Method Article

척수 재활을 위한 비침습적 시간 간섭 전기 자극

DOI:

10.3791/68574

⸱

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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이 연구는 특정 영역에 대한 전극 배치를 최적화하고 임상 적용에서 이 최적화된 전략을 효율적으로 구현하는 척수 손상에 대한 TI 자극 프로토콜을 제안합니다.

Abstract

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척수 손상(SCI)은 운동, 감각 및 자율신경 기능의 영구적인 상실로 이어질 수 있으며 재활에 중요한 임상적 문제를 제시합니다. 기존의 재활 접근법 외에도 경막외 척수 자극(eSCI)은 회복을 향상시키는 데 자주 사용됩니다. 그러나 eSCI의 침습적 특성으로 인해 환자의 수용과 광범위한 적용이 제한됩니다. 전통적인 척수 자극과 비교하여 시간적 간섭(TI) 자극은 심부 척수 부위를 자극하는 비침습적 접근 방식을 제공하므로 척수손상 치료에 유망한 기술입니다. SCI 재활을 위한 효과적인 TI 자극을 달성하는 데 중요한 요소는 표적 척수 영역 내에서 높은 전기장 외피를 생성하기 위해 피부 표면에 두 개의 전극 쌍을 정확하게 배치하는 것입니다. 우리는 전기장 시뮬레이션과 매개변수 최적화를 활용하여 특정 SCI 영역에 대한 최적의 전극 배치를 결정하는 고유한 프로토콜을 제안합니다. 또한 이 프로토콜은 임상 TI 자극에서 최적화된 전극 배치 전략을 효율적으로 구현하는 방법에 대한 체계적인 설명을 제공합니다.

Introduction

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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 저하됩니다11,12.

시간적 간섭(TI) 자극은 특정 전류 전달 모드를 통해 심부 조직의 비침습적 자극을 가능하게 하는 새로운 신경 조절 기술입니다13,14. 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 높습니다15,16. 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 촉진합니다13,17.

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.

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Protocol

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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.

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Results

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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 X...

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Discussion

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중요한 단계

시뮬레이션 조건 설정
전극을 인간 모델의 피부 표면에 배치하면 원통형 전극이 부분적으로 피부에 내장되어 전극과 피부 사이에 에어 갭이 없도록 합니다. 그렇지 않으면 전류가 공기를 통과하여 인체로 들어갈 수 없습니다. 전극에서 원점까지의 거리(d1, d2)는 피부가 완벽하게 평평하지 않기 때문에 피부 표면을 따라 측정됩니다. 이 거리는 직접 선형 측정과 약간 다를 수 있습니다.

재료 특성이 형상 모형에 할당되면 전극이 소스 역할을 하기 때문에 재료 특성이 전극에 할당되지 않습니다. 그리드가 구성되면 사용 가능한 계산 리소스에 따라 메시 해상도가 조정됩니다. 지나치게 미세한 메시는 계산 속도를 늦추는 반면, 지나치게 거친 메시는 시뮬레이션의 정확도를 저하시...

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Disclosures

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모든 저자는 이 기사와 관련된 이해 상충이 없음을 선언합니다.

Acknowledgements

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중국 국가자연과학재단(52407261), 저장성 "개척자" 및 "선도적 거위" R&D 프로그램(2025C01137), 저장성 중점 연구 개발 계획(2024C03040), 절강성 재활의학 협회(ZKKY2024008) 연구 특별 기금 프로젝트, ZMT의 Sim4Life, www.zmt.swiss.

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Materials

List of materials used in this article
NameCompanyCatalog NumberComments
3T MRI 또는 CT 시스템과 nbsp;지멘스 헬시니어마그네톰 스카이라는 (MRI) / 소모톰 X.cite (CT)
접착 테이프3M두라포르 1538-1
알코올 물티슈PDI 헬스케어S41125
배터리뉴로돔NervioX-1000의 부속품
컴퓨터 및 nbsp;델 테크놀로지스프리시전 366016GB RAM, 멀티코어 프로세서
전기 전도성 젤소테릭스 HD-1AGE-12
전극 어댑터뉴로돔NervioX-1000의 부속품
전자기 시뮬레이션 소프트웨어ZMT 취리히 메드테크 AGSim4Life v8.0
인간 시뮬레이션 모델 이츠 재단가상 인구 3.0듀크 (정적) 3.0, 엘라 (정적) 3.0
이소프로필 알코올메드라인 인더스트리MDS098003Z
줄자스탠리 툴스33-725
종이 타월킴벌리-클라크킴와이프 34155
주사기 또는 어플리케이터BD305857
TI 자극기뉴로돔네르비오X-1000시간 간섭 자극 장치
Ag/AgCl 전극 두 쌍과 케이블산하이 메디컬 유한회사SHTIS
세척 가능한 마커크레욜라58-7726

