Неинвазивная временная интерференционная электростимуляция для реабилитации спинного мозга

Травма спинного мозга (ТСМ) — это изнурительное расстройство центральной нервной системы, которое может привести к необратимой потере двигательных, сенсорных и вегетативных функций ниже уровня травмы ^1,2. Следовательно, лечение и реабилитация пациентов с ТСМ стали центральным направлением как научных исследований, так и клинической практики. Традиционные подходы к лечению, включая фармакологическую и физиотерапию, имеют определенные ограничения в содействии функциональному восстановлению 3,4,5,6. Среди видов физиотерапии электростимуляция спинного мозга стала эффективной стратегией реабилитации при ТСМ, которую можно разделить на инвазивные и неинвазивные методы ^7,8. Инвазивная электростимуляция спинного мозга, такая как эпидуральная стимуляция спинного мозга (eSCI), обеспечивает прямую электрическую стимуляцию через имплантированные электроды, но несет риски инфекции и образования рубцовой ткани ^9,10. Напротив, неинвазивные методы, такие как чрескожная электрическая стимуляция нервов (ЧЭНС), ограничены в своей способности эффективно достигать глубоких структур позвоночника, тем самым ставя под угрозу терапевтическую эффективность^11,12.

Стимуляция временной интерференцией (ТИ) является новой технологией нейромодуляции, которая позволяет проводить неинвазивную стимуляцию глубоких тканей с помощью определенного режима подачи электрического тока^13,14. Этот метод включает в себя размещение двух пар электродов на поверхности кожи для подачи электрических токов с немного разными килогерцовыми частотами. Основанная на принципе интерференции, эта установка генерирует уникальную низкочастотную огибающую (в диапазоне от нескольких герц до нескольких десятков герц) в глубоких тканях, тем самым обеспечивая целевую нейромодуляцию. Этот особый рабочий механизм позволяет стимуляции ТИ преодолеть ограничения по глубине традиционных методов нейромодуляции, обеспечивая эффективное вмешательство в глубокие нейронные структуры без инвазивных процедур. В отличие от ЧЭНС, ТИ обеспечивает более глубокое проникновение с высокой пространственной специфичностью, и, в отличие от eSCI, позволяет избежать хирургических рисков, предлагая более безопасную и доступную альтернативу нейромодуляции ТСМ. Стимуляция ТИ была исследована для лечения различных заболеваний, таких как двигательные расстройства и депрессия. При незавершенной ТСМ, поскольку некоторые нейронные пути остаются неповрежденными, стимуляция ТИ с высокой вероятностью повышает активность оставшихся нейронных цепей, тем самым способствуя нейропластичности и функциональному восстановлению^15,16. Таким образом, стимуляция ТИ имеет значительные перспективы в качестве стратегии нейромодуляции^{для лечения} ТСМ.

Тем не менее, современные аппаратные системы стимуляции ТИ в первую очередь предназначены для транскраниальных применений, и существует нехватка систем ТИ, специально разработанных для стимуляции спинного мозга. Из-за анатомических и электрофизиологических различий между головой и туловищем существующие устройства для стимуляции TI, предназначенные для головы, не в полной мере применимы к стимуляции позвоночника, что приводит к проблемам оптимизации выходных параметров и размещения электродов. При выполнении стимуляции TI на голове часто используется фиксированная система координат свинцового поля (например, система 10-10) для облегчения позиционирования электродов на голове. Однако эта система не применима к туловищу. Кроме того, поскольку стимуляция TI создает низкочастотные оболочки глубоко внутри биологических тканей, трудно предсказать результирующее распределение электрического поля, основываясь исключительно на ручном размещении электродов. Вместо этого обычно требуется вычислительное моделирование для визуализации и оптимизации внутреннего распределения электрического поля. В настоящее время, однако, не существует налаженного рабочего процесса для моделирования электрического поля и оптимизации параметров стимуляции TI позвоночника, что создает значительные проблемы для ее клинического применения. Такие параметры, как расположение электродов, частоты стимуляции и амплитуда тока, напрямую влияют на распределение электрического поля и амплитуду низкочастотной огибающей, модулируя нейронную активность и способствуя нейропластичности^13,17.

