Method Article

Omurilik Rehabilitasyonu için Noninvaziv Temporal Girişim Elektriksel Stimülasyon

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

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

Bu çalışma, omurilik yaralanması için belirli bölgeler için elektrot yerleşimini optimize eden ve bu optimize edilmiş stratejiyi klinik uygulamada verimli bir şekilde uygulayan bir TI stimülasyon protokolü önermektedir.

Abstract

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

Omurilik yaralanması (SKY), motor, duyusal ve otonomik fonksiyonların kalıcı kaybına yol açarak rehabilitasyon için önemli bir klinik zorluk teşkil edebilir. Konvansiyonel rehabilitasyon yaklaşımlarına ek olarak, epidural omurilik stimülasyonu (eSCI) iyileşmeyi artırmak için sıklıkla kullanılır. Bununla birlikte, eSCI'nin invaziv doğası, hasta kabulünü ve yaygın uygulamayı sınırlar. Geleneksel omurilik stimülasyonu ile karşılaştırıldığında, temporal interferans (TI) stimülasyonu, derin omurilik bölgelerini uyarmak için noninvaziv bir yaklaşım sunar ve bu da onu SCI tedavisi için umut verici bir teknik haline getirir. SCI rehabilitasyonu için etkili TI stimülasyonu elde etmede kritik bir faktör, hedeflenen omurilik alanı içinde yüksek bir elektrik alanı zarfı oluşturmak için iki elektrot çiftinin cilt yüzeyine doğru bir şekilde yerleştirilmesidir. Belirli SCI bölgeleri için en uygun elektrot yerleşimini belirlemek amacıyla elektrik alanı simülasyonlarını ve parametre optimizasyonunu kullanan benzersiz bir protokol öneriyoruz. Ek olarak, bu protokol, klinik TI stimülasyonunda optimize edilmiş elektrot yerleştirme stratejisinin verimli bir şekilde nasıl uygulanacağına dair sistematik bir açıklama sağlar.

Introduction

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

Omurilik yaralanması (SKY), yaralanma seviyesi1,2'nin altında motor, duyusal ve otonomik fonksiyonların kalıcı kaybına neden olabilen, zayıflatıcı bir merkezi sinir sistemi bozukluğudur. Sonuç olarak, SCI hastalarının tedavisi ve rehabilitasyonu hem bilimsel araştırmaların hem de klinik uygulamaların odak noktası haline gelmiştir. Farmakolojik ve fizik tedavileri içeren geleneksel tedavi yaklaşımları, fonksiyonel iyileşmeyi desteklemede belirli sınırlamalara sahiptir 3,4,5,6. Fizik tedaviler arasında spinal kord elektriksel stimülasyonu, invaziv ve noninvaziv modaliteler olarak kategorize edilebilen SCI rehabilitasyonu için etkili bir strateji olarak ortaya çıkmıştır 7,8. Epidural omurilik stimülasyonu (eSCI) gibi invaziv omurilik elektrik stimülasyonu, implante elektrotlar aracılığıyla doğrudan elektriksel stimülasyon sağlar, ancak enfeksiyon ve skar dokusu oluşumu riskleri taşır 9,10. Buna karşılık, transkutanöz elektriksel sinir stimülasyonu (TENS) gibi noninvaziv teknikler, derin omurga yapılarına etkili bir şekilde ulaşma yeteneklerinde sınırlıdır ve bu nedenle terapötik etkinlikten ödün verir11,12.

