Nieinwazyjna stymulacja elektryczna zakłóceń skroniowych w rehabilitacji rdzenia kręgowego

Uszkodzenie rdzenia kręgowego (SCI) to wyniszczające zaburzenie ośrodkowego układu nerwowego, które może prowadzić do trwałej utraty funkcji ruchowych, czuciowych i autonomicznych poniżej poziomu urazu ^1,2. W konsekwencji leczenie i rehabilitacja pacjentów z rdzeniem rdzeniowym stały się kluczowym punktem zarówno badań naukowych, jak i praktyki klinicznej. Tradycyjne podejścia terapeutyczne, w tym terapie farmakologiczne i fizykalne, mają pewne ograniczenia w wspieraniu funkcjonalnej regeneracji 3,4,5,6. Wśród terapii fizykalnych elektryczna stymulacja rdzenia kręgowego stała się skuteczną strategią rehabilitacji rdzenia rdzeniowego, którą można podzielić na inwazyjne i nieinwazyjne metody ^7,8. Inwazyjna stymulacja elektryczna rdzenia kręgowego, taka jak stymulacja zewnątrzoponowa (eSCI), zapewnia bezpośrednią stymulację elektryczną za pomocą wszczepionych elektrud, ale niesie ze sobą ryzyko infekcji i powstawania blizn ^9,10. Natomiast techniki nieinwazyjne, takie jak przezskórna elektryczna stymulacja nerwów (TENS), mają ograniczone możliwości skutecznego docierania do głębokich struktur kręgosłupa, co obniża skuteczność terapeutyczną^11,12.

Stymulacja interferencji czasowej (TI) to nowa technologia neuromodulacji, która umożliwia nieinwazyjną stymulację tkanek głębokich poprzez specyficzny sposób dostarczania prądu^{elektrycznego 13,14}. Technika ta polega na umieszczeniu dwóch par elektrod na powierzchni skóry, aby dostarczać prądy elektryczne o nieco różnych częstotliwościach kilohercowych. Opierając się na zasadzie interferencji, ten układ generuje unikalną obwiednię niskoczęstotliwościową (od kilku herców do kilkudziesięciu herców) w tkankach głębokich, umożliwiając tym samym ukierunkowaną neuromodulację. Ten specyficzny mechanizm działania pozwala stymulacji TI przezwyciężyć ograniczenia głębokości konwencjonalnych technik neuromodulacji, zapewniając skuteczną interwencję dla głębokich struktur nerwowych bez inwazyjnych procedur. W przeciwieństwie do TENS, TI osiąga głębsze przenikanie o wysokiej specyficzności przestrzennej, a w przeciwieństwie do eSCI unika ryzyka chirurgicznego, oferując bezpieczniejszą i bardziej dostępną alternatywę dla neuromodulacji rdzenia rdzeniowego. Stymulacja TI była badana w leczeniu różnych chorób, takich jak zaburzenia ruchu i depresja. W niepełnym rdzeniu rdzeniowym, ponieważ niektóre szlaki nerwowe pozostają nienaruszone, stymulacja TI bardzo prawdopodobnie zwiększa aktywność pozostałych obwodów nerwowych, co sprzyja neuroplastyczności i funkcjonalnej regeneracji^15,16. W związku z tym stymulacja TI ma znaczące szanse jako strategia neuromodulacji w leczeniu SCI¹⁷.

Jednak obecne systemy stymulacji TI są przede wszystkim zaprojektowane do zastosowań przezczaszkowych i brakuje systemów TI opracowanych specjalnie do stymulacji rdzenia kręgowego. Ze względu na różnice anatomiczne i elektrofizjologiczne między głową a tułowiem, istniejące urządzenia stymulujące TI zaprojektowane dla głowy nie są w pełni stosowane do stymulacji kręgosłupa, co prowadzi do trudności w optymalizacji parametrów wyjściowych i umieszczaniu elektrod. Podczas stymulacji TI na głowie często stosuje się stały układ współrzędnych pola przewodzenia (taki jak system 10-10), aby ułatwić ustawianie elektrod na głowie. Jednak ten system nie dotyczy tułowia. Ponadto, ponieważ stymulacja TI generuje niskoczęstotliwościowe obwiednienia głęboko w tkankach biologicznych, trudno jest przewidzieć powstały rozkład pola elektrycznego wyłącznie na podstawie ręcznego rozmieszczenia elektrod. Zamiast tego zazwyczaj wymagane są symulacje obliczeniowe do wizualizacji i optymalizacji rozkładu wewnętrznego pola elektrycznego. Obecnie jednak nie istnieje ustalony sposób pracy dla symulacji pola elektrycznego i optymalizacji parametrów stymulacji TI rdzenia kręgosłupa, co stanowi poważne wyzwania dla zastosowania klinicznego. Parametry takie jak rozmieszczenie elektrod, częstotliwości stymulacji i amplituda prądu bezpośrednio wpływają na rozkład pola elektrycznego oraz amplitudę obwiedni niskiej częstotliwości, modulując aktywność neuronalną i promując neuroplastyczność^13,17.

