Nichtinvasive elektrische Interferenz mit temporaler Interferenz für die Rehabilitation des Rückenmarks

Eine Rückenmarksverletzung ist eine schwächende Störung des Zentralnervensystems, die zu einem dauerhaften Verlust motorischer, sensorischer und autonomer Funktionen unterhalb des Verletzungsniveaus führen^{kann 1,2}. Die Behandlung und Rehabilitation von Rückenmarkspatienten ist daher zu einem Schwerpunkt sowohl der wissenschaftlichen Forschung als auch der klinischen Praxis geworden. Traditionelle Behandlungsansätze, einschließlich pharmakologischer und physikalischer Therapien, weisen gewisse Einschränkungen bei der Förderung der funktionellen Wiederherstellung auf 3,4,5,6. Unter den physikalischen Therapien hat sich die elektrische Stimulation des Rückenmarks als wirksame Strategie für die Rehabilitation von Querschnittlähmung herausgestellt, die in invasive und nicht-invasive Modalitäten eingeteilt werden kann ^7,8. Die invasive elektrische Stimulation des Rückenmarks, wie z. B. die epidurale Rückenmarkstimulation (eSCI), bietet eine direkte elektrische Stimulation über implantierte Elektroden, birgt jedoch das Risiko von Infektionen und der Bildung von Narbengewebe ^9,10. Im Gegensatz dazu sind nicht-invasive Techniken wie die transkutane elektrische Nervenstimulation (TENS) in ihrer Fähigkeit, tiefe Wirbelsäulenstrukturen effektiv zu erreichen, eingeschränkt, wodurch die therapeutische Wirksamkeit beeinträchtigt^{wird 11,12}.

Die Stimulation der temporalen Interferenz (TI) ist eine aufstrebende Neuromodulationstechnologie, die die nichtinvasive Stimulation tiefer Gewebe durch eine spezifische Art der elektrischen Stromabgabe ermöglicht^13,14. Bei dieser Technik werden zwei Elektrodenpaare auf der Hautoberfläche platziert, um elektrische Ströme mit leicht unterschiedlichen Kilohertz-Frequenzen zu liefern. Basierend auf dem Prinzip der Interferenz erzeugt dieser Aufbau eine einzigartige niederfrequente Hüllkurve (von wenigen Hertz bis zu mehreren Dutzend Hertz) in tiefen Geweben und ermöglicht so eine gezielte Neuromodulation. Dieser ausgeprägte Wirkmechanismus ermöglicht es der TI-Stimulation, die Tiefenbeschränkungen herkömmlicher Neuromodulationstechniken zu überwinden und einen effektiven Eingriff in tiefe neuronale Strukturen ohne invasive Verfahren zu ermöglichen. Im Gegensatz zu TENS erreicht TI eine tiefere Penetration mit hoher räumlicher Spezifität und vermeidet im Gegensatz zu eSCI chirurgische Risiken und bietet eine sicherere, zugänglichere Alternative zur SCI-Neuromodulation. Die TI-Stimulation wurde für die Behandlung verschiedener Krankheiten, wie z.B. Bewegungsstörungen und Depressionen, untersucht. Bei einer unvollständigen Querschnittlähmung ist es sehr wahrscheinlich, dass die TI-Stimulation die Aktivität der verbleibenden neuronalen Schaltkreise erhöht, da einige neuronale Bahnen intakt bleiben, wodurch die Neuroplastizität und die funktionelle Wiederherstellung gefördert^{werden 15,16}. Daher ist die TI-Stimulation als Neuromodulationsstrategie für die Behandlung von Querschnittlähmung vielversprechend¹⁷.

Die derzeitigen Stimulations-Hardwaresysteme von TI sind jedoch in erster Linie für transkranielle Anwendungen konzipiert, und es gibt einen Mangel an TI-Systemen, die speziell für die Rückenmarksstimulation entwickelt wurden. Aufgrund anatomischer und elektrophysiologischer Unterschiede zwischen Kopf und Rumpf sind die bestehenden TI-Stimulationsgeräte, die für den Kopf entwickelt wurden, nicht vollständig für die Wirbelsäulenstimulation geeignet, was zu Herausforderungen bei der Optimierung der Ausgangsparameter und der Elektrodenplatzierung führt. Bei der TI-Stimulation am Kopf wird häufig ein festes Leadfield-Koordinatensystem (z. B. das 10-10-System) verwendet, um die Elektrodenpositionierung am Kopf zu erleichtern. Dieses System ist jedoch nicht auf den Rumpf anwendbar. Da die TI-Stimulation niederfrequente Hüllkurven tief im Inneren biologischer Gewebe erzeugt, ist es außerdem schwierig, die resultierende elektrische Feldverteilung allein auf der Grundlage einer manuellen Elektrodenplatzierung vorherzusagen. Stattdessen sind in der Regel rechnerische Simulationen erforderlich, um die interne elektrische Feldverteilung zu visualisieren und zu optimieren. Derzeit gibt es jedoch keinen etablierten Workflow für die Simulation des elektrischen Feldes und die Parameteroptimierung für die spinale TI-Stimulation, was erhebliche Herausforderungen für die klinische Anwendung darstellt. Parameter wie Elektrodenplatzierung, Stimulationsfrequenzen und Stromamplitude beeinflussen direkt die elektrische Feldverteilung und die Amplitude der niederfrequenten Hüllkurve, modulieren die neuronale Aktivität und fördern die Neuroplastizität^13,17.

