脊髓损伤(SCI)是一种全球性、高发性、致残性的疾病,给患者本人、家庭及社会带来巨大经济负担。脊髓损伤的病理过程主要分为原发性和继发性,原发性损伤最常见的原因为外力引起急性或慢性压迫,目前可以通过外科手术方法解除压迫重建脊柱结构的稳定性,但是由原发性损伤造成的二次免疫炎性反应却继续进展,造成损伤局部神经元细胞的凋亡,循环障碍,毒性物质增加和胶质瘢痕形成等一系列的生物细胞学改变,造成了神经通路的不可逆损伤。虽然损伤后残损神经细胞具有增殖的潜力,但是再生程度却难以达到患者运动功能恢复的要求。目前根据脊髓损伤的病理生理学特点,多种治疗方式应用于临床,例如大量的激素冲击疗法,神经营养因子使用,神经生物支架和干细胞移植等一系列的治疗方法,但均未获得被公认的治疗效果。而光生物调节作用在神经系统显现出无创、促神经再生、抑制炎性细胞表达、抑制胶质瘢痕形成及抑制神经细胞凋亡的独特光生物学特性而被广泛研究,尤其在利用一些特殊的光敏剂后可以实现对神经细胞的光敏离子通道实现精确的调控效果。将光生物治疗方法应用脊髓损伤的治疗是一种有前途的治疗方法,目前光生物治疗在中枢神经系统疾病的治疗中,尤其是脑损伤和退行性疾病中取得了令人鼓舞的治疗效果,但是由于脊柱部位组织厚度对光能严重的衰减作用阻碍了该方法在脊髓损伤中应用,根据这一临床问题,我们设计了一种可椎管内埋置的360°发光光纤,在急性脊髓损伤的病人手术减压固定后,将光纤埋置于椎板上方,可将光能直接投射到脊髓表面,从而确保具有治疗效果的最低有效光能到达脊髓损伤处,同时通过结构与人类最为相似的猪为研究对象,测试了光纤埋置方法的可行性、安全性并筛选出安全的光生物治疗参数。第一部分椎管内可埋置光生物治疗仪的研制目的:以810nm半导体光源为基础,设计体外放置的全自动光源治疗仪和体内可埋置光纤两部分。方法:以内置光纤、电源系统、微处理器控制系统、操作显示系统、散热系统、激光器模块及安全警报系统组成体外光生物治疗仪部分。以医用高透明性硅胶镀层光纤同时加入显影线,光纤体外部分通过与可埋置光纤配套的耦合接口与光生物治疗仪相连接。结果:光生物治疗仪分为数控激光发射器和光纤两部分组成,激光器的脉冲类型、时间设定、自我检测、温度检测、制冷系统和电源系统都由微芯片控制,全数字界面控制。埋置光纤部分抗弯曲、抗拉伸强度高,高透明度的医用硅胶保证了其透光性和生物安全性,同时光纤包裹材料中加入可显影材料,经过光功率计检测设备输出端和光纤端实际输出功率基本一致,误差小于5mw,对于人体治疗该误差不影响疗效。结论:经过一系列的光学检测表明,由微芯片和数字控制系统组成的光生物治疗稳定性和安全性更加有保障。同时使用医用硅胶材料镀层的光纤既不影响光的通透性也避免了光纤材料外泄的可能性,同时硅胶材料的柔韧性也避免了可能出现的医源性脊髓压迫。第二部分360°发光光纤埋置照射脊髓的可行性、安全性验证和照射参数的筛选目的:探索脊柱椎板上方埋置柔性光纤,精准照射目标脊髓节段的可行性并筛选安全的照射参数。方法:通过外科手术将一根360°发光光纤埋置于小香猪T9脊髓上方,将近红外光(810nm)传输到脊髓表面,以200mw、300mw、500mw和1000mw连续照射14d,1次/d,1次/h,检测不同参数的近红外光照射至正常脊髓表面引起的升温、光毒性(应激反应、炎性反应和神经细胞凋亡)、炎性细胞浸润和轴突结构完整性,观察照射部位脊髓的病理组织结构,用磁共振观察照射过程脊髓及光纤位置,评估照射过程中动物的双下肢神经功能和步态。结果:该装置在体内安放简单易行,光能可直接投射到脊髓表面。通过对不同照射参数的筛选,200mw和300mw脊髓表面直接照射不会引起明显的升温、应激反应、炎性反应和神经细胞凋亡,500mw照射可引起轻度的升温、应激反应、免疫炎性反应和神经细胞凋亡,1000mw照射可引起明显的升温、应激反应、免疫炎性反应和神经细胞凋亡。200mw、300mw和500mw照射组,脊髓组织病理学分析均未见结构损伤,1000mw局部有轻微的热损伤表现,轴突结构紊乱。但所有照射组动物神经功能和步态评分均正常,运动诱发电位和体感诱发电位均能引出,与对照组相比200mw、300mw和500mw照射组波幅均正常,1000mw组波幅虽然有轻度减低但无统计学意义。结论:本研究建立了一种安全稳定的体内光纤埋置方法,可直接将光能投射至脊髓表面,并且照射参数以200mw和300mw为安全范围。为光生物治疗的临床应用展示了一种新方法。第三部分光生物调节治疗急性脊髓损伤的临床前研究目的:本研究是一项开放性、非盲、非随机及非安慰剂对照临床研究,观察可埋置360°发光光纤在急性脊髓损伤中进行光生物刺激治疗的可行性和安全性。方法:根据纳入排除标准,筛选9个急性脊髓损伤需要手术治疗的病人,ASAI评分B级。术后光纤埋置于损伤部位椎板上方,连接光生物治疗仪确保光能投射到脊髓损伤部位,然后缝合切口,300mw,连续波长,30min/次,1次/d,连续照射7天,照射治疗期间评估光照是否会引起病人不适,光能刺激及长时间的光纤埋置是否会引起感染,凝血功能改变等生化指标的改变,同时7d照射治疗结束后,所有患者拔除光纤时,将光纤体内照射部位送检进行细菌培养。同时记录其他脊髓损伤后常见的不良事件,例如:呼吸系统并发症,心血管事件,深静脉血栓/肺栓塞,泌尿系统感染等。所有不良事件均进行记录并提交伦理委员会。7d和1月时行肌电图评估、神经性疼痛评估和神经功能评分指标,肌电图选取体感诱发电位为评价指标,神经功能的评估使用ASIA运动和感觉评分。结果:接受光生物治疗的9名患者在连续7天的照射治疗中,血压、血氧饱和度均在正常范围波动,光纤本身未造成患者的不适反应和翻身活动不便,光生物照射治疗前、中、后期患者体温正常,均未出现明显的体温变化,治疗期间每天对光纤皮肤出口处进行换药消毒,直至治疗结束拔除光纤时切口及光纤出口处皮肤无红肿渗液,照射治疗期间无深静脉血栓形成,无神经功能减退现象,血常规、肝肾功、离子系列、凝血功能检查异常但无临床意义,主要考虑手SCI本身造成的异常改变。7d照射治疗结束后,所有患者拔除光纤时,将光纤体内照射部位送检,细菌培养均为阴性。1月随访时,9名患者ASIA感觉和运动功能评分均有不同程度的提高,3名患者由ASIA B级变为C级。结论:通过椎管内埋置360°发光光纤治疗人急性脊髓损伤是一种简便可行、安全无创的治疗方式,810nm、300nw,连续波长,30min/次,1次/d,连续照射7天的治疗参数,在人体应用中是安全治疗参数,后期需要更多的病例研究来验证该治疗参数的有效性。