척수 재활을 위한 비침습적 시간 간섭 전기 자극

척수 손상(SCI)은 손상 수준 이하의 운동, 감각 및 자율신경 기능의 영구적인 상실을 초래할 수 있는 쇠약하게 만드는 중추신경계 장애입니다 ^1,2. 결과적으로 척수손상 환자의 치료와 재활은 과학 연구와 임상 실습 모두의 초점이 되었습니다. 약리학적 및 물리 요법을 포함한 전통적인 치료 접근법은 기능 회복을 촉진하는 데 특정 한계가 있습니다 3,4,5,6. 물리 치료 중에서 척수 전기 자극은 침습적 양식과 비침습적 양식으로 분류할 수 있는 척수손상 재활을 위한 효과적인 전략으로 부상했습니다 ^7,8. 경막외 척수 자극(eSCI)과 같은 침습적 척수 전기 자극은 이식된 전극을 통해 직접적인 전기 자극을 전달하지만 감염 및 흉터 조직 형성의 위험이 있습니다 ^9,10. 대조적으로, 경피적 전기 신경 자극(TENS)과 같은 비침습적 기술은 심부 척추 구조에 효과적으로 도달하는 능력이 제한되어 치료 효능이 저하됩니다^11,12.

시간적 간섭(TI) 자극은 특정 전류 전달 모드를 통해 심부 조직의 비침습적 자극을 가능하게 하는 새로운 신경 조절 기술입니다^13,14. 이 기술은 피부 표면에 두 쌍의 전극을 배치하여 약간 다른 킬로헤르츠 주파수로 전류를 전달하는 것입니다. 간섭 원리에 따라 이 설정은 심부 조직 내에서 고유한 저주파 엔벨로프(수 헤르츠에서 수십 헤르츠 범위)를 생성하여 표적 신경 조절을 가능하게 합니다. 이러한 뚜렷한 작동 메커니즘을 통해 TI 자극은 기존 신경 조절 기술의 깊이 한계를 극복할 수 있으며 침습적 절차 없이 심부 신경 구조에 효과적인 개입을 제공합니다. TENS와 달리 TI는 높은 공간적 특이성으로 더 깊은 침투를 달성하고 eSCI와 달리 수술 위험을 방지하여 SCI 신경조절에 대한 보다 안전하고 접근하기 쉬운 대안을 제공합니다. TI 자극은 운동 장애 및 우울증과 같은 다양한 질병의 치료를 위해 조사되었습니다. 불완전한 SCI에서 일부 신경 경로가 손상되지 않은 상태로 유지되기 때문에 TI 자극은 남아 있는 신경 회로의 활동을 향상시켜 신경가소성과 기능 회복을 촉진할 가능성이 높습니다^15,16. 따라서 TI 자극은 SCI 치료를 위한 신경 조절 전략으로서 상당한 가능성을 가지고 있습니다¹⁷.

그러나 현재 TI 자극 하드웨어 시스템은 주로 경두개 응용 분야용으로 설계되었으며 척수 자극을 위해 특별히 개발된 TI 시스템이 부족합니다. 머리와 몸통 사이의 해부학적 및 전기생리학적 차이로 인해 머리용으로 설계된 기존 TI 자극 장치는 척추 자극에 완전히 적용할 수 없어 출력 매개변수 최적화 및 전극 배치에 문제가 있습니다. 머리에 TI 자극을 수행할 때 고정 리드필드 좌표계(예: 10-10 시스템)는 종종 머리에 전극 위치를 쉽게 배치하는 데 사용됩니다. 그러나 이 시스템은 몸통에는 적용되지 않습니다. 또한, TI 자극은 생물학적 조직 깊숙한 곳에서 저주파 외피를 생성하기 때문에 수동 전극 배치만으로는 결과적인 전기장 분포를 예측하기 어렵습니다. 대신 일반적으로 내부 전기장 분포를 시각화하고 최적화하기 위해 계산 시뮬레이션이 필요합니다. 그러나 현재 척추 TI 자극을 위한 전기장 시뮬레이션 및 매개변수 최적화를 위한 확립된 워크플로가 없어 임상 적용에 상당한 어려움을 안겨줍니다. 전극 배치, 자극 주파수 및 전류 진폭과 같은 매개변수는 전기장 분포와 저주파 엔벨로프의 진폭에 직접적인 영향을 미쳐 신경 활동을 조절하고 신경가소성을 촉진합니다^13,17.

