Stimolazione elettrica con interferenza temporale non invasiva per la riabilitazione del midollo spinale

La lesione del midollo spinale (SCI) è un disturbo debilitante del sistema nervoso centrale che può provocare la perdita permanente delle funzioni motorie, sensoriali e autonomiche al di sotto del livello di lesione ^1,2. Di conseguenza, il trattamento e la riabilitazione dei pazienti con lesione midollare sono diventati un punto focale sia della ricerca scientifica che della pratica clinica. Gli approcci terapeutici tradizionali, comprese le terapie farmacologiche e fisiche, hanno alcune limitazioni nel promuovere il recupero funzionale 3,4,5,6. Tra le terapie fisiche, l'elettrostimolazione del midollo spinale è emersa come una strategia efficace per la riabilitazione della lesione midollare, che può essere classificata in modalità invasiva e non invasiva ^7,8. La stimolazione elettrica invasiva del midollo spinale, come la stimolazione epidurale del midollo spinale (eSCI), fornisce una stimolazione elettrica diretta tramite elettrodi impiantati, ma comporta rischi di infezione e formazione di tessuto cicatriziale ^9,10. Al contrario, le tecniche non invasive, come la stimolazione nervosa elettrica transcutanea (TENS), sono limitate nella loro capacità di raggiungere efficacemente le strutture spinali profonde, compromettendo così l'efficacia terapeutica^11,12.

La stimolazione con interferenza temporale (TI) è una tecnologia emergente di neuromodulazione che consente la stimolazione non invasiva dei tessuti profondi attraverso una specifica modalità di erogazione di corrente elettrica^13,14. Questa tecnica prevede il posizionamento di due coppie di elettrodi sulla superficie della pelle per erogare correnti elettriche a frequenze kilohertz leggermente diverse. Basata sul principio dell'interferenza, questa configurazione genera un inviluppo a bassa frequenza unico (che va da pochi hertz a diverse decine di hertz) all'interno dei tessuti profondi, consentendo così una neuromodulazione mirata. Questo meccanismo di lavoro distinto consente alla stimolazione TI di superare i limiti di profondità delle tecniche di neuromodulazione convenzionali, fornendo un intervento efficace per le strutture neurali profonde senza procedure invasive. A differenza della TENS, la TI raggiunge una penetrazione più profonda con un'elevata specificità spaziale e, a differenza della eSCI, evita i rischi chirurgici, offrendo un'alternativa più sicura e accessibile per la neuromodulazione della lesione midollare. La stimolazione delle TI è stata studiata per il trattamento di varie malattie, come i disturbi del movimento e la depressione. Nella lesione midollare incompleta, poiché alcune vie neurali rimangono intatte, è molto probabile che la stimolazione TI aumenti l'attività dei circuiti neurali rimanenti, promuovendo così la neuroplasticità e il recupero funzionale^15,16. Pertanto, la stimolazione TI è molto promettente come strategia di neuromodulazione per il trattamento della lesione midollare¹⁷.

Tuttavia, gli attuali sistemi hardware per la stimolazione TI sono progettati principalmente per applicazioni transcraniche e mancano sistemi TI sviluppati specificamente per la stimolazione del midollo spinale. A causa delle differenze anatomiche ed elettrofisiologiche tra la testa e il tronco, gli attuali dispositivi di stimolazione TI progettati per la testa non sono completamente applicabili alla stimolazione spinale, con conseguenti problemi nell'ottimizzazione dei parametri di uscita e nel posizionamento degli elettrodi. Quando si esegue la stimolazione TI sulla testa, viene spesso utilizzato un sistema di coordinate del campo di derivazione fisso (come il sistema 10-10) per facilitare il posizionamento degli elettrodi sulla testa. Tuttavia, questo sistema non è applicabile al busto. Inoltre, poiché la stimolazione TI genera inviluppi a bassa frequenza in profondità all'interno dei tessuti biologici, è difficile prevedere la distribuzione del campo elettrico risultante basandosi esclusivamente sul posizionamento manuale degli elettrodi. Invece, le simulazioni computazionali sono tipicamente necessarie per visualizzare e ottimizzare la distribuzione del campo elettrico interno. Al momento, tuttavia, non esiste un flusso di lavoro consolidato per la simulazione del campo elettrico e l'ottimizzazione dei parametri per la stimolazione TI spinale, il che pone sfide significative per la sua applicazione clinica. Parametri come il posizionamento degli elettrodi, le frequenze di stimolazione e l'ampiezza della corrente influenzano direttamente la distribuzione del campo elettrico e l'ampiezza dell'inviluppo a bassa frequenza, modulando l'attività neurale e promuovendo la neuroplasticità^13,17.

