用于脊髓康复的无创时间干扰电刺激

脊髓损伤 （SCI） 是一种使人衰弱的中枢神经系统疾病，可导致运动、感觉和自主神经功能永久丧失，低于损伤水平 ^1,2。因此，脊髓损伤患者的治疗和康复已成为科学研究和临床实践的焦点。传统的治疗方法，包括药物和物理疗法，在促进^{功能恢复方面}存在一定的局限性3,4,5,6。在物理疗法中，脊髓电刺激已成为 SCI 康复的有效策略，可分为侵入性和非侵入性方式 ^7,8。侵入性脊髓电刺激，例如硬膜外脊髓刺激 （eSCI），通过植入电极提供直接电刺激，但存在感染和疤痕组织形成的风险 ^9,10。相比之下，经皮神经电刺激 （TENS） 等非侵入性技术有效到达深部脊柱结构的能力有限，从而影响治疗效果^11,12。

时间干扰（TI）刺激是一种新兴的神经调控技术，它能够通过特定的电流传递模式对深层组织进行无创刺激^13,14。该技术涉及在皮肤表面放置两对电极，以略有不同的千赫兹频率传递电流。基于干扰原理，该设置在深层组织内产生独特的低频包络（范围从几赫兹到几十赫兹），从而实现有针对性的神经调控。这种独特的工作机制使 TI 刺激能够克服传统神经调控技术的深度限制，无需侵入性手术即可为深层神经结构提供有效的干预。与 TENS 不同，TI 以高空间特异性实现更深的穿透，并且与 eSCI 不同，它避免了手术风险，为 SCI 神经调控提供了更安全、更容易获得的替代方案。TI 刺激已被研究用于治疗各种疾病，例如运动障碍和抑郁症。在不完全性脊髓损伤中，由于一些神经通路保持完整，TI刺激极有可能增强剩余神经回路的活性，从而促进神经可塑性和功能恢复^15,16。因此，TI 刺激作为 SCI 治疗的神经调控策略具有巨大的前景¹⁷。

然而，目前的TI刺激硬件系统主要是为经颅应用而设计的，缺乏专门为脊髓刺激开发的TI系统。由于头部和躯干之间的解剖学和电生理差异，现有的针对头部设计的TI刺激装置并不完全适用于脊柱刺激，导致输出参数优化和电极放置面临挑战。在头部进行TI刺激时，通常使用固定的导联场坐标系（如10-10系统）来方便电极在头部定位。但是，该系统不适用于躯干。此外，由于TI刺激会在生物组织深处产生低频包络，因此很难仅根据手动电极放置来预测由此产生的电场分布。相反，通常需要计算仿真来可视化和优化内部电场分布。然而，目前还没有建立用于脊柱TI刺激的电场模拟和参数优化的工作流程，这给其临床应用带来了重大挑战。电极放置、刺激频率和电流幅度等参数直接影响电场分布和低频包络的幅度，调节神经活动并促进神经可塑性^13,17。

本研究的目的是开发一种方便有效的 TI 电场模拟和参数优化工作流程，以及专为脊髓损伤治疗量身定制的 TI 硬件系统。通过电场模拟和参数优化，我们旨在确定电极放置配置，以最大限度地提高特定SCI靶区TI的包络场幅度，从而提高治疗效果。此外，为了便于优化电极配置的实际实施，我们在头部原有的TI硬件系统的基础上，设计了一种新的脊髓TI刺激电极坐标定位方法。该系统旨在简化电极定位并提高临床环境中的作可行性。

这项研究涉及人类受试者，是根据赫尔辛基宣言进行的。获得浙江大学机构审查委员会的伦理批准。在纳入之前，已获得所有参与者的书面知情同意书，确保他们充分了解研究的目的、程序、潜在风险以及随时退出而不受处罚的权利。本研究中使用的试剂和设备列在 材料表中。