본 연구의 목적은 척수 손상 치료에 맞춰진 TI 하드웨어 시스템과 함께 TI 전기장 시뮬레이션 및 매개변수 최적화를 위한 편리하고 효과적인 워크플로를 개발하는 것입니다. 전기장 시뮬레이션 및 매개변수 최적화를 통해 특정 SCI 표적 영역에서 TI의 엔벨로프 필드 진폭을 최대화하는 전극 배치 구성을 결정하여 치료 효능을 향상시키는 것을 목표로 합니다. 또한 최적화된 전극 구성의 실제 구현을 용이하게 하기 위해 머리용 원래의 TI 하드웨어 시스템을 기반으로 척수 TI 자극을 위한 새로운 전극 좌표 위치 지정 방법을 설계했습니다. 이 시스템은 전극 위치 지정을 단순화하고 임상 환경에서 작동 타당성을 향상시키기 위한 것입니다.

이 연구는 인간 피험자를 대상으로 하며 헬싱키 선언에 따라 수행되었습니다. Zhejiang University의 Institutional Review Board로부터 윤리적 승인을 받았습니다. 포함되기 전에 모든 참가자로부터 서면 동의서를 얻어 연구의 목적, 절차, 잠재적 위험 및 불이익 없이 언제든지 철회할 수 있는 권리에 대해 완전히 알렸습니다. 본 연구에 사용된 시약과 장비는 재료표에 나와 있습니다.

금기 사항 및 특별 고려 사항
SCI 환자는 참여에 영향을 미치는 상태를 식별하기 위해 병력 설문지 및 신체 검사를 사용하여 적격성을 평가합니다.
포함 기준: (1) 18세에서 80세 사이의 연령(남성 또는 여성); (2) 1-6개월 발병으로 ASIA B, C 또는 D로 등급이 매겨진 불완전 SCI; (3) 지난 주 동안 ASIA 평가에 변화가 없습니다. (4) 연구 기간 동안 안정적인 약물 요법; (5) 필요한 모든 교육 세션 및 재활 평가 참여를 포함하여 모든 연구 요구 사항을 준수하려는 의지.
제외 기준¹⁷: (1) 신경 장애(예: 뇌졸중, 다발성 경화증, 외상성 뇌 손상)로 인한 운동 기능 제한; (2) 불안정하거나 심각한 의학적 상태(예: 조절되지 않는 고혈압, 심부전)의 존재 (3) 간질 병력; (4) 전기 자극에 대한 금기 사항(예: 이식된 전자 장치, 심박 조율기, 금속 임플란트).

1. 재료

1. 필요한 자료의 완전성을 확인합니다( 재료 표 참조).
2. 자기공명영상(MRI) 또는 컴퓨터 단층촬영(CT) 스캔을 사용하여 SCI 환자를 평가합니다.
3. 전자기 시뮬레이션 소프트웨어를 열어 전기장 시뮬레이션을 수행합니다(모든 단계는 소프트웨어 내에서 구현되므로 다른 소프트웨어로 전환하거나 추가 스크립트를 사용할 필요가 없음). 전기장 시뮬레이션을 수행하기 전에 전자기 시뮬레이션 소프트웨어에 인간 모델(남성 또는 여성)이 포함되어 있는지 확인하십시오.
   1. 이러한 모델을 사용할 수 없는 경우 리본에서 모델/팬텀 - 인간을 선택한 다음 인간 모델을 다운로드합니다. 다운로드가 완료되면 후속 시뮬레이션을 위해 모델을 현재 프로젝트로 가져옵니다.
4. 각 자극 세션 전에 전원 버튼을 눌러 TI 자극기를 켠 다음 지정된 연결 케이블을 사용하여 전극 어댑터를 연결합니다(그림 1). 장치 화면에서 배터리 상태를 확인합니다. 배터리 잔량이 20% 미만인 경우 표준 전기 콘센트에 연결된 지정된 전원 어댑터를 사용하여 즉시 장치를 충전하십시오.
   알림: 호환되지 않는 어댑터는 배터리를 손상시키거나 TI 자극기의 출력에 불규칙성을 일으킬 수 있습니다.
5. 각 Ag/AgCl 전극에 균열, 변색 또는 잔류물이 있는지 육안으로 검사합니다. 이소프로필 알코올과 부드러운 천으로 전극을 청소하여 오염 물질을 제거합니다. 그런 다음 전극 표면에 얇고 균일한 1mm 층의 전도성 젤을 도포하여 접촉 임피던스를 줄이고 자극 중 피부 자극을 방지합니다.
   1. 또한 이러한 매개변수는 후속 전기장 시뮬레이션에서 중요한 역할을 하므로 직경과 두께를 포함하여 전극의 치수에 관한 정확한 정보를 확보하십시오.
6. 케이블 커넥터를 레이블이 지정된 포트에 일치시켜 두 쌍의 전극 케이블을 전극 어댑터에 연결합니다.

