Method Article

Niet-invasieve tijdelijke interferentie elektrische stimulatie voor revalidatie van het ruggenmerg

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

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Deze studie stelt een TI-stimulatieprotocol voor ruggenmergletsel voor dat de plaatsing van elektroden voor specifieke regio's optimaliseert en deze geoptimaliseerde strategie efficiënt implementeert in klinische toepassing.

Abstract

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Ruggenmergletsel (SCI) kan leiden tot permanent verlies van motorische, sensorische en autonome functies, wat een aanzienlijke klinische uitdaging vormt voor revalidatie. Naast conventionele revalidatiebenaderingen wordt epidurale ruggenmergstimulatie (eSCI) vaak gebruikt om het herstel te bevorderen. Het invasieve karakter van eSCI beperkt echter de acceptatie door patiënten en de wijdverbreide toepassing. Vergeleken met traditionele stimulatie van het ruggenmerg, biedt stimulatie van tijdelijke interferentie (TI) een niet-invasieve benadering om diepe ruggenmerggebieden te stimuleren, waardoor het een veelbelovende techniek is voor de behandeling van dwarslaesie. Een kritische factor bij het bereiken van effectieve TI-stimulatie voor SCI-revalidatie is de nauwkeurige plaatsing van twee elektrodeparen op het huidoppervlak om een envelop met een hoog elektrisch veld te genereren binnen het beoogde ruggenmerggebied. We stellen een uniek protocol voor dat gebruikmaakt van elektrische veldsimulaties en parameteroptimalisatie om de optimale plaatsing van de elektroden voor specifieke SCI-regio's te bepalen. Bovendien biedt dit protocol een systematische beschrijving van hoe de geoptimaliseerde elektrodeplaatsingsstrategie efficiënt kan worden geïmplementeerd bij klinische TI-stimulatie.

Introduction

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Ruggenmergletsel (SCI) is een slopende aandoening van het centrale zenuwstelsel die kan leiden tot het permanente verlies van motorische, sensorische en autonome functies onder het niveau van letsel 1,2. Bijgevolg is de behandeling en revalidatie van dwarslaesiepatiënten een centraal punt geworden in zowel wetenschappelijk onderzoek als de klinische praktijk. Traditionele behandelingsbenaderingen, waaronder farmacologische en fysische therapieën, hebben bepaalde beperkingen bij het bevorderen van functioneel herstel 3,4,5,6. Onder de fysische therapieën is elektrische stimulatie van het ruggenmerg naar voren gekomen als een effectieve strategie voor SCI-revalidatie, die kan worden onderverdeeld in invasieve en niet-invasieve modaliteiten 7,8. Invasieve elektrische stimulatie van het ruggenmerg, zoals epidurale ruggenmergstimulatie (eSCI), levert directe elektrische stimulatie via geïmplanteerde elektroden, maar brengt risico's op infectie en vorming van littekenweefsel met zich mee 9,10. Daarentegen zijn niet-invasieve technieken, zoals transcutane elektrische zenuwstimulatie (TENS), beperkt in hun vermogen om effectief diepe spinale structuren te bereiken, waardoor de therapeutische werkzaamheid in het gedrang komt11,12.

Stimulatie van temporele interferentie (TI) is een opkomende neuromodulatietechnologie die niet-invasieve stimulatie van diepe weefsels mogelijk maakt via een specifieke manier van elektrische stroomafgifte 13,14. Bij deze techniek worden twee paar elektroden op het huidoppervlak geplaatst om elektrische stromen af te geven met iets verschillende kilohertz-frequenties. Op basis van het interferentieprincipe genereert deze opstelling een unieke laagfrequente envelop (variërend van enkele hertz tot enkele tientallen hertz) in diepe weefsels, waardoor gerichte neuromodulatie mogelijk wordt. Dit onderscheidende werkingsmechanisme stelt TI-stimulatie in staat om de dieptebeperkingen van conventionele neuromodulatietechnieken te overwinnen, waardoor een effectieve interventie wordt geboden voor diepe neurale structuren zonder invasieve procedures. In tegenstelling tot TENS bereikt TI een diepere penetratie met een hoge ruimtelijke specificiteit, en in tegenstelling tot eSCI vermijdt het chirurgische risico's en biedt het een veiliger, toegankelijker alternatief voor SCI-neuromodulatie. TI-stimulatie is onderzocht voor de behandeling van verschillende ziekten, zoals bewegingsstoornissen en depressie. Bij onvolledige dwarslaesie, aangezien sommige neurale paden intact blijven, is het zeer waarschijnlijk dat TI-stimulatie de activiteit van de resterende neurale circuits verbetert, waardoor neuroplasticiteit en functioneel herstel worden bevorderd15,16. TI-stimulatie is dus veelbelovend als neuromodulatiestrategie voor de behandeling van dwarslaesie17.

