脊髄リハビリテーションのための非侵襲的時間的干渉電気刺激

脊髄損傷 (SCI) は衰弱性の中枢神経系障害であり、損傷レベルを下回る運動機能、感覚機能、自律神経機能の永久的な喪失を引き起こす可能性があります ^1,2。その結果、SCI 患者の治療とリハビリテーションは、科学研究と臨床実践の両方の焦点となっています。薬物療法や理学療法を含む従来の治療アプローチには、^{機能回復の}促進に一定の限界があります3,4,5,6。理学療法の中で、脊髄電気刺激は SCI リハビリテーションの効果的な戦略として浮上しており、侵襲的モダリティと非侵襲的モダリティに分類できます ^7,8。硬膜外脊髄刺激 (eSCI) などの侵襲的脊髄電気刺激は、埋め込まれた電極を介して直接電気刺激を提供しますが、感染および瘢痕組織形成のリスクを伴います ^9,10。対照的に、経皮的電気神経刺激 (TENS) などの非侵襲的技術は、深部脊椎構造に効果的に到達する能力が限られているため、治療効果が損なわれます^11,12。

時間的干渉(TI)刺激は、特定の電流供給モードを介して深部組織の非侵襲的刺激を可能にする新しい神経調節技術です^13,14。この技術では、皮膚表面に 2 対の電極を配置して、わずかに異なるキロヘルツ周波数で電流を供給します。干渉の原理に基づいて、このセットアップは深部組織内に独自の低周波エンベロープ(数ヘルツから数十ヘルツの範囲)を生成し、それによって標的を絞った神経調節を可能にします。この独特の動作メカニズムにより、TI 刺激は従来の神経調節技術の深さの制限を克服し、侵襲的な処置を行わずに深部神経構造に効果的な介入を提供することができます。TENS とは異なり、TI は高い空間特異性でより深い浸透を達成し、eSCI とは異なり、外科的リスクを回避し、SCI 神経調節のより安全でアクセスしやすい代替手段を提供します。TI 刺激は、運動障害やうつ病などのさまざまな病気の治療のために研究されています。不完全なSCIでは、一部の神経経路が無傷のままであるため、TI刺激は残りの神経回路の活性を高める可能性が高く、それによって神経可塑性と機能回復を促進します^15,16。したがって、TI 刺激は、SCI 治療の神経調節戦略として大きな期待を寄せています¹⁷。

ただし、現在の TI 刺激ハードウェア システムは主に経頭蓋アプリケーション向けに設計されており、脊髄刺激用に特別に開発された TI システムが不足しています。頭部と胴体の間の解剖学的および電気生理学的差異により、頭部用に設計された既存のTI刺激装置は脊椎刺激に完全に適用できず、出力パラメータの最適化と電極の配置に課題が生じています。頭部にTI刺激を行う場合、頭部への電極位置決めを容易にするために、固定リードフィールド座標系(10-10システムなど)がよく使用されます。ただし、このシステムは胴体には適用されません。さらに、TI刺激は生体組織の奥深くに低周波エンベロープを生成するため、手動電極配置のみに基づいて結果として生じる電界分布を予測することは困難です。代わりに、通常、内部電界分布を視覚化して最適化するために計算シミュレーションが必要です。しかし、現時点では、脊髄TI刺激の電界シミュレーションとパラメータ最適化のための確立されたワークフローがなく、臨床応用に大きな課題が生じています。電極の配置、刺激周波数、電流振幅などのパラメータは、電界分布と低周波エンベロープの振幅に直接影響し、神経活動を調節し、神経可塑性を促進します^13,17。

この研究の目的は、脊髄損傷治療に合わせた TI ハードウェア システムとともに、TI 電界シミュレーションとパラメータ最適化のための便利で効果的なワークフローを開発することです。電界シミュレーションとパラメータ最適化を通じて、特定のSCI標的領域におけるTIのエンベロープ電界振幅を最大化する電極配置構成を決定し、それによって治療効果を高めることを目指しています。さらに、最適化された電極構成の実用化を促進するために、頭部用の独自のTIハードウェアシステムに基づいて、脊髄TI刺激のための新しい電極座標位置決め方法を設計しました。このシステムは、電極の位置決めを簡素化し、臨床現場での運用可能性を向上させることを目的としています。