L'obiettivo di questo studio è sviluppare un flusso di lavoro conveniente ed efficace per la simulazione del campo elettrico TI e l'ottimizzazione dei parametri, insieme a un sistema hardware TI su misura per il trattamento delle lesioni del midollo spinale. Attraverso la simulazione del campo elettrico e l'ottimizzazione dei parametri, miriamo a determinare configurazioni di posizionamento degli elettrodi che massimizzino l'ampiezza del campo di inviluppo del TI in specifiche regioni target della lesione midollare, migliorando così l'efficacia terapeutica. Inoltre, per facilitare l'implementazione pratica di configurazioni ottimizzate degli elettrodi, abbiamo progettato un nuovo metodo di posizionamento delle coordinate degli elettrodi per la stimolazione TI del midollo spinale basato sul sistema hardware TI originale per la testa. Questo sistema ha lo scopo di semplificare il posizionamento degli elettrodi e migliorare la fattibilità operativa in ambito clinico.

Questo studio coinvolge soggetti umani ed è stato condotto in conformità con la Dichiarazione di Helsinki. L'approvazione etica è stata ottenuta dall'Institutional Review Board dell'Università di Zhejiang. Il consenso informato scritto è stato ottenuto da tutti i partecipanti prima della loro inclusione, assicurando che fossero pienamente informati dello scopo dello studio, delle procedure, dei potenziali rischi e del loro diritto di ritirarsi in qualsiasi momento senza penalità. I reagenti e le attrezzature utilizzate in questo studio sono elencati nella Tabella dei materiali.

Controindicazioni e considerazioni particolari
I pazienti con lesione midollare vengono valutati per l'idoneità utilizzando un questionario sull'anamnesi e un esame fisico per identificare le condizioni che influenzano la partecipazione:
Criteri di inclusione: (1) Età compresa tra i 18 e gli 80 anni (maschio o femmina); (2) LM incompleta classificata come Asia B, C o D, con insorgenza da 1 a 6 mesi; (3) Nessun cambiamento nella valutazione ASIA nell'ultima settimana; (4) Regime farmacologico stabile per tutto il periodo di studio; (5) Disponibilità a rispettare tutti i requisiti di studio, compresa la partecipazione a tutte le sessioni di formazione richieste e alle valutazioni di riabilitazione.
Criteri di esclusione¹⁷: (1) Limitazioni della funzione motoria dovute a disturbi neurologici (ad esempio, ictus, sclerosi multipla, lesioni cerebrali traumatiche); (2) Presenza di condizioni mediche instabili o gravi (ad esempio, ipertensione incontrollata, insufficienza cardiaca); (3) Storia di epilessia; (4) Controindicazioni alla stimolazione elettrica (ad esempio, dispositivi elettronici impiantati, pacemaker, impianti metallici).

1. Materiali

1. Verificare la completezza dei materiali richiesti (vedi Tabella dei materiali).
2. Valutare i pazienti con lesione midollare utilizzando la risonanza magnetica (MRI) o la tomografia computerizzata (TC).
3. Software di simulazione elettromagnetica aperto per eseguire simulazioni di campo elettrico (tutti i passaggi sono implementati all'interno del software, eliminando la necessità di passare ad altri software o utilizzare script aggiuntivi). Prima di eseguire simulazioni di campo elettrico, assicurarsi che il software di simulazione elettromagnetica contenga modelli umani (maschio o femmina).
   1. Se questi modelli non sono disponibili, selezionare Modello/Fantasma - Umani nella barra multifunzione, quindi scaricare il modello umano. Una volta completato il download, importare il modello nel progetto corrente per le simulazioni successive.
4. Premere il pulsante di accensione per accendere lo stimolatore TI prima di ogni sessione di stimolazione, quindi collegare l'adattatore dell'elettrodo utilizzando gli appositi cavi di collegamento (Figura 1). Controllare lo stato della batteria sullo schermo del dispositivo. Caricare immediatamente il dispositivo se il livello della batteria è inferiore al 20%, utilizzando l'apposito adattatore di alimentazione collegato a una presa elettrica standard.
   NOTA: Adattatori incompatibili possono danneggiare la batteria o causare irregolarità nell'uscita dello stimolatore TI.
5. Ispezionare visivamente ogni elettrodo Ag/AgCl per verificare la presenza di crepe, scolorimento o residui. Pulire gli elettrodi con alcol isopropilico e un panno morbido per rimuovere i contaminanti. Quindi applicare uno strato sottile e uniforme di 1 mm di gel conduttivo sulla superficie dell'elettrodo per ridurre l'impedenza di contatto e prevenire l'irritazione della pelle durante la stimolazione.
   1. Inoltre, assicurati di avere informazioni precise sulle dimensioni degli elettrodi, incluso il loro diametro e spessore, poiché questi parametri svolgono un ruolo fondamentale nelle successive simulazioni del campo elettrico.
6. Collegare le due coppie di cavi degli elettrodi all'adattatore dell'elettrodo facendo corrispondere i connettori dei cavi alle porte etichettate.