De huidige hardwaresystemen voor TI-stimulatie zijn echter in de eerste plaats ontworpen voor transcraniële toepassingen en er is een gebrek aan TI-systemen die speciaal zijn ontwikkeld voor stimulatie van het ruggenmerg. Vanwege anatomische en elektrofysiologische verschillen tussen het hoofd en de romp zijn bestaande TI-stimulatieapparaten die voor het hoofd zijn ontworpen, niet volledig toepasbaar op spinale stimulatie, wat leidt tot uitdagingen bij de optimalisatie van de outputparameters en de plaatsing van de elektroden. Bij het uitvoeren van TI-stimulatie op het hoofd wordt vaak een vast leadfield-coördinatensysteem (zoals het 10-10-systeem) gebruikt om de plaatsing van de elektroden op het hoofd te vergemakkelijken. Dit systeem is echter niet van toepassing op de romp. Bovendien, omdat TI-stimulatie laagfrequente enveloppen genereert diep in biologische weefsels, is het moeilijk om de resulterende elektrische veldverdeling te voorspellen uitsluitend op basis van handmatige plaatsing van de elektrode. In plaats daarvan zijn computationele simulaties meestal nodig om de interne verdeling van elektrische velden te visualiseren en te optimaliseren. Op dit moment is er echter geen vaste workflow voor simulatie van elektrische velden en parameteroptimalisatie voor spinale TI-stimulatie, wat aanzienlijke uitdagingen met zich meebrengt voor de klinische toepassing ervan. Parameters zoals plaatsing van de elektrode, stimulatiefrequenties en stroomamplitude hebben een directe invloed op de verdeling van het elektrische veld en de amplitude van de laagfrequente envelop, waardoor de neurale activiteit wordt gemoduleerd en de neuroplasticiteit wordt bevorderd13,17.

Het doel van deze studie is het ontwikkelen van een handige en effectieve workflow voor TI-simulatie van elektrische velden en parameteroptimalisatie, samen met een TI-hardwaresysteem dat is afgestemd op de behandeling van ruggenmergletsel. Door middel van simulatie van elektrische velden en parameteroptimalisatie streven we ernaar om configuraties voor elektrodeplaatsing te bepalen die de amplitude van het envelopveld van TI in specifieke SCI-doelgebieden maximaliseren, waardoor de therapeutische werkzaamheid wordt verbeterd. Om de praktische implementatie van geoptimaliseerde elektrodeconfiguraties te vergemakkelijken, hebben we bovendien een nieuwe positioneringsmethode voor elektrodecoördinaten voor TI-stimulatie van het ruggenmerg ontworpen op basis van het originele TI-hardwaresysteem voor het hoofd. Dit systeem is bedoeld om de positionering van de elektroden te vereenvoudigen en de operationele haalbaarheid in klinische omgevingen te verbeteren.

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Protocol

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Bij dit onderzoek zijn mensen betrokken en het onderzoek werd uitgevoerd in overeenstemming met de Verklaring van Helsinki. Ethische goedkeuring werd verkregen van de Institutional Review Board van de Universiteit van Zhejiang. Voorafgaand aan hun opname werd schriftelijke geïnformeerde toestemming verkregen van alle deelnemers, zodat ze volledig op de hoogte waren van het doel van het onderzoek, de procedures, de mogelijke risico's en hun recht om zich op elk moment zonder boete terug te trekken. De reagentia en de apparatuur die in dit onderzoek zijn gebruikt, staan vermeld in de materiaaltabel.