Zamansal girişim (TI) stimülasyonu, belirli bir elektrik akımı iletimi modu13,14 aracılığıyla derin dokuların noninvaziv uyarılmasını sağlayan gelişmekte olan bir nöromodülasyon teknolojisidir. Bu teknik, biraz farklı kilohertz frekanslarında elektrik akımları iletmek için cilt yüzeyine iki çift elektrot yerleştirmeyi içerir. Girişim ilkesine dayanan bu kurulum, derin dokularda benzersiz bir düşük frekanslı zarf (birkaç hertz'den birkaç on hertz'e kadar değişen) oluşturur ve böylece hedeflenen nöromodülasyonu mümkün kılar. Bu farklı çalışma mekanizması, TI stimülasyonunun geleneksel nöromodülasyon tekniklerinin derinlik sınırlamalarının üstesinden gelmesine olanak tanıyarak, invaziv prosedürler olmadan derin nöral yapılara etkili bir müdahale sağlar. TENS'ten farklı olarak TI, yüksek uzamsal özgüllükle daha derin penetrasyon sağlar ve eSCI'den farklı olarak cerrahi risklerden kaçınarak SCI nöromodülasyonu için daha güvenli, daha erişilebilir bir alternatif sunar. TI stimülasyonu, hareket bozuklukları ve depresyon gibi çeşitli hastalıkların tedavisi için araştırılmıştır. Tamamlanmamış SCI'de, bazı nöral yollar bozulmadan kaldığından, TI stimülasyonunun kalan nöral devrelerin aktivitesini artırması ve böylece nöroplastisiteyi ve fonksiyonel iyileşmeyi teşvik etmesi muhtemeldir15,16. Bu nedenle, TI stimülasyonu, SCI tedavisi için bir nöromodülasyon stratejisi olarak önemli bir umut vaat etmektedir17.

Bununla birlikte, mevcut TI stimülasyon donanım sistemleri öncelikle transkraniyal uygulamalar için tasarlanmıştır ve omurilik stimülasyonu için özel olarak geliştirilmiş TI sistemlerinin eksikliği vardır. Baş ve gövde arasındaki anatomik ve elektrofizyolojik farklılıklar nedeniyle, kafa için tasarlanmış mevcut TI stimülasyon cihazları spinal stimülasyona tam olarak uygulanamaz, bu da çıkış parametresi optimizasyonunda ve elektrot yerleştirmede zorluklara yol açar. Kafada TI stimülasyonu yapılırken, kafada elektrot konumlandırmasını kolaylaştırmak için genellikle sabit bir kurşun alan koordinat sistemi (10-10 sistemi gibi) kullanılır. Ancak bu sistem gövde için geçerli değildir. Ayrıca, TI stimülasyonu biyolojik dokuların derinliklerinde düşük frekanslı zarflar oluşturduğundan, yalnızca manuel elektrot yerleştirmeye dayalı olarak ortaya çıkan elektrik alan dağılımını tahmin etmek zordur. Bunun yerine, dahili elektrik alan dağılımını görselleştirmek ve optimize etmek için genellikle hesaplamalı simülasyonlara ihtiyaç duyulur. Ancak şu anda, spinal TI stimülasyonu için elektrik alan simülasyonu ve parametre optimizasyonu için yerleşik bir iş akışı yoktur ve bu da klinik uygulaması için önemli zorluklar ortaya çıkarmaktadır. Elektrot yerleşimi, stimülasyon frekansları ve akım genliği gibi parametreler, elektrik alan dağılımını ve düşük frekanslı zarfın genliğini doğrudan etkiler, nöral aktiviteyi modüle eder ve nöroplastisiteyi teşvik eder13,17.

Bu çalışmanın amacı, omurilik yaralanması tedavisi için özel olarak tasarlanmış bir TI donanım sistemi ile birlikte TI elektrik alan simülasyonu ve parametre optimizasyonu için uygun ve etkili bir iş akışı geliştirmektir. Elektrik alan simülasyonu ve parametre optimizasyonu yoluyla, belirli SCI hedef bölgelerinde TI'nin zarf alanı genliğini en üst düzeye çıkaran elektrot yerleştirme konfigürasyonlarını belirlemeyi ve böylece terapötik etkinliği artırmayı amaçlıyoruz. Ek olarak, optimize edilmiş elektrot konfigürasyonlarının pratik uygulamasını kolaylaştırmak için, kafa için orijinal TI donanım sistemine dayalı olarak omurilik TI stimülasyonu için yeni bir elektrot koordinat konumlandırma yöntemi tasarladık. Bu sistem, elektrot konumlandırmayı basitleştirmeyi ve klinik ortamlarda operasyonel fizibiliteyi iyileştirmeyi amaçlamaktadır.