Das Ziel dieser Studie ist es, einen komfortablen und effektiven Arbeitsablauf für die Simulation und Parameteroptimierung des elektrischen Feldes von TI zu entwickeln, zusammen mit einem TI-Hardwaresystem, das auf die Behandlung von Rückenmarksverletzungen zugeschnitten ist. Durch elektrische Feldsimulation und Parameteroptimierung zielen wir darauf ab, Elektrodenplatzierungskonfigurationen zu bestimmen, die die Hüllfeldamplitude von TI in spezifischen SCI-Zielregionen maximieren und dadurch die therapeutische Wirksamkeit verbessern. Um die praktische Umsetzung optimierter Elektrodenkonfigurationen zu erleichtern, haben wir außerdem eine neue Methode zur Positionierung der Elektrodenkoordinaten für die TI-Stimulation des Rückenmarks entwickelt, die auf dem ursprünglichen TI-Hardwaresystem für den Kopf basiert. Dieses System soll die Elektrodenpositionierung vereinfachen und die Einsatzfähigkeit im klinischen Umfeld verbessern.

Diese Studie umfasste menschliche Probanden und wurde in Übereinstimmung mit der Deklaration von Helsinki durchgeführt. Die ethische Genehmigung wurde vom Institutional Review Board der Zhejiang University eingeholt. Vor ihrer Aufnahme wurde von allen Teilnehmern eine schriftliche Einverständniserklärung eingeholt, um sicherzustellen, dass sie vollständig über den Zweck, die Verfahren, die potenziellen Risiken und ihr Recht auf einen jederzeit straffreien Rücktritt informiert waren. Die in dieser Studie verwendeten Reagenzien und Geräte sind in der Materialtabelle aufgeführt.

Kontraindikationen und besondere Überlegungen
SCI-Patienten werden anhand eines Anamnesefragebogens und einer körperlichen Untersuchung auf ihre Eignung beurteilt, um Erkrankungen zu identifizieren, die die Teilnahme beeinträchtigen:
Einschlusskriterien: (1) Alter zwischen 18 und 80 Jahren (männlich oder weiblich); (2) Unvollständige Querschnittlähmung mit der Einstufung ASIA B, C oder D, mit Beginn nach 1-6 Monaten; (3) Keine Änderungen in der ASIA-Bewertung innerhalb der letzten Woche; (4) Stabiles Medikationsschema während des gesamten Studienzeitraums; (5) Bereitschaft zur Erfüllung aller Studienanforderungen, einschließlich der Teilnahme an allen erforderlichen Schulungen und Rehabilitationsprüfungen.
Ausschlusskriterium¹⁷: (1) Einschränkungen der motorischen Funktion aufgrund neurologischer Störungen (z. B. Schlaganfall, Multiple Sklerose, Schädel-Hirn-Trauma); (2) Vorhandensein von instabilen oder schweren Erkrankungen (z. B. unkontrollierter Bluthochdruck, Herzinsuffizienz); (3) Vorgeschichte der Epilepsie; (4) Kontraindikationen für elektrische Stimulation (z. B. implantierte elektronische Geräte, Herzschrittmacher, metallische Implantate).

1. Materialien

1. Überprüfen Sie die Vollständigkeit der erforderlichen Materialien (siehe Materialtabelle).
2. Untersuchen Sie Rückenmarkspatienten mit Magnetresonanztomographie (MRT) oder Computertomographie (CT).
3. Öffnen Sie eine elektromagnetische Simulationssoftware, um elektrische Feldsimulationen durchzuführen (alle Schritte sind in der Software implementiert, sodass Sie nicht zu einer anderen Software wechseln oder zusätzliche Skripte verwenden müssen). Stellen Sie vor der Durchführung von Simulationen eines elektrischen Feldes sicher, dass die elektromagnetische Simulationssoftware menschliche Modelle (männlich oder weiblich) enthält.
   1. Wenn diese Modelle nicht verfügbar sind, wählen Sie im Menüband Modell/Phantom - Mensch aus, und laden Sie dann das menschliche Modell herunter. Sobald der Download abgeschlossen ist, importieren Sie das Modell in das aktuelle Projekt, um nachfolgende Simulationen durchzuführen.
4. Drücken Sie die Ein -/Aus-Taste , um den TI-Stimulator vor jeder Stimulationssitzung einzuschalten, und schließen Sie dann den Elektrodenadapter mit den dafür vorgesehenen Verbindungskabeln an (Abbildung 1). Überprüfen Sie den Akkustatus auf dem Gerätebildschirm. Laden Sie das Gerät sofort auf, wenn der Akkustand unter 20 % liegt, indem Sie das dafür vorgesehene Netzteil verwenden, das an eine Standardsteckdose angeschlossen ist.
   HINWEIS: Inkompatible Adapter können die Batterie beschädigen oder Unregelmäßigkeiten in der Ausgabe des TI-Stimulators verursachen.
5. Untersuchen Sie jede Ag/AgCl-Elektrode visuell auf Risse, Verfärbungen oder Rückstände. Reinigen Sie die Elektroden mit Isopropylalkohol und einem weichen Tuch, um Verunreinigungen zu entfernen. Tragen Sie dann eine dünne und gleichmäßige Schicht 1 mm leitfähiges Gel auf die Elektrodenoberfläche auf, um die Kontaktimpedanz zu reduzieren und Hautreizungen während der Stimulation zu vermeiden.
   1. Stellen Sie außerdem sicher, dass Sie genaue Informationen über die Abmessungen der Elektroden haben, einschließlich ihres Durchmessers und ihrer Dicke, da diese Parameter bei nachfolgenden Simulationen des elektrischen Feldes eine entscheidende Rolle spielen.
6. Verbinden Sie die beiden Elektrodenkabelpaare mit dem Elektrodenadapter, indem Sie die Kabelstecker an die beschrifteten Anschlüsse anpassen.