Contra-indicaties en speciale overwegingen
SCI-patiënten worden beoordeeld op geschiktheid met behulp van een vragenlijst over de medische geschiedenis en lichamelijk onderzoek om aandoeningen te identificeren die van invloed zijn op deelname:
Inclusiecriteria: (1) Leeftijd tussen 18 en 80 jaar (man of vrouw); (2) Onvolledige dwarslaesie geclassificeerd als ASIA B, C of D, met aanvang van 1-6 maanden; (3) Geen wijzigingen in de ASIA-beoordeling in de afgelopen week; (4) Stabiel medicatieregime gedurende de onderzoeksperiode; (5) Bereidheid om te voldoen aan alle studievereisten, inclusief deelname aan alle vereiste trainingssessies en revalidatiebeoordelingen.
Uitsluitingscriterium17: (1) Motorische functiebeperkingen als gevolg van neurologische aandoeningen (bijv. beroerte, multiple sclerose, traumatisch hersenletsel); (2) Aanwezigheid van onstabiele of ernstige medische aandoeningen (bijv. ongecontroleerde hypertensie, hartfalen); (3) Geschiedenis van epilepsie; (4) Contra-indicaties voor elektrische stimulatie (bijv. geïmplanteerde elektronische apparaten, pacemakers, metalen implantaten).

1. Materialen

  1. Controleer de volledigheid van de vereiste materialen (zie Materiaaltabel).
  2. Evalueer SCI-patiënten met behulp van magnetische resonantiebeeldvorming (MRI) of computertomografie (CT) scans.
  3. Open elektromagnetische simulatiesoftware om elektrische veldsimulaties uit te voeren (alle stappen worden geïmplementeerd in de software, waardoor het niet nodig is om over te schakelen naar andere software of extra scripts te gebruiken). Voordat u elektrische veldsimulaties uitvoert, moet u ervoor zorgen dat de elektromagnetische simulatiesoftware menselijke modellen bevat (mannelijk of vrouwelijk).
    1. Als deze modellen niet beschikbaar zijn, selecteert u Model/Phantom - Humans op het lint en downloadt u vervolgens het menselijke model. Zodra het downloaden is voltooid, importeert u het model in het huidige project voor volgende simulaties.
  4. Druk voor elke stimulatiesessie op de aan/uit-knop om de TI-stimulator in te schakelen en sluit vervolgens de elektrodeadapter aan met behulp van de daarvoor bestemde aansluitkabels (Figuur 1). Controleer de batterijstatus op het scherm van het apparaat. Laad het apparaat onmiddellijk op als het batterijniveau lager is dan 20%, met behulp van de daarvoor bestemde voedingsadapter die is aangesloten op een standaard stopcontact.
    OPMERKING: Incompatibele adapters kunnen de batterij beschadigen of onregelmatigheden veroorzaken in de output van de TI-stimulator.
  5. Inspecteer elke Ag/AgCl-elektrode visueel op scheuren, verkleuring of resten. Reinig de elektroden met isopropylalcohol en een zachte doek om verontreinigingen te verwijderen. Breng vervolgens een dunne en gelijkmatige laag geleidende gel van 1 mm aan op het oppervlak van de elektrode om de contactimpedantie te verminderen en huidirritatie tijdens de stimulatie te voorkomen.
    1. Zorg er bovendien voor dat u nauwkeurige informatie heeft over de afmetingen van de elektroden, inclusief hun diameter en dikte, aangezien deze parameters een cruciale rol spelen bij latere simulaties van elektrische velden.
  6. Sluit de twee paar elektrodekabels aan op de elektrodeadapter door de kabelconnectoren aan te passen aan de gelabelde poorten.