2. 전기장 시뮬레이션 및 매개변수 최적화

참고: 전기장 시뮬레이션의 전체 워크플로는 기하학적 모델(인간 모델 및 전극 포함) 구성, 시뮬레이션 조건(재료 특성, 경계 조건 및 메쉬 생성) 정의, 마지막으로 척수 대상 영역의 전기장 분포를 시각화하기 위한 계산 수행의 세 가지 주요 단계로 구성됩니다(그림 2). 매개변수 최적화에는 다양한 후보 전극 쌍 구성에 대한 전기장을 시뮬레이션하고, 대상 영역의 평균 전기장 강도를 계산하고, 이 강도를 최대화하는 구성을 식별하는 작업이 포함됩니다. 구체적인 단계는 다음과 같습니다.

1. 최소 16GB RAM과 멀티 코어 프로세서가 있는 컴퓨터에서 전자기 시뮬레이션 소프트웨어를 실행합니다. 리본에서 파일 - 새 프로젝트를 선택하여 새 프로젝트를 만듭니다.
2. 기하학적 모델 구성
   1. 리본에서 Model 탭을 클릭하고 Model/Phantom - Humans 를 선택하고 남성 또는 여성 정적 모델을 선택하여 인간 모델을 가져옵니다(그림 3).
   2. 해부학적 랜드마크를 사용하여 SCI 부위에 가장 가까운 척추 위치를 식별합니다(예: C5는 C7 극돌기 아래 약 2-3cm에 있으며 목 기저부에서 눈에 띄는 뼈 돌출부로 만져질 수 있음). 선택한 척추의 중앙 영역 바로 위에 있는 피부 표면의 좌표를 원점으로 설정합니다(스케치 - 점). 수평 및 수직 축을 각각 x축과 y축으로 정의합니다(그림 4).
      참고: 프로토콜의 시연에서 C5 척추로 감싼 척수 영역을 자극 대상으로 선택합니다. 이것은 고정된 선택은 아니지만 시연의 편의를 위해 만들어졌습니다. 실제로 프로토콜을 적용할 때 지정된 척수 표적 영역을 임의로 선택할 수 있습니다.
   3. 각 전극 쌍 구성에 대해 4개의 전극을 원점을 중심으로 대칭으로 배치하고(그림 4) 척추의 양쪽에 한 쌍씩 배치합니다. 각 구성에서 4개의 전극의 좌표가 (d₁, d₂), (d₁, -d₂), (-d₁, d₂) 및 (-d₁, -d₂)가 되도록 원점으로부터의 수평 거리(d₁) 및 수직 거리(d₂)로 위치를 정의합니다.
      참고: 이 데모에서는 25개의 전극 쌍 구성이 평가되며, 각 사분면의 인접 전극은 수평으로 1mm, 수직으로 5mm 간격으로 배치되어 후보 전극이 대상 영역에 대해 적절한 범위 내에 분포될 수 있습니다. 구체적인 전극 배치 절차는 다음과 같습니다. 첫 번째 사분면을 예로 들어 보겠습니다.
      1. 리본의 고체 - 원통 형을 클릭하여 임상 치료에 사용되는 실제 전극에 해당하는 치수로 원통형 전극을 만듭니다. 시뮬레이션 모델에서 피부 표면과의 사소한 교차를 설명하기 위해 두께를 약간 증가시킬 수 있습니다.
         참고: 이 데모에서는 전극 직경을 10mm로, 두께를 5mm로 설정했습니다.
      2. 리본에서 이동을 클릭하여 약간의 임베딩과 함께 후방 피부 표면에 원통을 배치합니다. 중심을 (10mm, 10mm)로 조정하여 원점에서 10mm의 수평 및 수직 거리를 나타냅니다.
      3. 모델 탐색기에서 원통을 복제하고 오른쪽으로 11mm 이동하여 두 번째 전극을 (21mm, 10mm)에 배치합니다. 이 과정을 반복하여 (32mm, 10mm), (43mm, 10mm) 및 (54mm, 10mm)에서 추가 전극을 만듭니다.
