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非侵入性时间干涉电刺激用于脊髓康复

DOI：

10.3791/68574

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2025年10月31日

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1Key Laboratory of Biomedical Engineering of Ministry of Education, Qiushi Academy for Advanced Studies, Zhejiang University, 2Department of Biomedical Engineering, Zhejiang University, 3College of Information Science and Electronic Engineering, Zhejiang University, 4Department of Computer Science and Technology, Zhejiang University, 5State Key Laboratory of Brain-Machine Intelligence, Zhejiang University, 6The MOE Frontier Science Center for Brain Science & Brain-machine Integration, Zhejiang University, 7Center of Excellence in Biomedical Research on Advanced Integrated-on-Chips Neurotechnologies (CenBRAIN Neurotech), School of Engineering, Westlake University, 8Center for Rehabilitation Medicine, Rehabilitation & Sports Medicine Research Institute of Zhejiang Province, Department of Rehabilitation Medicine, Zhejiang Provincial People's Hospital (Affiliated People's Hospital, Hangzhou Medical College), 9School of Rehabilitation, Hangzhou Medical College, 10Westlake Institute for Optoelectronics, Westlake University

本文内容

摘要

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本研究提出了一种用于脊髓损伤的经颅电刺激（TI）刺激方案，该方案针对特定区域优化了电极放置位置，并在临床应用中高效地实施了这一优化策略。

摘要

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脊髓损伤（SCI）可导致运动、感觉和自主神经功能的永久性丧失，给康复治疗带来重大临床挑战。除了传统的康复方法外，硬膜外脊髓电刺激（eSCI）常被用于促进功能恢复。然而，eSCI具有侵入性，限制了患者的接受度和广泛应用。与传统脊髓刺激相比，时间干涉（TI）刺激提供了一种非侵入性方法，可刺激深层脊髓区域，因此在SCI治疗中具有广阔前景。实现有效TI刺激用于SCI康复的一个关键因素，是将两对电极准确放置在皮肤表面，以在目标脊髓区域产生高强度的电场包络。我们提出了一种独特的方案，利用电场模拟与参数优化来确定针对特定SCI区域的最佳电极放置位置。此外，该方案系统地描述了如何在临床TI刺激中高效实施优化后的电极放置策略。

引言

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脊髓损伤（SCI）是一种致残性的中枢神经系统疾病，可导致损伤平面以下永久性丧失运动、感觉和自主神经功能1,2因此，脊髓损伤患者的治疗与康复已成为科学研究和临床实践的关注焦点。传统的治疗方法，包括药物治疗和物理疗法，在促进功能恢复方面存在一定的局限性3,4,5,6在物理治疗中，脊髓电刺激已成为脊髓损伤康复的一种有效策略，可分为有创和无创两种模式。7,8侵入性脊髓电刺激，例如硬膜外脊髓电刺激（eSCI），可提供直接的电刺激 通过 植入电极但存在感染和瘢痕组织形成的风险9,10相比之下，无创技术（如经皮神经电刺激，TENS）在有效到达深层脊髓结构方面存在局限性，从而影响治疗效果11,12.

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方案

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本研究涉及人类受试者，按照《赫尔辛基宣言》的规定进行。伦理批准由浙江大学机构审查委员会获得。所有参与者在纳入研究前均签署了书面知情同意书，确保其充分了解研究的目的、流程、潜在风险以及随时无惩罚退出的权利。本研究中使用的试剂和设备列于材料表中。

禁忌症与特殊注意事项
通过病史问卷和体格检查对脊髓损伤（SCI）患者进行入组资格评估，以识别影响参与的状况：
纳入标准：（1）年龄在18至80岁之间（性别不限）；（2）不完全性脊髓损伤，美国脊髓损伤协会（ASIA）分级为B、C或D级，发病时间为1至6个月；（3）过去一周内ASIA评估结果无变化；（4）研究期间药物治疗方案稳定；（5）愿意遵守研究的所有要求，包括参加所有规定的训练课程和康复评估。
排除标准17：（1）因神经系统疾病（如脑卒中、多发性硬化、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学状况（如未控制的高血压、心力衰竭）；（3）有癫痫发作史；（4）存在电刺激禁忌症（如体内植入电子设备、起搏器、金属植入物）。

1. 材料

  1. 确认所需材料的完整性（参见 材料表）。
  2. 使用磁共振成像（MRI）或计算机断....