2. Elektrische veldsimulatie en parameteroptimalisatie

OPMERKING: De algehele workflow van de simulatie van elektrische velden bestaat uit drie hoofdstappen: het construeren van het geometrische model (inclusief het menselijke model en de elektroden), het definiëren van simulatievoorwaarden (materiaaleigenschappen, randvoorwaarden en het genereren van mazen) en ten slotte het uitvoeren van berekeningen om de verdeling van het elektrische veld in het doelgebied van het ruggenmerg te visualiseren (Figuur 2). Parameteroptimalisatie omvat het simuleren van elektrische velden voor verschillende kandidaat-elektrodepaarconfiguraties, het berekenen van de gemiddelde elektrische veldintensiteit in het doelgebied en het identificeren van de configuratie die deze intensiteit maximaliseert. De specifieke stappen zijn als volgt:

  1. Start de elektromagnetische simulatiesoftware op een computer met ten minste 16 GB RAM en een multi-core processor. Maak een nieuw project door Bestand - Nieuw project op het lint te selecteren.
  2. Geometrische modelbouw
    1. Klik op het tabblad Model in het lint en importeer een menselijk model door Model/Phantom - Humans te selecteren en een mannelijk of vrouwelijk statisch model te kiezen (Afbeelding 3).
    2. Identificeer de wervellocatie die zich het dichtst bij de SCI-plaats bevindt met behulp van anatomische oriëntatiepunten (bijv. C5 bevindt zich ongeveer 2-3 cm onder de processus spinosus C7, voelbaar als een prominent benig uitsteeksel aan de basis van de nek). Stel de coördinaat van het huidoppervlak direct boven het centrale gebied van de geselecteerde wervel in als oorsprong (Schets - Punt). Definieer de horizontale en verticale as als respectievelijk de x- en y-as (Figuur 4).
      OPMERKING: Bij de demonstratie van het protocol selecteren we het ruggenmerggebied dat door de C5-wervel wordt omwikkeld als het stimulatiedoelwit. Dit is geen vaststaande keuze, maar het is gemaakt voor het gemak van demonstratie. Bij het toepassen van het protocol in de praktijk kan elk gespecificeerd doelgebied van het ruggenmerg willekeurig worden geselecteerd.
    3. Plaats voor elke configuratie van het elektrodepaar de vier elektroden symmetrisch rond de oorsprong (Figuur 4), met één paar aan elke kant van de wervelkolom. Definieer posities op basis van de horizontale afstand (d1) en verticale afstand (d2) vanaf de oorsprong, zodat de coördinaten van de vier elektroden in elke configuratie (d1, d2), (d1, -d2), (-d1, d2) en (-d1, -d2) zijn.
      OPMERKING: In deze demonstratie worden 25 elektrodepaarconfiguraties geëvalueerd, waarbij aangrenzende elektroden in elk kwadrant horizontaal 1 mm uit elkaar en verticaal 5 mm uit elkaar staan, waardoor de kandidaat-elektroden binnen een geschikt bereik ten opzichte van het doelgebied kunnen worden verdeeld. De specifieke procedure voor het plaatsen van de elektrode is als volgt. Met het eerste kwadrant als voorbeeld:
      1. Maak een cilindrische elektrode door op Vaste stoffen - Cilinder in het lint te klikken met afmetingen die overeenkomen met de werkelijke elektroden die in de klinische behandeling worden gebruikt. De dikte kan iets worden vergroot om rekening te houden met kleine kruispunten met het huidoppervlak in het simulatiemodel.
        OPMERKING: In deze demonstratie werd de diameter van de elektrode ingesteld op 10 mm en de dikte op 5 mm.
      2. Klik op Verplaatsen in het lint om de cilinder met lichte inbedding op het achterste huidoppervlak te plaatsen. Stel het midden in op (10 mm, 10 mm), wat een horizontale en verticale afstand van 10 mm vanaf de oorsprong vertegenwoordigt.