2. Simulazione del campo elettrico e ottimizzazione dei parametri

NOTA: Il flusso di lavoro complessivo della simulazione del campo elettrico consiste in tre fasi principali: costruzione del modello geometrico (incluso il modello umano e gli elettrodi), definizione delle condizioni di simulazione (proprietà dei materiali, condizioni al contorno e generazione della mesh) e infine esecuzione di calcoli per visualizzare la distribuzione del campo elettrico nella regione target del midollo spinale (Figura 2). L'ottimizzazione dei parametri comporta la simulazione dei campi elettrici per varie configurazioni di coppie di elettrodi candidate, il calcolo dell'intensità media del campo elettrico nella regione target e l'identificazione della configurazione che massimizza questa intensità. I passaggi specifici sono i seguenti:

1. Avvia il software di simulazione elettromagnetica su un computer con almeno 16 GB di RAM e un processore multi-core. Creare un nuovo progetto selezionando File - Nuovo progetto nella barra multifunzione.
2. Costruzione di modelli geometrici
   1. Fare clic sulla scheda Modello nella barra multifunzione e importare un modello umano selezionando Modello/Fantasma - Umani e scegliendo un modello statico maschile o femminile (Figura 3).
   2. Identificare la posizione vertebrale più vicina al sito della lesione midollare utilizzando punti di riferimento anatomici (ad esempio, C5 si trova circa 2-3 cm al di sotto del processo spinoso C7, palpabile come una sporgenza ossea prominente alla base del collo). Impostare la coordinata della superficie della pelle direttamente sopra la regione centrale della vertebra selezionata come origine (Schizzo - Punto). Definire gli assi orizzontale e verticale rispettivamente come assi x e y (Figura 4).
      NOTA: Nella dimostrazione del protocollo, selezioniamo la regione del midollo spinale avvolta dalla vertebra C5 come bersaglio della stimolazione. Questa non è una scelta fissa, ma è stata fatta per comodità di dimostrazione. Quando si applica il protocollo nella pratica, è possibile selezionare arbitrariamente qualsiasi area target specifica del midollo spinale.
   3. Per ogni configurazione di coppia di elettrodi, posizionare i quattro elettrodi simmetricamente rispetto all'origine (Figura 4), con una coppia su ciascun lato della colonna vertebrale. Definire le posizioni in base alla distanza orizzontale (d₁) e alla distanza verticale (d₂) dall'origine, in modo tale che le coordinate dei quattro elettrodi in ciascuna configurazione siano (d₁, d₂), (d₁, -d₂), (-d₁, d₂) e (-d₁, -d₂).
      NOTA: In questa dimostrazione, vengono valutate 25 configurazioni di coppie di elettrodi, con elettrodi adiacenti in ciascun quadrante distanziati di 1 mm l'uno dall'altro orizzontalmente e di 5 mm l'uno dall'altro verticalmente, il che consente di distribuire gli elettrodi candidati all'interno di un intervallo adeguato rispetto all'area target. La procedura specifica di posizionamento dell'elettrodo è la seguente. Usando il primo quadrante come esempio:
      1. Creare un elettrodo cilindrico cliccando su Solidi - Cilindro nel nastro con le dimensioni corrispondenti agli elettrodi effettivamente utilizzati nel trattamento clinico. Lo spessore può essere leggermente aumentato per tenere conto di piccole intersezioni con la superficie della pelle nel modello di simulazione.
         NOTA: In questa dimostrazione, il diametro dell'elettrodo è stato impostato su 10 mm e lo spessore su 5 mm.
      2. Fare clic su Sposta nel nastro per posizionare il cilindro sulla superficie posteriore della pelle con una leggera incorporazione. Regolare il suo centro su (10 mm, 10 mm), che rappresenta una distanza orizzontale e verticale di 10 mm dall'origine.
