用于放大完整外周神经信号的肌袖状再生性外周神经接口

摘要

本手稿提供了一种用于开发生物性外周神经接口的创新方法，该接口称为肌袖再生性外周神经接口（Muscle Cuff Regenerative Peripheral Nerve Interface, MC-RPNI）。这种外科构建体能够放大其相关外周神经的运动传出信号，从而促进对运动意图的精确检测，并有望实现对外骨骼装置的控制。

摘要

机器人外骨骼近年来在康复医学领域获得了广泛认可，被视为一种有望帮助肢体无力患者恢复功能的干预手段。然而，其应用目前仍主要局限于研究机构，常仅作为静态肢体支撑使用，因为现有的运动检测方法仍不够可靠。外周神经接口的出现为解决这一缺陷提供了潜在方案；但由于这些信号本身幅值较小，难以与背景噪声有效区分，从而降低了整体的运动检测准确性。目前的神经接口依赖于非生物材料，随着时间推移，材料本身可能发生降解，并伴随异物组织反应，进一步影响其检测性能。肌肉套管再生性外周神经接口（Muscle Cuff Regenerative Peripheral Nerve Interface, MC-RPNI）正是为克服上述问题而设计。该结构由一段游离肌肉移植物环形固定于完整的外周神经上构成，随时间推移，肌肉移植物可再生并被所包裹的神经重新支配。在大鼠模型中，该结构已被证实可通过产生复合肌肉动作电位（CMAPs），将外周神经的运动传出动作电位放大至正常水平的100倍。这种信号放大效应有助于高精度地检测运动意图，从而有望实现对外骨骼装置的可靠控制。

引言

仅在美国，约有1.3亿人受到神经肌肉和肌肉骨骼系统疾病的影响，每年造成的经济负担超过8000亿美元^1,2。这类疾病通常继发于神经系统、神经肌肉接头或肌肉本身的病理改变³。尽管病因多样，但大多数疾病均表现出一定程度的肢体无力^1,3。遗憾的是，由于神经和肌肉组织再生能力有限，尤其是在严重创伤情况下，这种无力通常具有永久性^4,5,6。

对于肢体无力的治疗，传统算法主要集中在康复性和支持性措施上，通常依赖于利用尚存功能的肢体来代偿（如拐杖、轮椅等）⁷。然而，对于肢体无力不限于单一肢体的患者，这种策略存在明显不足。随着机器人技术的最新进展，已开发出先进的外骨骼装置，能够为患有肢体无力的个体恢复肢体功能^{8,9,10,11,12,13}。这些机器人外骨骼通常是带动力的可穿戴设备，能够协助启动和终止运动，或维持肢体位置，并提供可针对用户个体化调节的不同强度的助力^{8,9,10,11,12,13}。根据其为用户提供运动辅助的方式，这些设备可分为被动式或主动式：主动式设备含有电动执行器，可向用户额外提供动力；而被动式设备则通过储存用户运动过程中产生的能量，在需要时将能量回馈给用户¹⁴。由于主动式设备具备增强用户动力能力的优势，因此在肢体无力的临床应用中被更为广泛地采用^[14]。

为了确定该人群的运动意图，现代外骨骼通常依赖于从远端肢体肌肉的肌电图（EMG）^8,15,16,17 或脑部的表面脑电图（sEEG）^18,19,20 生成的模式识别算法。尽管这些检测方式具有潜力，但两者均存在显著局限性，限制了这些设备的广泛应用。由于sEEG通过颅骨检测微伏级信号^18,19,20，人们常批评其难以将这些信号与背景噪声区分开来²¹。当背景噪声与目标记录信号相似时，会导致信噪比（SNR）较低，从而造成运动信号检测和分类不准确^22,23。准确的信号检测还依赖于稳定且低阻抗的头皮接触²¹，而这一条件可能受到粗厚头发、用户活动甚至出汗的显著影响^22,24。相比之下，EMG信号的幅值高出数个数量级，有助于提高运动信号检测的准确性^15,18,25。然而，这种方法也存在代价：邻近肌肉可能污染信号，减少设备可控制的自由度^16,17,25，且无法检测深层肌肉的运动^25,26,27,28。最重要的是，当肌肉功能严重受损或组织完全缺失时，EMG无法作为控制手段使用²⁹。