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

Protocol

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

Bu çalışma insan denekleri içermektedir ve Helsinki Bildirgesi'ne uygun olarak yürütülmüştür. Zhejiang Üniversitesi Kurumsal İnceleme Kurulu'ndan etik onay alındı. Dahil edilmeden önce tüm katılımcılardan yazılı bilgilendirilmiş onam alındı ve çalışmanın amacı, prosedürleri, potansiyel riskleri ve herhangi bir zamanda cezasız olarak geri çekilme hakları hakkında tam olarak bilgilendirilmeleri sağlandı. Bu çalışmada kullanılan reaktifler ve ekipman Malzeme Tablosunda listelenmiştir.

Kontrendikasyonlar ve özel hususlar
SCI hastaları, katılımı etkileyen koşulları belirlemek için tıbbi geçmiş anketi ve fizik muayene kullanılarak uygunluk açısından değerlendirilir:
Dahil edilme kriterleri: (1) 18 ila 80 yaş arası (erkek veya kadın); (2) 1-6 ay arasında başlayan, ASIA B, C veya D olarak derecelendirilen eksik SCI; (3) Geçen hafta içinde ASIA değerlendirmesinde değişiklik olmaması; (4) Çalışma süresi boyunca stabil ilaç rejimi; (5) Gerekli tüm eğitim oturumlarına ve rehabilitasyon değerlendirmelerine katılım da dahil olmak üzere tüm çalışma gerekliliklerine uyma isteği.
Dışlama kriterleri17: (1) Nörolojik bozukluklara bağlı motor fonksiyon kısıtlılıkları (örn. inme, multipl skleroz, travmatik beyin hasarı); (2) Herhangi bir kararsız veya ciddi tıbbi durumun varlığı (örn. kontrolsüz hipertansiyon, kalp yetmezliği); (3) Epilepsi tarihi; (4) Elektrik stimülasyonuna kontrendikasyonlar (örn. implante elektronik cihazlar, kalp pilleri, metalik implantlar).

1. Malzemeler

  1. Gerekli malzemelerin eksiksizliğini doğrulayın ( bkz.
  2. Manyetik rezonans görüntüleme (MRI) veya bilgisayarlı tomografi (BT) taramaları kullanarak SCI hastalarını değerlendirin.
  3. Elektrik alan simülasyonlarını gerçekleştirmek için elektromanyetik simülasyon yazılımını açın (tüm adımlar yazılım içinde uygulanarak başka bir yazılıma geçme veya ek komut dosyaları kullanma ihtiyacını ortadan kaldırır). Elektrik alan simülasyonlarını gerçekleştirmeden önce, elektromanyetik simülasyon yazılımının insan modelleri (erkek veya dişi) içerdiğinden emin olun.
    1. Bu modeller kullanılamıyorsa, şeritte Model/Hayalet - İnsanlar'ı seçin ve ardından insan modelini indirin. İndirme işlemi tamamlandıktan sonra, sonraki simülasyonlar için modeli mevcut projeye aktarın.
  4. Her stimülasyon seansından önce TI stimülatörünü açmak için güç düğmesine basın, ardından belirlenen bağlantı kablolarını kullanarak elektrot adaptörünü bağlayın (Şekil 1). Cihaz ekranından pil durumunu kontrol edin. Pil seviyesi %20'nin altındaysa, standart bir elektrik prizine takılı olarak belirlenmiş güç adaptörünü kullanarak cihazı hemen şarj edin.
    NOT: Uyumsuz adaptörler pile zarar verebilir veya TI stimülatörünün çıkışında düzensizliklere neden olabilir.
  5. Her Ag/AgCl elektrodunu çatlak, renk değişikliği veya kalıntı açısından görsel olarak inceleyin. Kirleticileri gidermek için elektrotları izopropil alkol ve yumuşak bir bezle temizleyin. Ardından, temas empedansını azaltmak ve stimülasyon sırasında cilt tahrişini önlemek için elektrot yüzeyine ince ve eşit 1 mm'lik bir iletken jel tabakası uygulayın.
    1. Ek olarak, çapları ve kalınlıkları da dahil olmak üzere elektrotların boyutları hakkında kesin bilgilere sahip olduğunuzdan emin olun, çünkü bu parametreler sonraki elektrik alanı simülasyonlarında kritik bir rol oynar.
  6. Kablo konektörlerini etiketli bağlantı noktalarıyla eşleştirerek iki çift elektrot kablosunu elektrot adaptörüne bağlayın.