Celem tego badania jest opracowanie wygodnego i efektywnego workflow do symulacji pola elektrycznego TI oraz optymalizacji parametrów, wraz z systemem sprzętowym TI dostosowanym do leczenia urazów rdzenia kręgowego. Poprzez symulację pola elektrycznego i optymalizację parametrów dążymy do określenia konfiguracji umieszczania elektród, które maksymalizują amplitudę pola owiedniowego TI w określonych obszarach docelowych SCI, zwiększając tym samym skuteczność terapeutyczną. Dodatkowo, aby ułatwić praktyczne wdrożenie zoptymalizowanych konfiguracji elektrod, opracowaliśmy nową metodę pozycjonowania współrzędnych elektrod dla stymulacji TI rdzenia kręgowego, opartą na oryginalnym systemie sprzętu TI dla głowy. System ten ma na celu uproszczenie pozycjonowania elektrod i poprawę wykonalności operacyjnej w warunkach klinicznych.

Badanie to obejmuje ludzi i zostało przeprowadzone zgodnie z Deklaracją Helsińską. Uzyskano etyczną zgodę od Instytucjonalnej Rady Przeglądowej Uniwersytetu Zhejiang. Przed włączeniem do badania uzyskano pisemną świadomą zgodę wszystkich uczestników, zapewniając im pełne poinformowanie o celu badania, procedurach, potencjalnych ryzykach oraz prawie do wycofania się w dowolnym momencie bez kary. Odczynniki i sprzęt użyty w tym badaniu są wymienione w Tabeli Materiałów.

Przeciwwskazania i szczególne kwestie
Pacjenci SCI są oceniani pod kątem kwalifikacji za pomocą kwestionariusza historii medycznej oraz badania fizykalnego, aby zidentyfikować schorzenia wpływające na uczestnictwo:
Kryteria włączenia: (1) Wiek od 18 do 80 lat (mężczyzna lub kobieta); (2) Niepełne SCI oceniane jako ASIA B, C lub D, z początkiem 1-6 miesięcy; (3) Brak zmian w ocenie ASIA w ciągu ostatniego tygodnia; (4) Stabilny schemat leczenia przez cały okres badania; (5) Gotowość do spełnienia wszystkich wymagań badawczych, w tym udziału we wszystkich wymaganych sesjach szkoleniowych i ocenach rehabilitacyjnych.
Kryteria wykluczające¹⁷: (1) Ograniczenia funkcji ruchowych spowodowane zaburzeniami neurologicznymi (np. udar, stwardnienie rozsiane, uraz mózgu); (2) Obecność jakichkolwiek niestabilnych lub ciężkich schorzeń medycznych (np. niekontrolowane nadciśnienie, niewydolność serca); (3) Historia padaczki; (4) Przeciwwskazania do stymulacji elektrycznej (np. wszczepiane urządzenia elektroniczne, rozruszniki serca, implanty metalowe).

1. Materiały

1. Zweryfikować kompletność wymaganych materiałów (patrz Tabela materiałów).
2. Oceniaj pacjentów z rdzeniem rdzeniowym za pomocą rezonansu magnetycznego (MRI) lub tomografii komputerowej (CT).
3. Otwarte oprogramowanie do symulacji elektromagnetycznej do wykonywania symulacji pola elektrycznego (wszystkie kroki są realizowane w oprogramowaniu, eliminując konieczność przełączania się na inne oprogramowanie lub używania dodatkowych skryptów). Przed przeprowadzeniem symulacji pola elektrycznego upewnij się, że oprogramowanie symulacyjne elektromagnetyczne zawiera modele ludzkie (męskie lub żeńskie).
   1. Jeśli te modele nie są dostępne, wybierz Model/Phantom - Ludzie na wstążce, a następnie pobierz model człowieka. Po zakończeniu pobrania zaimportuj model do bieżącego projektu na potrzeby kolejnych symulacji.
4. Naciśnij przycisk zasilania , aby włączyć stymulator TI przed każdą sesją stymulacji, a następnie podłącz adapter elektrody za pomocą wyznaczonych kabli łączących (Rysunek 1). Sprawdź stan baterii na ekranie urządzenia. Naładuj urządzenie natychmiast, jeśli poziom baterii spadnie poniżej 20%, używając wyznaczonego zasilacza podłączonego do standardowego gniazdka elektrycznego.
   UWAGA: Niekompatybilne adaptery mogą uszkodzić baterię lub powodować nieprawidłowości w wyjściu stymulatora TI.
5. Każdą elektrodę Ag/AgCl obejrzyj wizualnie pod kątem pęknięć, przebarwień lub osadów. Umyj elektrody alkoholem izopropylowym i miękką ściereczką, aby usunąć zanieczyszczenia. Następnie nałóż cienką, równą 1 mm warstwę przewodzącego żelu na powierzchnię elektrody, aby zmniejszyć impedancję kontaktu i zapobiec podrażnieniu skóry podczas stymulacji.
   1. Dodatkowo należy zapewnić precyzyjne informacje o wymiarach elektrod, w tym ich średnicy i grubości, ponieważ parametry te odgrywają kluczową rolę w kolejnych symulacjach pola elektrycznego.
6. Podłącz dwie pary kabli elektrod do adaptera elektrody, dopasowując je do oznaczonych portów.