      4. 첫 번째 전극을 복사하고 위쪽으로 15mm 이동하여 두 번째 전극을 (10mm, 25mm)에 배치합니다. 이 과정을 반복하여 (10mm, 40mm), (10mm, 55mm) 및 (10mm, 70mm)에서 전극을 생성합니다.
      5. 이 과정을 반복하고 첫 번째 사분면 내에 25개의 전극(5행× 5열)을 생성합니다.
         알림: 각 TI 자극 구성은 4개의 전극(2쌍)을 사용하여 척수에 저주파 외피를 생성하기 위해 간섭하는 2개의 킬로헤르츠 주파수 전류를 전달합니다. 배치를 최적화하기 위해 각각 4개의 전극이 있는 25개의 구성이 사분면당 5 x 5 위치 그리드를 사용하여 테스트되며, 모든 시뮬레이션에서 총 100개의 전극이 있습니다. 전극의 크기와 서로 다른 그룹의 전극 사이의 거리는 실제 조건에 따라 지정되며 이 데모는 예시만 제공합니다.
   4. 두 번째, 세 번째 및 네 번째 사분면의 배치 절차에 대해서는 동일한 프로세스를 따릅니다. 완료되면 25개의 전극 쌍 구성(총 100개의 전극)이 모두 그림 4와 같이 배열됩니다.
   5. 모델 탐색기에서 해당 전극을 마우스 오른쪽 버튼으로 클릭하여 전극의 이름을 체계적으로 바꿉니다(예: 첫 번째 사분면은 "ROn", 두 번째 사분면은 "LOn", 세 번째 사분면은 "LBn", 네 번째 사분면은 "RBn", 여기서 n은 1에서 25까지의 그룹 번호).
   6. 3D 모델 뷰에서 전극 배치를 시각적으로 검사합니다. Move 를 사용하여 위치를 조정하여 각 전극이 틈 없이 피부 표면에 약간(0.5mm) 박히도록 합니다.
3. 시뮬레이션 조건 설정
   1. 시뮬레이션 탭을 클릭하고 리본에서 새로 만들기 - EM LF 전기 - 옴 준 통계를 클릭하여 새 시뮬레이션을 만듭니다. 마우스 오른쪽 버튼을 클릭하고 이름을 "LF-R1"으로 바꿉니다. TI 자극은 저주파에서 작동하므로 "Ohmic Quasi-Stat" 솔버를 사용하여 준정적 근사만 고려합니다.
   2. 시뮬레이션 탐색기에서 설정 패널을 클릭하고 주파수를 1040Hz로 설정합니다.
   3. 인간 모델을 Multi-Tree에서 LF-R1 - 재료로 드래그하면 1040Hz에서 조직별 전도도 값이 자동으로 할당됩니다(표 1).
   4. 경계 조건(Boundary Conditions) 에서 경계 유형(Boundary Type) 을 선택하고 드롭다운 메뉴에서 플럭스(Flux) 를 선택하여 기본 경계 설정을 플럭스(Flux) 로 수정합니다. 그런 다음 새 설정을 클릭하여 두 개의 새로운 "경계 설정"을 생성하고 +1V 및 0V의 입력 전압을 할당합니다(그림 5).
      1. 전극 "RO1" 및 "RB1"을 각각 해당 "경계 설정"으로 드래그하여 이러한 설정에 할당하고, "RO1"은 +1V를 출력하고 "RB1"은 반환 경로 역할을 함을 나타냅니다.
   5. "센서"의 기본 설정을 유지하고 계산 리소스를 기반으로 최대 스텝을 1mm로, 형상 해상도를 1mm로 설정하여 그리드를 조정합니다.
   6. "LF-R1"을 복제하여 새로운 시뮬레이션 "LF-L1"을 생성하고, 주파수를 1000Hz로 설정하고, 전극 "LB1"과 "LO1"을 +1V 및 0V "경계 설정"에 할당합니다.
      알림: 이 설정은 "LF-R1"을 미러링하지만 전극 구성이 반대이므로 간섭 효과가 발생합니다. 다른 모든 설정은 변경되지 않습니다. 이것으로 첫 번째 전극 쌍 시뮬레이션 설정이 완료됩니다.
