运动障碍疾病DBS程控概念和编程策略上

发布时间:2021-1-20

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摘要

脑深部电刺激术(DBS)已经广泛的用于中晚期帕金森病、难治性特发性震颤,以及复杂的节段性和全身性肌张力障碍等运动障碍性疾病的治疗,患者受益于该疗法的同时,医疗工作中也发现有更多刺激相关的不良反应的出现,除了合适的患者选择和准确的电极放置之外,术后程控是唯一可以修改的能够让患者改善的重要步骤,这也为程控医生提出更高的挑战。最近笔者看到一篇由德国慕尼黑大学神经病学系ThomasKoeglsperger博士等发表的文章,它是基于循证医学和经验相结合总结了DBS术后程控的概念、常规参数调整和副反应程控的策略,涵盖的问题非常全面,故而整理出文章表达的观点分享给大家。

作者查阅手术相关文献,当前DBS的植入技术有使用立体定位框架或手术机器人,平均精度误差可以达到1–2mm。此外,手术过程中脑组织可漂移2-4mm,导致电极放置不精确。根据先前的研究,此类错误最多发生在40%的DBS手术中,因此术后程控是补偿出现此类问题的手段,无效的刺激可能会导致不必要的随访,降低患者对DBS的满意度。相反,经证明证实合理的程控方案可以改善患者的预后并避免不必要过于频繁的程控。尽管程控的编程策略已经非常成熟,但DBS程控仍然很耗时和麻烦。文章提到了方向性电极,可以更精确有效的方式调节刺激参数,增加治疗窗(图1A,B),但会增加编程参数的可能组合数量及复杂性。

当前STN-DBS的程控策略在很大程度上取决于个人经验,而针对疾病的详细程控方案除专家建议外,特殊的程控策略很少见。评估STN-DBS的效果,通常在PD患者症状中僵直的改善作为评价的主要指标,因为它不易波动,在几秒钟内响应刺激调整(图2A),并且不依赖于患者的疲劳或配合程度。开启有效刺激后,僵直在20秒内消失,停止刺激后,僵直在1分钟内恢复(图2A)。执行后续测试时必须考虑到这一点。在没有僵硬的情况下,可以观察运动迟缓或静止性震颤,尽管运动迟缓对改变刺激参数的反应较慢,并可能因疲劳而影响判断,对于震颤是否可以作为评价的指标,有时患者的不适感或期望可以影响结果。可以使用计时的方法来测量步态速度,步态中的手臂摆动,手指拍击试验或交替的手运动,以获取客观的数字数据,以提供特定程控调整证据,将测试结果记录下来。此外,在将用UPDRS-III量表中选定的项目来判断治疗效果并以系统的方式记录效果,值得注意的是,不应单独使用单个临床体征或症状(例如,僵硬性)来判断治疗效果。我们的临床经验建议应从可能的测试者中选择两个或三个最能体现患者症状的特征,并在程控的过程中以系统的方式进行这些测试。然后选择与最低起效阈值和最宽治疗窗的触点进行慢性刺激。

术中建议将电极植入后在单极刺激下测试每个触点,电极触点为负极,IPG为正极,此过程称为单极刺激。在某些中心,这些测试是在植入IPG之前完成的,可以选择在IPG植入调整植入电极的深度。在这些情况下,通过临时测试刺激给予刺激。最初,脉宽和频率分别固定在60μs和Hz,对每个触点分别进行幅度增大的测试,以确定起效阈值,并进一步增大幅度,以检测不良反应出现的阈值。在分段电极的情况下,一个环的所有分段同时被激活。大多数作者建议,在最大幅度为5V或5mA的范围内,逐步增加刺激幅度,幅度为0.1-0.5V或0.1-0.5mA,直到症状有变化。在使用两个水平的三方电极,建议在确定最有效的环后,以类似的方式筛选该环的单个触点(图1A,B)。单个节段的刺激可导致更大的治疗窗。此外,在最佳定向刺激下,获得治疗效果的平均电流阈值较低。据Polloetal报道,术中节段刺激的研究,临床疗效阈值降低以及分段刺激可提高临床疗效。即使在0.3mA的小电流下,也能够在个别患者中诱发临床效果,这表明测试过程中电流的逐步增加起始可能必须低于0.5mA。在VANTAGE研究中,刺激电极是包含8个触点的独立电流源。通过刺激测试精细划分出最好触点和次要的触点,并指导患者通过患者控制器应用每个方案,仔细对比和选择方案。作者报告说,UPDRS-III改善了60%以上,这是常规环形电极的平均改善。