禁忌症和特殊注意事项
使用病史问卷和体格检查评估 SCI 患者的资格，以确定影响参与的情况：
纳入标准：（1）年龄在18岁至80岁之间（男性或女性）;（2）不完全性脊髓损伤分级为亚洲B、C或D，发病1-6个月;（3）过去一周内ASIA评估无变化;（4）整个研究期间药物治疗方案稳定;（5） 愿意遵守所有研究要求，包括参加所有必需的培训课程和康复评估。
排除标准¹⁷：（1）神经系统疾病（如中风、多发性硬化症、创伤性脑损伤）导致的运动功能受限;（2） 存在任何不稳定或严重的医疗状况（例如，不受控制的高血压、心力衰竭）;（3）癫痫病史;（4）电刺激禁忌症（例如植入式电子设备、起搏器、金属植入物）。

1. 材料

1. 验证所需材料的完整性（参见 材料表）。
2. 使用磁共振成像 （MRI） 或计算机断层扫描 （CT） 扫描评估 SCI 患者。
3. 打开电磁仿真软件以执行电场仿真（所有步骤都在软件中实现，无需切换到其他软件或使用其他脚本）。在进行电场模拟之前，请确保电磁模拟软件包含人体模型（男性或女性）。
   1. 如果这些模型不可用，请在功能区中选择“ 模型/虚拟 - 人类”，然后下载人体模型。下载完成后，将模型导入到当前项目中以进行后续模拟。
4. 在每次刺激会话之前按下 电源 按钮打开 TI 刺激器，然后使用指定的连接电缆连接电极适配器（图 1）。在设备屏幕上检查电池状态。如果电池电量低于 20%，请立即使用插入标准电源插座的指定电源适配器为设备充电。
   注意： 不兼容的适配器可能会损坏电池或导致 TI 刺激器的输出不规则。
5. 目视检查每个 Ag/AgCl 电极是否有裂纹、变色或残留物。用异丙醇和软布清洁电极以去除污染物。然后在电极表面涂上一层薄薄的甚至1毫米的导电凝胶，以减少接触阻抗，防止刺激过程中对皮肤造成刺激。
   1. 此外，确保获得有关电极尺寸的精确信息，包括其直径和厚度，因为这些参数在后续电场模拟中起着至关重要的作用。
6. 通过将电缆连接器与标记的端口相匹配，将两对电极电缆连接到电极适配器。

2. 电场仿真和参数优化

注意：电场模拟的整体工作流程包括三个主要步骤：构建几何模型（包括人体模型和电极），定义模拟条件（材料属性、边界条件和网格生成），最后执行计算以可视化脊髓目标区域的电场分布（图2).参数优化包括模拟各种候选电极对配置的电场，计算目标区域的平均电场强度，并确定最大化该强度的配置。具体步骤如下：

