरह से प्रत्यारोपण योग्य परिधीय तंत्रिका इंटरफेस के हालिया विकास के साथ, उपकरणों का एक नया वर्ग उन क्षमताओं की पेशकश कर सकता है जो उनके वायर्ड या बैटरी संचालित अग्रदूतों से मेल खाते हैं या उनसे अधिक हैं। यह पेपर (i) शल्य चिकित्सा प्रत्यारोपण और (ii) वायरलेस तरीके से बिजली और वयस्क चूहों में इस प्रणाली को नियंत्रित करने के तरीकों का वर्णन करता है। इस दृष्टिकोण की बहुमुखी प्रतिभा को उजागर करने के लिए कटिस्नायुशूल और फ्रेनिक तंत्रिका मॉडल को उदाहरण के रूप में चुना गया था। पेपर दिखाता है कि परिधीय तंत्रिका इंटरफ़ेस यौगिक मांसपेशी क्रिया क्षमता (सीएमएपी) को कैसे विकसित कर सकता है, एक चिकित्सीय विद्युत उत्तेजना प्रोटोकॉल प्रदान कर सकता है, और परिधीय तंत्रिका चोट की मरम्मत के लिए एक नाली को शामिल कर सकता है। इस तरह के उपकरण एकल-खुराक या बार-बार खुराक चिकित्सीय उत्तेजना के लिए विस्तारित उपचार विकल्प प्रदान करते हैं और विभिन्न तंत्रिका स्थानों के लिए अनुकूलित किए जा सकते हैं।
दर्दनाक परिधीय तंत्रिका चोटें (पीएनआई) अमेरिका में प्रति वर्ष लगभग 200,000 की वार्षिक घटना के साथ होती हैं1. पीएनआई से पीड़ित अधिकांश रोगियों को स्थायी कार्यात्मक हानि के साथ छोड़ दिया जाता है। इसकी सबसे खराब स्थिति में, इसके परिणामस्वरूप मांसपेशियों का पक्षाघात हो सकता है और उपचार-दुर्दम्य न्यूरोपैथिक दर्द इतना गंभीर हो सकता है कि रोगी उपचार के रूप में अंग विच्छेदन से गुजरने के लिए तैयार हैं2. पीएनआई परिणामों में सुधार के लिए सबसे बड़ी बाधा यह है कि अक्षतंतु पुनर्जनन उन दूरियों के सापेक्ष बहुत धीमा है जिन्हें उन्हें फिर से उगाना चाहिए। उदाहरण के लिए, एक वयस्क मानव अक्षतंतु 1 मिमी / दिन पर बढ़ता है, लेकिन समीपस्थ अंग में घाव के मामले में > 1000 मिमी की दूरी पर पुन: उत्पन्न करना पड़ सकता है।
वर्तमान नैदानिक अभ्यास में, ~ 50% पीएनआई को सर्जिकल मरम्मत की आवश्यकता होतीहै 3. सफल तंत्रिका उत्थान के लिए, अक्षतंतु को घाव स्थल (यानी, गैप क्रॉसिंग) में बढ़ना चाहिए और फिर (ii) अंत-अंग लक्ष्य (यानी, डिस्टल रेग्रोथ) (चित्रा 1) तक पहुंचने के लिए तंत्रिका मार्ग को पुन: उत्पन्न करना चाहिए। तंत्रिका पुनर्जनन में तेजी लाने के लिए सिद्ध कोई एफडीए-अनुमोदित दवाएं नहीं हैं। पीएनआई नैदानिक प्रबंधन की यथास्थिति केवल पिछले कई दशकों में वृद्धिशील रूप से बदल गई है और सर्जिकल तरीकों के लिए तकनीकी शोधन तक सीमित है जैसे कि दूरी को कम करने के लिए डिस्टल मोटर तंत्रिका स्थानान्तरण को पुनर्जीवित करने वाले अक्षतंतुको 4, या “शेल्फ से दूर” सिंथेटिक तंत्रिका नाली की यात्रा करनी चाहिए उन मामलों के लिए जहां समीपस्थ तंत्रिका पीछे