2. Simulation des elektrischen Feldes und Parameteroptimierung

HINWEIS: Der gesamte Arbeitsablauf der Simulation des elektrischen Feldes besteht aus drei Hauptschritten: der Konstruktion des geometrischen Modells (einschließlich des menschlichen Modells und der Elektroden), der Definition der Simulationsbedingungen (Materialeigenschaften, Randbedingungen und Netzgenerierung) und schließlich der Durchführung von Berechnungen zur Visualisierung der elektrischen Feldverteilung im Zielbereich des Rückenmarks (Abbildung 2). Die Parameteroptimierung umfasst die Simulation elektrischer Felder für verschiedene Kandidaten-Elektrodenpaarkonfigurationen, die Berechnung der durchschnittlichen elektrischen Feldintensität im Zielbereich und die Identifizierung der Konfiguration, die diese Intensität maximiert. Die einzelnen Schritte lauten wie folgt:

1. Starten Sie die elektromagnetische Simulationssoftware auf einem Computer mit mindestens 16 GB RAM und einem Multi-Core-Prozessor. Erstellen Sie ein neues Projekt, indem Sie im Menüband Datei - Neues Projekt auswählen.
2. Konstruktion geometrischer Modelle
   1. Klicken Sie in der Multifunktionsleiste auf die Registerkarte Modell , und importieren Sie ein menschliches Modell, indem Sie Modell/Phantom - Mensch auswählen und ein männliches oder weibliches statisches Modell auswählen (Abbildung 3).
   2. Identifizieren Sie die Wirbelstelle, die der SCI-Stelle am nächsten liegt, anhand anatomischer Orientierungspunkte (z. B. liegt C5 etwa 2-3 cm unterhalb des Dornfortsatzes C7, tastbar als markanter knöcherner Vorsprung an der Basis des Halses). Legen Sie die Koordinate der Hautoberfläche direkt über dem zentralen Bereich des markierten Wirbels als Ursprung fest (Skizze - Punkt). Definieren Sie die horizontale und die vertikale Achse als X- bzw. Y-Achse (Abbildung 4).
      HINWEIS: In der Demonstration des Protokolls wählen wir als Stimulationsziel die vom C5-Wirbel umhüllte Rückenmarksregion. Dies ist keine feste Wahl, aber sie wurde aus Gründen der Bequemlichkeit der Demonstration getroffen. Bei der Anwendung des Protokolls in der Praxis kann ein beliebiger spezifizierter Zielbereich des Rückenmarks ausgewählt werden.
   3. Platzieren Sie für jede Elektrodenpaarkonfiguration die vier Elektroden symmetrisch um den Ursprung (Abbildung 4), mit einem Paar auf jeder Seite der Wirbelsäule. Die Positionen werden durch den horizontalen Abstand (d₁) und den vertikalen Abstand (d₂) vom Ursprung definiert, so dass die Koordinaten der vier Elektroden in jeder Konfiguration (d₁,_{d 2}), (d₁, -d₂), (-d₁, d₂) und (-d 1, -d 2) und (-d₁, -d₂) sind.
      HINWEIS: In dieser Demonstration werden 25 Elektrodenpaarkonfigurationen bewertet, wobei benachbarte Elektroden in jedem Quadranten horizontal 1 mm und vertikal 5 mm voneinander entfernt sind, wodurch die Kandidatenelektroden in einem geeigneten Bereich relativ zum Zielbereich verteilt werden können. Das spezifische Verfahren zur Elektrodenplatzierung ist wie folgt. Am Beispiel des ersten Quadranten:
      1. Erstellen Sie eine zylindrische Elektrode, indem Sie im Menüband auf Festkörper - Zylinder klicken, deren Abmessungen den tatsächlich in der klinischen Behandlung verwendeten Elektroden entsprechen. Die Dicke kann leicht erhöht werden, um kleinere Überschneidungen mit der Hautoberfläche im Simulationsmodell zu berücksichtigen.
         HINWEIS: In dieser Demonstration wurde der Elektrodendurchmesser auf 10 mm und die Dicke auf 5 mm eingestellt.
      2. Klicken Sie im Farbband auf Verschieben , um den Zylinder mit leichter Einbettung auf der hinteren Hautoberfläche zu platzieren. Stellen Sie den Mittelpunkt auf (10 mm, 10 mm) ein, was einem horizontalen und vertikalen Abstand von 10 mm vom Ursprung entspricht.