この研究はヒトを対象とし、ヘルシンキ宣言に従って実施されました。倫理的承認は浙江大学の治験審査委員会から得られました。参加前にすべての参加者から書面によるインフォームドコンセントが得られ、研究の目的、手順、潜在的なリスク、およびペナルティなしでいつでも撤回する権利について十分に知らされました。この研究で使用された試薬と機器は、 材料表に記載されています。

禁忌と特別な考慮事項
SCI 患者は、病歴アンケートと身体検査を使用して適格性を評価し、参加に影響を与える状態を特定します。
包含基準: (1) 18 歳から 80 歳までの年齢 (男性または女性);(2) ASIA B、C、または D と等級付けられた不完全な SCI、発症期間が 1-6 か月。(3) 過去 1 週間以内に ASIA 評価に変化がないこと。(4) 研究期間中の安定した投薬計画。(5) 必要なすべてのトレーニングセッションおよびリハビリテーション評価への参加を含む、すべての研究要件を順守する意欲。
除外基準¹⁷: (1) 神経障害 (脳卒中、多発性硬化症、外傷性脳損傷など) による運動機能の制限。(2) 不安定または重度の病状(制御不能な高血圧、心不全など)の存在。(3) てんかんの病歴;(4) 電気刺激の禁忌(例:埋め込み型電子機器、ペースメーカー、金属インプラント)。

1. 素材

1. 必要な資料の完全性を確認します( 材料表を参照)。
2. 磁気共鳴画像法 (MRI) またはコンピューター断層撮影 (CT) スキャンを使用して SCI 患者を評価します。
3. 電磁シミュレーションソフトウェアを開いて電界シミュレーションを実行します(すべての手順はソフトウェア内に実装されているため、他のソフトウェアに切り替えたり、追加のスクリプトを使用したりする必要はありません)。電界シミュレーションを実施する前に、電磁シミュレーション ソフトウェアに人体モデル (男性または女性) が含まれていることを確認してください。
   1. これらのモデルが使用できない場合は、リボンで [モデル/ファントム - ヒューマン] を選択し、ヒューマン モデルをダウンロードします。ダウンロードが完了したら、後続のシミュレーションのためにモデルを現在のプロジェクトにインポートします。
4. 各刺激セッションの前に 電源 ボタンを押してTI刺激装置の電源を入れ、指定された接続ケーブルを使用して電極アダプタを接続します(図1)。デバイスの画面でバッテリーの状態を確認します。バッテリー残量が20%未満の場合は、標準のコンセントに接続された指定された電源アダプターを使用して、すぐにデバイスを充電してください。
   メモ: 互換性のないアダプターは、バッテリーを損傷したり、TI 刺激装置の出力に不規則性を引き起こしたりする可能性があります。
5. 各Ag/AgCl電極に亀裂、変色、残留物がないか目視検査します。電極をイソプロピルアルコールと柔らかい布で洗浄し、汚染物質を取り除きます。次に、電極表面に導電性ゲルの薄く、さらに 1 mm の層を塗布して、接触インピーダンスを低減し、刺激中の皮膚刺激を防ぎます。
   1. さらに、これらのパラメータはその後の電界シミュレーションで重要な役割を果たすため、直径や厚さなどの電極の寸法に関する正確な情報を入手してください。
6. ケーブルコネクタをラベル付きのポートに合わせて、2 組の電極ケーブルを電極アダプタに接続します。

2. 電界シミュレーションとパラメータ最適化

注:電界シミュレーションの全体的なワークフローは、幾何学的モデル(人体モデルと電極を含む)の構築、シミュレーション条件(材料特性、境界条件、メッシュ生成)の定義、そして最後に脊髄のターゲット領域の電界分布を視覚化するための計算の実行の3つの主要なステップで構成されています(図2).パラメータの最適化には、さまざまな候補電極ペア構成の電界をシミュレートし、ターゲット領域の平均電界強度を計算し、この強度を最大化する構成を特定することが含まれます。具体的な手順は次のとおりです。