为了推动机器人外骨骼的发展，必须实现对目标使用者运动意图的一致且准确的检测。利用周围神经系统的接口技术因其相对易于获取和功能选择性而成为一种有前景的接口方法。目前的周围神经接口方法可分为有创或无创两类，通常属于以下三种类型之一：神经外电极^30,31,32,33、束内电极^34,35,36和穿透式电极^37,38,39,40。由于周围神经信号通常处于微伏级别，因此很难将这些信号与振幅相似的背景噪声区分开来^41,42，从而降低了接口的整体运动检测准确性。这些较低的信噪比（SNR）通常会随着时间推移而进一步恶化，继发于电极阻抗升高⁴³，其原因可能是设备退化^39,43，或局部异物反应导致设备周围形成瘢痕组织和/或局部轴突变性^37,44。尽管这些缺陷通常可通过再次手术并植入新的周围神经接口加以解决，但这并非一种可行的长期解决方案，因为与异物相关的反应将持续发生。

为避免外周神经与非生物界面相互作用引发的局部组织反应，有必要采用包含生物组分的界面。为解决这一缺陷，研究人员开发了再生性外周神经接口（Regenerative Peripheral Nerve Interface, RPNI），旨在将截肢患者残肢中被切断的外周神经与假体装置相整合^45,46,47,48。RPNI的制备涉及将切断的外周神经外科植入一段自体游离肌肉移植物中，并随时间推移实现再血管化、再生及再神经支配。通过产生毫伏级的复合肌肉动作电位（CMAPs），RPNI能够将其内部神经产生的微伏级信号放大数个数量级，从而实现对运动意图的精确检测^45,48,49。在过去十年中，RPNI已取得显著进展，在动物^50,51和人体⁴⁷试验中均成功实现了传出运动神经信号的放大与传输，推动了具有多自由度的高精度假体装置控制。

对于四肢无力但外周神经完好的个体而言，若能通过外周神经接口高精度地检测运动意图，将同样有助于控制外骨骼装置。由于再生性外周神经接口（RPNI）最初是为与横断的外周神经（如截肢患者）整合而设计的，因此需要进行手术改良。在RPNI经验的基础上，研究人员开发了肌袖式再生性外周神经接口（Muscle Cuff Regenerative Peripheral Nerve Interface, MC-RPNI）。该接口与RPNI类似，采用一段游离的肌肉移植物，但不同之处在于将其环形固定于完好的外周神经上（图1）。随着时间推移，该移植物通过轴突侧支出芽实现再生并重新获得神经支配，从而将传出性运动神经信号放大并转化为肌电图（EMG）信号，其信号强度可提高数个数量级⁵²。由于MC-RPNI来源于生物组织，因此可避免当前使用的外周神经接口所不可避免的异物反应⁵²。此外，MC-RPNI具备同时控制多个自由度的能力，因其可被植入至远端分离出的、支配单个肌肉的神经上，且如先前在RPNI中所证实的那样，不会产生显著的信号串扰⁴⁹。最后，由于MC-RPNI位于近端神经，其功能不依赖于远端肌肉的状态。鉴于其相较于现有外周神经接口的诸多优势，MC-RPNI在提供一种安全、准确且可靠的外骨骼控制方法方面具有广阔的应用前景。

方案

所有动物操作和实验均经密歇根大学动物照护与使用委员会（IACUC）批准。实验中最常使用3至6月龄、体重约200-300 g的雄性和雌性Fischer F344及Lewis大鼠，但理论上任何品系均可使用。若使用供体大鼠而非自体肌肉移植物，则供体大鼠必须与实验所用大鼠品系为同基因型。大鼠在术前和术后均可自由获取食物和水。在完成终点评估后，于深麻醉状态下通过心内注射氯化钾实施安乐死，随后采用双侧气胸作为辅助处死方法。

1. 大鼠的实验准备

1. 在诱导室中使用含5%异氟烷的氧气溶液（流速0.8-1.0 L/min）对实验大鼠进行麻醉。当达到充分麻醉状态且通过角膜反射消失确认后，将大鼠置于循环呼吸面罩上，并将异氟烷浓度降低至1.75%-2.25%以维持麻醉。
2. 使用27 G针头，在肩胛骨之间的皮下区域注射0.02-0.03 mL卡洛芬溶液（50 mg/mL）与0.2 mL无菌生理盐水的混合液，用于围手术期和术后镇痛。
3. 在双眼涂抹无菌眼膏，以防止麻醉期间发生角膜溃疡。
4. 使用电动剃刀剃除双侧后肢外侧部位的毛发，范围从髋关节起，经大腿，直至足背。
5. 首先用酒精棉片擦拭手术区域 ，然后涂抹聚维酮碘溶液，最后用新的酒精棉片彻底清洁以去除残留的聚维酮碘溶液，完成手术部位的消毒。 重复此交替清洁过程三次，以保持无菌状态。
   注意：该溶液可能引起皮肤刺激；确保大部分溶液已被清除。

