Method Article

用于脊髓康复的无创时间干扰电刺激

DOI:

10.3791/68574

⸱

October 31st, 2025

 ,  ,  ,  ,  ,  , 
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

In This Article

Summary

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本研究提出了一种针对脊髓损伤的TI刺激方案，该方案可优化特定区域的电极放置，并在临床应用中有效地实施这种优化策略。

Abstract

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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，给康复带来了重大的临床挑战。除了传统的康复方法外，硬膜外脊髓刺激 （eSCI） 通常用于促进恢复。然而，eSCI 的侵入性限制了患者的接受度和广泛应用。与传统的脊髓刺激相比，时间干扰 （TI） 刺激提供了一种刺激深部脊髓区域的非侵入性方法，使其成为一种很有前途的 SCI 治疗技术。实现 SCI 康复有效 TI 刺激的一个关键因素是在皮肤表面准确放置两个电极对，以在目标脊髓区域内产生高电场包络。我们提出了一种独特的协议，利用电场模拟和参数优化来确定特定 SCI 区域的最佳电极放置。此外，该协议还系统地描述了如何在临床TI刺激中有效地实施优化的电极放置策略。

Introduction

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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

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Protocol

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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） ....

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Results

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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

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Discussion

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关键步骤

设置模拟条件
当电极放置在人体模型的皮肤表面时，圆柱形电极部分嵌入皮肤中，以确保电极与皮肤之间没有气隙。否则，电流无法通过空气进入人体。从电极到原点（d1，d 2）的距离是沿着皮肤表面测量的，因为皮肤并不完全平坦。此距离可能与直接线性测量略有不同。

将材料属性分配给几何模型时，不会将材料属性分配给电极，因为它们充当源。配置网格时，网格分辨率会根据可用的计算资源进行调整。过细的网格会减慢计算速度，而过于粗糙的网格可能会影响模拟的准确性。“填充设置”设置为手动，“底部填充”和“顶部填充”都设置为 0，因为低频求解器不需要在外围区域进行计算。在运行模拟之前，选择“自动网格更新”并单击“创建体素”;否则，模拟无法继续。

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Disclosures

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所有作者声明不存在与本文相关的利益冲突。

Acknowledgements

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国家自然科学基金（52407261）、浙江省“先锋”“领头雁”研发计划（2025C01137）、浙江省重点研发计划（2024C03040）、浙江省康复医学会研究专项资助项目（ZKKY2024008）、ZMT的Sim4Life等项目，www.zmt.swiss。

....

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Materials

List of materials used in this article
NameCompanyCatalog NumberComments
3TMRI或CT系统等;西门子健康MAGNETOM Skyra（MRI）/ 索姆atom X.cite（CT）
胶带3岁月杜拉普尔 1538-1531
酒精湿巾PDI医疗S41125
电池神经穹顶NervioX-1000 配件
计算机 戴尔科技精密366016GB 内存，多核处理器
导电凝胶索特里克斯 HD-1年龄-12
电极适配器神经穹顶NervioX-1000 配件
电磁仿真软件ZMT 苏黎世医疗技术股份公司Sim4Life v8.0
人体模拟模型及nbsp;它是基金会虚拟人口3.0Duke（静态）3.0，Ella（静态）3.0
异丙醇美德莱恩工业MDS098003Z
卷尺斯坦利工具33-725
纸巾金伯利-克拉克金维斯 34155
注射器或施用器屋宇 署305857
TI刺激器神经穹顶NervioX-1000时间干扰刺激装置
两对Ag/AgCl电极和电缆山海医疗有限公司SHTIS
可洗马克笔蜡笔58-7726

References

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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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Temporal Interference StimulationSpinal Cord RehabilitationSpinal Cord InjuryNoninvasive StimulationEpidural StimulationElectrode PlacementElectric Field SimulationParameter OptimizationMotor Function RecoveryDeep Spinal Stimulation
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