1. 在具有至少 16 GB RAM 和多核处理器的计算机上启动电磁模拟软件。通过选择功能区中的“ 文件”-“新建项目 ”来创建新项目。
2. 几何模型构建
   1. 单击功能区中的 “模型 ”选项卡，然后选择“ 模型/模型 - 人类 ”并选择男性或女性静态模型来导入人体模型（图 3）。
   2. 使用解剖标志确定最靠近 SCI 部位的椎骨位置（例如，C5 位于 C7 棘突下方约 2-3 厘米处，可触及为颈部底部突出的骨突起）。将选定椎骨中心区域正上方的蒙皮表面坐标设置为原点（草图 - 点）。将水平轴和垂直轴分别定义为 x 轴和 y 轴（图 4）。
      注意：在方案的演示中，我们选择被C5椎骨包裹的脊髓区域作为刺激目标。这不是一个固定的选择，而是为了方便演示而做出的。在实践中应用该协议时，可以任意选择任何指定的脊髓靶区域。
   3. 对于每个电极对配置，将四个电极围绕原点对称放置（图 4），脊柱的每一侧各有一对。通过距原点的水平距离 （d₁） 和垂直距离 （d₂） 定义位置，使得每个配置中四个电极的坐标为 （d₁， d₂）、（d₁， -d₂）、（-d₁， d₂） 和 （-d₁， -d₂）。
      注意：在本演示中，评估了 25 个电极对配置，每个象限中的相邻电极水平间隔 1 毫米，垂直间隔 5 毫米，这使得候选电极可以分布在相对于目标区域的适当范围内。具体电极放置程序如下。以第一象限为例：
      1. 通过单击功能区中的 固体 - 圆柱体 创建一个圆柱形电极，其尺寸与临床治疗中使用的实际电极相对应。厚度可以略微增加，以考虑与模拟模型中蒙皮表面的微小相交。
         注意：在本演示中，电极直径设置为 10 mm，厚度设置为 5 mm。
      2. 单击功能区中的 移动， 将圆柱体放置在后蒙皮表面上，并略微嵌入。将其中心调整为（10 mm、10 mm），表示距原点的水平和垂直距离为10 mm。
      3. 在 模型 浏览器中复制圆柱体并将其向右移动 11 mm，以将第二个电极定位在 （21 mm， 10 mm） 处。重复此过程以在（32 mm、10 mm）、（43 mm、10 mm）和（54 mm、10 mm）处创建额外的电极。
      4. 复制第一个电极并将其向上移动 15 mm，以将第二个电极定位在（10 mm、25 mm）。重复此过程以生成（10 mm、40 mm）、（10 mm、55 mm）和（10 mm、70 mm）的电极。
      5. 重复此过程，在第一象限内生成 25 个电极（5 行× 5 列）。
         注意：每个 TI 刺激配置使用四个电极（两对）来传递两个千赫兹频率电流，这些电流会干扰以在脊髓中形成低频包络。为了优化放置，使用每个象限 5 x 5 位置网格测试 25 个配置，每个配置有四个电极，所有仿真中总共有 100 个电极。不同组中电极的尺寸和电极之间的距离是根据实际情况规定的，本演示仅提供一个示例。
   4. 对于第二、第三和第四象限的放置程序，请遵循相同的过程。完成后，所有 25 个电极对配置（总共 100 个电极）如 图 4 所示排列。
   5. 通过右键单击 模型 浏览器中的相应电极来系统地重命名电极（例如，“ROn”代表第一象限，“LOn”代表第二象限，“LBn”代表第三象限，“RBn”代表第四象限，其中 n 是从 1 到 25 的组号）。
   6. 在 3D 模型视图中直观地检查电极位置。使用 Move 调整位置，以确保每个电极略微（0.5 毫米）嵌入皮肤表面，没有间隙。
3. 模拟条件设置
   1. 单击 Simulation 选项卡，然后单击功能区中的 New - EM LF Electro - Ohmic Quasi-Stat 创建新仿真。右键单击并将其重命名为“LF-R1”。由于TI激励在低频下工作，因此使用“欧姆准静态”求解器仅考虑准静态近似值。
   2. 单击“仿真浏览器”下的“设置”面板，将频率设置为 1040 Hz。
   3. 将人体模型从 多树 拖到LF-R1 - 材料中，这将自动分配1040 Hz的组织特异性电导率值（表1）。
   4. 在 边界条件（Boundary Conditions） 中，选择 边界类型（Boundary Type） 并从下拉菜单中选择 通量（Flux） ，将默认的边界设置修改为通量（Flux）。然后，通过单击新设置创建两个新的“边界设置”，并分配+1 V和0 V的输入电压（图5）。
      1. 将电极“RO1”和“RB1”分别拖动到相应的“边界设置”中，将其分配给这些设置，表示“RO1”输出+1 V，而“RB1”作为返回路径。
   5. 保留“传感器”的默认设置，并根据计算资源将最大步长设置为 1 毫米，将几何体分辨率设置为 1 毫米来调整网格。
   6. 通过复制“LF-R1”创建新的模拟“LF-L1”，将频率设置为1000 Hz，并将电极“LB1”和“LO1”分配给+1 V和0 V的“边界设置”。
      注意：此设置与“LF-R1”相似，但电极配置相反，从而产生干扰效应。所有其他设置保持不变。这样就完成了第一个电极对仿真设置。
   7. 复制 LF-R1 和 LF-L1，将它们重命名为 LF-R2 和 LF-L2，并修改边界设置以分配相应的电极。从“网格”和“体素”中删除先前的电极，并为每对添加新电极集。对所有 25 组重复此作。
   8. 配置完所有模拟后，在 “模拟” 选项卡中选择所有模拟，单击功能区中的“ 自动网格更新 ”（单击右下角的 任务管理器 。如果窗口指示网格已构建，则确认步骤正在正常进行），然后选择 “运行 - 批量运行” 以同时运行所有模拟。
      注意：选择 1040 Hz （LF-R1） 和 1000 Hz （LF-L1） 的频率通过干扰产生 40 Hz （1040 Hz - 1000 Hz） 的低频包络，这是目标脊髓区域用于神经调控的有效刺激频率¹⁷。
4. 执行统计分析
   1. 单击 分析 选项卡，选择 LF-R1 - 整体字段 - 传感器提取器，然后单击 整体字段 以生成整体字段。
   2. 单击 “整体场 - EM E（x，y，z，f0） - 现场数据工具 - 场缩放 ”，将电场分布从 1V 的输入电压转换为 1mA 的输入电流。比例因子的确定如下（图6）：
      1. 在 “模型 ”选项卡中，通过选择色带中的 “实体 - 块 ”并设置尺寸以完全包围电极（例如，12 mm × 12 mm × 7 mm），创建包围电极 RO1 的立方体积（块 RO1）。
      2. 将 块 RO1 从 多树 拖到 分析 面板中，生成两个相同的“块 RO1”模块。
      3. 在“模型”浏览器中选择 LF-R1 下的“整体场”和第一个块 RO1，然后同时单击“表面”和“EM E（x，y，z，f0）”。单击通量评估器 - 列表查看器以显示“总通量”值。通过将 0.001 除以“总通量”值来计算比例因子。
   3. 对“LF-L1”重复相同的过程。
   4. 在分析资源管理器的“场缩放”下多选 LF-R1 和 LF-L1，然后单击功能区中的“最大调制”以耦合来自两个电极对的电场分布。将“重量 A”和“重量 B”设置为 2，以反映每对电极 2 mA 输出（图 7）。
   5. 提取脊髓目标区域的平均电场强度：
      1. 通过选择功能区中的 “现场数据工具”-“掩模过滤器 ”来应用“掩模过滤器”，以仅保留“脊髓”区域。
      2. 单击分析浏览器中的 LF-R1，然后单击功能区中的现场数据工具 - 裁剪以分离目标脊髓区域（图 8）。
      3. 单击功能区中的 统计 - 表格查看器 以显示裁剪区域的平均电场强度（正常值范围：0.1-2 V/m）。
   6. 对所有 25 个电极对配置重复该过程，并获取所有 25 组目标处的平均电场强度。
   7. 比较每种配置的平均电场强度，并确定强度最高的配置作为最佳设置。