   7. LF-R1 및 LF-L1을 복제하고 이름을 LF-R2 및 LF-L2로 바꾼 다음 경계 설정을 수정하여 해당 전극을 할당합니다. "그리드" 및 "복셀"에서 이전 전극을 제거하고 각 쌍에 대해 새 세트를 추가합니다. 25개 그룹 모두에 대해 반복합니다.
   8. 모든 시뮬레이션이 구성되면 시뮬레이션 탭에서 모든 시뮬레이션을 선택하고 리본에서 자동 그리드 업데이트를 클릭합니다(오른쪽 하단 모서리에 있는 작업 관리자 를 클릭합니다. 창에 그리드가 생성되었음을 나타내면 단계가 정상적으로 진행되고 있음을 확인한 다음 실행 - 일괄 실행 을 선택하여 모든 시뮬레이션을 동시에 실행합니다.
      참고: 1040Hz(LF-R1) 및 1000Hz(LF-L1)의 주파수는 간섭을 통해 40Hz(1040Hz - 1000Hz)의 저주파 엔벨로프를 생성하도록 선택되며, 이는 신경조절을 위한 표적 척수 영역의 유효 자극 주파수입니다¹⁷.
4. 통계 분석 수행
   1. 분석 탭을 클릭하고 LF-R1 - 전체 필드 - 센서 추출기를 선택한 다음 전체 필드를 클릭하여 전체 필드를 생성합니다.
   2. 전체 필드 - EM E(x,y,z,f0) - 필드 데이터 도구 - 필드 스케일링을 클릭하여 전기장 분포를 1V의 입력 전압에서 1mA의 입력 전류로 변환합니다. 배율은 다음과 같이 결정됩니다(그림 6).
      1. 모델 탭에서 리본에서 솔리드 - 블록을 선택하고 전극을 완전히 포함하도록 치수를 설정하여 전극 RO1을 둘러싸는 입방 체적(블록 RO1× × 7mm)을 만듭니다.
      2. 블록 RO1 을 다중 트리 에서 분석 패널로 드래그하여 두 개의 동일한 "블록 RO1" 모듈을 생성합니다.
      3. LF-R1 아래의 전체 필드와 모델 탐색기의 첫 번째 블록 RO1을 선택한 다음 표면 및 EM E(x,y,z,f0)를 동시에 클릭합니다. Flux Evaluator - List Viewer를 클릭하여 "Total Flux" 값을 표시합니다. 0.001을 총 플럭스 값으로 나누어 배율 인수를 계산합니다.
   3. "LF-L1"에 대해 동일한 과정을 반복합니다.
   4. 분석 탐색기의 필드 스케일링에서 LF-R1 및 LF-L1을 다중 선택한 다음 리본에서 최대 변조를 클릭하여 두 전극 쌍의 전기장 분포를 결합합니다. 전극 쌍당 2mA 출력을 반영하려면 "중량 A" 및 "중량 B"를 2로 설정합니다(그림 7).
   5. 척수의 표적 영역에서 평균 전기장 강도를 추출합니다.
      1. 리본에서 Field Data Tools - Mask Filter 를 선택하여 "Mask Filter"를 적용하여 "Spinal Cord" 영역만 유지합니다.
      2. 분석 탐색기에서 LF-R1을 클릭하고 리본에서 Field Data Tools - Crop을 클릭하여 표적 척수 영역을 분리합니다(그림 8).
      3. 리본에서 통계 - 테이블 뷰어 를 클릭하여 잘린 영역의 평균 전기장 강도를 표시합니다(정상 값 범위: 0.1-2V/m).
   6. 25개의 전극 쌍 구성 모두에 대해 이 과정을 반복하고 25개 그룹 모두의 대상에서 평균 전기장 강도를 획득합니다.
   7. 각 구성의 평균 전기장 강도를 비교하고 강도가 가장 높은 구성을 최적의 설정으로 식별합니다.