Целью данного исследования является разработка удобного и эффективного рабочего процесса для моделирования электрического поля TI и оптимизации параметров, а также аппаратной системы TI, предназначенной для лечения травм спинного мозга. С помощью моделирования электрического поля и оптимизации параметров мы стремимся определить конфигурации размещения электродов, которые максимизируют амплитуду огибающего поля TI в определенных целевых областях ТСМ, тем самым повышая терапевтическую эффективность. Кроме того, для облегчения практической реализации оптимизированных конфигураций электродов мы разработали новый метод координатного позиционирования электродов для стимуляции TI спинного мозга на основе оригинальной аппаратной системы TI для головы. Эта система предназначена для упрощения позиционирования электродов и повышения оперативной осуществимости в клинических условиях.

В этом исследовании приняли участие люди, и оно проводилось в соответствии с Хельсинкской декларацией. Этическое одобрение было получено от Институционального наблюдательного совета Чжэцзянского университета. Письменное информированное согласие было получено от всех участников до их включения, что гарантировало, что они были полностью проинформированы о цели исследования, процедурах, потенциальных рисках и их праве отказаться от исследования в любое время без каких-либо штрафных санкций. Реагенты и оборудование, использованные в данном исследовании, перечислены в Таблице материалов.

Противопоказания и особые соображения
Пациенты с ТСМ оцениваются на соответствие критериям с использованием анкеты истории болезни и физикального осмотра для выявления условий, влияющих на участие:
Критерии включения: (1) Возраст от 18 до 80 лет (мужской или женский); (2) Неполная ТСМ с классификацией как ASIA B, C или D, с началом от 1 до 6 месяцев; (3) Отсутствие изменений в оценке ASIA за прошедшую неделю; (4) Стабильный режим приема лекарств на протяжении всего периода исследования; (5) Готовность соблюдать все требования к обучению, включая участие во всех необходимых учебных занятиях и реабилитационных оценках.
Критерии исключения¹⁷: (1) Ограничения двигательной функции из-за неврологических расстройств (например, инсульт, рассеянный склероз, черепно-мозговая травма); (2) Наличие любых нестабильных или тяжелых медицинских состояний (например, неконтролируемая гипертония, сердечная недостаточность); (3) Эпилепсия в анамнезе; (4) Противопоказания к электростимуляции (например, имплантированные электронные устройства, кардиостимуляторы, металлические имплантаты).

1. Материалы

1. Проверьте комплектность необходимых материалов (см. Таблицу материалов).
2. Оценивайте пациентов с ТСМ с помощью магнитно-резонансной томографии (МРТ) или компьютерной томографии (КТ).
3. Открытое программное обеспечение для электромагнитного моделирования для выполнения моделирования электрического поля (все шаги реализуются внутри программного обеспечения, что исключает необходимость переключения на другое программное обеспечение или использования дополнительных скриптов). Перед проведением моделирования электрического поля убедитесь, что программное обеспечение для электромагнитного моделирования содержит модели человека (мужчины или женщины).
   1. Если эти модели недоступны, выберите Модель/Фантом - Люди на ленте, а затем загрузите модель человека. После завершения загрузки импортируйте модель в текущий проект для последующего моделирования.
4. Нажимайте кнопку питания , чтобы включить стимулятор TI перед каждым сеансом стимуляции, затем подключите адаптер электродов с помощью специальных соединительных кабелей (рис. 1). Проверьте состояние батареи на экране устройства. Немедленно зарядите устройство, если уровень заряда батареи ниже 20%, используя специальный адаптер питания, подключенный к стандартной электрической розетке.
   ПРИМЕЧАНИЕ: Несовместимые адаптеры могут повредить батарею или вызвать перебои в выходе стимулятора TI.
5. Осмотрите каждый электрод Ag/AgCl визуально на наличие трещин, обесцвечивания или остатков. Очистите электроды изопропиловым спиртом и мягкой тканью, чтобы удалить загрязнения. Затем нанесите тонкий и ровный 1 мм слой проводящего геля на поверхность электрода, чтобы уменьшить контактное сопротивление и предотвратить раздражение кожи во время стимуляции.
   1. Кроме того, убедитесь, что у вас есть точная информация о размерах электродов, включая их диаметр и толщину, поскольку эти параметры играют решающую роль при последующем моделировании электрического поля.
6. Подключите две пары электродных кабелей к адаптеру электрода, совместив кабельные разъемы с отмеченными на маркировке портами.