      3. Dupliceer de cilinder in de modelverkenner en verschuif deze 11 mm naar rechts om de tweede elektrode op (21 mm, 10 mm) te plaatsen. Herhaal dit proces om extra elektroden te maken bij (32 mm, 10 mm), (43 mm, 10 mm) en (54 mm, 10 mm).
      4. Kopieer de eerste elektrode en verschuif deze 15 mm naar boven om de tweede elektrode op (10 mm, 25 mm) te plaatsen. Herhaal dit proces om elektroden te genereren op (10 mm, 40 mm), (10 mm, 55 mm) en (10 mm, 70 mm).
      5. Herhaal dit proces, genereer 25 elektroden (5 rijen × 5 kolommen) in het eerste kwadrant.
        OPMERKING: Elke TI-stimulatieconfiguratie maakt gebruik van vier elektroden (twee paren) om twee kilohertz-frequentiestromen af te geven die interfereren om een laagfrequente envelop in het ruggenmerg te creëren. Om de plaatsing te optimaliseren, worden 25 configuraties, elk met vier elektroden, getest met behulp van een raster van 5 x 5 posities per kwadrant, in totaal 100 elektroden in alle simulaties. De grootte van de elektroden en de afstand tussen de elektroden in verschillende groepen worden gespecificeerd op basis van de werkelijke omstandigheden, en deze demonstratie geeft slechts een voorbeeld.
    4. Volg hetzelfde proces voor de plaatsingsprocedure van het tweede, derde en vierde kwadrant. Na voltooiing zijn alle 25 elektrodepaarconfiguraties (in totaal 100 elektroden) gerangschikt zoals weergegeven in afbeelding 4.
    5. Wijzig de naam van elektroden systematisch door met de rechtermuisknop op de corresponderende elektrode in de modelverkenner te klikken (bijv. "ROn" voor het eerste kwadrant, "LOn" voor het tweede, "LBn" voor het derde, "RBn" voor het vierde, waarbij n het groepsnummer is van 1 tot 25).
    6. Inspecteer de plaatsing van de elektroden visueel in de 3D-modelweergave. Pas de posities aan met behulp van de Move om ervoor te zorgen dat elke elektrode lichtjes (0.5 mm) zonder openingen in het huidoppervlak wordt ingebed.
  3. Instelling van simulatievoorwaarden
    1. Klik op het tabblad Simulatie en maak een nieuwe simulatie aan door op Nieuw - EM LF Electro - Ohmic Quasi-Stat in het lint te klikken. Klik met de rechtermuisknop en hernoem het "LF-R1". Aangezien TI-stimulatie bij lage frequenties werkt, gebruikt u de "Ohmic Quasi-Stat"-oplosser om alleen de quasi-statische benadering in overweging te nemen.
    2. Klik op het deelvenster Instellingen onder Simulatieverkenner en stel de frequentie in op 1040 Hz.
    3. Sleep het menselijke model van de Multi-Tree naar LF-R1 - Materialen, die automatisch weefselspecifieke geleidbaarheidswaarden toewijst bij 1040 Hz (Tabel 1).
    4. Wijzig in Randvoorwaarden de standaard Grensinstellingen in Flux door Grenstype te selecteren en Flux te kiezen in het vervolgkeuzemenu. Maak vervolgens twee nieuwe "Grensinstellingen" door op een nieuwe instelling te klikken en wijs ingangsvoltages van +1 V en 0 V toe ( Figuur 5).
      1. Wijs de elektroden "RO1" en "RB1" toe aan deze instellingen door ze respectievelijk naar de respectievelijke "Grensinstellingen" te slepen, om aan te geven dat "RO1" +1 V uitvoert, terwijl "RB1" als retourpad dient.
    5. Behoud de standaardinstellingen voor "Sensoren" en pas het raster aan door de maximale stap in te stellen op 1 mm en de geometrieresolutie op 1 mm, op basis van rekenbronnen.
    6. Maak een nieuwe simulatie "LF-L1" door "LF-R1" te dupliceren, stel de frequentie in op 1000 Hz en wijs de elektroden "LB1" en "LO1" toe aan de +1 V en 0 V "Grensinstellingen".
