使用兼容MRI的新型电极深部脑刺激更安全

想象一下,在外科手术过程中将电极嵌入大脑中,该过程涉及在颅骨上钻孔以植入电极。现在想象一下,当金属电极可能对磁场反应并振动,产生热…

想象一下,在外科手术过程中将电极嵌入大脑中,该过程涉及在颅骨上钻孔以植入电极。现在想象一下,当金属电极可能对磁场反应并振动,产生热量甚至可能损害大脑时,进行MRI扫描以进行医学评估。

使用兼容MRI的新型电极深部脑刺激更安全

这是需要深层大脑刺激的患者可能面对的现实。

现在,11月18日发表在《自然微系统与纳米工程》上的一项研究描述了圣地亚哥州立大学工程师与德国KIT研究人员合作开发的一种有希望的改进方法。SDSU研究小组创造了一种玻璃碳电极来替代金属电极,新发现表明它对MRI扫描没有反应,因此更加安全。

碳素版本于2017年在SDSU的研究员Sam Kassegne的MEMS实验室中首次开发,旨在在大脑中持续更长的时间而不会被腐蚀或变质,并发出和接收更强的信号。研究人员在2018年表明,尽管金属电极在施加1亿次电脉冲后会降解,但玻璃碳材料却可以存活35亿次。

深度大脑刺激-植入大脑的电极产生电脉冲来控制异常运动-越来越多地用于那些对药物无反应的运动障碍患者,例如患有帕金森氏病,震颤和不受控制的肌肉收缩的患者肌张力障碍。

还考虑将其用于颅脑外伤,成瘾,痴呆,抑郁和其他情况,因此潜在的应用是巨大的。

到目前为止,电极是由薄膜铂或氧化铱制成的。但是,这种基于金属的电极会产生热量,通过产生亮点来干扰MRI图像,这些亮点会阻塞正在研究的大脑中实际区域的视线,并且在患者进行扫描时会变得磁化,移动或振动,从而引起不适。

碳证明更安全

第一作者,博士生Surabhi Nimbalkar说:“我们的实验室测试表明,与金属电极不同,玻璃碳电极不会被MRI磁化,因此不会刺激患者的大脑。”

此外,它可以读取来自大脑的化学和电信号,而基于金属的电极只能读取电信号,因此碳材料具有多种模式并且与MRI兼容。

SDSU机械工程学教授兼机械工程学教授卡瑟涅(Kassegne)表示:“它应该被嵌入一生,但是问题是金属电极会退化,因此我们一直在研究如何使其使用寿命更长。”“从本质上讲,碳薄膜材料是同质的,或者是一种连续的材料,因此它的缺陷表面非常少。铂金具有金属颗粒,这些金属颗粒容易受到腐蚀。”

KIT的合作者开发了一种新型仪器,可以精确测量MRI期间的振动。与SDSU团队合作,他们能够直接在MRI扫描仪中测试新型碳电极,并确认这是一种更安全,更好的替代方法。

该论文的第一作者艾文·富勒(Erwin Fuhrer)说:“我很高兴看到我们的振动测量仪器能够对真实电极进行全新的基准测试,从而促进了风险分析。”

Fuhrer专注于MRI安全测试的硬件开发和应用。这项合作首次实现了针对不同相互作用的广泛电极测试。

“我们的仿真结果巩固了我们的实验结果,并支持了对所涉及过程的更多见解”,合著者Perv Silva说,他是Korvink实验室的博士研究生。

跨学科合作

拥有电极制造工艺专利的Kassegne在他的实验室中从事薄膜碳的研究已有十多年了,但是当华盛顿大学和麻省理工学院的合作者参与其中时,他就参与了针对神经学应用对其进行定制的工作。他在微和纳米制造技术方面的专业知识吸引了他。

这三个机构共同构成了美国国家科学基金会资助的神经技术中心的一部分,致力于研究工程新方法来帮助大脑和脊髓愈合并从损伤中恢复。

由Jan Korvink领导的KIT的微型MRI研究小组致力于研究大脑的MRI技术,特别是MRI显微镜,这是分析这些小电极的高分辨率细节的重要前提。Kassegne和Korvink在一次会议上会面,并决定就该项目进行合作。

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