      3. Duplizieren Sie den Zylinder im Modell-Explorer und verschieben Sie ihn um 11 mm nach rechts, um die zweite Elektrode bei (21 mm, 10 mm) zu positionieren. Wiederholen Sie diesen Vorgang, um weitere Elektroden bei (32 mm, 10 mm), (43 mm, 10 mm) und (54 mm, 10 mm) zu erstellen.
      4. Kopieren Sie die erste Elektrode und verschieben Sie sie um 15 mm nach oben, um die zweite Elektrode bei (10 mm, 25 mm) zu positionieren. Wiederholen Sie diesen Vorgang, um Elektroden bei (10 mm, 40 mm), (10 mm, 55 mm) und (10 mm, 70 mm) zu erzeugen.
      5. Wiederholen Sie diesen Vorgang, generieren Sie 25 Elektroden (5 Reihen × 5 Spalten) innerhalb des ersten Quadranten.
         HINWEIS: Jede TI-Stimulationskonfiguration verwendet vier Elektroden (zwei Paare), um Ströme mit zwei Kilohertz-Frequenzen zu liefern, die sich interferieren und eine niederfrequente Hüllkurve im Rückenmark erzeugen. Um die Platzierung zu optimieren, werden 25 Konfigurationen mit jeweils vier Elektroden anhand eines 5 x 5-Rasters von Positionen pro Quadrant getestet, was insgesamt 100 Elektroden in allen Simulationen ergibt. Die Größe der Elektroden und der Abstand zwischen den Elektroden in verschiedenen Gruppen werden entsprechend den tatsächlichen Bedingungen angegeben, und diese Demonstration ist nur ein Beispiel.
   4. Gehen Sie für das Platzierungsverfahren des zweiten, dritten und vierten Quadranten auf die gleiche Weise vor. Nach Fertigstellung sind alle 25 Elektrodenpaarkonfigurationen (insgesamt 100 Elektroden) wie in Abbildung 4 gezeigt angeordnet.
   5. Benennen Sie Elektroden systematisch um, indem Sie mit der rechten Maustaste auf die entsprechende Elektrode im Modell-Explorer klicken (z. B. "ROn" für den ersten Quadranten, "LOn" für den zweiten, "LBn" für den dritten, "RBn" für den vierten, wobei n die Gruppennummer von 1 bis 25 ist).
   6. Überprüfen Sie die Elektrodenplatzierung visuell in der 3D-Modellansicht. Passen Sie die Positionen mit der Verschieben-Taste an, um sicherzustellen, dass jede Elektrode leicht (0,5 mm) lückenlos in die Hautoberfläche einbettet.
3. Einstellung der Simulationsbedingungen
   1. Klicken Sie auf die Registerkarte Simulation und erstellen Sie eine neue Simulation, indem Sie im Menüband auf Neu - EM LF Elektro - Ohmic Quasi-Stat klicken. Klicken Sie mit der rechten Maustaste und benennen Sie es in "LF-R1" um. Da die TI-Stimulation bei niedrigen Frequenzen arbeitet, verwenden Sie den Solver "Ohmic Quasi-Stat", um nur die quasi-statische Approximation zu berücksichtigen.
   2. Klicken Sie auf das Setup-Panel unter Simulations-Explorer und stellen Sie die Frequenz auf 1040 Hz ein.
   3. Ziehen Sie das Humanmodell aus dem Multi-Baum in LF-R1 - Materialien, wodurch automatisch gewebespezifische Leitfähigkeitswerte bei 1040 Hz zugewiesen werden (Tabelle 1).
   4. Ändern Sie unter Randbedingungen die Standardeinstellungen für die Begrenzung in Flussmittel , indem Sie Grenztyp und dann im Dropdown-Menü Flussmittel auswählen. Erstellen Sie dann zwei neue "Boundary-Einstellungen", indem Sie auf neue Einstellung klicken und Eingangsspannungen von +1 V und 0 V zuweisen ( Abbildung 5).
      1. Weisen Sie die Elektroden "RO1" und "RB1" diesen Einstellungen zu, indem Sie sie in die jeweiligen "Boundary Settings" ziehen, wobei Sie darauf hinweisen, dass "RO1" +1 V ausgibt, während "RB1" als Rückweg dient.
   5. Behalten Sie die Standardeinstellungen für "Sensoren" bei, und passen Sie das Raster an, indem Sie den maximalen Schritt auf 1 mm und die Geometrieauflösung auf 1 mm festlegen, basierend auf den Rechenressourcen.
   6. Erstellen Sie eine neue Simulation "LF-L1", indem Sie "LF-R1" duplizieren, die Frequenz auf 1000 Hz einstellen und die Elektroden "LB1" und "LO1" den +1 V und 0 V "Grenzeinstellungen" zuweisen.