      OPMERKING: Deze opstelling weerspiegelt "LF-R1", maar met de tegenovergestelde elektrodeconfiguratie, waardoor het interferentie-effect wordt gegenereerd. Alle andere instellingen blijven ongewijzigd. Hiermee is de eerste simulatie-opstelling van het elektrodepaar voltooid.
    7. Dupliceer LF-R1 en LF-L1, hernoem ze als LF-R2 en LF-L2 en wijzig de grensinstellingen om de bijbehorende elektroden toe te wijzen. Verwijder eerdere elektroden uit "Grid" en "Voxels" en voeg de nieuwe set voor elk paar toe. Herhaal dit voor alle 25 groepen.
    8. Zodra alle simulaties zijn geconfigureerd, selecteert u alle simulaties op het tabblad Simulatie en klikt u op Auto Grid Update in het lint (Klik op Taakbeheer in de rechter benedenhoek. Als het venster aangeeft dat het raster is gemaakt, bevestigt dit dat de stappen normaal verlopen) en selecteer vervolgens Uitvoeren - Batch uitvoeren om alle simulaties tegelijkertijd uit te voeren.
      OPMERKING: De frequenties van 1040 Hz (LF-R1) en 1000 Hz (LF-L1) worden gekozen om een laagfrequente envelop van 40 Hz (1040 Hz - 1000 Hz) te produceren door middel van interferentie, wat de effectieve stimulatiefrequentie is in het doelgebied van het ruggenmerg voor neuromodulatie17.
  4. Statistische analyse uitvoeren
    1. Klik op het tabblad Analyse , selecteer LF-R1 - Totaalveld - Sensorextractor en klik op Totaalveld om een totaalveld te genereren.
    2. Klik op Overall Field - EM E(x,y,z,f0) - Field Data Tools - Field Scaling om de elektrische veldverdeling om te zetten van een ingangsspanning van 1V naar een ingangsstroom van 1mA. De schaalfactor wordt als volgt bepaald (figuur 6):
      1. Maak op het tabblad Model een kubisch volume (blok RO1) dat elektrode RO1 omsluit door Vaste stoffen - blok op het lint te selecteren en de afmetingen zo in te stellen dat de elektrode volledig wordt omvat (bijv. 12 mm × 12 mm × 7 mm).
      2. Sleep Blok RO1 van de Multi-tree naar het deelvenster Analyse en genereer twee identieke "Blok RO1"-modules.
      3. Selecteer Algemeen veld onder LF-R1 en het eerste blok RO1 in de modelverkenner en klik vervolgens tegelijkertijd op Surface en EM E (x,y,z,f0). Klik op Flux Evaluator - List Viewer om de waarde "Total Flux" weer te geven. Bereken de schaalfactor door 0,001 te delen door de waarde van de Total Flux.
    3. Herhaal hetzelfde proces voor "LF-L1" .
    4. Selecteer LF-R1 en LF-L1 onder Field Scaling in de Analysis explorer en klik vervolgens op Max Modulation op het lint om de elektrische veldverdelingen van de twee elektrodeparen te koppelen. Stel "Gewicht A" en "Gewicht B" in op 2 om 2 mA-output per elektrodepaar weer te geven (Afbeelding 7).
    5. Extraheer de gemiddelde intensiteit van het elektrische veld in het doelgebied van het ruggenmerg:
      1. Pas een maskerfilter toe door Hulpmiddelen voor veldgegevens - Maskerfilter in het lint te selecteren om alleen het gebied "Ruggenmerg" te behouden.
      2. Klik op LF-R1 in de Analysis explorer en klik op Field Data Tools - Crop in het lint om het doelgebied van het ruggenmerg te isoleren (Figuur 8).
      3. Klik op Statistieken - Tabelviewer op het lint om de gemiddelde intensiteit van het elektrische veld voor het bijgesneden gebied weer te geven (normaal waardebereik: 0,1-2 V/m).
    6. Herhaal het proces voor alle 25 elektrodepaarconfiguraties en verkrijg de gemiddelde elektrische veldintensiteit bij het doel van alle 25 groepen.
    7. Vergelijk de gemiddelde intensiteit van het elektrische veld voor elke configuratie en identificeer de configuratie met de hoogste intensiteit als de optimale opstelling.