1. 少なくとも 16 GB の RAM とマルチコア プロセッサを搭載したコンピューターで電磁シミュレーション ソフトウェアを起動します。リボンの [ ファイル] - [新しいプロジェクト ] を選択して、新しいプロジェクトを作成します。
2. 幾何学的モデルの構築
   1. リボンの[ モデル ]タブをクリックし、[ モデル/ファントム - ヒューマン ]を選択し、男性または女性の静的モデルを選択して、ヒューマンモデルをインポートします(図3)。
   2. 解剖学的ランドマークを使用して、SCI部位に最も近い椎骨の位置を特定します(たとえば、C5はC7棘突起の約2〜3 cm下にあり、首の付け根にある顕著な骨の突起として触知できます)。選択した椎骨の中央領域の真上のスキン サーフェスの座標を原点として設定します(スケッチ - ポイント)。水平軸と垂直軸をそれぞれ x 軸と y 軸として定義します (図 4)。
      注:プロトコルのデモンストレーションでは、C5椎骨に包まれた脊髄領域を刺激ターゲットとして選択します。これは決まった選択ではなく、デモンストレーションの便宜のために作られたものです。プロトコルを実際に適用する場合、指定された脊髄標的領域を任意に選択できます。
   3. 電極ペア構成ごとに、4つの電極を原点を中心に対称に配置し(図4)、スパインの両側に1対ずつ配置します。各構成の4つの電極の座標が(d₁, d₂)、(d₁, -d₂)、(-d₁, d 2)、および(-d₁, -d₂)になるように、原点からの水平距離(d₁)と垂直距離(d₂)によって位置を定義します。
      注:このデモンストレーションでは、25の電極ペア構成が評価され、各象限の隣接する電極が水平に1 mm、垂直に5 mm間隔で配置され、候補電極をターゲット領域に対して適切な範囲内に分散させることができます。具体的な電極配置手順は以下の通りです。例として第 1 象限を使用します。
      1. リボンの [固体 - 円柱 ] をクリックして、臨床治療で使用される実際の電極に対応する寸法で円筒形の電極を作成します。シミュレーション モデル内のスキン サーフェスとのわずかな交差を考慮して、厚さをわずかに増やすことができます。
         注:このデモンストレーションでは、電極の直径を10 mm、厚さを5 mmに設定しました。
      2. リボンの [移動] をクリックして、円柱を後部のスキンサーフェスにわずかに埋め込みながら配置します。その中心を(10 mm、10 mm)に調整し、原点から10 mmの水平距離と垂直距離を表します。
      3. モデルエクスプローラで円柱を複製し、右に11 mmシフトして、2番目の電極を(21 mm、10 mm)に配置します。このプロセスを繰り返して、(32 mm、10 mm)、(43 mm、10 mm)、および(54 mm、10 mm)に追加の電極を作成します。
      4. 最初の電極をコピーし、15 mm上にずらして、2番目の電極を(10 mm、25 mm)に配置します。このプロセスを繰り返して、(10 mm、40 mm)、(10 mm、55 mm)、および(10 mm、70 mm)の電極を生成します。
      5. このプロセスを繰り返し、第 1 象限内に 25 個の電極 (5 行× 5 列) を生成します。
         注:各TI刺激構成は、4つの電極(2対)を使用して2キロヘルツ周波数の電流を供給し、干渉して脊髄に低周波エンベロープを作成します。配置を最適化するために、それぞれに4つの電極を持つ25の構成が、象限ごとに5 x 5の位置グリッドを使用してテストされ、すべてのシミュレーションで合計100の電極がテストされます。電極のサイズと異なるグループの電極間の距離は、実際の状況に応じて指定されており、このデモンストレーションは一例にすぎません。
   4. 第2象限、第3象限、第4象限の配置手順も同じ手順に従います。完了すると、25の電極ペア構成(合計100電極)が図 4のように配置されます。
   5. モデルエクスプローラで対応する電極を右クリックして、電極の名前を体系的に変更します(たとえば、第1象限は「ROn」、第2象限は「LOn」、第3象限は「LBn」、第4象限は「RBn」、nは1から25までのグループ番号です)。
   6. 電極の配置を3Dモデルビューで視覚的に検査します。移動を使用して位置 を調整し、各 電極が隙間なく皮膚表面にわずかに(0.5 mm)埋め込まれるようにします。
3. シミュレーション条件設定
   1. [ シミュレーション] タブをクリックし、リボンの[ 新規 - EM LF エレクトロ - オーミック準統計 ]をクリックして、新しいシミュレーションを作成します。右クリックして「LF-R1」という名前に変更します。TI刺激は低周波で動作するため、「オーム準統計」ソルバーを使用して準静的近似のみを考慮します。
   2. シミュレーションエクスプローラの下のセットアップパネルをクリックし、周波数を1040Hzに設定します。