2. Моделирование электрического поля и оптимизация параметров

ПРИМЕЧАНИЕ: Общий рабочий процесс моделирования электрического поля состоит из трех основных этапов: построение геометрической модели (включая человеческую модель и электроды), определение условий моделирования (свойства материала, граничные условия и создание сетки) и, наконец, выполнение расчетов для визуализации распределения электрического поля в целевой области спинного мозга (Рисунок 2)). Оптимизация параметров включает в себя моделирование электрических полей для различных конфигураций потенциальных электродных пар, расчет средней напряженности электрического поля в целевой области и определение конфигурации, которая максимизирует эту интенсивность. Конкретные шаги заключаются в следующем:

1. Запустите программное обеспечение для электромагнитного моделирования на компьютере с оперативной памятью не менее 16 ГБ и многоядерным процессором. Создайте новый проект, выбрав на ленте пункт Файл - Новый проект .
2. Построение геометрической модели
   1. Перейдите на вкладку « Модель» на ленте и импортируйте человеческую модель, выбрав «Модель/Фантом — Люди » и выбрав мужскую или женскую статическую модель (рис. 3).
   2. Определите расположение позвонка, ближайшее к участку ТСМ, с помощью анатомических ориентиров (например, С5 находится примерно на 2-3 см ниже остистого отростка С7, что проявляется в виде заметного костного выступа у основания шеи). Установите координату поверхности кожи непосредственно над центральной областью выбранного позвонка в качестве начала координат (Эскиз - Точка). Определите горизонтальную и вертикальную оси как оси x и y соответственно (рис. 4).
      ПРИМЕЧАНИЕ: При демонстрации протокола мы выбираем область спинного мозга, обернутую позвонком C5, в качестве мишени стимуляции. Это не фиксированный выбор, но он был сделан для удобства демонстрации. При применении протокола на практике может быть произвольно выбрана любая указанная целевая область спинного мозга.
   3. Для каждой конфигурации пар электродов расположите четыре электрода симметрично относительно начала координат (рис. 4), по одной паре с каждой стороны позвоночника. Определите положения по горизонтальному расстоянию (d₁) и вертикальному расстоянию (d₂) от начала координат таким образом, чтобы координаты четырех электродов в каждой конфигурации были (d₁, d₂), (d₁, -d₂), (-d₁, d₂) и (-d₁, -d₂).
      ПРИМЕЧАНИЕ: В этой демонстрации оцениваются 25 конфигураций электродных пар, при этом соседние электроды в каждом квадранте расположены на расстоянии 1 мм друг от друга по горизонтали и 5 мм друг от друга по вертикали, что позволяет распределить электроды-кандидаты в подходящем диапазоне относительно целевой области. Конкретная процедура установки электродов заключается в следующем. Возьмем в качестве примера первый квадрант:
      1. Создайте цилиндрический электрод, нажав на Твердые тела - Цилиндр на ленте с размерами, соответствующими фактическим электродам, использованным в клиническом лечении. Толщина может быть немного увеличена с учетом незначительных пересечений с поверхностью обшивки в имитационной модели.
         ПРИМЕЧАНИЕ: В этой демонстрации диаметр электрода был установлен на 10 мм, а толщина - на 5 мм.
      2. Нажмите на кнопку «Переместить » на ленте, чтобы разместить цилиндр на задней поверхности кожи с небольшим углублением. Отрегулируйте его центр на (10 мм, 10 мм), представляя горизонтальное и вертикальное расстояние 10 мм от начала координат.