3. Plaatsing van de elektrode en instelling van het apparaat

  1. Vraag de SCI-patiënt om comfortabel op een stoel met een rugleuning te zitten, ervoor te zorgen dat de romp rechtop staat en de rug bloot ligt door kleding uit te trekken of aan te passen.
  2. Identificeer het wervelniveau dat zich het dichtst bij de SCI-plaats bevindt door de doornuitsteeksels langs de wervelkolom te palperen. Lokaliseer de processus spinosus C7 (prominent aan de basis van de nek) en tel naar beneden tot aan de doelwervel (bijv. C5 is twee wervels boven C7). Markeer het huidoppervlak boven de processus spinosus van de doelwervel met een afwasbare marker (58-7726, Crayola Inc.) om de oorsprong18 aan te geven.
  3. Meet op basis van de eerder geoptimaliseerde plaatsingsparameters van de elektroden (d1, d2) de vier elektrodeposities met behulp van een flexibel meetlint. Meet vanaf de oorsprong d1 horizontaal (links en rechts) en d2 verticaal (omhoog en omlaag) om posities in de vier kwadranten te lokaliseren: (d1, d2), (d1, -d2), (-d1, d2), (-d1, -d2). Markeer elke positie met een afwasbare stift.
  4. Reinig de huid op de gemarkeerde elektrodeplaatsen met alcoholdoekjes om olie en vuil te verwijderen. Inspecteer de huid om er zeker van te zijn dat deze intact is, zonder snijwonden of schaafwonden. Breng 1,5 ml geleidende gel aan op elke plaats met behulp van een spuit of applicator en verdeel het gelijkmatig over een gebied met een diameter van 10 mm.
  5. Minimaliseer de spanning op de elektrodekabels door overtollige kabellengte vast te zetten met tape. Hang kabels op om ze op natuurlijke wijze op te hangen door ze aan de stoel of een nabijgelegen standaard te bevestigen, waardoor het risico op onbedoeld losraken wordt verkleind.
  6. Bevestig de elektroden op de gemarkeerde posities op de rug van de patiënt door elke Ag/AgCl-elektrode stevig op de met gel bedekte huid te drukken. Zet elke elektrode vast met plakband en bedek de randen om beweging te voorkomen.
    OPMERKING: De elektroden aan de rechter- en linkerkant vormen elk een elektrodepaar. Wijs de bovenste elektrode aan de rechterkant aan als de anode en de onderste elektrode als de kathode. Wijs de linker bovenste elektrode aan als de kathode en de onderste elektrode als de anode, zodat u een spiegelbeeldconfiguratie vormt.
  7. Zodra de elektroden correct zijn geplaatst en alle aansluitingen zijn gecontroleerd, schakelt u de TI-stimulator in door op de aan/uit-knop te drukken. Klik op Global Parameter Settings en configureer de volgende stimulatieparameters: Stimulatiemodus: tTIS, Stimulatietype: Standaard Stimulatie, Totale stimulatieduur: 1200 s, Stimulatiegolfvorm: Sinusgolf door de overeenkomstige opties in het menu te selecteren.
  8. Voer impedantiemetingen uit voor de twee geselecteerde stimulatiekanalen. Klik op Start Impedantietest om er zeker van te zijn dat de impedantie binnen het acceptabele bereik valt (de stimulator stopt automatisch de output als de belastingsimpedantie hoger is dan 12 kΩ). Het optimale impedantiebereik voor effectieve stimulatie is 6-8 kΩ.
  9. Configureer de stimulatiefrequentie en de amplitude van de uitgangsstroom voor elk kanaal. Kanaal 1: Frequentie ingesteld op 1040 Hz, stroomamplitude ingesteld op 2 mA. Kanaal 2: Frequentie ingesteld op 1000 Hz, stroomamplitude ingesteld op 2 mA15.

4. Stimulatie

  1. Zorg ervoor dat de deelnemer tijdens de procedure in een comfortabele zithouding blijft en te allen tijde volledig bij bewustzijn blijft.
  2. Activeer de stimulator door op de Start-schakelaar op de interface van het apparaat te drukken om de stimulatie te starten.
  3. Bewaak de feedback van de patiënt tijdens de stimulatie door hem te vragen eventuele sensaties (bijv. tintelingen, ongemak) te melden. Verminder de stroomamplitude in stappen van 0,5 mA of pauzeer de stimulatie onmiddellijk door op de stopknop te drukken als de patiënt aanzienlijk ongemak of een sterk prikkend gevoel meldt.
    OPMERKING: Verwacht een licht tintelend of jeukend gevoel, wat een normale fysiologische reactie is op transcutane elektrische stimulatie, zoals waargenomen in dit onderzoek en in eerder onderzoek naar vergelijkbare technieken17. Dit gevoel verdwijnt meestal binnen 2-3 minuten.