   3. ヒトモデルを マルチツリー からLF-R1 - 材料にドラッグすると、1040 Hzで組織固有の導電率値が自動的に割り当てられます(表1)。
   4. [境界条件] で、[境界タイプ] を選択し、ドロップダウン メニューから [フラックス] を選択して、既定の [境界] 設定を [フラックス] に変更します。次に、新しい設定をクリックして2つの新しい「境界設定」を作成し、+1Vと0Vの入力電圧を割り当てます(図5)。
      1. 電極「RO1」と「RB1」をそれぞれの「境界設定」にドラッグして、これらの設定に割り当て、「RO1」が+1Vを出力し、「RB1」がリターンパスとして機能することを示します。
   5. 「センサー」のデフォルト設定を維持し、計算リソースに基づいて最大ステップを 1 mm、ジオメトリ解像度を 1 mm に設定してグリッドを調整します。
   6. 「LF-R1」を複製してシミュレーション「LF-L1」を新規作成し、周波数を1000Hzに設定し、電極「LB1」と「LO1」を+1Vと0Vの「境界設定」に割り当てます。
      注:このセットアップは「LF-R1」を反映していますが、電極構成が逆であるため、干渉効果が発生します。その他の設定はすべて変更されません。これで、最初の電極ペアシミュレーションのセットアップは完了です。
   7. LF-R1とLF-L1を複製し、LF-R2とLF-L2に名前を変更し、境界設定を変更して対応する電極を割り当てます。「グリッド」と「ボクセル」から以前の電極を削除し、ペアごとに新しいセットを追加します。25 グループすべてについて繰り返します。
   8. すべてのシミュレーションが設定されたら、[ シミュレーション] タブですべてのシミュレーションを選択し、リボンの[ 自動グリッド更新 ]をクリックします(右下隅にある タスクマネージャ をクリックします。グリッドが構築されたことがウィンドウに示されている場合は、手順が正常に進行していることが確認されます)、次に [実行] - [バッチ実行] を選択して、すべてのシミュレーションを同時に実行します。
      注:1040 Hz(LF-R1)および1000 Hz(LF-L1)の周波数は、神経調節のための標的脊髄領域の有効刺激周波数である干渉を介して40 Hz(1040 Hz〜1000 Hz)の低周波エンベロープを生成するために選択されます¹⁷。
4. 統計分析の実行
   1. [ 分析 ] タブをクリックし、[ LF-R1 - Overall Field - Sensor Extractor] を選択し、[ Overall Field ] をクリックして [Overall Field] を生成します。
   2. [ 全体のフィールド - EM E(x,y,z,f0) - フィールドデータツール - フィールドスケーリング ]をクリックして、電界分布を入力電圧1Vから入力電流1mAに変換します。スケールファクターは次のように決定されます(図6)。
      1. [モデル]タブで、リボンの[ソリッド]-[ブロック]を選択し、電極を完全に囲むように寸法を設定することで、電極RO1を囲む立方体積(ブロックRO1)を作成します(例:12 mm×12 mm×7 mm)。
      2. ブロック RO1 を マルチツリー から 分析 パネルにドラッグし、2つの同一の「ブロックRO1」モジュールを生成します。
      3. モデルエクスプローラでLF-R1の下の全体フィールドと最初のブロックRO1を選択し、サーフェスとEM E(x,y,z,f0)を同時にクリックします。[Flux Evaluator - List Viewer] をクリックして、「Total Flux」値を表示します。0.001 を [Total Flux] 値で割ってスケール ファクターを計算します。
   3. 「LF-L1」についても同じ手順を繰り返します。
   4. 解析エクスプローラの[フィールドスケーリング]で[LF-R1]と[LF-L1]を複数選択し、リボンの[最大変調]をクリックして、2つの電極ペアからの電界分布を結合します。「Weight A」と「Weight B」を2に設定すると、電極ペアあたり2mAの出力が反映されます(図7)。
   5. 脊髄の標的領域の平均電界強度を抽出します。
      1. リボンの [フィールド データ ツール] - [マスク フィルター] を選択して "マスク フィルター" を適用し、"脊髄" 領域のみを保持します。
      2. 解析エクスプローラでLF-R1をクリックし、リボンのフィールドデータツール - トリミングをクリックして、標的脊髄領域を分離します(図8)。
      3. リボンの統計 - テーブルビューア をクリックして、トリミングされた領域の平均電界強度を表示します(通常値の範囲:0.1〜2 V / m)。
   6. 25の電極ペア構成すべてに対してこのプロセスを繰り返し、25グループすべてのターゲットで平均電界強度を取得します。
   7. 各構成の平均電界強度を比較し、最適なセットアップとして強度が最も高い構成を特定します。