2. 肌肉移植物的制备

1. 将大鼠置于加热垫上，在手术显微镜下使用合适类型的经口体温探头监测体温。维持异氟烷浓度为1.75%–2.25%，氧气流速为0.8–1.0 L/min。
2. 使用#15手术刀沿所需供体后肢前侧做纵行切口，切口范围自踝关节上方至膝关节下方。
3. 使用锐性虹膜剪分离皮下组织，暴露其下方的肌肉组织及踝关节近端的远端肌腱。胫前肌（TA）是最大且位置最靠前的肌肉；趾长伸肌（EDL）位于该肌肉深面偏后方。分离EDL肌肉及其远端肌腱，使其与周围肌肉组织脱离。
4. 通过将镊子或虹膜剪的两个尖端插入踝关节近端的远端肌腱下方，确认是否正确分离目标肌腱。打开镊子或虹膜剪，对肌腱施加向上压力。此动作应引起所有脚趾同时伸展。若仅出现踝关节背屈、外翻或单个脚趾背屈，则表明分离的肌腱有误。
5. 使用锐性虹膜剪在踝关节水平对EDL肌肉进行远端肌腱切断，并从周围组织中向近端方向游离肌肉，直至其肌腱起点。
6. 当观察到近端肌腱后，使用锐性虹膜剪进行近端肌腱切断，以完全游离移植物。
7. 使用锐性虹膜剪修剪肌肉移植物两端的肌腱，并裁剪至所需长度。
   注：已有成功应用长度为8–13 mm的移植物；然而，最常用的长度为10 mm。
8. 在肌肉移植物的一侧，沿修剪后的全长做纵行切口，以便将神经置入肌肉移植物内部，并使神经与肌内膜接触。
9. 将准备好的肌肉移植物置于生理盐水浸湿的纱布中，防止组织干燥。
10. 使用4-0铬制肠线连续缝合关闭供体部位的皮肤。

3. 腓总神经的分离与制备

1. 标记手术切口位置，切口从坐骨切迹下方约 5 mm 处开始，延伸至膝关节稍下方。确保该标记位于可触及的股骨下方，并呈远离股骨方向倾斜。
2. 使用 #15 刀片沿标记的切口线切开皮肤及皮下组织。小心切开下方的股二头肌筋膜，注意不要完全穿透整个肌肉深度，因为坐骨神经正位于其下方。
3. 使用钝头小剪刀或止血钳，仔细分离股二头肌组织。
   注意：坐骨神经走行于股二头肌下方的间隙中，方向大致与皮肤标记的切口一致。坐骨神经有三个明显的分支：腓肠神经（最靠后且最细小）、胫神经（通常位于最前方，但此神经始终深入至膝关节下方）和腓总神经（通常位于胫神经与腓肠神经之间，始终走行于膝关节上方）。
4. 辨认腓总神经（CP 神经），并使用显微镊子和显微剪刀小心地将其从周围神经中分离出来。清除神经中段 2 cm 范围内的周围结缔组织。操作过程中注意避免使用镊子夹压腓总神经，以免造成压迫损伤，影响最终实验结果。
5. 在游离出的腓总神经最中央区域，通过去除与肌移植物所需长度相匹配的一段神经外膜的 25%，制作神经外膜窗。
6. 操作时，用显微镊子夹住近端神经外膜，用显微解剖剪刀剪开其正下方的神经外膜，并沿神经向远端方向去除约 25% 的神经外膜。注意将该段组织一次性完整去除，多次尝试可能导致神经外膜去除不规则，增加神经损伤风险。 
   注意：神经外膜下方的神经组织具有黏稠状质地；观察到这种组织特性可确认已正确去除目标组织平面。

4. MC-RPNI 构建体的制备

1. 将肌肉移植物从生理盐水浸湿的纱布上取下，置于CP神经中部已制作表层神经外膜窗的位置下方。将神经旋转180°，使表层神经外膜窗区域与完整的肌肉接触，并避免其位于最终缝合线的下方。
2. 使用8-0尼龙缝线，于步骤2.8中创建的沟槽内，分别在肌肉移植物近端和远端缝合CP神经的神经外膜，采用间断单纯缝合法将神经外膜与肌内膜固定。
   注意：缝合时应确保肌肉处于正常的静息长度。过度拉伸或压缩肌肉可能会影响其后续的再生能力和信号传导功能。
3. 将肌瓣边缘环绕已固定好的神经进行环周包裹，并使用8-0尼龙单缝线（间断缝合，约4-6针，根据长度而定）缝合固定。
4. 止血完成后，使用5-0铬制肠线连续缝合股二头肌筋膜覆盖重建结构。
5. 使用4-0铬制肠线连续缝合关闭表层皮肤。
6. 用酒精消毒棉片清洁手术区域，并涂抹抗生素软膏。
7. 终止吸入麻醉，将大鼠置于清洁的笼子中，与笼内其他大鼠隔离，并提供食物和水，使其恢复 随意摄取.
8. 待大鼠充分恢复后，将其放回清洁的笼具中与同伴合笼饲养。
   注意：这些构建体至少需要三个月的成熟期，才能产生足够的神经信号放大。