      HINWEIS: Dieser Aufbau spiegelt "LF-R1", jedoch mit der entgegengesetzten Elektrodenkonfiguration, wodurch der Interferenzeffekt erzeugt wird. Alle anderen Einstellungen bleiben unverändert. Damit ist der erste Aufbau der Elektrodenpaar-Simulation abgeschlossen.
   7. Duplizieren Sie LF-R1 und LF-L1, benennen Sie sie in LF-R2 und LF-L2 um, und ändern Sie die Begrenzungseinstellungen, um die entsprechenden Elektroden zuzuweisen. Entfernen Sie die vorherigen Elektroden von "Grid" und "Voxels" und fügen Sie für jedes Paar den neuen Satz hinzu. Wiederholen Sie den Vorgang für alle 25 Gruppen.
   8. Sobald alle Simulationen konfiguriert sind, wählen Sie alle Simulationen auf der Registerkarte Simulation aus, klicken Sie im Menüband auf Auto Grid Update (Klicken Sie auf den Task-Manager in der unteren rechten Ecke). Wenn das Fenster anzeigt, dass das Raster erstellt wurde, bestätigt dies, dass die Schritte normal ausgeführt werden), und wählen Sie dann Ausführen - Batch-Ausführung aus, um alle Simulationen gleichzeitig auszuführen.
      HINWEIS: Die Frequenzen von 1040 Hz (LF-R1) und 1000 Hz (LF-L1) werden gewählt, um eine niederfrequente Hüllkurve von 40 Hz (1040 Hz - 1000 Hz) durch Interferenz zu erzeugen, was der effektiven Stimulationsfrequenz in der Zielregion des Rückenmarks für die Neuromodulation¹⁷ entspricht.
4. Führen Sie statistische Analysen durch
   1. Klicken Sie auf die Registerkarte Analyse , wählen Sie LF-R1 - Gesamtfeld - Sensorextraktor und klicken Sie auf Gesamtfeld , um ein Gesamtfeld zu generieren.
   2. Klicken Sie auf Gesamtfeld - EM E(x,y,z,f0) - Felddatentools - Feldskalierung , um die elektrische Feldverteilung von einer Eingangsspannung von 1V in einen Eingangsstrom von 1mA umzuwandeln. Der Skalierungsfaktor wird wie folgt ermittelt (Abbildung 6):
      1. Erstellen Sie auf der Registerkarte Modell ein kubisches Volumen (Block RO1), das die Elektrode RO1 umschließt, indem Sie in der Multifunktionsleiste Volumenkörper - Block auswählen und die Abmessungen so einstellen, dass die Elektrode vollständig umfasst (z. B. 12 mm × 12 mm × 7 mm).
      2. Ziehen Sie Block RO1 aus dem Multi-Baum in die Gruppe Analyse , und generieren Sie zwei identische Module vom Typ "Block RO1".
      3. Wählen Sie unter LF-R1 Gesamtfeld und im Modell-Explorer den ersten Block RO1 aus, und klicken Sie dann gleichzeitig auf Fläche und EM E(x,y,z,f0). Klicken Sie auf Flux Evaluator - List Viewer, um den Wert "Total Flux" anzuzeigen. Berechnen Sie den Skalierungsfaktor, indem Sie 0,001 durch den Wert des Gesamtflusses dividieren.
   3. Wiederholen Sie den gleichen Vorgang für "LF-L1".
   4. Wählen Sie LF-R1 und LF-L1 unter Feldskalierung im Analyse-Explorer mehrfach aus und klicken Sie dann im Menüband auf Maximale Modulation , um die elektrischen Feldverteilungen der beiden Elektrodenpaare zu koppeln. Stellen Sie "Gewicht A" und "Gewicht B" auf 2, um einen Ausgang von 2 mA pro Elektrodenpaar zu reflektieren (Abbildung 7).
   5. Extrahieren Sie die durchschnittliche elektrische Feldstärke in der Zielregion des Rückenmarks:
      1. Wenden Sie einen "Maskenfilter" an, indem Sie im Menüband Felddatentools - Maskenfilter auswählen, um nur den Bereich "Rückenmark" beizubehalten.
      2. Klicken Sie im Analyse-Explorer auf LF-R1 und dann im Menüband auf Field Data Tools - Zuschneiden, um die Zielregion des Rückenmarks zu isolieren (Abbildung 8).
      3. Klicken Sie im Menüband auf Statistik - Tabellenbetrachter , um die durchschnittliche elektrische Feldstärke für den beschnittenen Bereich anzuzeigen (Normalwertbereich: 0,1-2 V/m).
   6. Wiederholen Sie den Vorgang für alle 25 Elektrodenpaarkonfigurationen und ermitteln Sie die durchschnittliche elektrische Feldstärke am Ziel aller 25 Gruppen .
   7. Vergleichen Sie die durchschnittliche Intensität des elektrischen Feldes für jede Konfiguration und identifizieren Sie die Konfiguration mit der höchsten Intensität als optimalen Aufbau.