2. Elektrik alan simülasyonu ve parametre optimizasyonu

NOT: Elektrik alan simülasyonunun genel iş akışı üç ana adımdan oluşur: geometrik modelin oluşturulması (insan modeli ve elektrotlar dahil), simülasyon koşullarının tanımlanması (malzeme özellikleri, sınır koşulları ve ağ oluşturma) ve son olarak omuriliğin hedef bölgesindeki elektrik alan dağılımını görselleştirmek için hesaplamalar yapmak (Şekil 2). Parametre optimizasyonu, çeşitli aday elektrot çifti konfigürasyonları için elektrik alanlarının simüle edilmesini, hedef bölgedeki ortalama elektrik alan yoğunluğunun hesaplanmasını ve bu yoğunluğu maksimuma çıkaran konfigürasyonun belirlenmesini içerir. Belirli adımlar aşağıdaki gibidir:

  1. Elektromanyetik simülasyon yazılımını en az 16 GB RAM'e ve çok çekirdekli işlemciye sahip bir bilgisayarda başlatın. Şeritte Dosya - Yeni Proje'yi seçerek yeni bir proje oluşturun.
  2. Geometrik model yapımı
    1. Şeritteki Model sekmesine tıklayın ve Model/Hayalet - İnsanlar'ı seçip erkek veya dişi statik model seçerek bir insan modelini içeri aktarın (Şekil 3).
    2. Anatomik işaretleri kullanarak SCI bölgesine en yakın vertebral konumu belirleyin (örneğin, C5, C7 dikenli çıkıntının yaklaşık 2-3 cm altındadır ve boynun tabanında belirgin bir kemik çıkıntısı olarak hissedilir). Cilt yüzeyinin koordinatını orijin olarak seçilen omurun orta bölgesinin hemen üzerine ayarlayın (Çizim - Nokta). Yatay ve dikey eksenleri sırasıyla x ve y eksenleri olarak tanımlayın (Şekil 4).
      NOT: Protokolün gösteriminde, stimülasyon hedefi olarak C5 omuru tarafından sarılan omurilik bölgesini seçiyoruz. Bu sabit bir seçim değildir, ancak gösteri kolaylığı için yapılmıştır. Protokolü pratikte uygularken, belirtilen herhangi bir omurilik hedef alanı keyfi olarak seçilebilir.
    3. Her elektrot çifti konfigürasyonu için, dört elektrodu, omurganın her iki yanında birer çift olacak şekilde orijin etrafına simetrik olarak yerleştirin (Şekil 4). Konumları orijinden yatay mesafeye (d1) ve dikey mesafeye (d2) göre tanımlayın, öyle ki her konfigürasyondaki dört elektrotun koordinatları (d1, d2), (d1, -d2), (-d1, d2) ve (-d1, -d2).
      NOT: Bu gösteride, her kadrandaki bitişik elektrotlar yatay olarak 1 mm ve dikey olarak 5 mm aralıklı olacak şekilde 25 elektrot çifti konfigürasyonu değerlendirilmiştir, bu da aday elektrotların hedef alana göre uygun bir aralıkta dağıtılmasına izin verir. Spesifik elektrot yerleştirme prosedürü aşağıdaki gibidir. Örnek olarak ilk çeyreği kullanırsak:
      1. Şeritteki Katılar - Silindir'e tıklayarak klinik tedavide kullanılan gerçek elektrotlara karşılık gelen boyutlara sahip silindirik bir elektrot oluşturun. Simülasyon modelinde cilt yüzeyi ile küçük kesişmeleri hesaba katmak için kalınlık biraz artırılabilir.
        NOT: Bu gösteride elektrot çapı 10 mm'ye ve kalınlığı 5 mm'ye ayarlanmıştır.
      2. Silindiri hafif bir gömüyle arka cilt yüzeyine yerleştirmek için şeritte Taşı'ya tıklayın. Merkezini, orijinden 10 mm'lik yatay ve dikey bir mesafeyi temsil edecek şekilde (10 mm, 10 mm) olarak ayarlayın.