      3. Скопируйте цилиндр в проводнике моделей и сдвиньте его вправо на 11 мм, чтобы расположить второй электрод на (21 мм, 10 мм). Повторите этот процесс, чтобы создать дополнительные электроды в точках (32 мм, 10 мм), (43 мм, 10 мм) и (54 мм, 10 мм).
      4. Скопируйте первый электрод и сдвиньте его вверх на 15 мм, чтобы расположить второй электрод под углом (10 мм, 25 мм). Повторите этот процесс для создания электродов в точках (10 мм, 40 мм), (10 мм, 55 мм) и (10 мм, 70 мм).
      5. Повторите этот процесс, сгенерируйте 25 электродов (5 рядов × 5 столбцов) в пределах первого квадранта.
         ПРИМЕЧАНИЕ: В каждой конфигурации стимуляции TI используются четыре электрода (две пары) для подачи токов с частотой два килогерца, которые интерферируют для создания низкочастотной оболочки в спинном мозге. Для оптимизации размещения 25 конфигураций, каждая из которых содержит четыре электрода, были протестированы с использованием сетки положений 5 x 5 на квадрант, что в общей сложности составило 100 электродов во всех моделях. Размер электродов и расстояние между электродами в разных группах указываются в соответствии с фактическими условиями, и эта демонстрация является только примером.
   4. Для процедуры размещения второго, третьего и четвертого квадрантов следуйте той же процедуре. По завершении все 25 конфигураций электродных пар (всего 100 электродов) расположены так, как показано на рисунке 4.
   5. Систематически переименовывайте электроды, щелкнув правой кнопкой мыши по соответствующему электроду в проводнике моделей (например, "ROn" для первого квадранта, "LOn" для второго, "LBn" для третьего, "RBn" для четвертого, где n - номер группы от 1 до 25).
   6. Визуальный контроль расположения электродов в виде 3D-модели. Отрегулируйте положение с помощью функции «Перемещение », чтобы убедиться, что каждый электрод немного (0,5 мм) встраивается в поверхность кожи без зазоров.
3. Настройка условий моделирования
   1. Перейдите на вкладку Simulation и создайте новую симуляцию, нажав на New - EM LF Electro - Ohmic Quasi-Stat на ленте. Щелкните правой кнопкой мыши и переименуйте его в "LF-R1". Поскольку стимуляция TI работает на низких частотах, используйте решатель "Ohmic Quasi-Stat" для рассмотрения только квазистатического приближения.
   2. Нажмите на панель «Настройка » в разделе «Проводник симуляции », установите частоту на 1040 Гц.
   3. Перетащите человеческую модель из мультидерева в LF-R1 - Materials, который автоматически назначит значения тканевой проводимости с частотой 1040 Гц (Таблица 1).
   4. В разделе "Граничные условия" измените настройки границы по умолчанию на "Поток ", выбрав "Тип границы " и выбрав "Поток " в раскрывающемся меню. Затем создайте две новые "Настройки границ", нажав на новую настройку , и назначьте входные напряжения +1 В и 0 В ( Рисунок 5).
      1. Назначьте электроды "RO1" и "RB1" для этих настроек, перетащив их в соответствующие "Настройки границ" соответственно, указав, что "RO1" выдает +1 В, а "RB1" служит возвратным путем.
   5. Сохраните настройки по умолчанию для «Датчиков» и настройте сетку , установив Максимальный шаг на 1 мм и Разрешение геометрии на 1 мм, исходя из вычислительных ресурсов.
   6. Создайте новую симуляцию "LF-L1", дублируя "LF-R1", установите частоту 1000 Гц и назначьте электроды "LB1" и "LO1" на "Настройки границ" +1 В и 0 В.
