血管内支架电极置入脑机接口系统综述 - 脑医汇 - 神外资讯

目前皮层脑机接口已被证明是有效的，但传统的电极放置方法存在诸多并发症（如血肿、血脑屏障破坏）。此外直接电极阵列植入不适用于测量深层皮层和大脑结构中的神经元信号。目前已经有文章对血管内电极置入的方法进行探究。本文是关于血管内支架电极阵列置入的综述，探讨信号采集及解码、脑内电信号刺激、电极特性及植入持久性的有效性和安全性。

——摘自文章章节

【Ref：Soldozy S, et al. Neurosurg Focus. 2020;49(1):E3. doi:10.3171/2020.4.FOCUS20186】

研究背景

脑机接口（Brain-machine interface，BMI）是大脑与外部设备间建立的可以监测和转化神经元信号的直接连接通路。临床上可为患者进行神经功能康复，也可以通过将神经元信号转化为辅助设备的控制信号（如轮椅或机器人假肢）。目前皮层脑机接口已被证明是有效的，但传统的电极放置方法存在诸多并发症（如血肿、血脑屏障破坏）。此外直接电极阵列植入不适用于测量深层皮层和大脑结构中的神经元信号。目前已经有文章对血管内电极置入的方法进行探究。本文是关于血管内支架电极阵列置入的综述，探讨信号采集及解码、脑内电信号刺激、电极特性及植入持久性的有效性和安全性。

研究方法

在PubMed和MEDLINE数据库文献检索，检索关键词为“endovascular

brain stimulation”和“endovascular neural interface”，如图1根据PRISMA准则进行纳排。

图1. 文章纳排示意图

研究结果

如表1，本文共纳入22篇文章，主要包括评估血管内BMI可行性及有效性、神经元信号检测与传统方法比较、血管内支架电极阵列置入材料等。

表1. 纳入文章汇总

血管内信号检测与解码

John等通过将血管内电极阵列连接硬膜下或硬膜外交互进行比较，探讨了硬脑膜和血管对记录信号质量的潜在失真作用。测试了各种尺寸和位置电极的带宽、灵敏度、信噪比（signal-to-noise ratio，SNR）、空间分布以及解码信号的能力。所有检测均在将电极放入绵羊后3-4周进行，让电极阵列有足够时间整合到血管中。

带宽与阵列位置、电极尺寸、记录位置或电极尺寸的变化没有显著影响。而SNR与阵列大小或位置没有明显影响。但是，空间分辨率取决于阵列位置，仅在8-24Hz频带内变化显著（χ2=11.42，p=0.003）。血管内信号解码结果表明，硬膜外、硬膜下和血管内阵列之间的性能没有明显差异。

John等还利用电阻抗光谱技术来量化硬膜下、硬膜外和血管内阵列的电化学特性。将血管内阵列植入5只成年绵羊邻近运动皮层的上矢状窦（superior sagittal sinus，SSS），而将硬膜下和硬膜外阵列植入任一半球。在测试时，所有动物都有一定程度的电极故障，血管内电极的失败率为40％-60％，而硬膜下和硬膜外阵列的失败率为33％-73％。

作者证明血管内阵列的电学特性在较低的频率范围内受到影响。具体而言，与硬膜下和硬膜外阵列相比，血管内阵列在低于1kHz的频率下显示出更高的相位角。表明在该频率范围内对血管内皮敏感，并且血管-电极界面有更大的阻抗。但是，在较高频率下，硬脑膜和脑脊液会影响相位角和阻抗大小。尽管硬脑膜很薄且具有电阻性，但脑脊液的高电导率比硬脑膜对电极-组织界面的电性能影响更大。

Bower等人对连续血管内电生理监测作为癫痫活动记录设备的潜力进行探索，比较了猪的血管内和硬脑膜下电极阵列。将包含大电极和微电极的导管与硬膜下电极阵列平行放置在SSS中。通过直接皮层注射青霉素诱发癫痫发作。血管内装置记录的癫痫样峰的幅度和波形与硬膜下界面记录的相似。但是，血管内记录可以检测到周围遗漏的高频信号。这些“微峰”被认为代表了空间受限的神经网络内的癫痫发作活动，这种活动太小而无法被大电极检测到。硬膜下微电极也记录到这些微尖峰，表明不是因为血管伪影而出现。虽然在血管内阵列记录中，在30Hz和100Hz时信号检测保真度分别降低了11％和24.2％，但对于监测癫痫样活动已经足够。

Forsyth等人对血管内神经接口在解码运动方面进行评估以验证BMI的功效。对2只绵羊进行训练，使其能够执行左右两侧运动以触摸笼子内的按钮。并记录响应这些运动产生的感觉运动信号，并通过支持向量机（support vector machine，SVM）算法将运动信号进行分类。绵羊1仅包含支架电极，而绵羊2包含支架电极，硬膜下和硬膜外阵列。绵羊1的峰值分类准确度达到70％，而绵羊2中的支架电极仅达到58％的分类准确度。硬膜外和硬膜下的准确率相近，分别为51％和55％。这些发现为支持将支架电极用作BMI提供了初步证据，这与John等人的发现一致，John等人也证明了电极类型之间可比的解码性能。