3. 电极定位和设备设置

1. 让脊髓损伤患者舒适地坐在有靠背的椅子上，通过脱掉或调整衣服确保他们的躯干直立并露出背部。
2. 通过触诊脊柱的棘突来确定最靠近 SCI 部位的椎骨水平。找到 C7 棘突（在颈部底部突出）并向下计数到目标椎骨（例如，C5 是 C7 上方的两块椎骨）。用可清洗的标记（58-7726，Crayola Inc.）标记目标椎骨棘突上方的皮肤表面，以指定原点¹⁸。
3. 根据先前优化的电极放置参数（d₁、d₂），使用柔性卷尺测量四个电极位置。从原点开始，水平（左右）测量 d₁ 和垂直（上下）测量 d₂，以定位四个象限中的位置：（d₁， d₂）， （d₁， -d₂）， （-d₁， d₂）， （-d₁， -d₂）。用可清洗的记号笔标记每个位置。
4. 用酒精湿巾清洁标记电极部位的皮肤，去除油脂和碎屑。检查皮肤，确保其完好无损，没有割伤或擦伤。使用注射器或涂抹器将 1.5 mL 导电凝胶涂抹到每个部位，将其均匀涂抹在直径为 10 mm 的区域。
5. 通过用胶带固定多余的电缆长度，最大限度地减少电极电缆上的张力。将电缆固定在椅子或附近的支架上，将电缆悬挂到自然悬挂，从而降低意外脱落的风险。
6. 通过将每个 Ag/AgCl 电极牢固地压在凝胶覆盖的皮肤上，将电极连接到患者背部的标记位置。用胶带固定每个电极，覆盖边缘以防止移动。
   注意：右侧和左侧电极各自形成一对电极。指定右侧上电极为阳极，下电极为阴极。指定左侧上电极为阴极，下电极为阳极，形成镜像配置。
7. 正确定位电极并验证所有连接后，按下电源按钮打开 TI 刺激器电源。单击全局参数设置并配置以下刺激参数：刺激模式：tTIS，刺激类型：标准刺激，总刺激持续时间：1200 秒，刺激波形：正弦波，通过在菜单中选择相应选项。
8. 对两个选定的刺激通道进行阻抗测量。单击 开始阻抗测试以确保阻抗落在可接受的范围内（如果负载阻抗超过 12 kΩ，刺激器将自动停止输出）。有效刺激的最佳阻抗范围为 6-8 kΩ。
9. 配置每个通道的刺激频率和输出电流幅度。通道 1：频率设置为 1040 Hz， 电流幅度设置为 2 mA。通道 2：频率设置为 1000 Hz，电流幅度设置为 2 mA¹⁵。