      ПРИМЕЧАНИЕ: Эта конфигурация зеркально отражает "LF-R1", но с противоположной конфигурацией электродов, что создает эффект интерференции. Все остальные настройки остаются без изменений. На этом первая настройка моделирования электродной пары завершена.
   7. Дублируйте LF-R1 и LF-L1, переименуйте их в LF-R2 и LF-L2 и измените параметры Граница, чтобы назначить соответствующие электроды. Удалите предыдущие электроды из "Сетки" и "Вокселей" и добавьте новый набор для каждой пары. Повторите для всех 25 групп.
   8. После того, как все симуляции настроены, выберите все симуляции на вкладке Симуляция , нажмите на Автоматическое обновление сетки на ленте (Нажмите на Диспетчер задач в правом нижнем углу. Если в окне указано, что сетка построена, это подтверждает, что шаги выполняются нормально), а затем выберите Run - Batch Run для одновременного запуска всех симуляций.
      ПРИМЕЧАНИЕ: Частоты 1040 Гц (LF-R1) и 1000 Гц (LF-L1) выбраны для создания низкочастотной огибающей 40 Гц (1040 Гц - 1000 Гц) посредством интерференции, которая является эффективной частотой стимуляции в целевой области спинного мозга для нейромодуляции¹⁷.
4. Выполнение статистического анализа
   1. Перейдите на вкладку «Анализ », выберите LF-R1 — «Общее поле» — «Экстрактор датчиков» и нажмите « Общее поле », чтобы создать общее поле.
   2. Нажмите на Overall Field - EM E(x,y,z,f0) - Field Data Tools - Field Scaling для преобразования распределения электрического поля с входного напряжения 1 В на входной ток 1 мА. Масштабный коэффициент определяется следующим образом (рисунок 6):
      1. На вкладке " Модель " создайте кубический объем (блок RO1), заключающий электрод RO1, выбрав на ленте "Твердые тела - блок " и задав размеры, полностью охватывающие электрод (например, 12 мм × 12 мм × 7 мм).
      2. Перетащите блок RO1 из Мультидерева в панель Анализ , создав два одинаковых модуля "Блок RO1".
      3. Выберите «Общее поле» в разделе LF-R1 и первый блок RO1 в обозревателе моделей, затем одновременно нажмите на «Поверхность» и «EM E(x,y,z,f0)». Нажмите на Flux Evaluator - List Viewer, чтобы отобразить значение "Total Flux". Вычислите масштабный коэффициент, разделив 0,001 на значение Total Flux.
   3. Повторите тот же процесс для "LF-L1".
   4. Выберите LF-R1 и LF-L1 в разделе «Масштабирование поля » в обозревателе анализа , затем нажмите « Максимальная модуляция » на ленте, чтобы связать распределения электрического поля от двух пар электродов. Установите "Вес A" и "Вес B" на 2, чтобы отразить выходное напряжение 2 мА на пару электродов (Рисунок 7).
   5. Извлеките среднюю напряженность электрического поля в целевой области спинного мозга:
      1. Примените «Фильтр маски», выбрав «Инструменты полевых данных» — «Фильтр маски » на ленте, чтобы сохранить только область «Спинной мозг».
      2. Нажмите на LF-R1 в обозревателе анализа и нажмите на Field Data Tools - Crop на ленте, чтобы изолировать целевую область спинного мозга (рис. 8).
      3. Нажмите на Статистика - Просмотрщик таблиц на ленте, чтобы отобразить среднюю напряженность электрического поля для обрезанной области (диапазон нормальных значений: 0,1-2 В/м).
   6. Повторите процесс для всех 25 конфигураций электродных пар и получите среднюю напряженность электрического поля на мишени из всех 25 групп.
   7. Сравните среднюю напряженность электрического поля для каждой конфигурации и определите конфигурацию с наибольшей интенсивностью в качестве оптимальной конфигурации.