图1

治疗窗口取决于刺激参数和电极配置。在三方电极中,应通过固定脉宽和频率(A)下随着刺激幅度的增加而产生的有效和副反应来分别确定每个段的治疗窗口。DBS中的治疗窗口定义为产生不利影响所需的最小刺激电流与产生有益作用所需的电流之间的差距。与药物干预类似,DSB是有益和不良反应之间的权衡。许多刺激参数以及各个接触点的解剖位置会影响治疗范围。结果,每个电极触点以及脉宽和频率的每个组合因此具有单独的治疗窗(B)。

图2

DBS对临床症状的影响是时间依赖性的。PD体征和症状对STN-DBS的反应不同。轴向症状可能需要数小时或数天才能改善,而震颤通常在STN-或VIM-DBS的情况下几乎立即消失(A)。肌张力障碍也有类似的时间差异,阶段性肌张力障碍症状在几分钟内对GPi-DBS迅速反应,而强直性肌张力障碍运动可能需要更长的时间才能解决(B)。停用DBS后症状的重新出现表现出相似的时间模式。

刺激参数的选择为了达到最佳的临床效果,已根据经验确定了STN-DBS的某些刺激参数。之前研究频率、脉宽和幅度的具体贡献的研究发现,相对于频率和脉宽的能量等效变化,幅度对改善PD症状的影响最大。在一项PD的STN-DBS患者的研究中,改善腕部僵直所需的幅度在0.7至1.7mA之间,而产生不良反应所需的幅度在1.3–3.4mA之间。在手术中临时刺激测试17名PD患者,Sauleau等人发现,腕部僵直消失的阈值为0.94V(在Hz和μs时)。50Hz和Hz的刺激频率改善了震颤、僵硬和运动迟缓,僵硬改善需要超过33Hz的阈值。在这些研究中,两种目标症状在Hz以上均无显著改善,尽管一些报告表明震颤倾向于对更高的频率做出反应,即使在所传递的总电能(TEED)相似的情况下,在STN-DBS中使用低于50Hz的频率也不能改善运动障碍。实际上与没有刺激相比,已经发现5-10Hz的极低频率会使运动症状加重,特别是运动迟缓。结果表明,在60到μs之间对于改善震颤和僵硬是有益的,而运动迟缓的减少仅在60μs时才有意义,高脉宽度刺激(μs)通常耐受性差。除僵硬,STN-DBS对开期肌张力障碍有有益作用,主要是因为降低了L-Dopa剂量(LED)。最近,新的IPG面世了,它允许小于60μs的脉宽。Steigerwald等人进行的CUSTOM-DBS研究,研究了15名患有STN-DBS的PD患者,发现对于STN刺激,与标准脉宽60μs相比,较短的脉宽30μs导致较大的治疗窗口,且治疗效果不差(通过UPDRSIII评分测量),另外,另一组研究表明,使用30μs脉冲宽度进行刺激,在传递的总电能(TEED)相似的情况下,也具有更好的步行和言语表现。因此,尽管未来的研究需要确认这些令人鼓舞的发现,但先前关于在STNDBS中将脉冲宽度固定为60μs的建议显然受到了挑战。

STN-DBS中的典型副作用大多数DBS副作用都可以理解为电流扩散到目标区域附近的大脑区域的结果。STN是一个相对较小的卵形结构,与其他脑深部核团具有紧密的解剖关系,包括内囊(外侧,前侧),黑质,红核(内侧),第三颅神经纤维(内侧),丘脑筋膜,也称为Forel场H1,由豆状核和豆状束(背内侧),感觉丘脑核(背侧),未定带和小脑红核丘脑纤维(内侧背侧,后部)组成,以及下丘脑和内侧前脑束(前)(图3)。除了这些解剖关系外,STN还可以分为不同的区域(运动,联合和边缘),每个区域都有不同的联系和特定功能。先前的研究分析了用于慢性刺激的最有效触点的解剖位置,显示结果不相同:大多数报告表明,改善PD症状的最有效的位置在STN的背外侧感觉运动区,而电流扩散到边缘和相关亚区可能会引起不良的认知和认知方面的影响。相反,其他研究则建议针对其他区域甚至邻近区域进性刺激,例如未定带(ZI)或ForelH1/H2区域,一项研究发现刺激触点的位置与临床效果之间没有显著关联,研究结果不一可能是研究方法上的差异,因为各种成像技术已被用于确定电极的位置,包括脑室造影,CT和MRI。此外,经典研究还参照了立体定向空间的数字坐标来定义触点位置,这使得在不了解患者的个体解剖结构的情况下很难解释结果,因为一个组织的体积由一个点表示,可以得出STN-DBS产生的副反应是影响到了周边毗邻解剖结构的功能:

痉挛性肌肉收缩:最常见的不良反应,包括涉及面肌的(痉挛性)收缩通常会影响双侧上面部和对侧下面部肌肉,并且是电流扩散到STN外侧和前方的内囊(IC)中的结果(图3A,D)。通过对由STN-DBS引起的电场建模,发现即使在STN内电沉积的微小偏差也会导致在STN边界外扩散的体积上激活大直径有髓IC轴突。