2. Symulacja pola elektrycznego i optymalizacja parametrów

UWAGA: Cały proces symulacji pola elektrycznego składa się z trzech głównych etapów: skonstruowania modelu geometrycznego (w tym modelu ludzkiego i elektrod), określenia warunków symulacyjnych (właściwości materiału, warunków brzegowych i generowania siatki) oraz wreszcie wykonania obliczeń mających na celu wizualizację rozkładu pola elektrycznego w docelowym obszarze rdzenia kręgowego (Rysunek 2). Optymalizacja parametrów polega na symulacji pól elektrycznych dla różnych konfiguracji par elektrod, obliczaniu średniej intensywności pola elektrycznego w docelowym obszarze oraz identyfikacji konfiguracji, która maksymalizuje tę intensywność. Konkretne kroki są następujące:

1. Uruchom oprogramowanie symulacyjne elektromagnetyczne na komputerze z co najmniej 16 GB pamięci RAM i procesorem wielordzeniowym. Utwórz nowy projekt, wybierając Plik - Nowy Projekt na wstążce.
2. Konstrukcja modeli geometrycznych
   1. Kliknij zakładkę Model na wstążce i zaimportuj model ludzki, wybierając Model/Phantom - Ludzie i wybierając statyczny model męski lub żeński (Rysunek 3).
   2. Zidentyfikuj miejsce kręgu najbliższe miejscu rdzenia rdzeniowego za pomocą anatomicznych punktów orientacyjnych (np. C5 znajduje się około 2-3 cm poniżej kolczastego wyrostka C7, widocznego jako wyraźny kostny wyrostek u podstawy szyi). Ustaw współrzędną powierzchni skóry bezpośrednio nad centralnym obszarem wybranego kręgu jako początek (Szkic - Punkt). Zdefiniuj oś poziomą i pionową odpowiednio jako oś x i y (rysunek 4).
      UWAGA: Podczas prezentacji protokołu wybieramy obszar rdzenia kręgowego owinięty kręgiem C5 jako cel stymulacji. To nie jest stały wybór, ale został podjęty dla wygody demonstracji. W praktyce stosowany protokół dowolny określony obszar docelowy rdzenia kręgowego może być dowolnie wybrany.
   3. Dla każdej konfiguracji par elektrod umiejscow cztery elektrody symetrycznie wokół początku (Rysunek 4), po jednej parze po każdej stronie grzbietu. Zdefiniuj pozycje jako odległość poziomą (d₁) i pionową (d₂) od początku początkowej, tak aby współrzędne czterech elektrod w każdej konfiguracji były (d₁, d₂), (d₁, -d₂), (-d₁, d₂) oraz (-d₁, -d₂).
      UWAGA: W tej demonstracji oceniane są konfiguracje 25 par elektrod, przy czym sąsiadujące elektrody w każdym kwadrancie są rozmieszczone w odległości 1 mm poziomo i 5 mm pionowo, co pozwala na rozmieszczenie kandydatów elektrod w odpowiednim zakresie względem obszaru docelowego. Procedura konkretnego umieszczania elektrod jest następująca. Na przykładzie pierwszego kwadrantu:
      1. Stwórz cylindryczną elektrodę, klikając na Ciała stałe – Cylinder w wstążce o wymiarach odpowiadających rzeczywistym elektrodam używanym w leczeniu klinicznym. Grubość może być nieco zwiększona, aby uwzględnić drobne przecięcia z powierzchnią powłoki w modelu symulacyjnym.
         UWAGA: W tej demonstracji średnica elektrody została ustawiona na 10 mm, a grubość na 5 mm.
      2. Kliknij na Przesuń wstążkę, aby umieścić cylinder na tylnej powierzchni skóry z lekkim osadzeniem. Ustawimy jej środek na (10 mm, 10 mm), co oznacza odległość poziomą i pionową 10 mm od początku punktu początkowego.