3. Elektrodenpositionierung und Geräteeinrichtung

1. Bitten Sie den SCI-Patienten, bequem auf einem Stuhl mit Rückenlehne zu sitzen, und stellen Sie sicher, dass sein Oberkörper aufrecht und der Rücken frei ist, indem Sie die Kleidung ausziehen oder anpassen.
2. Identifizieren Sie die Wirbelebene, die der Querschnittslähmung am nächsten liegt, indem Sie die Dornfortsätze entlang der Wirbelsäule abtasten. Lokalisieren Sie den Dornfortsatz C7 (prominent an der Basis des Halses) und zählen Sie nach unten bis zum Zielwirbel (z. B. C5 ist zwei Wirbel über C7). Markieren Sie die Hautoberfläche über dem Dornfortsatz des Zielwirbels mit einem abwaschbaren Marker (58-7726, Crayola Inc.), um den Ursprung¹⁸ zu kennzeichnen.
3. Basierend auf den zuvor optimierten Elektrodenplatzierungsparametern (d₁, d₂) messen Sie die vier Elektrodenpositionen mit einem flexiblen Maßband. Messen Sie vom Ursprung aus d₁ horizontal (links und rechts) und d₂ vertikal (oben und unten), um Positionen in den vier Quadranten zu lokalisieren: (d₁, d₂), (d₁, -d₂), (-d₁, d₂), (-d₁, -d₂). Markieren Sie jede Position mit einem abwaschbaren Marker.
4. Reinigen Sie die Haut an den markierten Elektrodenstellen mit Alkoholtüchern, um Öle und Ablagerungen zu entfernen. Untersuchen Sie die Haut, um sicherzustellen, dass sie intakt ist und keine Schnitte oder Abschürfungen aufweist. Tragen Sie 1,5 ml leitfähiges Gel mit einer Spritze oder einem Applikator auf jede Stelle auf und verteilen Sie es gleichmäßig über einen Bereich mit einem Durchmesser von 10 mm.
5. Minimieren Sie die Spannung an den Elektrodenkabeln, indem Sie überschüssige Kabellänge mit Klebeband sichern. Hängen Sie die Kabel so auf, dass sie natürlich hängen, indem Sie sie am Stuhl oder einem nahe gelegenen Ständer befestigen, um das Risiko eines versehentlichen Lösens zu verringern.
6. Befestigen Sie die Elektroden an den markierten Positionen auf dem Rücken des Patienten, indem Sie jede Ag/AgCl-Elektrode fest auf die mit Gel bedeckte Haut drücken. Befestigen Sie jede Elektrode mit Klebeband und decken Sie die Kanten ab, um ein Verrutschen zu verhindern.
   HINWEIS: Die Elektroden auf der rechten und linken Seite bilden jeweils ein Elektrodenpaar. Bezeichnen Sie die rechte obere Elektrode als Anode und die untere Elektrode als Kathode. Bezeichnen Sie die linke obere Elektrode als Kathode und die untere Elektrode als Anode, wodurch eine spiegelbildliche Konfiguration gebildet wird.
7. Sobald die Elektroden richtig positioniert und alle Verbindungen überprüft wurden, schalten Sie den TI-Stimulator ein, indem Sie den Netzschalter drücken. Klicken Sie auf Globale Parametereinstellungen und konfigurieren Sie die folgenden Stimulationsparameter: Stimulationsmodus : tTIS, Stimulationstyp: Standardstimulation, Gesamtstimulationsdauer: 1200 s, Stimulationswellenform: Sinuswelle, indem Sie die entsprechenden Optionen im Menü auswählen.
8. Führen Sie eine Impedanzmessung für die beiden ausgewählten Stimulationskanäle durch. Klicken Sie auf Impedanztest starten, um sicherzustellen, dass die Impedanz innerhalb des akzeptablen Bereichs liegt (der Stimulator stoppt automatisch die Ausgabe, wenn die Lastimpedanz 12 kΩ überschreitet). Der optimale Impedanzbereich für eine effektive Stimulation liegt bei 6-8 kΩ.
9. Konfigurieren Sie die Stimulationsfrequenz und die Ausgangsstromamplitude für jeden Kanal. Kanal 1: Frequenz auf 1040 Hz eingestellt, Stromamplitude auf 2 mA eingestellt. Kanal 2: Frequenz auf 1000 Hz eingestellt, Stromamplitude auf 2 mA^{eingestellt 15}.

4. Stimulation

1. Stellen Sie sicher, dass der Teilnehmer während des gesamten Eingriffs in einer bequemen Sitzposition bleibt und jederzeit bei vollem Bewusstsein bleibt.
2. Aktivieren Sie den Stimulator, indem Sie den Start-Schalter an der Benutzeroberfläche des Geräts drücken, um die Stimulation zu starten.
3. Überwachen Sie das Feedback des Patienten während der Stimulation, indem Sie ihn bitten, über Empfindungen (z. B. Kribbeln, Unbehagen) zu berichten. Reduzieren Sie die Stromamplitude in Schritten von 0,5 mA oder unterbrechen Sie die Stimulation sofort, indem Sie die Stopp-Taste drücken, wenn der Patient über erhebliche Beschwerden oder ein starkes Stechen berichtet.
   HINWEIS: Erwarten Sie ein leichtes Kribbeln oder Jucken, das eine normale physiologische Reaktion auf transkutane elektrische Stimulation ist, wie in dieser Studie und in früheren Forschungen zu ähnlichen Techniken beobachtet¹⁷. Dieses Gefühl lässt in der Regel innerhalb von 2-3 Minuten nach.