      3. Duplicare il cilindro nel Model explorer e spostarlo verso destra di 11 mm per posizionare il secondo elettrodo a (21 mm, 10 mm). Ripetere questo processo per creare elettrodi aggiuntivi a (32 mm, 10 mm), (43 mm, 10 mm) e (54 mm, 10 mm).
      4. Copiare il primo elettrodo e spostarlo verso l'alto di 15 mm per posizionare il secondo elettrodo a (10 mm, 25 mm). Ripetere questo processo per generare elettrodi a (10 mm, 40 mm), (10 mm, 55 mm) e (10 mm, 70 mm).
      5. Ripetere questo processo, generare 25 elettrodi (5 righe × 5 colonne) all'interno del primo quadrante.
         NOTA: Ogni configurazione di stimolazione TI utilizza quattro elettrodi (due coppie) per erogare due correnti di frequenza kilohertz che interferiscono per creare un inviluppo a bassa frequenza nel midollo spinale. Per ottimizzare il posizionamento, 25 configurazioni, ciascuna con quattro elettrodi, vengono testate utilizzando una griglia di posizioni 5 x 5 per quadrante, per un totale di 100 elettrodi in tutte le simulazioni. La dimensione degli elettrodi e la distanza tra gli elettrodi nei diversi gruppi sono specificate in base alle condizioni reali e questa dimostrazione fornisce solo un esempio.
   4. Per la procedura di posizionamento del secondo, terzo e quarto quadrante, seguire la stessa procedura. Al termine, tutte le 25 configurazioni di coppie di elettrodi (per un totale di 100 elettrodi) sono disposte come mostrato nella Figura 4.
   5. Rinominare sistematicamente gli elettrodi facendo clic con il pulsante destro del mouse sull'elettrodo corrispondente in Esplora modelli (ad esempio, "ROn" per il primo quadrante, "LOn" per il secondo, "LBn" per il terzo, "RBn" per il quarto, dove n è il numero del gruppo da 1 a 25).
   6. Ispeziona visivamente il posizionamento degli elettrodi nella vista del modello 3D. Regolare le posizioni utilizzando lo spostamento per assicurarsi che ogni elettrodo si incastri leggermente (0,5 mm) nella superficie della pelle senza spazi vuoti.
3. Impostazione delle condizioni di simulazione
   1. Fare clic sulla scheda Simulazione e creare una nuova simulazione facendo clic su Nuovo - EM LF Electro - Ohmic Quasi-Stat nella barra multifunzione. Fare clic con il pulsante destro del mouse e rinominarlo "LF-R1". Poiché la stimolazione TI opera a basse frequenze, utilizzare il solutore "Ohmic Quasi-Stat" per considerare solo l'approssimazione quasi-statica.
   2. Fare clic sul pannello Setup in Simulation explorer, impostare la frequenza su 1040 Hz.
   3. Trascinare il modello umano dal Multi-Tree in LF-R1 - Materials, che assegnerà automaticamente i valori di conducibilità specifici del tessuto a 1040 Hz (Tabella 1).
   4. In Condizioni al contorno, modificare le impostazioni di default del limite in Flusso selezionando Tipo limite (Boundary Type ) e scegliendo Flusso (Flux ) dal menu a discesa. Quindi, creare due nuove "Impostazioni limite" facendo clic sulla nuova impostazione e assegnare tensioni di ingresso di +1 V e 0 V ( Figura 5).
      1. Assegnare gli elettrodi "RO1" e "RB1" a queste impostazioni trascinandoli rispettivamente nelle rispettive "Impostazioni di contorno", indicando che "RO1" emette +1 V mentre "RB1" funge da percorso di ritorno.
   5. Mantieni le impostazioni predefinite per "Sensori" e regola la griglia impostando il passo massimo su 1 mm e la risoluzione della geometria su 1 mm, in base alle risorse di calcolo.
   6. Creare una nuova simulazione "LF-L1" duplicando "LF-R1", impostare la frequenza a 1000 Hz e assegnare gli elettrodi "LB1" e "LO1" alle "Impostazioni limite" +1 V e 0 V.