हट जाती है और सीधे एक साथ वापस नहीं किया जा सकता है5. हालांकि, नसों के पश्चात लागू चिकित्सीय विद्युत उत्तेजना पर चार यादृच्छिक नैदानिक परीक्षण किए गए हैं, जो अल्बर्टा विश्वविद्यालय में डॉ के मिंग चैन के नेतृत्व में एकल-केंद्र अध्ययन थे जो मांसपेशियों 6,7,8 या त्वचा9 के पुनर्विकास में काफी सुधार दिखाते हैं। इस विद्युत उत्तेजना प्रोटोकॉल के लिए मूलभूत कार्य कृन्तकों10,11 में किया गया था, जहां यह दिखाया गया है कि विद्युत उत्तेजना विशेष रूप से अंतर पार करने (चित्रा 1) को बढ़ाकर काम करती है, लेकिन डिस्टल रेग्रोथ12,13,14,15 नहीं।
सभी चार विद्युत उत्तेजना यादृच्छिक नैदानिक परीक्षणों में उपयोग किए जाने वाले ट्रांसक्यूटेनियस वायर इलेक्ट्रोड का सर्जिकल प्लेसमेंट आवश्यक था क्योंकि इसके प्रभाव 1 एच11 के लिए लगातार 20 हर्ट्ज पर न्यूरॉन सेल बॉडी को विध्रुवित करने के लिए पर्याप्त वर्तमान के वितरण पर निर्भर करते हैं। नैदानिक अभ्यास में, यह विद्युत उत्तेजना प्रोटोकॉल दर्द के कारण त्वचा पर सतह-उत्तेजक इलेक्ट्रोड के माध्यम से आवश्यक तीव्रता पर अधिकांश रोगियों के लिए सहनीय नहीं है। ट्रांसक्यूटेनियस इलेक्ट्रोड को पोस्टऑपरेटिव रूप से चलाने से जुड़े गैर-तुच्छ जोखिम हैं, जैसे कि गहरे घाव में संक्रमण या ऑपरेटिंग रूम (OR) से रोगी परिवहन के दौरान नसों से तारों का आकस्मिक विस्थापन। इसके अतिरिक्त, OR समय की उच्च लागत स्वयं तीव्र पश्चात वसूली के बजाय उस सेटिंग में प्रयास करने के खिलाफ एक हतोत्साहन है। मौजूदा परिधीय तंत्रिका इंटरफेस की इस कमी को दूर करने के लिए वायरलेस, बैटरी मुक्त और पूरी तरह से प्रत्यारोपण योग्य परिधीय तंत्रिका इंटरफेस का एक नया वर्ग उभर रहा है।
वायरलेस इम्प्लांटेबल इलेक्ट्रॉनिक सिस्टम का यह नया वर्ग विद्युत उत्तेजना खुराक के लिए आसानी और लचीलेपन को बढ़ाने और इसके व्यापक नैदानिक कार्यान्वयन को रोकने वाली बाधाओं को तोड़ने के लिए तैयार है। यह पत्र (i) शल्य चिकित्सा प्रत्यारोपण और (ii) वयस्क चूहे कटिस्नायुशूल और फ्रेनिक तंत्रिका मॉडल में इस प्रणाली को वायरलेस तरीके से बिजली और नियंत्रित करने के तरीकों का वर्णन करता है। यह दिखाता है कि परिधीय तंत्रिका इंटरफ़ेस सीएमएपी को कैसे विकसित कर सकता है, एक चिकित्सीय विद्युत उत्तेजना प्रोटोकॉल प्रदान कर सकता है, और यहां तक कि परिधीय नसों की मरम्मत के लिए एक नाली के रूप में भी कार्य कर सकता है। प्रोटोकॉल यहाँ ऑप्टोजेनेटिक मध्यस्थता neuromodulation16, नियंत्रित दवा रिलीज17, या समय18,19 के साथ बिजली उत्तेजना के दोहराया मुकाबलों के लिए प्रकाश दालों वितरित कर सकते हैं कि इस तकनीक के अन्य वेरिएंट के लिए अनुकूलित किया जा सकता है.