5. Schritte nach dem Verfahren

1. Messen Sie nach Abschluss der Stimulationssitzung den Impedanzstatus erneut, indem Sie Impedanztest starten auswählen, um die Veränderungen nach der Stimulation zu beurteilen. Notieren Sie die Werte zum Vergleich.
2. Überprüfen Sie die körperliche Stabilität des Patienten, indem Sie sein Gleichgewicht und seinen Komfort im Sitzen überprüfen. Entfernen Sie das medizinische Klebeband vorsichtig, indem Sie es langsam von der Haut abziehen, um Reizungen zu vermeiden. Lösen Sie die Elektroden vorsichtig, indem Sie sie von einer Kante abheben.
3. Spülen Sie die Elektroden mit sauberem Wasser unter einem Wasserhahn ab und trocknen Sie sie auf einem sauberen Handtuch an der Luft. Wischen Sie die Haut des Patienten an den Elektrodenstellen mit einem feuchten Papiertuch ab, um Gelreste zu entfernen.
4. Führen Sie dem Patienten einen standardisierten Fragebogen durch, in dem Sie nach sensorischen Veränderungen (z. B. Kribbeln, Taubheitsgefühl), motorischen Verbesserungen und unerwünschten Ereignissen (z. B. Hautreizungen, Schmerzen) gefragt werden. Aufzeichnen von Antworten für die Analyse¹⁹.

Bei fehlerfreien TI-Simulationen kann die durchschnittliche elektrische Feldstärke in der Zielregion des Rückenmarks ermittelt werden, die durch die aktuelle Gruppe von Elektrodenpaaren stimuliert wird. Am Beispiel der Gruppe 10, die den C5-Zielbereich stimuliert (Abbildung 9), beträgt der in der Benutzeroberfläche angezeigte "volumengewichtete Durchschnitt" 0,50 V/m. Zusätzlich kann durch Klicken auf "Max Modulation - Maskenfilter - Viewer - Oberflächenbetrachter" eine 3D-Ansicht der elektrischen Feldverteilung auf dem Rückenmark beibehalten werden, während andere Gewebe auf halbtransparent eingestellt werden. Dies ermöglicht eine intuitive Beobachtung der elektrischen Feldverteilung der Gruppe 10 um den C5-Zielbereich (Abbildung 10).

Nach Abschluss der Simulationen für alle Gruppen wird die durchschnittliche elektrische Feldstärke in jedem Zielbereich analysiert und verglichen. Zum Beispiel wurde in Simulationen, die mit dem Modell durchgeführt wurden, die TI-Stimulation auf drei Zielbereiche angewendet: C5, T7 und L3 (Abbildung 11), wie von Xie et al.20 berichtet wurde. Die Ergebnisse deuten darauf hin, dass ein kleineres d2 zu einer geringeren durchschnittlichen elektrischen Feldstärke in der Zielregion führt. Die optimalen Werte (d1, d2) für die drei Zielbereiche betrugen (32 mm, 70 mm) für C5, (10 mm, 40 mm) für T7 und (10 mm, 70 mm) für L3.

In der Praxis kann bei der ersten Anwendung der TI-Stimulation ein leichter Juckreiz oder ein leichtes Kribbeln auftreten. Dies ist eine normale physiologische Reaktion, die darauf hinweist, dass Strom durch die Haut fließt, wie in dieser Studie beobachtet und durch Studien zu ähnlichen Elektrostimulationstechniken unterstützt19. Das Gefühl lässt in der Regel innerhalb weniger Minuten nach.

Gegenwärtig sind die klinischen Anwendungen der TI-Stimulation bei Rückenmarksverletzungen noch begrenzt, und ihre therapeutische Wirksamkeit muss weiter validiert werden. Bestehende klinische Studien haben jedoch gezeigt, dass eine zweiwöchige kontinuierliche TI-Stimulation bei Querschnittlähmungspatienten zu signifikanten Verbesserungen der neurologischen Funktion, der motorischen Stärke, der sensorischen Wahrnehmung und der funktionellen Unabhängigkeit führt (Tabelle 2), wie von Cheng et al. berichtet wurde17. Diese Ergebnisse stützen die Hypothese, dass die TI-Stimulation ein wirksamer therapeutischer Ansatz für die Behandlung von Querschnittlähmung ist.

Abbildung 1: Elektrodenplatzierung während der klinischen Behandlung basierend auf der Simulation des elektrischen Feldes.Zwei Elektrodenpaare wurden entsprechend der optimalen Konfiguration platziert, die durch elektrische Feldsimulation und Parameteroptimierung ermittelt wurde. Das Stimulationsziel (z. B. C5) wurde identifiziert, und der Punkt auf der Haut direkt über diesem Ziel - senkrecht zur Hautoberfläche - wurde als Ursprung definiert. Anhand der optimierten Koordinaten (d1, d2) relativ zum Ursprung wurden die Platzierungspositionen der beiden Elektrodenpaare bestimmt. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.

Abbildung 2: Die Pipeline der elektrischen Feldsimulation und Parameteroptimierung. Insgesamt werden 25 Kandidatengruppen evaluiert, wobei jede Gruppe aus zwei Elektrodenpaaren besteht: ein Paar, das auf der rechten Seite der Zielregion (R2-Paar) und das andere auf der linken Seite (L2-Paar) positioniert ist. Die vier Elektroden in jeder Gruppe sind in einem identischen horizontalen (d1) und vertikalen Abstand (d2) vom Ursprung angeordnet, so dass jede Gruppe als (d1, d2) dargestellt werden kann. Durch die systematische Positionierung der Elektrodenpaare und die Einrichtung der Simulationsbedingungen wird die durchschnittliche elektrische Feldstärke innerhalb des Zielbereichs für alle Gruppen berechnet. Die Gruppen werden dann verglichen, und die beste Gruppe (d1, d2) wird auf der Grundlage der höchsten durchschnittlichen elektrischen Feldstärke bestimmt. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.