3. 電極の位置決めとデバイスのセットアップ

1. SCI 患者に背もたれのある椅子に快適に座ってもらい、衣服を脱いだり調整したりして、胴体が直立し、背中が露出していることを確認します。
2. 脊椎に沿った棘突起を触診することにより、SCI 部位に最も近い椎骨レベルを特定します。C7棘突起(首の付け根で目立つ)を見つけ、標的椎骨まで下に数えます(たとえば、C5はC7の2つの椎骨です)。対象椎骨の棘突起の上の皮膚表面を洗えるマーカー(58-7726、クレヨラ株式会社)でマークし、原点¹⁸を指定します。
3. 以前に最適化された電極配置パラメータ(d₁、d₂)に基づいて、柔軟な巻尺を使用して4つの電極位置を測定します。原点から、 d₁を水平方向(左右)に、 d₂を垂直方向(上下)に測定して、4つの象限の位置を見つけます:(d₁、 d₂)、(d₁、 -d₂)、(-d₁、 d₂)、(-d₁、 -d₂)。各位置に洗えるマーカーで印を付けます。
4. マークされた電極部位の皮膚をアルコールワイプで洗浄し、油分や破片を取り除きます。皮膚を検査して、切り傷や擦り傷がなく、無傷であることを確認します。シリンジまたはアプリケーターを使用して1.5 mLの導電性ゲルを各部位に塗布し、直径10 mmの領域に均一に広げます。
5. 余分なケーブル長をテープで固定することで、電極ケーブルの張力を最小限に抑えます。ケーブルを椅子や近くのスタンドに取り付けて吊り下げて自然に吊り下げ、偶発的な外れのリスクを軽減します。
6. 各Ag/AgCl電極をゲルで覆われた皮膚にしっかりと押し付けて、患者の背中のマークされた位置に電極を取り付けます。各電極を粘着テープで固定し、端を覆って動かないようにします。
   注:右側と左側の電極はそれぞれ電極ペアを形成します。右側の上部電極をアノードとして、下部電極をカソードとして指定します。左側の上部電極を陰極として、下部の電極を陽極として指定し、鏡像構成を形成します。
7. 電極が適切に配置され、すべての接続が確認されたら、電源ボタンを押してTI刺激装置の電源を入れます。[グローバルパラメータ設定]をクリックし、次の刺激パラメータを設定します:刺激モード:tTIS、刺激タイプ:標準刺激、総刺激時間:1200秒、刺激波形:正弦波は、メニューの対応するオプションを選択します。
8. 選択した2つの刺激チャネルのインピーダンス測定を実行します。[ インピーダンステストの開始]をクリックして、インピーダンスが許容範囲内にあることを確認します(負荷インピーダンスが12kΩを超えると、刺激装置は自動的に出力を停止します)。効果的な刺激のための最適なインピーダンス範囲は6〜8kΩです。
9. 各チャンネルの刺激周波数と出力電流振幅を設定します。チャンネル1:周波数を1040Hzに設定し、 電流振幅を2mAに設定。チャンネル2:周波数を1000Hzに設定、電流振幅を2mAに設定¹⁵.