3. 전극 위치 지정 및 장치 설정

1. 척수손상 환자에게 등받이가 있는 의자에 편안하게 앉도록 요청하고, 옷을 벗거나 조정하여 몸통이 똑바로 세워지고 등이 노출되도록 합니다.
2. 척추를 따라 극돌기를 촉진하여 SCI 부위에 가장 가까운 척추 수준을 식별합니다. C7 극돌기(목 기저부에서 두드러짐)를 찾아 대상 척추까지 아래로 세십시오(예: C5는 C7 위에 있는 두 개의 척추뼈임). 대상 척추의 극돌기 위의 피부 표면을 세척 가능한 마커(58-7726, Crayola Inc.)로 표시하여 원점을 지정한다¹⁸.
3. 이전에 최적화된 전극 배치 매개변수(d₁, d₂)를 기반으로 유연한 측정 테이프를 사용하여 4개의 전극 위치를 측정합니다. 원점에서 d₁을 수평(왼쪽 및 오른쪽)으로, d₂를 수직(위아래)으로 측정하여 4개의 사분면((d₁, d₂), (d₁, -d₂), (-d₁, d₂), (-d₁, -d₂)의 위치를 찾습니다. 빨 수 있는 마커로 각 위치를 표시하십시오.
4. 표시된 전극 부위의 피부를 알코올 물티슈로 청소하여 기름과 이물질을 제거합니다. 피부를 검사하여 베임이나 찰과상이 없고 온전한지 확인하십시오. 주사기 또는 어플리케이터를 사용하여 각 부위에 1.5mL의 전도성 젤을 바르고 직경 10mm 영역에 고르게 펴 바릅니다.
5. 테이프로 초과 케이블 길이를 고정하여 전극 케이블의 장력을 최소화합니다. 케이블을 의자나 근처 스탠드에 부착하여 자연스럽게 매달아 우발적인 분리 위험을 줄입니다.
6. 각 Ag/AgCl 전극을 젤로 덮인 피부에 단단히 눌러 환자의 등에 표시된 위치에 전극을 부착합니다. 각 전극을 접착 테이프로 고정하고 가장자리를 덮어 움직이지 않도록 합니다.
   알림: 오른쪽 및 왼쪽 전극은 각각 전극 쌍을 형성합니다. 오른쪽 상부 전극을 양극으로, 하부 전극을 음극으로 지정합니다. 왼쪽 상부 전극을 음극으로, 하부 전극을 양극으로 지정하여 거울 이미지 구성을 형성합니다.
7. 전극이 올바르게 배치되고 모든 연결이 확인되면 전원 버튼을 눌러 TI 자극기의 전원을 켭니다. 글로벌 매개변수 설정을 클릭하고 다음 자극 매개변수를 구성합니다: 자극 모드: tTIS, 자극 유형: 표준 자극, 총 자극 지속 시간: 1200초, 자극 파형: 메뉴에서 해당 옵션을 선택하여 사인파.
8. 선택한 두 개의 자극 채널에 대해 임피던스 측정을 수행합니다. 임피던스 테스트 시작을 클릭하여 임피던스가 허용 범위 내에 있는지 확인합니다(부하 임피던스가 12kΩ을 초과하면 자극기가 자동으로 출력을 중지함). 효과적인 자극을 위한 최적의 임피던스 범위는 6-8kΩ입니다.
9. 각 채널에 대한 자극 주파수와 출력 전류 진폭을 구성합니다. 채널 1: 주파수는 1040Hz로 설정되고 전류 진폭은 2mA로 설정됩니다. 채널 2: 주파수는 1000Hz로 설정, 전류 진폭은 2mA로 설정¹⁵.

4. 자극

1. 참가자가 시술 내내 편안한 앉은 자세를 유지하고 항상 완전한 의식을 유지하는지 확인하십시오.
2. 장치 인터페이스의 시작 스위치를 눌러 자극기를 활성화하여 자극을 시작합니다.
3. 자극 중 환자의 피드백을 모니터링하여 모든 감각(예: 따끔거림, 불편함)을 보고하도록 요청합니다. 전류 진폭을 0.5mA 단위로 줄이거나 환자가 심각한 불편함이나 강한 따끔거림을 보고하는 경우 중지 버튼을 눌러 즉시 자극을 일시 중지합니다.
   참고: 이 연구 및 유사한 기술에 대한 이전 연구에서 관찰된 바와 같이 경피적 전기 자극에 대한 정상적인 생리적 반응인 경미한 따끔거림 또는 가려움증을 예상하십시오¹⁷. 이 감각은 일반적으로 2-3분 이내에 가라앉습니다.

5. 절차 후 단계

1. 자극 세션이 완료된 후 임피던스 테스트 시작 을 선택하여 임피던스 상태를 다시 측정하여 자극 후 변화를 평가합니다. 비교를 위해 값을 기록합니다.
2. 앉아있는 동안 환자의 균형과 편안함을 확인하여 환자의 신체적 안정성을 확인합니다. 자극을 피하기 위해 의료용 테이프를 피부에서 천천히 떼어내어 부드럽게 제거하십시오. 전극을 한쪽 가장자리에서 들어 올려 조심스럽게 분리합니다.
3. 수도꼭지 아래에서 깨끗한 물로 전극을 헹구고 깨끗한 수건으로 자연 건조시킵니다. 젖은 종이 타월로 전극 부위의 환자 피부를 닦아 잔여 젤을 제거합니다.
4. 환자에게 감각 변화(예: 따끔거림, 무감각), 운동 개선 및 부작용(예: 피부 자극, 통증)에 대해 묻는 표준화된 설문지를 실시합니다. 분석을 위해 응답을 기록합니다¹⁹.

