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。
Method Article
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。
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。
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。
Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.
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
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。
3. 電極の位置決めとデバイスのセットアップ
4. 刺激
5. 手続き後の手順
Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.
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...
Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.
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...
Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.
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。
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。
Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
|---|---|---|---|
| 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3660 | 16GB 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AG | Sim4Life 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 | BD | 305857 | |
| 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 |
Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.
Request permission to reuse the text or figures of this JoVE article
Request Permission