4. 刺激

1. 参加者が処置中ずっと快適な座り姿勢を保ち、常に完全な意識を保つようにしてください。
2. デバイスのインターフェイスの 開始スイッチを押して刺激装置をアクティブにし、刺激を開始します。
3. 刺激中の患者のフィードバックを監視し、感覚 (うずき、不快感など) を報告するように依頼します。患者が重大な不快感や強い刺すような感覚を報告した場合は、電流振幅を0.5mA刻みで減らすか、停止ボタンを押して刺激を直ちに一時停止します。
   注: この研究および同様の技術に関する以前の研究で観察されたように、経皮的電気刺激に対する正常な生理学的反応である軽度のうずきまたはかゆみの感覚が予想されます¹⁷。この感覚は通常、2〜3分以内に治まります。

5. 手続き後の手順

1. 刺激セッションが完了したら、インピーダンス テストの開始 を選択してインピーダンスの状態を再度測定し、刺激後の変化を評価します。比較する値を記録します。
2. 座った状態でのバランスと快適さをチェックして、患者の身体的安定性を確認します。刺激を避けるために、医療用テープを皮膚からゆっくりと剥がして優しく剥がしてください。電極を片方の端から持ち上げて慎重に取り外します。
3. 蛇口の下で電極をきれいな水ですすぎ、清潔なタオルで自然乾燥させます。湿らせたペーパータオルで患者の電極部位の皮膚を拭き、残留ゲルを取り除きます。
4. 標準化されたアンケートを患者に実施し、感覚の変化 (うずき、しびれなど)、運動の改善、および有害事象 (皮膚の炎症、痛みなど) について尋ねます。分析のための回答を記録する¹⁹.

TIシミュレーションをエラーなく実施すると、現在の電極対群によって刺激された標的脊髄領域の平均電界強度を得ることができます。C5のターゲット領域を刺激するグループ10を例にとると(図9)、インターフェースに表示される「体積加重平均」は0.50V/mです。さらに、「Max Modulation - Mask Filter - Viewers - Surface Viewer」をクリックすると、他の組織を半透明に設定しながら、脊髄上の電界分布の3Dビューを保持できます。これにより、C5ターゲット領域周辺のグループ10の電界分布を直感的に観察することができます(図10)。

すべてのグループのシミュレーションを完了した後、各ターゲット領域の平均電界強度を分析および比較します。たとえば、モデルで実施されたシミュレーションでは、Xie et al.20 によって報告されているように、T5、T7、および L3 の 3 つのターゲット領域に TI 刺激が適用されました (図 11)。結果は、d2が小さいほど、ターゲット領域の平均電界強度が低くなることを示しています。3つのターゲット領域の最適値(d1、d2)は、C5が(32 mm、70 mm)、T7が(10 mm、40 mm)、L3が(10 mm、70 mm)であることがわかりました。

実際には、TI刺激を最初に適用すると、軽度のかゆみやわずかなチクチクする感覚が発生することがあります。これは正常な生理学的反応であり、この研究で観察され、同様の電気刺激技術の研究によって裏付けられているように、電流が皮膚を通過していることを示しています19。通常、感覚は数分以内に減少します。

現在、SCI に対する TI 刺激の臨床応用は依然として限られており、その治療効果にはさらなる検証が必要です。しかし、Cheng らによって報告されているように、既存の臨床研究では、2 週間の継続的な TI 刺激が SCI 患者の神経機能、運動強度、感覚知覚、および機能的自立性の有意な改善につながることが実証されています (表 2)。これらの発見は、TI 刺激が SCI 治療の効果的な治療アプローチであるという仮説を裏付けています。

図1:電界シミュレーションに基づく臨床治療中の電極配置。電界シミュレーションとパラメータ最適化によって決定された最適な構成に従って、2対の電極を配置しました。刺激ターゲット(C5など)を特定し、このターゲットの真上にある皮膚上の点(皮膚表面に垂直)を原点として定義しました。原点を基準に最適化された座標(d1、 d2)を使用して、2つの電極ペアの配置位置が決定されました。 この図の拡大版を表示するには、ここをクリックしてください。

図2:電界シミュレーションとパラメータ最適化のパイプライン。 合計 25 の候補グループが評価され、各グループは 2 つの電極ペアで構成され、1 つのペアはターゲット領域の右側 (R2 ペア) に配置され、もう 1 つは左側に配置されます (L2 ペア)。各グループの4つの電極は、原点から同じ水平距離(d1)と垂直距離(d2)に配置され、各グループを(d1、d2)として表すことができます。電極ペアを体系的に配置し、シミュレーション条件を設定することで、すべてのグループについてターゲット領域内の平均電界強度が計算されます。次に、グループが比較され、最高の平均電界強度に基づいて最良のグループ(d1、d2)が決定されます。 この図の拡大版を表示するには、ここをクリックしてください。