오류 없이 TI 시뮬레이션을 수행할 때 현재 전극 쌍 그룹에 의해 자극된 표적 척수 영역의 평균 전기장 강도를 얻을 수 있습니다. C5 표적 영역을 자극하는 그룹 10을 예로 들면(그림 9), 인터페이스에 표시되는 "부피 가중 평균"은 0.50V/m입니다. 또한 "Max Modulation - Mask Filter - Viewers - Surface Viewer"를 클릭하면 다른 조직을 반투명으로 설정하면서 척수의 전기장 분포에 대한 3D 보기를 유지할 수 있습니다. 이를 통해 C5 대상 영역 주변의 그룹 10의 전기장 분포를 직관적으로 관찰할 수 있습니다(그림 10).

모든 그룹에 대한 시뮬레이션을 완료한 후 각 대상 영역의 평균 전기장 강도를 분석하고 비교합니다. 예를 들어, 모델에서 수행된 시뮬레이션에서 Xie et al.20에 의해 보고된 바와 같이 TI 자극은 C5, T7 및 L3의 세 가지 대상 영역에 적용되었습니다(그림 11). 결과는 d2가 작을수록 대상 영역의 평균 전기장 강도가 낮아진다는 것을 나타냅니다. 세 가지 표적 영역에 대한 최적(d1, d2) 값은 C5의 경우 (32mm, 70mm), T7의 경우 (10mm, 40mm), L3의 경우 (10mm, 70mm)인 것으로 나타났습니다.

실제로 TI 자극을 처음 적용하면 가벼운 가려움증이나 약간의 따끔거림이 발생할 수 있습니다. 이것은 정상적인 생리적 반응으로, 이 연구에서 관찰되고 유사한 전기 자극 기술에 대한 연구에 의해 뒷받침되는 바와 같이 전류가 피부를 통과하고 있음을 나타냅니다19. 감각은 일반적으로 몇 분 안에 감소합니다.

현재 SCI에 대한 TI 자극의 임상 적용은 여전히 제한적이며 치료 효능은 추가 검증이 필요합니다. 그러나 기존 임상 연구에서는 Cheng et al.17에 의해 보고된 바와 같이 2주간의 지속적인 TI 자극이 SCI 환자의 신경학적 기능, 운동 강도, 감각 지각 및 기능적 독립성을 크게 개선하는 것으로 나타났습니다(표 2). 이러한 발견은 TI 자극이 SCI 치료를 위한 효과적인 치료 접근법이라는 가설을 뒷받침합니다.

그림 1: 전기장 시뮬레이션을 기반으로 한 임상 치료 중 전극 배치.전기장 시뮬레이션과 파라미터 최적화를 통해 결정된 최적의 구성에 따라 두 쌍의 전극을 배치하였다. 자극 대상(예: C5)을 식별하고 이 표적 바로 위의 피부 지점(피부 표면에 수직)을 원점으로 정의했습니다. 원점을 기준으로 최적화된 좌표(d1, d2)를 사용하여 두 전극 쌍의 배치 위치를 결정했습니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.

그림 2: 전기장 시뮬레이션 및 매개변수 최적화의 파이프라인. 총 25개의 후보 그룹이 평가되며, 각 그룹은 두 개의 전극 쌍으로 구성됩니다: 한 쌍은 표적 영역의 오른쪽(R2 쌍)에 위치하고 다른 한 쌍은 왼쪽(L2 쌍)에 위치합니다. 각 그룹의 4개 전극은 원점에서 동일한 수평 거리(d1)와 수직 거리(d2)에 배치되어 각 그룹을 (d1, d2)로 표현할 수 있습니다. 전극 쌍을 체계적으로 배치하고 시뮬레이션 조건을 설정함으로써 모든 그룹에 대해 대상 영역 내의 평균 전기장 강도가 계산됩니다. 그런 다음 그룹을 비교하고 가장 높은 평균 전기장 강도를 기준으로 최상의 그룹(d1, d2)을 결정합니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.