      3. Zdubluj cylinder w Model Explorer i przesuń go w prawo o 11 mm, aby ustawić drugą elektrodę na (21 mm, 10 mm). Powtórz ten proces, aby uzyskać dodatkowe elektrody o średnicy (32 mm, 10 mm), (43 mm, 10 mm) oraz (54 mm, 10 mm).
      4. Skopiuj pierwszą elektrodę i przesuń ją w górę o 15 mm, aby ustawić drugą elektrodę w (10 mm, 25 mm). Powtarzaj ten proces, aby uzyskać elektrody na (10 mm, 40 mm), (10 mm, 55 mm) oraz (10 mm, 70 mm).
      5. Powtórz ten proces, generując 25 elektrod (5 wierszy × 5 kolumn) w pierwszym kwadrancie.
         UWAGA: Każda konfiguracja stymulacji TI wykorzystuje cztery elektrody (dwie pary) do dostarczania prądów o częstotliwości dwóch kiloherców, które interferują, tworząc niskoczęstotliwościową obwiednię w rdzeniu kręgowym. Aby zoptymalizować rozmieszczenie, testuje się 25 konfiguracji, każda z czterema elektrodami, używając siatki 5 x 5 pozycji na każdy kwadrant, co daje łącznie 100 elektrod we wszystkich symulacjach. Rozmiar elektrod oraz odległość między elektrodami w różnych grupach są określane zgodnie z rzeczywistymi warunkami, a ta demonstracja stanowi tylko przykład.
   4. W procedurze umieszczania drugiego, trzeciego i czwartego kwadrantu należy stosować ten sam proces. Po zakończeniu wszystkich konfiguracji 25 par elektrod (łącznie 100 elektrod) jest ułożonych zgodnie z rysunkiem 4.
   5. Systematycznie nazywaj elektrody, klikając prawym przyciskiem myszy na odpowiadającą im elektrodę w eksploratorze modeli (np. "ROn" dla pierwszego kwadrantu, "LOn" dla drugiego, "LBn" dla trzeciego, "RBn" dla czwartego, gdzie n to numer grupy od 1 do 25).
   6. Wizualnie sprawdź rozmieszczenie elektrod w widoku modelu 3D. Reguluj pozycje za pomocą Move , aby każda elektroda lekko (0,5 mm) wbiła się w powierzchnię skóry bez przerw.
3. Ustawianie warunków symulacji
   1. Kliknij zakładkę Symulacja i stwórz nową symulację, klikając na Nowe - EM LF Elektro - Ohmic Quasi-Stat w wstążce. Kliknij prawym przyciskiem myszy i przemianuj ją na "LF-R1". Ponieważ stymulacja TI działa na niskich częstotliwościach, użyj solvera "Ohmic Quasi-Stat", aby rozważyć jedynie quasi-statyczne przybliżenie.
   2. Kliknij w panel Setup w Eksploratorze Symulacji , ustaw częstotliwość na 1040 Hz.
   3. Przenieś model człowieka z Multi-Tree do LF-R1 - Materials, które automatycznie przydzielą wartości przewodności specyficznej dla tkanek przy 1040 Hz (Tabela 1).
   4. W warunkach brzegowych zmodyfikuj domyślne ustawienia granic na Flux , wybierając Typ Granicy i wybierając Flux z menu rozwijanego. Następnie utworzysz dwa nowe "Ustawienia granic" klikając na nowe ustawienie i przypisz napięcia wejściowe +1 V i 0 V ( rysunek 5).
      1. Przypisz elektrody "RO1" i "RB1" do tych ustawień, przeciągając je odpowiednio do odpowiednich "Ustawień Granic", co oznacza, że "RO1" daje +1 V, a "RB1" służy jako ścieżka powrotna.
   5. Zachowaj domyślne ustawienia dla "Sensors" i dostosuj siatkę , ustawiając Maksymalny Krok na 1 mm oraz rozdzielczość geometrii na 1 mm, w zależności od zasobów obliczeniowych.
   6. Utwórz nową symulację "LF-L1" poprzez powielanie "LF-R1", ustaw częstotliwość na 1000 Hz i przypisz elektrody "LB1" i "LO1" do ustawień granic +1 V i 0 V.
      UWAGA: Ten układ odzwierciedla "LF-R1", ale z przeciwną konfiguracją elektrod, generując efekt interferencji. Wszystkie pozostałe ustawienia pozostają bez zmian. To kończy pierwszą symulację pary elektrod .