      NOTA: Questa configurazione rispecchia "LF-R1" ma con la configurazione opposta dell'elettrodo, generando l'effetto di interferenza. Tutte le altre impostazioni rimangono invariate. Questo completa la prima configurazione di simulazione della coppia di elettrodi.
   7. Duplicare LF-R1 e LF-L1, rinominarli come LF-R2 e LF-L2 e modificare le impostazioni del contorno per assegnare gli elettrodi corrispondenti. Rimuovi gli elettrodi precedenti da "Grid" e "Voxels" e aggiungi il nuovo set per ogni coppia. Ripetere l'operazione per tutti i 25 gruppi.
   8. Una volta configurate tutte le simulazioni, selezionare tutte le simulazioni nella scheda Simulazione , fare clic su Aggiornamento automatico della griglia nella barra multifunzione (fare clic su Task Manager nell'angolo in basso a destra. Se la finestra indica che la griglia è stata costruita, ciò conferma che i passaggi procedono normalmente), quindi selezionare Esegui - Esecuzione batch per eseguire tutte le simulazioni contemporaneamente.
      NOTA: Le frequenze di 1040 Hz (LF-R1) e 1000 Hz (LF-L1) sono scelte per produrre un inviluppo a bassa frequenza di 40 Hz (1040 Hz - 1000 Hz) attraverso l'interferenza, che è la frequenza di stimolazione efficace nella regione del midollo spinale target per la neuromodulazione¹⁷.
4. Eseguire analisi statistiche
   1. Fare clic sulla scheda Analisi , selezionare LF-R1 - Campo complessivo - Estrattore sensore e fare clic su Campo complessivo per generare un campo complessivo.
   2. Fare clic su Campo complessivo - EM E(x,y,z,f0) - Strumenti per dati di campo - Scala di campo per convertire la distribuzione del campo elettrico da una tensione di ingresso di 1 V a una corrente di ingresso di 1 mA. Il fattore di scala è determinato come segue (Figura 6):
      1. Nella scheda Modello , creare un volume cubico (Blocco RO1) che racchiuda l'elettrodo RO1 selezionando Solidi - Blocco nel nastro e impostando le dimensioni per avvolgere completamente l'elettrodo (ad esempio, 12 mm × 12 mm × 7 mm).
      2. Trascinare il Blocco RO1 dal Multi-albero nel pannello Analisi , generando due moduli identici "Blocco RO1".
      3. Selezionare Campo complessivo in LF-R1 e il primo blocco RO1 in Esplora modelli , quindi fare clic su Superficie e EM E(x,y,z,f0) contemporaneamente. Fare clic su Flux Evaluator - List Viewer per visualizzare il valore "Total Flux". Calcolare il fattore di scala dividendo 0,001 per il valore di flusso totale.
   3. Ripetere la stessa procedura per "LF-L1" .
   4. Selezionare più volte LF-R1 e LF-L1 in Scala campo in Esplora analisi , quindi fare clic su Modulazione massima nel nastro per accoppiare le distribuzioni del campo elettrico dalle due coppie di elettrodi. Impostare "Peso A" e "Peso B" su 2 per riflettere l'uscita di 2 mA per coppia di elettrodi (Figura 7).
   5. Estrarre l'intensità media del campo elettrico nella regione target del midollo spinale:
      1. Applicare un "Filtro maschera" selezionando Strumenti dati sul campo - Filtro maschera nella barra multifunzione per mantenere solo la regione "Midollo spinale".
      2. Fare clic su LF-R1 in Esplora analisi e fare clic su Strumenti dati sul campo - Ritaglia nella barra multifunzione per isolare la regione del midollo spinale target (Figura 8).
      3. Fare clic su Statistiche - Visualizzatore tabelle nella barra multifunzione per visualizzare l'intensità media del campo elettrico per la regione ritagliata (intervallo di valori normali: 0,1-2 V/m).
   6. Ripetere il processo per tutte le 25 configurazioni di coppie di elettrodi e acquisire l'intensità media del campo elettrico al bersaglio di tutti i 25 gruppi.
   7. Confronta l'intensità media del campo elettrico per ciascuna configurazione e identifica la configurazione con l'intensità più alta come configurazione ottimale.