5. Stappen na de procedure

  1. Nadat de stimulatiesessie is voltooid, meet u de impedantiestatus opnieuw door Impedantietest starten te selecteren om veranderingen na de stimulatie te beoordelen. Noteer de waarden ter vergelijking.
  2. Controleer de fysieke stabiliteit van de patiënt door zijn evenwicht en comfort tijdens het zitten te controleren. Verwijder de medische tape voorzichtig door deze langzaam van de huid te trekken om irritatie te voorkomen. Maak de elektroden voorzichtig los door ze aan één rand op te tillen.
  3. Spoel elektroden af met schoon water onder een kraan en laat ze aan de lucht drogen op een schone handdoek. Veeg de huid van de patiënt op de plaatsen van de elektroden af met adamp papieren handdoek om resterende gel te verwijderen.
  4. Beheer een gestandaardiseerde vragenlijst bij de patiënt, waarin wordt gevraagd naar sensorische veranderingen (bijv. tintelingen, gevoelloosheid), motorische verbeteringen en bijwerkingen (bijv. huidirritatie, pijn). Antwoorden vastleggen voor analyse19.

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Results

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Door TI-simulaties foutloos uit te voeren, kan de gemiddelde elektrische veldintensiteit in het doelgebied van het ruggenmerg, gestimuleerd door de huidige groep elektrodeparen, worden verkregen. Als we Groep 10 nemen die het C5-doelgebied stimuleert als voorbeeld (Figuur 9), is het "Volume Weighted Average" dat in de interface wordt weergegeven 0.50 V/m. Door te klikken op "Max Modulation - Mask Filter - Viewers - Surface Viewer

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Discussion

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Kritieke stappen

Simulatiecondities instellen
Wanneer elektroden op het huidoppervlak van het menselijke model worden geplaatst, worden de cilindrische elektroden gedeeltelijk in de huid ingebed om ervoor te zorgen dat er geen luchtspleet is tussen de elektroden en de huid. Anders kan de stroom niet door de lucht en in het menselijk lichaam komen. De afstand van de elektrode tot de oorsprong (d1, d2) ...

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Disclosures

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Alle auteurs verklaren geen belangenconflicten met betrekking tot dit artikel.

Acknowledgements

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Onderzoek ondersteund door de National Natural Science Foundation of China (52407261), het "Pioneer" and "Leading Goose" R&D-programma van Zhejiang (2025C01137), Key Research and Development Plan van de provincie Zhejiang (2024C03040), Research Special Fund Project van Zhejiang Association of Rehabilitation Medicine (ZKKY2024008), en Sim4Life door ZMT, www.zmt.swiss.

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Materials

List of materials used in this article
NameCompanyCatalog NumberComments
3T MRI- of CT-systeem Siemens HealthineersMAGNETOM Skyra (MRI) / SOMATOM X.cite (CT)
Zelfklevende tape3MDurapore 1538-1
AlcoholdoekjesPDI HealthcareS41125
BatterijNeurodomeAccessoire van NervioX-1000
Computer Dell TechnologiesPrecision 366016 GB RAM, multi-core processor
Elektrisch geleidende gelSoterix HD-1AGE-12
ElektrodenadapterNeurodomeAccessoire van NervioX-1000
Elektromagnetische simulatiesoftwareZMT Zurich MedTech AGSim4Life v8.0
Menselijke simulatiemodellen IT’IS FoundationVirtual Population 3.0Duke (Static) 3.0, Ella (Static) 3.0
Isopropyl AlcoholMedline IndustriesMDS098003Z
MeetlintStanley Tools33-725
PapierhanddoekKimberly-ClarkKimwipes 34155
Spuit of applicatorBD305857
TI-stimulatorNeurodomeNervioX-1000Temporele Interferentie Stimulatie Apparaat
Twee paren Ag/AgCl-elektroden en kabelsShanhai Medical LtdSHTIS
Wasbare stiftCrayola58-7726

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).

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Reprints and Permissions

Request permission to reuse the text or figures of this JoVE article

Request Permission

Tags

Temporal Interference StimulationSpinal Cord RehabilitationSpinal Cord InjuryNoninvasive StimulationEpidural StimulationElectrode PlacementElectric Field SimulationParameter OptimizationMotor Function RecoveryDeep Spinal Stimulation
Video Coming Soon

Related Articles