   7. Zduplikuj LF-R1 i LF-L1, przemianuj je na LF-R2 i LF-L2 oraz zmodyfikuj ustawienia granic, aby przypisać im elektrody. Usuń wcześniejsze elektrody z "Siatki" i "Wokseli" i dodaj nowy zestaw dla każdej pary. Powtórz dla wszystkich 25 grup.
   8. Gdy wszystkie symulacje są skonfigurowane, wybierz wszystkie symulacje w zakładce Symulacja , kliknij na Automatyczna aktualizacja siatki na wstążce (kliknij Menedżera zadań w prawym dolnym rogu. Jeśli okno wskazuje, że siatka została skonstruowana, potwierdza to, że kroki przebiegają normalnie), a następnie wybierz Run - Batch Run , aby uruchomić wszystkie symulacje jednocześnie.
      UWAGA: Częstotliwości 1040 Hz (LF-R1) i 1000 Hz (LF-L1) zostały wybrane tak, aby uzyskać niskoczęstotliwościową obwiednię 40 Hz (1040 Hz - 1000 Hz) poprzez interferencję, która jest efektywną częstotliwością stymulacji w docelowym obszarze rdzenia kręgowego dla neuromodulacji¹⁷.
4. Wykonaj analizę statystyczną
   1. Kliknij zakładkę Analiza , wybierz LF-R1 - Pole ogólne - Ekstraktor czujników i kliknij Pole ogólne , aby wygenerować pole ogólne.
   2. Kliknij na Pole ogólne - EM E(x,y,z,f0) - Narzędzia do danych polowych - Skalowanie pola, aby przekształcić rozkład pola elektrycznego z napięcia wejściowego 1V na prąd wejściowy 1mA. Współczynnik skali określa się następująco (Rysunek 6):
      1. W zakładce Model stwórz objętość sześcienną (Blok RO1) otaczającą elektrodę RO1, wybierając Ciała stałe – Blok na wstęgi i ustawiając wymiary tak, aby w pełni obejmowały elektrodę (np. 12 mm × 12 mm × 7 mm).
      2. Przeciągnij blok RO1 z drzewa wielokomórkowego do panelu Analiza , generując dwa identyczne moduły "Blok RO1".
      3. Wybierz pole ogólne pod LF-R1 oraz pierwszy blok RO1 w eksploratorze modeli , a następnie kliknij jednocześnie na powierzchnię i EM E(x,y,z,f0). Kliknij na Flux Evaluator - List Viewer , aby wyświetlić wartość "Total Flux". Oblicz współczynnik skali, dzieląc 0,001 przez całkowity strumień (Total Flux).
   3. Powtórz ten sam proces dla "LF-L1".
   4. Wielokrotnie wybierz LF-R1 i LF-L1 w sekcji Pole Scaling w eksploratorze Analizy , a następnie kliknij Maksymalną Modulację na wstążce, aby połączyć rozkłady pola elektrycznego z dwóch par elektrud. Ustaw "Wagę A" i "Wagę B" na 2, aby odzwierciedlić 2 mA wyjściowe na parę elektrod (Rysunek 7).
   5. Wyodrębnijmy średnią intensywność pola elektrycznego w docelowym obszarze rdzenia kręgowego:
      1. Zastosuj "Mask Filter", wybierając Narzędzia Terenowe Narzędzia Danych - Mask Filter na wstążce, aby zachować tylko obszar "Rdzenia Kręgowego".
      2. Kliknij LF-R1 w eksploratorze analiz i kliknij Narzędzia Danych Polowych – Przycinaj wstążkę, aby wyizolować docelowy obszar rdzenia kręgowego (Rysunek 8).
      3. Kliknij na Statystyki – Przeglądnik tabeli na wstążce, aby wyświetlić średnią intensywność pola elektrycznego dla przyciętego obszaru (zakres wartości normalnych: 0,1-2 V/m).
   6. Powtórz ten proces dla wszystkich konfiguracji par 25 elektrod i uzyskaj średnią intensywność pola elektrycznego dla celu wszystkich 25 grup.
   7. Porównaj średnią intensywność pola elektrycznego dla każdej konfiguracji i zidentyfikuj konfigurację o najwyższej intensywności jako optymalną konfigurację.