单眼注视或双眼注视偏差:典型的动眼副效应是在刺激的同侧减少注视,有时会发展为对侧注视偏差。这类似于额叶癫痫发作期间的共轭眼偏斜,因此被认为是由于激活由额叶视野(FEF)产生的纤维而引起的,这些纤维在内囊中以三束的形式分布:丘脑背侧轨迹,穿过丘脑底区域的中间束,以及位于大脑脚内侧的腹束,在其它结构中投射到丘脑底核。分析22个在手术中可能引起共轭眼偏差的电极位置,发现这些位置位于STN的前上外侧边界内(图3A,D)。因此,建议将电极植入更内侧、后部和较低的位置。在个案中,这种现象是由STN刺激引起的,该触点提供了最佳的临床效率,并且可以通过双侧STN刺激进行疗效互补。刺激产生的眼球运动包括几次扫视,并伴有转头。因此,反向共轭眼偏斜通常不能被视为电极错位的证据。相反,激活第三对颅神经(N.III),在STN下方的红核(RN)内,可能导致单侧的注视偏离和复视(图3A,C)。Tamma及其合著者认为刺激动眼纤维会导致同侧眼的上睑内收或外展或抬高。另外,在另一份报告中,在术中测试刺激期间,当电极位于最终靶点的内侧,后侧和腹侧时,经常会看到单侧眼偏斜。但是,这种远处的中间位置使这些纤维受到不必要的刺激是极为罕见的瞬间。在对猕猴的第三对颅神经进行实验性刺激中,仅见眼内收,但正如生理学所预期的那样,迅速出现了瞳孔缩小,还观察到眼睑睁开失用。尽管这种症状可能是PD本身的症状,偶尔因刺激而缓解,但也可因超过临床有效刺激阈值而诱发。术中测试刺激和术后调整以及同侧出汗期间经常出现瞳孔散大,这些是迅速适应的症状,不被视为电极放错的证据。中央交感神经束在导水管前面的红核内侧,因此不受影响,但在未定带(ZI)内有交感神经纤维或STN(图3A,B)内的交感纤维。

发生自主神经性副作用:恶心和出汗过多可能是电流扩散到内侧和前侧的结果,大概与下丘脑和红核的组织激活相关(图3B,C)。在所有STN-DBS病例中,约有一半出现头晕或其他不适感。

图3

丘脑底核(STN)和腹中间内侧核(VIM)与相邻结构的解剖关系。示意图显示了在STN和VIM处穿过基底神经节的冠状(AC)和矢状(D)平面。Co,连接核;CeM,丘脑中央内侧核;VA,丘脑前腹核;VC,腹尾核;VLP,丘脑腹后外侧核;VPM,丘脑腹内侧后核;IC,内囊;SNr,黑质网状部;和SNc黑质致密部;Forel红核前区的H1和H2区域;ZI,未定带;N.III,第三颅神经;DHA,下丘脑后区;DHM,背部丘脑下丘脑核;LHA,下丘脑外侧区;mfb,前脑内侧束;RN,红核;crt,红核-小脑脑-丘脑束。刺激STN内侧和背侧的组织会激活Forel和ZI的H1和H2区域,并可能到达中上丘脑丘脑核,Co,CeM和VIM。将刺激电场偏转到更多的腹侧区域将激活N.III和SN(A)的纤维。STN的前部刺激可能激活下丘脑核和mfb以及IC(B,D)。在STN的后边界处和内侧,刺激可能会激活RN和ml,刺激STN的组织背侧可能激活crt。Mai等人整理。

感觉异常:对侧感觉异常可能是由于刺激内侧丘系引起的,内侧丘系从关节和皮肤向STN传递体感信息,位于腹后位(图3D)。在通常情况下电极正面植入,最下面的触点可能因此侵入该结构。多数情况下,感觉异常是暂时性的,但当感觉持续存在时,如果临床上有效可以选择更多的背侧触点

语音障碍:在STN-DBS的初始编程和长期随访过程中,经常出现语音影响,但可以通过适当的程控来改善。大约25%的STN-DBS患者会出现构音障碍,可能是由于电流传播到内囊(紧张或痉挛性言语)或其他方式传播到STN内侧和背侧的苍白球和小脑丘脑束(crt)所致(图3A、C、D)。因此,区分DBS引起的构音障碍的不同原因对于调节刺激接触和参数非常重要。此外,刺激STN本身也可能导致言语障碍。特别是右利手患者的左内侧刺激对韵律、发音和整体可懂度有负面影响。因此,较高的左STN电压与语音的恶化相关。类似的其他报告显示左STN中的高电压与言语障碍之间有很强的相关性。一份报告指出高刺激频率会增加言语障碍的风险。另一份报告认为高频刺激对与语言相关的腭咽闭合控制有负面影响。