3. Posizionamento degli elettrodi e configurazione del dispositivo

1. Chiedi al paziente con lesione midollare di sedersi comodamente su una sedia con schienale, assicurandoti che il busto sia eretto e la schiena esposta rimuovendo o regolando gli indumenti.
2. Identificare il livello vertebrale più vicino al sito della lesione midollare palpando i processi spinosi lungo la colonna vertebrale. Localizzare il processo spinoso C7 (prominente alla base del collo) e contare verso il basso fino alla vertebra bersaglio (ad esempio, C5 è due vertebre sopra C7). Contrassegnare la superficie della pelle sopra il processo spinoso della vertebra bersaglio con un pennarello lavabile (58-7726, Crayola Inc.) per designare l'origine¹⁸.
3. Sulla base dei parametri di posizionamento degli elettrodi precedentemente ottimizzati (d₁, d₂), misurare le quattro posizioni degli elettrodi utilizzando un metro a nastro flessibile. Dall'origine, misura d₁ orizzontalmente (sinistra e destra) e d₂ verticalmente (su e giù) per individuare le posizioni nei quattro quadranti: (d₁, d₂), (d₁, -d₂), (-d₁, d₂), (-d₁, -d₂). Segna ogni posizione con un pennarello lavabile.
4. Pulire la pelle nei punti contrassegnati degli elettrodi con salviettine imbevute di alcol per rimuovere oli e detriti. Ispezionare la pelle per assicurarsi che sia intatta, senza tagli o abrasioni. Applicare 1,5 mL di gel conduttivo su ciascun sito utilizzando una siringa o un applicatore, distribuendolo uniformemente su un'area di 10 mm di diametro.
5. Ridurre al minimo la tensione sui cavi degli elettrodi fissando la lunghezza del cavo in eccesso con del nastro adesivo. Sospendi i cavi per appenderli in modo naturale attaccandoli alla sedia o a un supporto vicino, riducendo il rischio di distacco accidentale.
6. Fissare gli elettrodi nelle posizioni contrassegnate sulla schiena del paziente premendo saldamente ciascun elettrodo Ag/AgCl sulla pelle ricoperta di gel. Fissare ogni elettrodo con del nastro adesivo, coprendo i bordi per evitare movimenti.
   NOTA: Gli elettrodi destro e sinistro formano ciascuno una coppia di elettrodi. Designare l'elettrodo superiore destro come anodo e l'elettrodo inferiore come catodo. Designare l'elettrodo superiore sinistro come catodo e l'elettrodo inferiore come anodo, formando una configurazione speculare.
7. Una volta che gli elettrodi sono posizionati correttamente e tutte le connessioni sono state verificate, accendere lo stimolatore TI premendo il pulsante di accensione . Fare clic su Impostazioni parametri globali e configurare i seguenti parametri di stimolazione: Modalità di stimolazione: tTIS, Tipo di stimolazione: Stimolazione standard, Durata totale della stimolazione: 1200 s, Forma d'onda di stimolazione: Onda sinusoidale selezionando le opzioni corrispondenti nel menu.
8. Eseguire la misurazione dell'impedenza per i due canali di stimolazione selezionati. Fare clic su Avvia test di impedenza per assicurarsi che l'impedenza rientri nell'intervallo accettabile (lo stimolatore interromperà automaticamente l'uscita se l'impedenza di carico supera i 12 kΩ). L'intervallo di impedenza ottimale per una stimolazione efficace è di 6-8 kΩ.
9. Configura la frequenza di stimolazione e l'ampiezza della corrente di uscita per ciascun canale. Canale 1: frequenza impostata su 1040 Hz, ampiezza di corrente impostata su 2 mA. Canale 2: frequenza impostata su 1000 Hz, ampiezza di corrente impostata su 2 mA¹⁵.

4. Stimolazione

1. Assicurarsi che il partecipante rimanga in una posizione seduta comoda durante la procedura e rimanga sempre pienamente cosciente.
2. Attivare lo stimolatore premendo l'interruttore Start sull'interfaccia del dispositivo per avviare la stimolazione.
3. Monitorare il feedback del paziente durante la stimolazione chiedendogli di segnalare eventuali sensazioni (ad esempio, formicolio, disagio). Ridurre l'ampiezza di corrente con incrementi di 0,5 mA o mettere immediatamente in pausa la stimolazione premendo il pulsante di arresto se il paziente riferisce un disagio significativo o una forte sensazione di bruciore.
   NOTA: Aspettatevi una lieve sensazione di formicolio o prurito, che è una normale risposta fisiologica alla stimolazione elettrica transcutanea, come osservato in questo studio e in precedenti ricerche su tecniche simili¹⁷. Questa sensazione in genere si attenua entro 2-3 minuti.

5. Fasi post-procedurali

1. Al termine della sessione di stimolazione, misurare nuovamente lo stato dell'impedenza selezionando Avvia test di impedenza per valutare i cambiamenti dopo la stimolazione. Registrare i valori per il confronto.
2. Verificare la stabilità fisica del paziente controllando il suo equilibrio e il comfort mentre è seduto. Rimuovere delicatamente il nastro adesivo staccandolo lentamente dalla pelle per evitare irritazioni. Staccare gli elettrodi con cautela sollevandoli da un bordo.
3. Sciacquare gli elettrodi con acqua pulita sotto un rubinetto e asciugarli all'aria su un asciugamano pulito. Pulire la pelle del paziente nei siti degli elettrodi con un tovagliolo di carta umido per rimuovere il gel residuo.
4. Somministrare un questionario standardizzato al paziente, chiedendo informazioni sui cambiamenti sensoriali (ad es. formicolio, intorpidimento), miglioramenti motori ed eventi avversi (ad es. irritazione della pelle, dolore). Registrare le risposte per l'analisi¹⁹.