3. Ustawianie elektrod i konfiguracja urządzenia

1. Poproś pacjenta z rdzeniem rdzeniowym, aby wygodnie usiadł na krześle z oparciem, dbając o tołów pionowy i odsłonięty plecy poprzez zdjęcie lub korektę ubrań.
2. Zidentyfikuj poziom kręgu najbliższy miejscu rdzenia rdzeniowego, badając wyrostki kolczaste wzdłuż kręgosłupa. Zlokalizuj kolczasty wyrostek C7 (wyraźny u podstawy szyi) i licz w dół do docelowego kręgu (np. C5 to dwa kręgi powyżej C7). Oznacz powierzchnię skóry nad kolczastym wyrostkiem kręgu docelowego znacznikiem (58-7726, Crayola Inc.), aby oznaczyć źródło¹⁸.
3. Na podstawie wcześniej zoptymalizowanych parametrów umieszczania elektrod (d₁, d₂) należy zmierzyć cztery pozycje elektrod za pomocą elastycznej taśmy pomiarowej. Od początku układu mierz d₁ poziomo (lewo i prawo) oraz d₂ pionowo (góra i dół), aby zlokalizować pozycje w czterech ćwiartkach: (d₁, d₂), (d₁, -d₂), (-d₁, d₂), (-d₁, -d₂). Zaznacz każdą pozycję zmywalnym markerem.
4. Oczyść skórę w oznaczonych miejscach elektrod chusteczkami alkoholowymi, aby usunąć tłuszcz i zanieczyszczenia. Sprawdź skórę, aby upewnić się, że jest nienaruszona, bez skaleczenia czy otarć. Nałóż 1,5 mL przewodzącego żelu na każde miejsce za pomocą strzykawki lub aplikatora, rozprowadzając równomiernie na powierzchni o średnicy 10 mm.
5. Minimalizuj napięcie kabli elektrod, zabezpieczając nadmiar kabla taśmą. Wieszaj linki, aby wisiały naturalnie, mocując je do krzesła lub pobliskiego stojaka, co zmniejsza ryzyko przypadkowego odłączenia.
6. Przymocuj elektrody do wyznaczonych pozycji na plecach pacjenta, mocno dociśnując każdą elektrodę Ag/AgCl do skóry pokrytej żelem. Zabezpiecz każdą elektrodę taśmą klejącą, zakrywając krawędzie, aby zapobiec ruchowi.
   UWAGA: Elektrody po prawej i lewej stronie tworzą parę elektrod. Oznacz prawą górną elektrodę jako anodę, a dolną jako katodę. Lewą górną elektrodę określ jako katodę, a dolną jako anodę, tworząc konfigurację lustrzaną.
7. Gdy elektrody są prawidłowo ustawione i wszystkie połączenia zweryfikowane, włącz stymulator TI, naciskając przycisk zasilania. Kliknij na Globalne Ustawienia Parametrów i skonfiguruj następujące parametry stymulacji: tryb stymulacji: tTIS, Typ stymulacji: Standardowa stymulacja, Całkowity czas trwania stymulacji: 1200 s, Przebieg fali stymulacji: fala sinusoidalna, wybierając odpowiednie opcje w menu.
8. Wykonaj pomiar impedancji dla dwóch wybranych kanałów stymulacji. Kliknij na Start Impedance Test, aby upewnić się, że impedancja mieści się w akceptowalnym zakresie (stymulator automatycznie zatrzyma wyjście, jeśli impedancja obciążenia przekroczy 12 kΩ). Optymalny zakres impedancji dla efektywnej stymulacji wynosi 6-8 kΩ.
9. Konfiguruj częstotliwość stymulacji i amplitudę prądu wyjściowego dla każdego kanału. Kanał 1: Częstotliwość ustawiona na 1040 Hz, amplituda prądu na 2 mA. Kanał 2: Częstotliwość ustawiona na 1000 Hz, amplituda prądu ustawiona na 2 mA¹⁵.

4. Stymulacja

1. Upewnij się, że uczestnik pozostaje w wygodnej pozycji siedzącej przez cały czas i jest w pełni świadomy przez cały czas.
2. Aktywuj stymulator, naciskając przycisk Start na interfejsie urządzenia, aby rozpocząć stymulację.
3. Monitoruj sprzężenie zwrotne pacjenta podczas stymulacji, prosząc go o zgłaszanie wszelkich doznań (np. mrowienie, dyskomfort). Zmniejsz amplitudę prądu o 0,5 mA lub natychmiast wstrzymaj stymulację, naciskając przycisk Stop, jeśli pacjent zgłasza wyraźny dyskomfort lub silne pieczenie.
   UWAGA: Spodziewaj się łagodnego mrowienia lub swędzenia, które jest normalną reakcją fizjologiczną na przezskórną stymulację elektryczną, zaobserwowaną w tym badaniu oraz wcześniejszych badaniach nad podobnymi technikami¹⁷. To uczucie zazwyczaj ustępuje w ciągu 2-3 minut.

5. Kroki poproceduralne

1. Po zakończeniu sesji stymulacyjnej ponownie zmierz stan impedancji, wybierając Start Impedance Test , aby ocenić zmiany po stymulacji. Zapisz wartości do porównania.
2. Sprawdź stabilność fizyczną pacjenta, sprawdzając jego równowagę i komfort podczas siedzenia. Delikatnie zdejmuj taśmę medyczną, powoli ją odklejając od skóry, aby uniknąć podrażnień. Odłącz elektrody ostrożnie, podnosząc je z jednej krawędzi.
3. Opłucz elektrody czystą wodą pod kranem i susz je na czystym ręczniku. Przetrzyj skórę pacjenta w miejscach elektrod wilgotnym ręcznikiem papierowym, aby usunąć resztki żelu.
4. Przeprowadz pacjentowi standaryzowany kwestionariusz, pytając o zmiany sensoryczne (np. mrowienie, drętwienie), poprawę ruchów oraz zdarzenia niepożądane (np. podrażnienie skóry, ból). Zapisz odpowiedzi do analizy¹⁹.