血管内脑刺激

在验证研究中，Opie等人评估支架电极对25只绵羊皮层刺激的效果（图2）。支架放置至少4周后进行皮层刺激，以使电极稳定在内皮内。与脸部，颌骨，颈部和四肢电信号响应区域相比，沿SSS的前后轴监测到嘴唇反应的电刺激模式（分别为p=0.0433，p=0.0010，p＜0.0001和p=0.0004）。引起响应所需的电流范围约为4-6mA。利用血管造影重建技术（微型CT），作者确定电极方向在诱发运动中没有任何差异。然而，将方向从0°（平均3.85±0.85 [SEM] mA，n=5）增加到180°（6.85±0.27 mA，n=5）确实会影响阈值电流。在比较支架电极的刺激与窦内穿透和皮质阵列提供的刺激时，没有观察到差异，这表明支架-电极阵列是有创记录策略的合理微创替代方案。

图2. A：显示运动皮层（红色），后肢（黄色），前肢（绿色），头和眼睛（蓝色）和面部肌肉（紫色）的运动神经的羊脑图示意；B：绵羊增强对比静脉造影，突出了皮质血管，星号表示支架尖端在A和B中的所需位置，Bar=2cm；C：展开前内径为1.04毫米的输送导管内的Stentrode支架电极阵列，Bar=1cm；D：完全扩展的Stentrode。

Gerboni等人还测试了成年雌性绵羊进行血管内电刺激的效果。将Stentrode放置在左横窦内并施加电刺激以引起神经反应。然后用硬脑膜下电极测量这些皮质诱发电位。神经激活的阈值似乎约为2mA。为了确定这些诱发电位是由Stentrode而不是其他来源引起的，在黑暗的房间里视觉刺激绵羊。该阵列主要在前电极中检测到神经激活，表明所记录的神经元活动与视觉刺激的起源是不同的，视觉刺激在后电极中被最强烈地检测到。

Teplitzky等人利用计算机建模试图确定用于血管内入路的潜在深部脑刺激（deep brain stimulation，DBS）靶点（图3）。通过回顾性分析筛选出17个靶点，最后确定了5个靶点：穹窿腹侧、丘脑前核、伏隔核、扣带回内下侧和腹囊。并且通过模型模拟，环形电极的设计更有效，但放置不当可能会导致神经元激活的效能显著下降。并且血管内电刺激与传统立体定向刺激激活阈值统计学结果相似。

图3. 血管内靶向位点：穹窿腹侧（A）和扣带回白质（B）。血管重建影像（左）；血管和脑重建影像结合（中央；环形电极模型植入物位置（右）。

装置长期放置

Oxley等人发表了一篇关于长期植入式血管内装置评估的结果。将该设备植入绵羊中，并在接下来的几周内进行监控以检测阻抗随时间的变化。更快地整合到血管壁的电极显示出更高的灵敏度。血管内记录的空间分辨率和内容在质量上与硬膜外传感器阵列相似。从植入开始到术后190天，最大带宽是稳定的。进行了长达12周的体内SSS管腔直径测量，直至12周，均未观察到SSS管腔直径减小，并且在190天时确认依旧通畅。

Opie等人检查了6个月内血管内界面的特征。将电极放置在绵羊的SSS中，植入前8天可观察到相位角不稳定，随后一直到第91天保持稳定。在6个月的成像显示血管直径略有减小。在第100天时未显示任何血管阻塞迹象，超过70％的装置表面被内膜覆盖，表示血栓形成风险降低。血管内阵列在6个月内血管损害最小。植入物至少在190天的时间内具有良好的耐受性。

导管通道选择

与5-Fr系统相比，使用6-Fr导管花费更多时间（中位数为61分钟），成功率位81％，而5-Fr系统的并发症发生率更高，但时间明显缩短（中位数为43分钟）。表现最好的是4-Fr导管，该导管在所有尝试中均成功，无并发症，中位完成时间为38分钟，所以4-Fr导管更可取。

微电极材料

Wong等检测镍钛诺材质的微电极作为皮质脑电图的可行性。既往研究发现镍钛诺可以在体内形成保护性表面，从而提高其稳定性。镍钛诺表现出比不锈钢和铂金替代品更大的幅度和相位角。但是镍钛诺电极在所有频率下均显示出较高的阻抗幅度和较大的相移。但因为它在许多指标上的性能与铂和不锈钢相似，镍钛诺是一种有前景的替代材料。

临床研究

血管内神经接口已在人类受试者中得到证实，Penn等人于1973年首次报道。大约20年后Nakase等人报道他们的发现，这项研究结果包括14例接受血管内治疗的动静脉畸形（n=6）或癫痫（n=8）患者。这项研究使用了绝缘的Seeker Lite-10导丝。Stoeter等在23例患者中使用了动脉内绝缘的Seeker-10导丝，将所有测量结果与颅外电极读数进行了比较。发现从导丝获得的读数与颅外电极一致。其他几项研究也证明了通过大脑中动脉以及海绵窦在人体内进行血管内神经记录的可行性，总结于表1。

研究结论

血管内电极放置的实用性在于它的非侵入性和使用脉管系统作为测量皮层和大脑深部活动通道。短期和长期植入后，血管内电极信号检测是可行的，初步数据表明测量结果与传统方法相似。但是，这些发现在很大程度需要进一步验证。适当的脑刺激也是可以实现的。在血管内电极型BMI正式开发出来之前，需要在人体试验中就解码和安全性进行进一步研究。

声明：脑医汇旗下神外资讯、神介资讯、脑医咨询所发表内容之知识产权为脑医汇及主办方、原作者等相关权利人所有。未经许可，禁止进行转载、摘编、复制、裁切、录制等。经许可授权使用，亦须注明来源。欢迎转发、分享。