Quando si eseguono simulazioni TI senza errori, è possibile ottenere l'intensità media del campo elettrico nella regione target del midollo spinale stimolata dall'attuale gruppo di coppie di elettrodi. Prendendo come esempio il Gruppo 10 che stimola l'area target C5 (Figura 9), la "Media ponderata del volume" visualizzata nell'interfaccia è 0,50 V/m. Inoltre, facendo clic su "Modulazione massima - Filtro maschera - Visualizzatori - Visualizzatore superficie", è possibile conservare una vista 3D della distribuzione del campo elettrico sul midollo spinale impostando gli altri tessuti su semitrasparente. Ciò consente un'osservazione intuitiva della distribuzione del campo elettrico del Gruppo 10 attorno all'area target C5 (Figura 10).

Dopo aver completato le simulazioni per tutti i gruppi, l'intensità media del campo elettrico in ciascuna area target viene analizzata e confrontata. Ad esempio, nelle simulazioni condotte sul modello, la stimolazione TI è stata applicata a tre aree target: C5, T7 e L3 (Figura 11), come riportato da Xie et al.20. I risultati indicano che un d2 più piccolo si traduce in un'intensità media di campo elettrico inferiore nella regione target. I valori ottimali (d1, d2) per le tre aree target sono risultati essere (32 mm, 70 mm) per C5, (10 mm, 40 mm) per T7 e (10 mm, 70 mm) per L3.

In pratica, quando la stimolazione TI viene applicata per la prima volta, può verificarsi un lieve prurito o una leggera sensazione di formicolio. Questa è una risposta fisiologica normale, che indica che la corrente sta passando attraverso la pelle, come osservato in questo studio e supportato da studi su tecniche di stimolazione elettrica simili19. La sensazione in genere diminuisce entro pochi minuti.

Attualmente, le applicazioni cliniche della stimolazione TI per la lesione midollare rimangono limitate e la sua efficacia terapeutica richiede un'ulteriore convalida. Tuttavia, gli studi clinici esistenti hanno dimostrato che due settimane di stimolazione continua del TI portano a miglioramenti significativi della funzione neurologica, della forza motoria, della percezione sensoriale e dell'indipendenza funzionale nei pazienti con lesione midollare (Tabella 2), come riportato da Cheng et al.17. Questi risultati supportano l'ipotesi che la stimolazione TI sia un approccio terapeutico efficace per il trattamento della lesione midollare.

Figura 1: Posizionamento degli elettrodi durante il trattamento clinico basato sulla simulazione del campo elettrico.Due coppie di elettrodi sono state posizionate secondo la configurazione ottimale determinata attraverso la simulazione del campo elettrico e l'ottimizzazione dei parametri. È stato identificato il bersaglio di stimolazione (ad esempio, C5) e il punto sulla pelle direttamente sopra questo bersaglio, perpendicolare alla superficie cutanea, è stato definito come origine. Utilizzando le coordinate ottimizzate (d1, d2) relative all'origine, sono state determinate le posizioni di posizionamento delle due coppie di elettrodi. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

Figura 2: La pipeline della simulazione del campo elettrico e dell'ottimizzazione dei parametri. Vengono valutati un totale di 25 gruppi candidati, ciascuno dei quali è costituito da due coppie di elettrodi: una coppia posizionata sul lato destro della regione target (coppia R2) e l'altra sul lato sinistro (coppia L2). I quattro elettrodi di ciascun gruppo sono posizionati a una distanza orizzontale (d1) e verticale (d2) identica dall'origine, consentendo a ciascun gruppo di essere rappresentato come (d1, d2). Posizionando sistematicamente le coppie di elettrodi e impostando le condizioni di simulazione, l'intensità media del campo elettrico all'interno della regione target viene calcolata per tutti i gruppi. I gruppi vengono quindi confrontati e il gruppo Best (d1, d2) viene determinato in base all'intensità media del campo elettrico più alta. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