4. 刺激

1. 确保参与者在整个手术过程中保持舒适的坐姿，并始终保持完全清醒。
2. 通过按下设备界面上的 开始开关来启动刺激器以启动刺激。
3. 通过要求患者报告任何感觉（例如刺痛、不适）来监测患者在刺激期间的反馈。如果患者报告明显不适或强烈的刺痛感，请立即按下停止按钮将电流幅度降低 0.5 mA 增量或暂停刺激。
   注意：预计会出现轻微的刺痛或瘙痒感，这是对经皮电刺激的正常生理反应，正如本研究和先前对类似技术的研究中观察到的那样¹⁷.这种感觉通常会在 2-3 分钟内消退。

5. 程序后步骤

1. 刺激会话完成后，通过选择“ 开始阻抗测试 ”再次测量阻抗状态，以评估刺激后的变化。记录值以进行比较。
2. 通过检查患者坐着时的平衡和舒适度来验证患者的身体稳定性。慢慢从皮肤上剥离医用胶带，轻轻撕下医用胶带，以避免刺激。小心地从一侧边缘提起电极，将其拆下。
3. 在水龙头下用清水冲洗电极，然后用干净的毛巾风干。用湿纸巾擦拭患者电极部位的皮肤，以去除残留的凝胶。
4. 对患者进行标准化问卷调查，询问感觉变化（例如刺痛、麻木）、运动改善和不良事件（例如皮肤刺激、疼痛）。记录答复以供分析¹⁹.

当进行TI模拟时，可以获得当前电极对组刺激的目标脊髓区域的平均电场强度。以第10组刺激C5目标区域为例（图9），界面中显示的“体积加权平均值”为0.50 V/m。此外，通过单击“最大调制 - 掩模滤波器 - 查看器 - 表面查看器”，可以保留脊髓上电场分布的 3D 视图，同时将其他组织设置为半透明。这样可以直观地观察 C5 目标区域周围第 10 组的电场分布（图 10）。

完成所有组的模拟后，对每个目标区域的平均电场强度进行分析和比较。例如，在对模型进行的模拟中，TI刺激应用于三个目标区域：C5、T7和L3（图11），如Xie等人20所报道的那样。结果表明， 较小的d2 导致目标区域的平均电场强度较低。发现三个目标区域的最佳（d1，d 2）值为C5的（32 mm，70 mm），T7的（10 mm，40 mm）和L3的（10 mm， 70 mm）。

在实践中，当第一次应用 TI 刺激时，可能会出现轻微的瘙痒或轻微的刺痛感。这是一种正常的生理反应，表明电流正在通过皮肤，正如本研究中观察到的那样，并得到类似电刺激技术研究的支持19。这种感觉通常会在几分钟内减弱。

目前，TI刺激SCI的临床应用仍然有限，其治疗效果需要进一步验证。然而，现有的临床研究表明，连续两周的TI刺激可显着改善SCI患者的神经功能，运动强度，感觉知觉和功能独立性（表2），如Cheng等人17所报道的那样。这些发现支持了 TI 刺激是 SCI 治疗的有效治疗方法的假设。