그림 3: 시뮬레이션에 사용된 인간 모델. Duke V3.0 Static 인간 모델을 선택하고 리본 인터페이스의 "모델/팬텀" 옵션을 통해 가져왔습니다. 이 모델은 시뮬레이션 환경에서 사용하기 위해 다운로드되어 통합되었습니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.

그림 4: 시뮬레이션 및 파라미터 최적화의 전극 배치. 각 시뮬레이션에는 두 쌍의 전극이 배치되었습니다. 매개변수 최적화 중에 사용되는 모든 전극 구성도 표시됩니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.

그림 5: LF-R1 시뮬레이션의 경계 설정. LF-R1 시뮬레이션의 경계 조건은 먼저 소프트웨어에서 "경계 설정"을 선택하여 구성했습니다. "컨트롤러" 패널에서 "경계 유형"은 "플럭스"로 설정되었습니다. 그런 다음 탐색기에서 "경계 조건"을 마우스 오른쪽 버튼으로 클릭하고 "새 설정"을 선택하여 두 개의 "경계 설정 - Dirichlet" 항목을 만들었습니다. "다중 트리"에서 한 전극 쌍의 양극과 음극이 각각의 Dirichlet 경계 설정에 할당되었습니다. 컨트롤러 패널의 "Constant Potential"은 양극의 경우 1V, 음극의 경우 0V로 설정되었습니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.

그림 6: 1V 입력에서 1mA 입력으로의 전기장 분포 변환. 1V 입력을 사용하여 얻은 전기장 분포를 1mA 입력에 해당하는 전기장 분포로 변환하기 위해 리본에서 "Solids - Block"을 선택하고 전극을 완전히 포함하도록 치수(예: 12mm × 12mm × 7mm)를 조정하여 모델 탭의 전극 RO1 주위에 입방 부피(블록 RO1)를 생성했습니다. 그런 다음 "블록 RO1" 개체를 "다중 트리"에서 "분석" 패널로 드래그하여 두 개의 동일한 모듈을 생성했습니다. "모델" 탐색기 내에서 "LF-R1" 아래의 "전체 필드"와 "블록 RO1"의 첫 번째 인스턴스를 선택한 다음 "표면" 및 "EM E(x,y,z,f0)" 옵션을 활성화했습니다. "Flux Evaluator - List Viewer"는 "Total Flux" 값을 표시하는 데 사용되었습니다. 배율 계수는 0.001을 총 플럭스 값으로 나누어 결정했습니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.

그림 7: 전기장 변조 및 엔벨로프 진폭 계산. 한 그룹의 두 전극 쌍에 의해 생성된 전기장을 변조하고 엔벨로프 진폭을 계산했습니다. "분석" 탐색기의 "필드 스케일링" 아래에 있는 "LF-R1" 및 "LF-L1" 항목을 함께 선택하고, 리본의 "Max Modulation" 기능을 사용하여 두 전극 쌍의 전기장 분포를 결합했습니다. 매개변수 "Weight A" 및 "Weight B"는 모두 전극 쌍당 2mA의 출력에 해당하는 2로 설정되었습니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.

그림 8: 척수 표적 영역의 분리 및 평균 전기장 강도 계산. 표적 척수 부위를 잘라내고 추출하여 전기장 강도를 평가했습니다. "분석" 탐색기에서 "LF-R1" 필드를 선택하고 리본의 "현장 데이터 도구 - 자르기" 기능을 사용하여 원하는 영역을 분리했습니다. 이후에 이 영역 내의 평균 전기장 강도가 계산되었습니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.

그림 9: TI 시뮬레이션에서 척수 표적의 평균 전기장 강도(그룹 10). 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.

그림 10: TI 시뮬레이션에서 척수의 전기장 분포에 대한 3D 보기(그룹 10). 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.

그림 11: 25개 그룹을 사용하여 시뮬레이션된 척수 표적의 평균 전기장 강도. 세 가지 표적 영역에 대한 최적(d1, d2) 값은 C5의 경우 (32mm, 70mm), T7의 경우 (10mm, 40mm), L3의 경우 (10mm, 70mm)인 것으로 나타났습니다. 이 그림은 Xie et al.20에서 수정되었습니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.

표 1: 1kHz에서 상대 조직의 전기 전도도. 이 표를 다운로드하려면 여기를 클릭하십시오.

표 2: TI에 의해 자극된 참가자의 인구통계학적 및 임상적 특성. Cheng et al.17에서 수정되었습니다. 이 표를 다운로드하려면 여기를 클릭하십시오.

모든 저자는 이 기사와 관련된 이해 상충이 없음을 선언합니다.