Method Article

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

DOI:

10.3791/68574

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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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この研究では、特定の領域の電極配置を最適化し、この最適化された戦略を臨床応用で効率的に実装する脊髄損傷の TI 刺激プロトコルを提案します。

Abstract

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脊髄損傷 (SCI) は、運動機能、感覚機能、自律神経機能の永久的な喪失につながる可能性があり、リハビリテーションにとって重大な臨床的課題となります。従来のリハビリテーション アプローチに加えて、回復を促進するために硬膜外脊髄刺激 (eSCI) がよく使用されます。ただし、eSCI の侵襲的な性質により、患者の受け入れと広範な適用が制限されます。従来の脊髄刺激と比較して、時間的干渉 (TI) 刺激は脊髄深部領域を刺激する非侵襲的なアプローチを提供するため、SCI 治療に有望な技術となっています。SCI リハビリテーションのための効果的な TI 刺激を達成するための重要な要素は、皮膚表面に 2 つの電極ペアを正確に配置して、標的脊髄領域内に高電界エンベロープを生成することです。電界シミュレーションとパラメータ最適化を利用して、特定のSCI領域に最適な電極配置を決定する独自のプロトコルを提案します。さらに、このプロトコルは、臨床 TI 刺激において最適化された電極配置戦略を効率的に実装する方法の体系的な説明を提供します。

Introduction

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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

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Protocol

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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....

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Results

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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.......

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Discussion

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重要なステップ

シミュレーション条件の設定
電極を人体モデルの皮膚の表面に配置すると、電極と皮膚の間にエアギャップがないように、円筒形の電極が部分的に皮膚に埋め込まれます。そうしないと、電流が空気を通って人体に入ることができません。電極から原点までの距離(d1、d2)は、皮膚が完全に平らではないため、皮膚表面に沿って測定されます。この距離は、直接の線形測定とは若干異なる場合があります。

材料特性がジオメトリ モデルに割り当てられる場合、電極はソースとして機能するため、材料特性は電極に割り当てられません。グリッドを構成すると、メッシュ解像度は、利用可能な計算リソースに応じて調整されます。メッシュが細すぎると計算が遅くなり、メッシュが粗すぎるとシミュレーションの精度が損なわれる可能性があります。「パディング設定」は手動に設定され.......

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Disclosures

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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。

Acknowledgements

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中国国家自然科学基金(52407261)、浙江省の「パイオニア」および「リーディンググース」研究開発プログラム(2025C01137)、浙江省重点研究開発計画(2024C03040)、浙江省リハビリテーション医学会(ZKKY2024008)の研究特別資金プロジェクト、およびZMTのSim4Life、www.zmt.swiss。

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Materials

List of materials used in this article
NameCompanyCatalog NumberComments
3TMRIまたはCTシステム シーメンス・ヘルシニアーズMAGNETOM Skyra(MRI)/SOMATOM X.cite (CT)
粘着テープ3歳デュラポア 1538-1
アルコールワイプPDIヘルスケアS41125
電池ニューロドームNervioX-1000の付属品
コンピュータ デル・テクノロジーズプレシジョン366016GB RAM、マルチコアプロセッサ
電気導電性ゲルソテリックス HD-1AGE-12
電極アダプターニューロドームNervioX-1000の付属品
電磁シミュレーションソフトウェアZMTチューリッヒ・メドテックAGSim4Life v8.0
ヒューマンシミュレーションモデル イッツ財団バーチャル・プロピュレーション3.0デューク(静音)3.0、エラ(静音)3.0
イソプロピルアルコールメドライン・インダストリーズMDS098003Z
メジャースタンレー・ツールズ33-725
ペーパータオルキンバリー・クラークキムワイプズ 34155
シリンジまたはアプリケーターBD305857
TI刺激器ニューロドームネルヴィオX-1000時間干渉刺激装置
Ag/AgCl電極とケーブル2組山海医療有限公司SHTIS
洗浄可能なマーカークレヨラ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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