3. Позиционирование электродов и настройка устройства

1. Попросите пациента с ТСМ удобно сесть на стул со спинкой, убедившись, что его туловище находится прямо, а спина открыта, сняв или отрегулировав одежду.
2. Определите уровень позвонков, ближайший к месту проведения ТСМ, пальпируя остистые отростки вдоль позвоночника. Найдите остистый отросток С7 (выступающий у основания шеи) и отсчитайте вниз до целевого позвонка (например, С5 находится на два позвонка выше С7). Отметьте поверхность кожи над остистым отростком целевого позвонка смываемым маркером (58-7726, Crayola Inc.), чтобы обозначить начало координат¹⁸.
3. На основе предварительно оптимизированных параметров размещения электродов (d₁, d₂) измерьте положение четырех электродов с помощью гибкой измерительной ленты. От начала координат измерьте d₁ по горизонтали (влево и вправо) и d₂ по вертикали (вверх и вниз), чтобы определить позиции в четырех квадрантах: (d₁, d₂), (d₁, -d₂), (-d ₁, -d₂). Отметьте каждую позицию смываемым маркером.
4. Очистите кожу в отмеченных местах электродов спиртовыми салфетками, чтобы удалить жир и мусор. Осмотрите кожу, чтобы убедиться, что она не повреждена, без порезов и ссадин. Нанесите 1,5 мл проводящего геля на каждый участок с помощью шприца или аппликатора, равномерно распределив его по участку диаметром 10 мм.
5. Сведите к минимуму натяжение электродных кабелей, закрепив лишнюю длину кабеля лентой. Подвешивайте тросы для естественного подвешивания, прикрепив их к стулу или ближайшей подставке, что снижает риск случайного отсоединения.
6. Прикрепите электроды к отмеченным местам на спине пациента, плотно прижав каждый электрод Ag/AgCl к покрытой гелем коже. Закрепите каждый электрод скотчем, закрыв края для предотвращения движения.
   ПРИМЕЧАНИЕ: Правый и левый электроды образуют пару электродов. Обозначьте правый верхний электрод в качестве анода, а нижний — в качестве катода. Назначьте левый верхний электрод в качестве катода, а нижний — в качестве анода, образуя зеркальную конфигурацию.
7. После того, как электроды будут правильно расположены и все соединения будут проверены, включите стимулятор TI, нажав кнопку питания . Нажмите на «Глобальные настройки параметров» и настройте следующие параметры стимуляции: Режим стимуляции: tTIS, Тип стимуляции: Стандартная стимуляция, Общая продолжительность стимуляции: 1200 с, Форма волны стимуляции: Синусоида, выбрав соответствующие опции в меню.
8. Выполните измерение импеданса для двух выбранных каналов стимуляции. Нажмите « Начать проверку импеданса», чтобы убедиться, что импеданс находится в допустимом диапазоне (стимулятор автоматически прекратит выход, если сопротивление нагрузки превысит 12 кОм). Оптимальный диапазон импеданса для эффективной стимуляции составляет 6-8 кОм.
9. Настройте частоту стимуляции и амплитуду выходного тока для каждого канала. Канал 1: частота 1040 Гц, амплитуда тока 2 мА. Канал 2: частота 1000 Гц, амплитуда тока 2 мА¹⁵.

4. Стимуляция

1. Убедитесь, что участник остается в удобном сидячем положении на протяжении всей процедуры и всегда остается в полном сознании.
2. Активируйте стимулятор, нажав переключатель «Пуск» в интерфейсе устройства, чтобы начать стимуляцию.
3. Следите за обратной связью пациента во время стимуляции, прося его сообщать о любых ощущениях (например, покалывании, дискомфорте). Уменьшите амплитуду тока с шагом 0,5 мА или немедленно приостановите стимуляцию нажатием кнопки «Стоп», если пациент сообщает о значительном дискомфорте или сильном ощущении жжения.
   Примечание: Ожидайте легкого ощущения покалывания или зуда, которое является нормальной физиологической реакцией на чрескожную электрическую стимуляцию, как это наблюдалось в этом исследовании и в предыдущих исследованиях^{аналогичных методов.} Это ощущение обычно проходит в течение 2-3 минут.