运动障碍:STN-DBS可能会引起运动障碍,如舞蹈样运动或肌张力障碍运动,与左旋多巴引起的“异动”相似。术后初始程控阶段发生的“异动”被认为是预示良好的预后,诱导了“异动”的触点通常在减轻运动症状方面最有效。STN-DBS少见的运动障碍包括头颈部肌肉痉挛和吞咽困难,步态障碍和姿势不稳。总体而言,STN-DBS对L-Dopa的反应性中轴症状也更有可能改善,各种研究报道STN-DBS可以改善步态,尤其是在步态速度和手臂和小腿摆动幅度方面。另一方面,长期随访研究一致表明,伴随着运动症状的持续改善,包括步态在内的轴向症状可能会随着时间的推移而恶化,这提示DBS对远端和轴向神经控制回路的影响不同。的确,增加刺激幅度可能会使步态恶化并增加冻结发作,这与没有刺激相似,在STN-DBS中抵消副作用的具体编程策略部分研究中有详细讨论,但是原因很可能是多因素造成的,通过刺激传导会导致疾病恶化、进展、用药减少和认知能力下降等。与GPi-DBS相比,DBS可能对姿势不稳的影响性最小,STN-DBS似乎对姿势稳定性更有害。尽管没有证据支持某种程控策略来避免姿势稳定性恶化,最近的一项研究表明,限制电流传播到STN的非运动区域将释放认知资源,这些资源可用于保持和改善姿势的稳定性。因为某些研究表明,躯干共济失调与连续的刺激红核相关,因此,将电流导向更外侧的区域可能也有帮助。

急性神经精神副作用:STN-DBS可能导致急性神经精神改变,除了在手术期间或手术后可能失代偿的精神共病。在刚开始的程控过程中,可以观察到个别受试者的神经精神症状,包括冷漠,喜怒无常,以及急性抑郁症。

抑郁:在Bejjani等人描述的病例中,对所有抑郁发生在术后的患者进行筛查时,当刺激最腹侧(图3B,C)的触点时,用2.4V刺激5s后出现抑郁,这些触点对缓解帕金森病症状并无效果,触点位于黑质内。刺激更多的背侧触点可以缓解帕金森病的运动症状,而不会引起抑郁。此外,冷漠和抑郁可能是由于多巴胺能药物快速或彻底减少导致的“低多巴胺”状态。需要认识到抑郁症是与刺激高度相关的,这些症状对术后患者的生活质量的影响甚至比运动功能更大。

躁狂:由于STN刺激引起的躁狂发作被认为是刺激STN内侧和腹侧的结果,因此,建议使用更多的背侧触点。此外,刺激从STN到中前脑束的神经纤维也可能导致这些症状。

冲动控制障碍(ICD):DBS和ICD之间的关系是复杂的,部分有争议。STN-DBS会增加暴饮暴食的风险。此外,STN-DBS可能会导致性欲亢进、躁狂症或强迫性赌博。这些影响很可能与刺激最腹侧触点有关,并认为是刺激STN的腹内侧、边缘区以及SNr和内侧前脑束引起的(图3A、C)。因此尽量刺激STN背外侧部,避免电流扩散到边缘区。然而,ICD也可能在术后得到解决或改善,对STN-DBS患者的长期随访显示,一旦L-DOPA或多巴胺激动剂量减少,大多数患者的术前ICD、多巴胺失调综合征消失。在这些研究中,除了强迫性进食外,ICD的新发是罕见和短暂的。发生ICD的患者结局取决于几个因素,包括靶点选择、电极位置、程控、适当的医疗管理、年龄,也许还有基因型,因此很难预测。

认知方面的影响:STN-DBS对认知的影响仍然存在争议。语言频率的降低可以很好地描述,无论有无刺激都可以观察到,可以归因于在手术中穿透尾状核。另一方面,Morishit等人,以及Isler等人,发现尾状核穿透组和尾状核保留组在认知能力下降方面没有显著差异。此外,还观察到执行功能障碍和短期记忆改变。这些影响也被认为是刺激STN腹侧和内侧的结果。病因可能是多因素的,是由于额叶和尾状核的手术损伤和疾病进展。

声明:该文章里面的内容和所表达的观点均出自下面的参考文献,如有疑问请查阅文献的具体内容。

未完请看下期

参考文献来源:

ThomasKoeglsperger,CarlaPalleis,JanH.Mehrkens4andKaiB?tzel,DeepBrainStimulationprogrammingformovementdisorders:currentconceptsandevidence-basedstrategies.FrontiersinNeurology,May

Volume10

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