図3:シミュレーションに使用した人体モデル。Duke V3.0 静的ヒューマンモデルは、リボンインターフェイスの「モデル/ファントム」オプションから選択され、インポートされました。このモデルは、シミュレーション環境で使用するためにダウンロードされ、組み込まれました。この図の拡大版を表示するには、ここをクリックしてください。

図4:シミュレーションとパラメータ最適化における電極の配置。 各シミュレーションには2対の電極が配置されました。パラメータ最適化中に使用されるすべての電極構成も示されています。 この図の拡大版を表示するには、ここをクリックしてください。

図5:LF-R1シミュレーションの境界設定。 LF-R1シミュレーションの境界条件は、まずソフトウェアで「境界設定」を選択して構成しました。「コントローラー」パネルで、「境界タイプ」を「フラックス」に設定しました。次に、エクスプローラの「境界条件」を右クリックし、「新規設定」を選択することで、2つの「境界設定 - ディリクレ」エントリが作成されました。「マルチツリー」では、1つの電極ペアのアノードとカソードがそれぞれのディリクレ境界設定に割り当てられました。コントローラーパネルの「定電位」は、アノードが1V、カソードが0Vに設定されました。 この図の拡大版を表示するには、ここをクリックしてください。

図6:1V入力から1mA入力への電界分布の変換。 1 V入力で得られた電界分布を1 mA入力に対応する電界分布に変換するために、リボンから「Solids - Block」を選択し、電極を完全に包み込むように寸法(12 mm×12 mm×7 mmなど)を調整して、モデルタブで電極RO1の周囲に立方体積(ブロックRO1)を作成しました。次に、「ブロックRO1」オブジェクトを「マルチツリー」から「分析」パネルにドラッグし、2つの同一のモジュールを生成しました。「モデル」エクスプローラ内で、「LF-R1」の「全体フィールド」と「ブロックRO1」の最初のインスタンスを選択し、続いて「表面」と「EM E(x,y,z,f0)」オプションをアクティブにしました。「Flux Evaluator - List Viewer」を使用して、「Total Flux」の値を表示しました。スケールファクターは、0.001を総フラックス値で割ることによって決定されました。 この図の拡大版を表示するには、ここをクリックしてください。

図7:電界変調とエンベロープ振幅の計算。 1つのグループの2つの電極ペアによって生成された電界を変調し、それらのエンベロープ振幅を計算しました。「解析」エクスプローラの「フィールドスケーリング」の「LF-R1」と「LF-L1」のエントリを一緒に選択し、リボンの「最大変調」機能を使用して、2つの電極ペアからの電界分布を結合しました。パラメータ「Weight A」と「Weight B」はどちらも2に設定され、電極ペアあたり2 mAの出力に対応しました。 この図の拡大版を表示するには、ここをクリックしてください。

図8:脊髄標的領域の分離と平均電界強度の計算。 電界強度を評価するために、標的脊髄領域を切り取って抽出しました。「解析」エクスプローラで「LF-R1」フィールドを選択し、リボンの「圃場データツール - 切り抜き」機能を使用して目的の領域を分離しました。その後、この領域内の平均電界強度が計算されました。 この図の拡大版を表示するには、ここをクリックしてください。

図9:TIシミュレーションにおける脊髄のターゲットでの平均電界強度(グループ10)。 この図の拡大版を表示するには、ここをクリックしてください。

図10:TIシミュレーションにおける脊髄の電界分布の3Dビュー(グループ10)。この図の拡大版を表示するには、ここをクリックしてください。

図11:25のグループを使用してシミュレートされた脊髄のターゲットでの平均電界強度。 3つのターゲット領域の最適値(d1、d2)は、C5が(32 mm、70 mm)、T7が(10 mm、40 mm)、L3が(10 mm、70 mm)であることがわかりました。この図は、Xie et al.20から修正されています。 この図の拡大版を表示するには、ここをクリックしてください。

表1:1kHzでの相対組織の電気伝導率。この表をダウンロードするには、ここをクリックしてください。

表 2: TI によって刺激された参加者の人口統計学的および臨床的特徴。 Cheng et al.17 から修正されました。 この表をダウンロードするには、ここをクリックしてください。

すべての著者は、この記事に関連する利益相反を宣言しません。