5. Постпроцедурные шаги

1. После завершения сеанса стимуляции снова измерьте состояние импеданса, выбрав «Начать тест импеданса », чтобы оценить изменения после стимуляции. Запишите значения для сравнения.
2. Проверьте физическую устойчивость пациента, проверив его равновесие и комфорт в сидячем положении. Аккуратно снимите медицинскую ленту, медленно отклеивая ее от кожи, чтобы избежать раздражения. Осторожно отсоедините электроды, приподняв их с одного края.
3. Промойте электроды чистой водой под краном и высушите их на чистом полотенце. Протрите кожу пациента в местах расположения электродов влажным бумажным полотенцем, чтобы удалить остатки геля.
4. Проведите для пациента стандартизированный опросник, в котором его спрашивают о сенсорных изменениях (например, покалывании, онемении), моторных улучшениях и нежелательных явлениях (например, раздражении кожи, боли). Запись ответов для анализа¹⁹.

При безошибочном проведении TI-моделирования можно получить среднюю напряженность электрического поля в целевой области спинного мозга, стимулируемой текущей группой электродных пар. Если взять в качестве примера группу 10, стимулирующую целевую область C5 (рис. 9), то отображаемое в интерфейсе «средневзвешенное по объему значение» составляет 0,50 В/м. Кроме того, при нажатии кнопки "Max Modulation - Mask Filter - Viewers - Surface Viewer" можно сохранить 3D-изображение распределения электрического поля на спинном мозге, в то время как другие ткани становятся полупрозрачными. Это позволяет интуитивно наблюдать за распределением электрического поля группы 10 вокруг целевой области C5 (рисунок 10).

После завершения моделирования для всех групп анализируется и сравнивается средняя напряженность электрического поля в каждой целевой области. Например, в симуляциях, проведенных на модели, стимуляция TI применялась к трем целевым областям: C5, T7 и L3 (рис. 11), как сообщают Xie et al.20. Результаты показывают, что меньшее d2 приводит к более низкой средней напряженности электрического поля в целевой области. Оптимальными значениями (d1, d2) для трех целевых областей оказались (32 мм, 70 мм) для C5, (10 мм, 40 мм) для T7 и (10 мм, 70 мм) для L3.

На практике, когда стимуляция TI применяется впервые, может возникнуть легкий зуд или легкое покалывание. Это нормальная физиологическая реакция, указывающая на то, что ток проходит через кожу, как это наблюдалось в данном исследовании и подтверждается исследованиямианалогичных методов электростимуляции. Ощущение обычно уменьшается в течение нескольких минут.

В настоящее время клиническое применение стимуляции ТИ при ТСМ остается ограниченным, а ее терапевтическая эффективность требует дальнейшей валидации. Тем не менее, существующие клинические исследования показали, что две недели непрерывной стимуляции ТИ приводят к значительному улучшению неврологической функции, двигательной силы, сенсорного восприятия и функциональной независимости у пациентов с ТСМ (Таблица 2), как сообщает Cheng et al.17. Эти результаты подтверждают гипотезу о том, что стимуляция ТИ является эффективным терапевтическим подходом к лечению ТСМ.

Рисунок 1: Размещение электродов во время клинического лечения на основе моделирования электрического поля.Две пары электродов были размещены в соответствии с оптимальной конфигурацией, определенной с помощью моделирования электрического поля и оптимизации параметров. Мишень стимуляции (например, С5) определяли в качестве исходной точки, а точку на коже, находящуюся непосредственно над этой мишенью - перпендикулярно поверхности кожи, определяли в качестве исходной точки. С помощью оптимизированных координат (d1, d2) относительно начала координат были определены положения размещения двух пар электродов. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этой цифры.

Рисунок 2: Конвейер моделирования электрического поля и оптимизации параметров. Всего оценивается 25 групп кандидатов, каждая из которых состоит из двух пар электродов: одна пара расположена справа от целевой области (пара R2), а другая — слева (пара L2). Четыре электрода в каждой группе расположены на одинаковом расстоянии по горизонтали (d1) и по вертикали (d2) от начала координат, что позволяет представить каждую группу как (d1, d2). Путем систематического позиционирования электродных пар и настройки условий моделирования рассчитывается средняя напряженность электрического поля в целевой области для всех групп. Затем группы сравниваются, и определяется группа Наилучшего (d1, d2) на основе наибольшей средней напряженности электрического поля. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этой цифры.