यह पत्र सर्जिकल आरोपण और चूहे के कटिस्नायुशूल और फ्रेनिक तंत्रिका मॉडल में एक वायरलेस, बैटरी मुक्त, और पूरी तरह से प्रत्यारोपण परिधीय तंत्रिका इंटरफेस के संचालन में चरणों का वर्णन करता है। हम प्रदर्शित करते हैं कि बायोमेडिकल प्रत्यारोपण के इस उपन्यास वर्ग का उपयोग प्रीक्लिनिकल और नैदानिक अध्ययनों में अक्षतंतु पुनर्जनन को बढ़ाने के लिए दिखाए गए चिकित्सीय विद्युत उत्तेजना प्रतिमान देने के लिए कैसे किया जा सकता है (समीक्षा के लिए,22 देखें)। यह प्रोटोकॉल सरल है और इसे छोटे पशु मॉडल, जैसे चूहों21, साथ ही अन्य वायरलेस, बैटरी-मुक्त, और कार्यक्षमता के साथ पूरी तरह से प्रत्यारोपण योग्य उपकरणों के लिए एक्सट्रपलेशन किया जा सकता है जिसमें ऑप्टोइलेक्ट्रॉनिक और माइक्रोफ्लुइडिक परिधीय तंत्रिका इंटरफेस 18,23,24,25,26,27,28,29,30 शामिल हैं. यह भी कृंतक sciatic तंत्रिका का उपयोग दृष्टिकोण का प्रदर्शन किया है, जो सबसे आम प्रयोगात्मक मॉडल31 है.
इस दृष्टिकोण की बहुमुखी प्रतिभा को दिखाया गया है जब इसे फ्रेनिक तंत्रिका के साथ इंटरफेस करने के लिए अनुकूलित किया जाता है, जिसे शायद ही कभी परिधीय तंत्रिकाचोट 32 के मॉडल के रूप में नियोजित किया जाता है, शायद इसलिए कि यह एक बेहद कम मान्यता प्राप्त नैदानिक मुद्दा33,34,35 है। फ्रेनिक तंत्रिका चोट निदान और पुनर्वास COVID-19 महामारी36,37,38 के दौरान एक महत्वपूर्ण मुद्दा बन गया है। यह वर्तमान में अज्ञात है कि क्या फ्रेनिक अक्षतंतु का उत्थान और डायाफ्राम पक्षाघात से वसूली इस संक्षिप्त, कम आवृत्ति विद्युत उत्तेजना प्रतिमान द्वारा संवर्धित की जा सकती है। हालांकि, डायाफ्राम मांसपेशी पेसिंग के लिए फ्रेनिक तंत्रिका विद्युत उत्तेजना उच्च ग्रीवा रीढ़ की हड्डी की चोट 39,40,41,42,43से टेट्राप्लाजिया वाले रोगियों में श्वसन विफलता के लिए एक स्थापित विकल्प है। गंभीर बीमारी के बाद वेंटिलेटर वीनिंगसहित अन्य संकेतों का पता लगाया जा रहा है।
प्रत्यारोपित प्रणाली के अच्छे संचालन को सुनिश्चित करने के लिए कई महत्वपूर्ण कदमों पर जोर दिया जाना चाहिए। सबसे पहले, उपकरणों के पतले इलेक्ट्रॉनिक घटकों पर बहुत अधिक बल लगाने से बचना महत्वपूर्ण है, जब उन्हें सीसा डी-इन्सुलेशन, किंकिंग या टूटने से रोकने के लिए उन्हें संभालना है। इसके बाद, ऊपरी त्वचा पर रेडियो फ्रीक्वेंसी पावर हार्वेस्टर कॉइल के स्थान को सटीक रूप से चिह्नित करना महत्वपूर्ण है। तीसरा, एक गूसनेक क्लैंप के साथ प्रत्यारोपित डिवाइस के पावर हार्वेस्टर कॉइल पर बाहरी रेडियो फ्रीक्वेंसी बिजली की आपूर्ति के ट्रांसमिशन कॉइल का सावधानीपूर्वक संरेखण स्थिर संचालन की अनुमति देता है। अंत में, मांसपेशियों के मरोड़ के दृश्य अवलोकन के अलावा विद्युत उत्तेजना की पुष्टि करने के लिए, आवधिक न्यूरोफिज़ियोलॉजिकल निगरानी की सिफारिश की जाती है। गर्दन में फ्रेनिक तंत्रिका की अधिक जटिल शारीरिक रचना के मामले में, इलेक्ट्रोफिजियोलॉजिकल पुष्टि यह प्रदर्शित करने में मदद करती है कि सही तंत्रिका को अलग किया गया है (चित्र 6)।