Abbildung 3: Für die Simulation verwendetes Menschmodell. Das menschliche Modell Duke V3.0 Static wurde über die Option "Modell/Phantom" in der Multifunktionsleiste ausgewählt und importiert. Dieses Modell wurde heruntergeladen und für die Verwendung in der Simulationsumgebung integriert. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.

Abbildung 4: Elektrodenplatzierung in der Simulation und Parameteroptimierung. In jeder Simulation wurden zwei Elektrodenpaare platziert. Alle Elektrodenkonfigurationen, die bei der Parameteroptimierung verwendet werden, werden ebenfalls angezeigt. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.

Abbildung 5: Grenzeinstellungen für die LF-R1-Simulation. Die Randbedingungen für die LF-R1-Simulation wurden konfiguriert, indem zunächst "Boundary Settings" in der Software ausgewählt wurde. In der Gruppe "Controller" wurde der "Boundary Type" auf "Flux" eingestellt. Zwei "Boundary Settings - Dirichlet" Einträge wurden dann erstellt, indem man im Explorer mit der rechten Maustaste auf "Boundary Conditions" klickte und "Neue Einstellungen" auswählte. Im "Multi-Tree" wurden Anode und Kathode eines Elektrodenpaares den jeweiligen Dirichlet-Grenzeinstellungen zugeordnet. Das "Konstante Potential" wurde im Controller-Panel auf 1 V für die Anode und 0 V für die Kathode eingestellt. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.

Abbildung 6: Umwandlung der elektrischen Feldverteilung von einem 1 V Eingang in einen 1 mA Eingang. Um die elektrische Feldverteilung, die mit einem 1-V-Eingang erhalten wird, in eine Verteilung umzuwandeln, die einem 1-mA-Eingang entspricht, wurde ein kubisches Volumen (Block RO1) um die Elektrode RO1 auf der Registerkarte Modell erstellt, indem Sie "Festkörper - Block" aus dem Farbband ausgewählt und die Abmessungen (z. B. 12 mm × 12 mm × 7 mm) so angepasst haben, dass sie die Elektrode vollständig umfassen. Das Objekt "Block RO1" wurde dann aus dem "Multi-Baum" in das Panel "Analyse" gezogen, wodurch zwei identische Module erzeugt wurden. Im "Modell"-Explorer wurden unter "LF-R1" "Gesamtfeld" und die erste Instanz von "Block RO1" ausgewählt, gefolgt von der Aktivierung der Optionen "Fläche" und "EM E(x,y,z,f0)". Der "Flux Evaluator - List Viewer" wurde verwendet, um den Wert "Total Flux" anzuzeigen. Der Skalierungsfaktor wurde bestimmt, indem 0,001 durch den Wert des Gesamtflusses dividiert wurde. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.

Abbildung 7: Modulation des elektrischen Feldes und Berechnung der Hüllkurvenamplitude. Die elektrischen Felder, die von den beiden Elektrodenpaaren in einer Gruppe erzeugt wurden, wurden moduliert und ihre Hüllkurvenamplituden berechnet. Im Explorer "Analyse" wurden die Einträge "LF-R1" und "LF-L1" unter "Field Scaling" zusammen ausgewählt und die Funktion "Max Modulation" im Menüband verwendet, um die elektrischen Feldverteilungen der beiden Elektrodenpaare zu koppeln. Die Parameter "Gewicht A" und "Gewicht B" wurden beide auf 2 gesetzt, was einer Leistung von 2 mA pro Elektrodenpaar entspricht. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.

Abbildung 8: Isolierung der Zielregion des Rückenmarks und Berechnung der mittleren elektrischen Feldstärke. Die Zielregion des Rückenmarks wurde beschnitten und extrahiert, um die Intensität des elektrischen Feldes zu bewerten. Im "Analyse"-Explorer wurde das Feld "LF-R1" ausgewählt und die Funktion "Felddatenwerkzeuge - Zuschneiden" im Menüband verwendet, um den gewünschten Bereich zu isolieren. Anschließend wurde die durchschnittliche elektrische Feldstärke innerhalb dieses Bereichs berechnet. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.

Abbildung 9: Durchschnittliche elektrische Feldstärke am Ziel des Rückenmarks in der TI-Simulation (Gruppe 10). Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.

Abbildung 10: 3D-Ansicht der elektrischen Feldverteilung des Rückenmarks in der TI-Simulation (Gruppe 10). Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.

Abbildung 11: Durchschnittliche elektrische Feldstärke am Ziel des Rückenmarks, simuliert mit 25 Gruppen. Die optimalen Werte (d1, d2) für die drei Zielbereiche betrugen (32 mm, 70 mm) für C5, (10 mm, 40 mm) für T7 und (10 mm, 70 mm) für L3. Diese Abbildung wurde von Xie et al.20 modifiziert. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.

Tabelle 1: Die elektrischen Leitfähigkeiten relativer Gewebe bei 1 kHz. Bitte klicken Sie hier, um diese Tabelle herunterzuladen.

Tabelle 2: Demografische und klinische Merkmale der durch TI stimulierten Teilnehmer. Modifiziert von Cheng et al.17. Bitte klicken Sie hier, um diese Tabelle herunterzuladen.

Alle Autoren erklären, dass keine Interessenkonflikte im Zusammenhang mit diesem Artikel bestehen.