Рисунок 3: Человеческая модель, используемая для моделирования. Статическая человеческая модель Duke V3.0 была выбрана и импортирована с помощью опции «Модель/Фантом» в ленточном интерфейсе. Эта модель была загружена и включена для использования в среде моделирования. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этой цифры.

Иллюстрация 4: Размещение электродов в моделировании и оптимизации параметров. В каждой симуляции были размещены две пары электродов. Также отображаются все конфигурации электродов, используемые при оптимизации параметров. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этой цифры.

Рисунок 5: Настройки границ для моделирования LF-R1. Граничные условия для моделирования LF-R1 были настроены путем выбора в программном обеспечении параметра «Настройки границ». В панели "Контроллер" в поле "Тип границы" было установлено значение "Поток". Затем были созданы две записи "Настройки границ - Дирихле", щелкнув правой кнопкой мыши "Граничные условия" в Проводнике и выбрав "Новые настройки". В "Multi-tree" аноду и катоду одной электродной пары были присвоены соответствующие граничные настройки Дирихле. Постоянный потенциал был установлен на 1 В для анода и 0 В для катода на панели контроллера. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этой цифры.

Рисунок 6: Преобразование распределения электрического поля с входного напряжения 1 В на входное напряжение 1 мА. Чтобы преобразовать распределение электрического поля, полученное при входе 1 В, в распределение, соответствующее входу 1 мА, был создан кубический объем (блок RO1) вокруг электрода RO1 на вкладке «Модель» путем выбора «Твердые тела - блок» на ленте и регулировки размеров (например, 12 мм × 12 мм × 7 мм) для полного охвата электрода. Затем объект "Блок RO1" был перетащен из "Мультидерева" на панель "Анализ", сгенерировав два идентичных модуля. В проводнике "Model" были выбраны "Overall Field" в разделе "LF-R1" и первый экземпляр "Block RO1", за которыми последовала активация опций "Surface" и "EM E(x,y,z,f0)". Для отображения значения "Total Flux" использовался инструмент "Flux Evaluator - List Viewer". Масштабный коэффициент был определен путем деления 0,001 на значение Total Flux. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этой цифры.

Рисунок 7: Расчет модуляции электрического поля и амплитуды огибающей. Электрические поля, генерируемые двумя парами электродов в одной группе, были модулированы, и рассчитаны амплитуды их огибающей. Записи "LF-R1" и "LF-L1" в разделе "Field Scaling" в проводнике "Analysis" были выбраны вместе, а функция "Max Modulation" на ленте использовалась для сопряжения распределений электрического поля от двух пар электродов. Параметры "Вес А" и "Вес В" были установлены равными 2, что соответствует выходной мощности 2 мА на пару электродов. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этой цифры.

Рисунок 8: Изоляция целевой области спинного мозга и расчет средней напряженности электрического поля. Целевую область спинного мозга обрезали и извлекали для оценки напряженности электрического поля. В проводнике "Анализ" было выбрано поле "LF-R1", а для выделения нужной области использовалась функция "Инструменты полевых данных - Обрезка" на ленте. Впоследствии была рассчитана средняя напряженность электрического поля в этой области. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этой цифры.

Рисунок 9: Средняя напряженность электрического поля на мишени спинного мозга при моделировании ТИ (группа 10). Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этой цифры.

Рисунок 10: 3D-вид распределения электрического поля спинного мозга при моделировании TI (группа 10). Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.

Рисунок 11: Средняя напряженность электрического поля в мишени спинного мозга, моделируемая с использованием 25 групп. Оптимальными значениями (d1, d2) для трех целевых областей оказались (32 мм, 70 мм) для C5, (10 мм, 40 мм) для T7 и (10 мм, 70 мм) для L3. Эта цифра изменена по Xie et al.20. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этой цифры.

Таблица 1: Электропроводность относительных тканей на частоте 1 кГц. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы скачать эту таблицу.

Таблица 2: Демографические и клинические характеристики участников, стимулированных ТИ. Модифицировано из Cheng et al.17. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы скачать эту таблицу.

Все авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов, связанного с данной статьей.