Podczas przeprowadzania symulacji TI bez błędów można uzyskać średnią intensywność pola elektrycznego w docelowym obszarze rdzenia kręgowego stymulowaną przez prądową grupę par elektrod. Biorąc na przykład Grupę 10 stymulującą obszar docelowy C5 (Rysunek 9), "Volume Weighted Average" wyświetlana w interfejsie wynosi 0,50 V/m. Dodatkowo, klikając "Max Modulation - Mask Filter - Viewers - Surface Viewer", można zachować trójwymiarowy widok rozkładu pola elektrycznego na rdzeniu kręgowym, jednocześnie ustawiając inne tkanki na półprzezroczystość. Pozwala to intuicyjnie obserwować rozkład pola elektrycznego grupy 10 wokół obszaru celu C5 (rysunek 10).

Po zakończeniu symulacji dla wszystkich grup analizuje się i porównuje średnie natężenie pola elektrycznego na każdym obszarze docelowym. Na przykład w symulacjach przeprowadzanych na modelu stymulacja TI była stosowana w trzech obszarach docelowych: C5, T7 i L3 (Rysunek 11), jak podali Xie i in.20. Wyniki wskazują, że mniejsze d2 powoduje niższą średnią intensywność pola elektrycznego w docelowym obszarze. Optymalne wartości (d1, d2) dla trzech obszarów docelowych to (32 mm, 70 mm) dla C5, (10 mm, 40 mm) dla T7 oraz (10 mm, 70 mm) dla L3.

W praktyce, gdy stymulacja TI jest po raz pierwszy zastosowana, może pojawić się łagodne swędzenie lub lekkie mrowienie. Jest to prawidłowa reakcja fizjologiczna, wskazująca, że prąd przepływa przez skórę, co zostało zaobserwowane w tym badaniu i poparte badaniami podobnych technik stymulacji elektrycznej19. To uczucie zazwyczaj ustępuje w ciągu kilku minut.

Obecnie kliniczne zastosowania stymulacji TI w leczeniu rdzenia rdzeniowego pozostają ograniczone, a skuteczność terapeutyczna wymaga dalszej weryfikacji. Jednak istniejące badania kliniczne wykazały, że dwa tygodnie ciągłej stymulacji TI prowadzą do istotnej poprawy funkcji neurologicznej, siły motorycznej, percepcji sensorycznej oraz funkcjonalnej niezależności u pacjentów z rdzeniem rdzeniowym (Tabela 2), jak podają Cheng i in.17. Wyniki te wspierają hipotezę, że stymulacja TI jest skutecznym podejściem terapeutycznym w leczeniu rdzenia rdzeniowego.

Rysunek 1: Umieszczanie elektrod podczas leczenia klinicznego na podstawie symulacji pola elektrycznego.Dwie pary elektrod zostały umieszczone zgodnie z optymalną konfiguracją ustaloną poprzez symulację pola elektrycznego i optymalizację parametrów. Zidentyfikowano cel stymulacji (np. C5), a punkt na skórze bezpośrednio powyżej tego celu – prostopadle do powierzchni skóry – został określony jako punkt początkowy. Korzystając z optymalnych współrzędnych (d1, d2) względem początku punktu początkowego, określono pozycje rozmieszczenia dwóch par elektrod. Proszę kliknąć tutaj, aby zobaczyć większą wersję tej figurki.

Rysunek 2: Tok symulacji pola elektrycznego i optymalizacji parametrów. Ocenia się łącznie 25 grup kandydatów, z których każda składa się z dwóch par elektrod: jednej po prawej stronie obszaru docelowego (para R2), a drugiej po lewej stronie (para L2). Cztery elektrody w każdej grupie są umieszczone w identycznej odległości poziomej (d1) i pionowej (d2) od początku układu, co pozwala przedstawić każdą grupę jako (d1, d2). Systematycznie pozycjonując pary elektrod i ustawiając warunki symulacyjne, oblicza się średnie natężenie pola elektrycznego w obszarze docelowym dla wszystkich grup. Następnie porównuje się grupy, a grupa Best (d1,d 2) jest wyznaczana na podstawie najwyższej średniej intensywności pola elektrycznego. Proszę kliknąć tutaj, aby zobaczyć większą wersję tej figurki.

Rysunek 3: Model ludzki używany do symulacji. Model człowieka Duke V3.0 Static został wybrany i zaimportowany przez opcję "Model/Phantom" w interfejsie wstęgowym. Model ten został pobrany i włączony do wykorzystania w środowisku symulacyjnym. Proszę kliknąć tutaj, aby zobaczyć większą wersję tej figurki.

Rysunek 4: Umieszczanie elektrod w symulacji i optymalizacji parametrów. W każdej symulacji umieszczono dwie pary elektrud. Pokazano również wszystkie konfiguracje elektrod stosowane podczas optymalizacji parametrów. Proszę kliknąć tutaj, aby zobaczyć większą wersję tej figurki.