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结果

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在无误差地进行经颅电刺激（TI）模拟时，可获得由当前电极对组刺激脊髓目标区域的平均电场强度。以第10组刺激C5目标区域为例（图9），“成交量加权平均价界面中显示为 0.50 V/m。此外，通过点击“最大调制 - 掩模滤波器 - 观察器 - 表面观察器，通过将其他组织设为半透明，可保留脊髓上电场分布的三维视图。这有助于直观观察第10组在C5靶区周围的电场分布情况（图10).

完成所有组别的模拟后，对每个目标区域的平均电场强度进行分析和比较。例如，根据Xie等人20的报道，在模型上对三个目标区域（C5、T7和L3）进行了TI刺激模拟（图11）。结果表明，d2越小，目标区域内的平均电场强度越低。三个目标区域的最优(d1, d.......

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讨论

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关键步骤

设置模拟条件
当电极放置于人体模型皮肤表面时，圆柱形电极会部分嵌入皮肤，以确保电极与皮肤之间无空气间隙。否则，电流将无法通过空气进入人体。电极到原点的距离（d1, d2）沿皮肤表面测量，因为皮肤并非完全平坦。该距离可能与直线直接测量值略有差异。

为几何模型分配材料属性时，不对电极分配任何材料属性，因为电极作为信号源。配置网格时，需根据可用的计算资源调整网格分辨率。网格过细则会减慢计算速度，而网格过粗则可能影响仿真的准确性。"Padding Setting" 设置为手动模式，且 "Bottom Padding" 和 "Top Padding" 均设为 0，因为低频求解器无需在周边区域进行计算。运行仿真前，必须选中 "Auto Grid Update" 并点击 &.......

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披露

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所有作者均声明与本文无任何利益冲突。

致谢

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受国家自然科学基金（52407261）资助 "先驱者" 和 "领航鹅" R&浙江省公益技术应用研究计划（2025C01137）、浙江省重点研发计划（2024C03040）、浙江省康复医学会科研专项基金项目（ZKKY2024008）以及 Sim4Life，由 ZMT 开发，www.zmt.swiss

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材料

本文使用的材料清单
姓名公司目录编号评论
3T MRI 或 CT 系统 西门子医疗MAGNETOM Skyra（MRI）/ SOMATOM X.cite（CT）
粘性胶带3MDurapore 1538-1
酒精擦拭巾PDI HealthcareS41125
电池NeurodomeNervioX-1000 的配件
计算机 戴尔科技Precision 366016 GB 内存，多核处理器
导电凝胶Soterix HD-1AGE-12
电极适配器NeurodomeNervioX-1000 的配件
电磁仿真软件ZMT 苏黎世医疗科技有限公司Sim4Life v8.0
人体仿真模型 IT’IS 基金会虚拟人群 3.0Duke（静态）3.0，Ella（静态）3.0
异丙醇Medline IndustriesMDS098003Z
卷尺史丹利工具33-725
纸巾金佰利Kimwipes 34155
注射器或涂抹器BD305857
TI 刺激仪NeurodomeNervioX-1000时间干涉刺激装置
两对 Ag/AgCl 电极及电缆上海医疗有限公司SHTIS
可水洗记号笔绘儿乐58-7726

参考文献

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  1. Hu, X., et al. Spinal cord injury: Molecular mechanisms and therapeutic interventions. Signal Transduct Target Ther. 8 (1), 245(2023).
  2. Lu, Y., et al. Global incidence and characteristics of spinal cord....

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