图 1：基于电场模拟的临床治疗期间的电极放置。根据通过电场模拟和参数优化确定的最优构型放置了两对电极。确定刺激目标（例如，C5），并将该目标正上方的皮肤上的点（垂直于皮肤表面）定义为原点。利用相对于原点的优化坐标（d1，d2），确定了两个电极对的放置位置。请点击此处查看此图的大图。

图 2：电场仿真和参数优化的管道。 总共评估了 25 个候选组，每组由两对电极对组成：一对位于目标区域的右侧（R2 对），另一对位于左侧（L2 对）。每组中的四个电极放置在距原点相同的水平距离 （d1） 和垂直距离 （d2），允许每组表示为 （d1， d2）。通过系统地定位电极对并设置仿真条件，可以计算所有组的目标区域内的平均电场强度。然后比较这些组，并根据最高平均电场强度确定最佳组（d1，d 2）。 请点击此处查看此图的大图。

图 3：用于模拟的人体模型。 通过功能区界面中的“模型/模型”选项选择并导入 Duke V3.0 静态 人体模型。该模型已下载并合并，用于仿真环境。 请点击此处查看此图的大图。

图 4：仿真和参数优化中的电极放置。 在每个模拟中放置两对电极。还显示了参数优化期间使用的所有电极配置。 请点击此处查看此图的大图。

图 5：LF-R1 仿真的边界设置。 LF-R1 仿真的边界条件是通过首先在软件中选择“边界设置”来配置的。在“控制器”面板中，“边界类型”设置为“通量”。然后，通过右键单击资源管理器中的“边界条件”并选择“新设置”，创建了两个“边界设置 - 狄利克雷”条目。在“多树”中，一个电极对的阳极和阴极被分配给各自的狄利克雷边界设置。控制器面板中的阳极的“恒定电位”设置为 1 V，阴极的“恒定电位”设置为 0 V。 请点击此处查看此图的大图。

图 6：电场分布从 1 V 输入到 1 mA 输入的转换。 为了将使用 1 V 输入获得的电场分布转换为与 1 mA 输入相对应的电场分布，通过从色带中选择“固体 - 块”并在电极 RO1 周围创建一个立方体积（块 RO1），方法是从色带中选择“固体 - 块”并调整尺寸（例如，12 mm × 12 mm × 7 mm）以完全包围电极。然后将“块 RO1”对象从“多树”拖到“分析”面板中，生成两个相同的模块。在“模型”浏览器中，选择了“LF-R1”下的“整体场”和“块RO1”的第一个实例，然后激活了“表面”和“EM E（x，y，z，f0）”选项。“通量评估器 - 列表查看器”用于显示“总通量”值。比例因子是通过将 0.001 除以总通量值来确定的。 请点击此处查看此图的大图。

图 7：电场调制和包络幅度计算。 对一组中两对电极产生的电场进行调制，并计算其包络幅值。将“分析”浏览器中“场缩放”下的“LF-R1”和“LF-L1”条目一起选择，并使用带状中的“最大调制”功能耦合两个电极对的电场分布。参数“Weight A”和“Weight B”均设置为2，对应于每对电极输出2 mA。 请点击此处查看此图的大图。

图8：脊髓靶区域的分离和平均电场强度的计算。 裁剪并提取目标脊髓区域以评估电场强度。在“分析”浏览器中，选择了“LF-R1”字段，并使用功能区中的“字段数据工具 - 裁剪”功能来隔离所需区域。随后计算了该区域内的平均电场强度。 请点击此处查看此图的大图。

图 9：TI 模拟中脊髓目标的平均电场强度（第 10 组）。 请点击此处查看此图的大图。

图 10：TI 模拟中脊髓电场分布的 3D 视图（第 10 组）。请点击此处查看此图的大图。

图 11：使用 25 组模拟脊髓目标的平均电场强度。 发现三个目标区域的最佳（d1，d 2）值为C5的（32 mm，70 mm），T7的（10 mm，40 mm）和L3的（10 mm， 70 mm）。该图是根据 Xie 等人 20 修改而来的。 请点击此处查看此图的大图。

表1：1kHz时相对组织的电导率。请按此下载此表。

表 2：TI 刺激的参与者的人口统计学和临床特征。 修改自 Cheng 等人 17。 请按此下载此表。

所有作者声明不存在与本文相关的利益冲突。