References

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,
  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 injury since 2000-2021: A systematic review and meta-analysis. BMC Med. 22 (1), 2000-2021 (2024).
  3. Nas, K., et al. Rehabilitation of spinal cord injuries. World J Orthop. 6 (1), 8-16 (2015).
  4. Hachem, L. D., Ahuja, C. S., Fehlings, M. G. Assessment and management of acute spinal cord injury: From point of injury to rehabilitation. J Spinal Cord Med. 40 (6), 665-675 (2017).
  5. Côté, M. P., Murray, M., Lemay, M. A. Rehabilitation strategies after spinal cord injury: Inquiry into the mechanisms of success and failure. J Neurotrauma. 34 (10), 1841-1857 (2017).
  6. Simpson, L. A., et al. The health and life priorities of individuals with spinal cord injury: A systematic review. J Neurotrauma. 29 (8), 1548-1555 (2012).
  7. Moritz, C., et al. Noninvasive spinal cord electrical stimulation for arm and hand function in chronic tetraplegia: A safety and efficacy trial. Nat Med. 30, 1276-1283 (2024).
  8. Dorrian, R. M., Berryman, C. F., Lauto, A., Leonard, A. V. Electrical stimulation for the treatment of spinal cord injuries: A review of the cellular and molecular mechanisms that drive functional improvements. Front Cell Neurosci. 17, 1095259(2023).
  9. McHugh, C., et al. Epidural spinal cord stimulation for motor recovery in spinal cord injury: A systematic review. NeuroRehabilitation. 49 (1), 1-22 (2021).
  10. Hachmann, J. T., et al. Epidural spinal cord stimulation as an intervention for motor recovery after motor complete spinal cord injury. J Neurophysiol. 126 (6), 1843-1859 (2021).
  11. Wu, L., et al. Literature review and meta-analysis of transcutaneous electrical nerve stimulation in treating chronic back pain. Reg Anesth Pain Med. 43, 425-433 (2018).
  12. Johnson, M. I., Jones, G. Transcutaneous electrical nerve stimulation: Current status of evidence. Pain Manag. 7 (1), 1-4 (2017).
  13. Grossman, N., et al. Noninvasive deep brain stimulation via temporally interfering EFs. Cell. 169 (6), 1029-1041 (2017).
  14. Wang, Y., et al. The safety and efficacy of applying a high-current temporal interference electrical stimulation in humans. Front Hum Neurosci. 18, 1484593(2024).
  15. Alania, K., et al. Noninvasive temporal interference hippocampal stimulation in early Alzheimer's disease. Alzheimers Dement. 19 (21), (2023).
  16. Demchenko, I., et al. Target engagement of the subgenual anterior cingulate cortex with transcranial temporal interference stimulation in major depressive disorder: A protocol for a randomized sham-controlled trial. Front Neurosci. , 18(2024).
  17. Cheng, R., et al. Efficacy of temporal interference electrical stimulation for spinal cord injury rehabilitation: A case series. arXiv preprint. , (2024).
  18. Póvoa, L. C., Ferreira, A. P., Silva, J. G. Validation of palpatory methods for evaluating anatomical bone landmarks of the cervical spine: A systematic review. J Manipulative Physiol Ther. 38 (4), 302-310 (2015).
  19. Brunoni, A. R., Amadera, J., Berbel, B., Volz, M. S., Rizzerio, B. G., Fregni, F. A systematic review on reporting and assessment of adverse effects associated with transcranial direct current stimulation. Int J Neuropsychopharmacol. 14 (8), 1133-1145 (2011).
  20. Xie, X., et al. Noninvasive temporal interference electrical stimulation for spinal cord injury rehabilitation: A simulation study. arXiv preprint. , (2025).
  21. Botzanowski, B., et al. Focal control of noninvasive deep brain stimulation using multipolar temporal interference. bioRxiv. , (2023).
  22. Acerbo, E., et al. Improved temporal and spatial focality of noninvasive deep-brain stimulation using multipolar single-pulse temporal interference with applications in epilepsy. bioRxiv. , (2024).
  23. Rehman, M. U., et al. Optimization of transspinal stimulation applications for motor recovery after spinal cord injury: Scoping review. J Clin Med. 12 (3), 854(2023).
  24. Gabriel, S., Lau, R. W., Gabriel, C. The dielectric properties of biological tissues: III. Parametric models for the dielectric spectrum of tissues. Phys Med Biol. 41 (11), 2271-2293 (1996).
  25. Geddes, L. A., Baker, L. E. The specific resistance of biological material: A compendium of data for the biomedical engineer and physiologist. Med Biol Eng. 5 (3), 271-293 (1967).
  26. Balmer, T. W., et al. Characterization of the electrical conductivity of bone and its correlation to osseous structure. Sci Rep. 8 (1), 8601(2018).
  27. Reddy, G. N., Saha, S. Electrical and dielectric properties of wet bone as a function of frequency. IEEE Trans Biomed Eng. 31 (3), 296-303 (1984).
  28. Liu, J., Wang, Y., Katscher, U., He, B. Electrical properties tomography based on B1 maps in MRI: Principles, applications, and challenges. IEEE Trans Biomed Eng. 64 (11), 2515-2530 (2017).
  29. Michel, E., Hernandez, D., Lee, S. Y. Electrical conductivity and permittivity maps of brain tissues derived from water content based on T1-weighted acquisition. Magn Reson Med. 77 (3), 1094-1103 (2017).
  30. Jahng, G., Lee, M. B., Principle Kwon, O. I. development, and application of electrical conductivity mapping using magnetic resonance imaging. Prog Med Phys. 35 (4), 73-88 (2024).

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