结果

如果大鼠在术后未能从麻醉中苏醒，或在手术后一周内发生感染，则认为 MC-RPNI 手术构建属于围手术期失败。既往研究表明，此类构建物需要经过约 3 个月的成熟期，才能实现可靠的信号放大^42,45,48,49。在此时间点或之后，可对手术构建物进行外科暴露和评估。若 MC-RPNI 构建成功，在原始植入部位应能清晰观察到已再血管化的肌肉组织（图 2B）。成功的 MC-RPNI 在近端神经刺激下还会出现肌肉收缩反应（视频 1）。有时可见明显瘢痕组织及萎缩的肌肉移植物（图 2C），提示再血管化或再生失败，通常继发于移植物过大、操作不当或围手术期组织损伤。此类萎缩性移植物在近端神经刺激下虽可能表现出一定程度的收缩，但产生的信号放大效果较低。总...

讨论

MC-RPNI 是一种新型结构，可放大完整外周运动神经的传出动作电位，从而精确控制外骨骼装置。具体而言，对于因严重肌肉疾病和/或肌肉缺失导致肢体无力而无法记录肌电图（EMG）信号的个体，MC-RPNI 具有特殊优势。在此类人群中，进一步削弱本已受损的肌肉功能将造成严重后果；然而，MC-RPNI 能够在不损害远端支配肌肉的前提下实现神经信号的放大⁵²（表 1 和 表 2）。在患有肌肉源性或下运动神经元疾病的个体中，外周感觉神经通常不受疾病过程影响⁵³。由于感觉功能得以保留，必须维持神经的连续性并避免损伤；而根据组织学（图 3）、免疫组织化学（图 4）以及肌肉功能评估（表 2）的结果，MC-RPNI 似乎整体上避免了对远端支配靶组织造成任何损害。

MC-RPNI ...

材料

本文使用的材料清单

姓名	公司	目录编号	评论
#15 手术刀	Aspen Surgical, Inc	Ref 371115	肋背碳钢手术刀片（#15）
2-N薄膜测力传感器（S100）	Strain Measurement Devices, Inc	SMD100-0002	用于测量附着肌肉产生的力
4-0 慢性肠线缝合线	Ethicon	SKU# 1654G	P-3 反向切割针
5-0 慢性肠线缝合线	Ethicon	SKU# 687G	P-3 反向切割针
8-0 单丝缝合线	AROSurgical	T06A08N14-13	黑色聚酰胺单丝缝合线，带螺纹锥形针
实验大鼠	Envigo	F344-NH-sd	大鼠为 Fischer F344 品系
精细镊子——镜面抛光	Fine Science Tools	11413-11	尖端精细、镜面抛光的镊子，适用于处理神经等精细结构
Fluriso（异氟烷）	VetOne	13985-528-40	吸入性麻醉剂
力测量夹具	Red Rock	n/a	定制设计的力测量夹具，可固定后肢以实现准确的肌肉力记录
MATLAB 软件	Mathworks, Inc	PR-MATLAB-MU-MW-707-NNU	根据被动和总力测量值，计算每条记录力曲线的主动收缩力
Nicolet Viasys EMG EP 系统	Nicolet	MFI-NCL-VIKING-SELECT-2CH-EMG	便携式肌电图和神经信号记录系统，可同时进行神经和/或肌肉的双通道记录
氧气	Cryogenic Gases	UN1072	标准医用级氧气罐
氯化钾	APP Pharmaceuticals	63323-965-20	注射用，2 mEq/mL
聚维酮碘 USP	MediChoice	65517-0009-1	10% 外用溶液，一瓶可用于多次手术前准备
Puralube Vet 眼科软膏	Dechra	17033-211-38	术中使用的角膜保护软膏
Rimadyl（卡洛芬）	Zoetis, Inc.	NADA# 141-199	注射用，50 mg/mL
体视显微镜	Leica	Model M60	用户可根据个人偏好调节放大倍数
外科器械	Fine Science Tools	Various	用户可根据个人偏好或实验室现有条件选择器械
三重抗生素软膏	MediChoice	39892-0830-2	软膏以无菌一次性小包装提供
Vannas 弹簧剪刀——2 mm 刃口	Fine Science Tools	15000-04	弯头显微解剖剪，用于制作神经外膜窗
VaporStick 3	Surgivet	V7015	麻醉塔，可容纳异氟烷和氧气罐
Webcol 酒精消毒片	Coviden	Ref 6818	酒精消毒擦拭片；每次消毒使用新的擦拭片