Rysunek 5: Ustawienia granic symulacji LF-R1. Warunki brzegowe symulacji LF-R1 konfigurowano najpierw wybierając w oprogramowaniu "Ustawienia granic". W panelu "Controller" "Typ granicy" był ustawiony na "Flux". Następnie utworzono dwa wpisy "Boundary Settings - Dirichlet", klikając prawym przyciskiem myszy "Boundary Conditions" w Eksploratorze i wybierając "Nowe ustawienia". W "Wielodrzewie" anoda i katoda jednej pary elektrod były przypisane do odpowiednich ustawień granic Dirichleta. "Stały potencjał" był ustawiony na 1 V dla anody i 0 V dla katody w panelu kontrolera. Proszę kliknąć tutaj, aby zobaczyć większą wersję tej figurki.

Rysunek 6: Przeliczenie rozkładu pola elektrycznego z wejścia 1 V na wejście 1 mA. Aby przekształcić rozkład pola elektrycznego uzyskany przy użyciu wejścia 1 V na odpowiadający wejściu 1 mA, w zakładce Model utworzono objętość sześcienną (Blok RO1) przez zaznaczenie "Ciała stałe - blok" z taśmy i dostosowanie wymiarów (np. 12 mm × 12 mm × 7 mm), aby w pełni objąć elektrodę. Obiekt "Block RO1" był następnie przeciągany z "Wielodrzewa" do panelu "Analiza", generując dwa identyczne moduły. W eksploratorze "Model" wybrano "Pole ogólne" pod "LF-R1" oraz pierwszą instancję "Block RO1", a następnie aktywowano opcje "Surface" i "EM E(x,y,z,f0)". Do wyświetlania wartości "Total Flux Stream" użyto "Flux Evaluator - List Viewer". Współczynnik skali wyznaczano przez podzielenie 0,001 przez wartość całkowitego strumienia. Proszę kliknąć tutaj, aby zobaczyć większą wersję tej figurki.

Rysunek 7: Modulacja pola elektrycznego i obliczanie amplitudy obwiedni. Pola elektryczne generowane przez dwie pary elektrod w jednej grupie były modulowane, a ich amplitudy obwiedni obliczano. Wpisy "LF-R1" i "LF-L1" w sekcji "Field Scaling" w eksploratorze "Analiza" zostały wybrane razem, a funkcja "Max Modulation" na taśmie służyła do sprzężenia rozkładów pola elektrycznego z dwóch par elektrod. Parametry "Waga A" i "Waga B" ustawiono na 2, co odpowiada wyjściu 2 mA na parę elektrod. Proszę kliknąć tutaj, aby zobaczyć większą wersję tej figurki.

Rysunek 8: Izolacja docelowego obszaru rdzenia kręgowego i obliczenie średniej intensywności pola elektrycznego. Docelowy obszar rdzenia kręgowego został przycięty i usunięty, aby ocenić natężenie pola elektrycznego. W eksploratorze "Analiza" wybrano pole "LF-R1", a funkcja "Narzędzia danych polowych – Przycinanie" na taśmie została użyta do wyodrębnienia pożądanego obszaru. Następnie obliczono średnią intensywność pola elektrycznego w tym obszarze. Proszę kliknąć tutaj, aby zobaczyć większą wersję tej figurki.

Rysunek 9: Średnia intensywność pola elektrycznego w celu rdzenia kręgowego w symulacji TI (Grupa 10). Proszę kliknąć tutaj, aby zobaczyć większą wersję tej figurki.

Rysunek 10: Trójwymiarowy widok rozkładu pola elektrycznego rdzenia kręgowego w symulacji TI (Grupa 10). Kliknij tutaj, aby zobaczyć większą wersję tego rysunku.

Rysunek 11: Średnia intensywność pola elektrycznego w celu rdzenia kręgowego symulowana przy użyciu 25 grup. Optymalne wartości (d1, d2) dla trzech obszarów docelowych to (32 mm, 70 mm) dla C5, (10 mm, 40 mm) dla T7 oraz (10 mm, 70 mm) dla L3. Ta figura została zmodyfikowana na podstawie Xie i in.20. Proszę kliknąć tutaj, aby zobaczyć większą wersję tej figurki.

Tabela 1: Przewodność elektryczna tkanek względnych przy 1 kHz. Prosimy kliknąć tutaj, aby pobrać tę tabelę.

Tabela 2: Cechy demograficzne i kliniczne uczestników pobudzonych przez TI. Zmodyfikowane na podstawie Cheng i in.17. Prosimy kliknąć tutaj, aby pobrać tę tabelę.

Wszyscy autorzy deklarują brak konfliktów interesów związanych z tym artykułem.