इस पेपर18,19,21में दिखाए गए वायरलेस, बैटरी मुक्त विद्युत उत्तेजक के अलावा, कई अन्य डिवाइस संभावित रूप से समान प्रक्रियाओं को साझा करते हैं। उदाहरण के लिए, क्योंकि इलेक्ट्रोड ग्लोसोफेरींजल और वेगस नसों को प्रत्यारोपित करने के लिए डिज़ाइन किया गया है ताकि सहानुभूति और पैरासिम्पेथेटिक तंत्रिका तंत्र30,45,46 से संकेतों को कालानुक्रमिक रूप से रिकॉर्ड किया जा सके, इस प्रोटोकॉल को उनके आरोपण के लिए अनुकूलित किया जा सकता है। परिधीय नसों के लिए वायरलेस दीर्घकालिक जैव-संगत उत्तेजक, जैसे कि पुनर्स्थापना, जगह में रहने और आवश्यकतानुसार नसों को उत्तेजित करने के लिए महान उपकरण हैं 25,47,48,49,50. प्रासंगिक मल्टी-चैनल वायरलेस रिकॉर्डिंग प्रत्यारोपणभी सूचित किए गए हैं। कुल मिलाकर, हम मानते हैं कि इन शल्य चिकित्सा और विद्युत उत्तेजना प्रोटोकॉल विद्युत उत्तेजना या रिकॉर्डिंग से संबंधित सभी वायरलेस परिधीय तंत्रिका interfacing के लिए एक मानक के रूप में अनुकूलित किया जा सकता है.
The authors have nothing to disclose.
इस काम ने नॉर्थवेस्टर्न यूनिवर्सिटी के NUANCE सेंटर की NUFAB सुविधा का उपयोग किया, जिसे SHyNE संसाधन (NSF ECCS-1542205), IIN और नॉर्थवेस्टर्न के MRSEC कार्यक्रम (NSF DMR-1720139) से समर्थन प्राप्त हुआ है। इस काम ने नॉर्थवेस्टर्न यूनिवर्सिटी के सामग्री अनुसंधान केंद्र में राष्ट्रीय विज्ञान फाउंडेशन (DMR-1720139) के MRSEC कार्यक्रम द्वारा समर्थित MatCI सुविधा का उपयोग किया। C.K.F एनआईएच (अनुदान संख्या R03HD101090) और अमेरिकन न्यूरोमस्कुलर फाउंडेशन (विकास अनुदान) के यूनिस कैनेडी श्राइवर इंस्टीट्यूट ऑफ चाइल्ड हेल्थ एंड ह्यूमन डेवलपमेंट से समर्थन स्वीकार करता है। वाईएच एनएसएफ से समर्थन स्वीकार करता है (अनुदान सं। CMMI1635443)। इस काम को नॉर्थवेस्टर्न यूनिवर्सिटी में क्वेरी सिम्पसन इंस्टीट्यूट फॉर बायोइलेक्ट्रॉनिक्स द्वारा समर्थित किया गया था।
Amplifier | Electronics & Innovation | 201L | |
Arbitrary Waveform Generator | RIGOL | DG1032Z | 30 MHz, 2 Channel, 200 MS/s, 14bit Resolution, 8 Mpts |
Bupivacaine | Pfizer | 655317 | Marcaine, 0.5% |
Copper/polyimide/copper | Pyralux | AP8535R | 18 µm thick top and bottom copper, 75 µm thick polyimide |
EMG recording device | Natus | Nicolet VikingQuest | |
EPOXY MARINE | Loctite | ||
Isoflurane, USP | Butler Schein Animal Health | 1040603 | ISOTHESIA |
Meloxicam | covetrus | 5mg/ml | |
Needle electrodes | Technomed USA Inc. | TE/B50600- 001 | |
PDMS (Silicone Elastomer Kit) | DOW | SYLGARD™ 184 | |
ProtoLaser U4 | LPKF | U4 | |
Puralube Vet Ointment Sterile Ocular Lubricant | Puralube | 83592 | |
Waveform generator | Agilent Technologies | Agilent 33250A |