Figura 3: Modello umano utilizzato per la simulazione. Il modello umano statico Duke V3.0 è stato selezionato e importato tramite l'opzione "Modello/Fantasma" nell'interfaccia della barra multifunzione. Questo modello è stato scaricato e incorporato per l'uso nell'ambiente di simulazione. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

Figura 4: Posizionamento degli elettrodi nella simulazione e ottimizzazione dei parametri. In ogni simulazione sono state posizionate due coppie di elettrodi. Vengono inoltre mostrate tutte le configurazioni degli elettrodi utilizzate durante l'ottimizzazione dei parametri. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

Figura 5: Impostazioni dei confini per la simulazione LF-R1. Le condizioni al contorno per la simulazione LF-R1 sono state configurate selezionando prima "Impostazioni al contorno" nel software. Nel pannello "Controller", il "Tipo di limite" è stato impostato su "Flux". Facendo clic con il pulsante destro del mouse su "Condizioni al contorno" nell'Explorer sono state create due voci "Impostazioni limite - Dirichlet" e selezionando "Nuove impostazioni". Nel "Multi-tree", l'anodo e il catodo di una coppia di elettrodi sono stati assegnati alle rispettive impostazioni di confine di Dirichlet. Il "Potenziale costante" è stato impostato su 1 V per l'anodo e 0 V per il catodo nel pannello del controller. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

Figura 6: Conversione della distribuzione del campo elettrico da un ingresso da 1 V a un ingresso da 1 mA. Per convertire la distribuzione del campo elettrico ottenuta utilizzando un ingresso da 1 V a quella corrispondente a un ingresso da 1 mA, è stato creato un volume cubico (Blocco RO1) attorno all'elettrodo RO1 nella scheda Modello selezionando "Solidi - Blocco" dal nastro e regolando le dimensioni (ad esempio, 12 mm × 12 mm × 7 mm) per avvolgere completamente l'elettrodo. L'oggetto "Blocco RO1" è stato poi trascinato dal "Multi-tree" nel pannello "Analysis", generando due moduli identici. All'interno dell'esploratore "Modello", sono stati selezionati "Campo complessivo" sotto "LF-R1" e la prima istanza di "Blocco RO1", seguito dall'attivazione delle opzioni "Superficie" e "EM E(x,y,z,f0)". Il "Flux Evaluator - List Viewer" è stato utilizzato per visualizzare il valore "Total Flux". Il fattore di scala è stato determinato dividendo 0,001 per il valore del flusso totale. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

Figura 7: Modulazione del campo elettrico e calcolo dell'ampiezza dell'inviluppo. I campi elettrici generati dalle due coppie di elettrodi in un gruppo sono stati modulati e sono state calcolate le loro ampiezze di inviluppo. Le voci "LF-R1" e "LF-L1" in "Field Scaling" nell'esploratore "Analysis" sono state selezionate insieme, e la funzione "Max Modulation" nel nastro è stata utilizzata per accoppiare le distribuzioni del campo elettrico dalle due coppie di elettrodi. I parametri "Peso A" e "Peso B" sono stati entrambi impostati su 2, corrispondenti a un'uscita di 2 mA per coppia di elettrodi. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

Figura 8: Isolamento della regione target del midollo spinale e calcolo dell'intensità media del campo elettrico. La regione del midollo spinale target è stata ritagliata ed estratta per valutare l'intensità del campo elettrico. Nell'esploratore "Analisi" è stato selezionato il campo "LF-R1" e la funzione "Strumenti dati di campo - Ritaglia" nella barra multifunzione è stata utilizzata per isolare l'area desiderata. Successivamente è stata calcolata l'intensità media del campo elettrico all'interno di questa regione. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

Figura 9: Intensità media del campo elettrico al bersaglio del midollo spinale nella simulazione TI (Gruppo 10). Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

Figura 10: Vista 3D della distribuzione del campo elettrico del midollo spinale nella simulazione TI (Gruppo 10). Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

Figura 11: Intensità media del campo elettrico al bersaglio del midollo spinale simulata utilizzando 25 gruppi. I valori ottimali (d1, d2) per le tre aree target sono risultati essere (32 mm, 70 mm) per C5, (10 mm, 40 mm) per T7 e (10 mm, 70 mm) per L3. Questa cifra è modificata da Xie et al.20. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

Tabella 1: Le conducibilità elettriche dei tessuti relativi a 1 kHz. Clicca qui per scaricare questa tabella.

Tabella 2: Caratteristiche demografiche e cliniche dei partecipanti stimolati da TI. Modificato da Cheng et al.17. Clicca qui per scaricare questa tabella.

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