      3. Silindiri Model gezgininde çoğaltın ve ikinci elektrodu (11 mm, 21 mm) konumuna getirmek için 10 mm sağa kaydırın. (32 mm, 10 mm), (43 mm, 10 mm) ve (54 mm, 10 mm) boyutlarında ek elektrotlar oluşturmak için bu işlemi tekrarlayın.
      4. İlk elektrodu kopyalayın ve ikinci elektrodu (10 mm, 25 mm) konumuna getirmek için 15 mm yukarı kaydırın. (10 mm, 40 mm), (10 mm, 55 mm) ve (10 mm, 70 mm) elektrotlar oluşturmak için bu işlemi tekrarlayın.
      5. Bu işlemi tekrarlayın, ilk kadranda 25 elektrot (5 satır × 5 sütun) oluşturun.
        NOT: Her TI stimülasyon konfigürasyonu, omurilikte düşük frekanslı bir zarf oluşturmaya müdahale eden iki kilohertz frekanslı akım sağlamak için dört elektrot (iki çift) kullanır. Yerleştirmeyi optimize etmek için, her biri dört elektrotlu 25 konfigürasyon, tüm simülasyonlarda toplam 100 elektrot olmak üzere, kadran başına 5 x 5'lik bir konum ızgarası kullanılarak test edilir. Farklı gruplardaki elektrotların boyutu ve elektrotlar arasındaki mesafe gerçek koşullara göre belirtilmiştir ve bu gösterim yalnızca bir örnek sunmaktadır.
    4. İkinci, üçüncü ve dördüncü kadranların yerleştirme prosedürü için aynı işlemi izleyin. Tamamlandığında, 25 elektrot çifti konfigürasyonunun tümü (toplam 100 elektrot) Şekil 4'te gösterildiği gibi düzenlenir.
    5. Model gezgininde ilgili elektrota sağ tıklayarak elektrotları sistematik olarak yeniden adlandırın (örneğin, birinci kadran için "ROn", ikinci kadran için "LOn", üçüncü için "LBn", dördüncü için "RBn", burada n, 1'den 25'e kadar olan grup numarasıdır).
    6. Elektrot yerleşimini 3D model görünümünde görsel olarak inceleyin. Her elektrotun cilt yüzeyine boşluk bırakmadan hafifçe (0,5 mm) gömülmesini sağlamak için Move'u kullanarak konumları ayarlayın.
  3. Simülasyon koşulları ayarı
    1. Simülasyon sekmesine tıklayın ve şeritteki Yeni - EM LF Electro - Ohmic Quasi-Stat'a tıklayarak yeni bir simülasyon oluşturun. Sağ tıklayın ve "LF-R1" olarak yeniden adlandırın. TI stimülasyonu düşük frekanslarda çalıştığından, yalnızca yarı statik yaklaşımı dikkate almak için "Ohmic Quasi-Stat" çözücüyü kullanın.
    2. Simülasyon gezgini altındaki Kurulum paneline tıklayın, frekansı 1040 Hz olarak ayarlayın.
    3. İnsan modelini Çoklu Ağaçtan LF-R1 - Malzemeler'e sürükleyin, bu da 1040 Hz'de dokuya özgü iletkenlik değerlerini otomatik olarak atayacaktır (Tablo 1).
    4. Sınır Koşulları'nda, varsayılan Sınır ayarlarını Sınır Türü'nü seçip açılır menüden Akı'yı seçerek Akı olarak değiştirin. Ardından, yeni ayara tıklayarak iki yeni "Sınır ayarı" oluşturun ve +1 V ve 0 V giriş voltajları atayın (Şekil 5).
      1. "RO1" ve "RB1" elektrotlarını sırasıyla ilgili "Sınır Ayarları"na sürükleyerek bu ayarlara atayın, "RO1"in +1 V çıkış verdiğini, "RB1"in ise dönüş yolu olarak görev yaptığını belirtin.
    5. "Sensörler" için varsayılan ayarları koruyun ve hesaplama kaynaklarına bağlı olarak Maksimum Adım 1 mm ve Geometri çözünürlüğü 1 mm olarak ayarlayarak Izgarayı ayarlayın.
    6. "LF-R1"i çoğaltarak yeni bir "LF-L1" simülasyonu oluşturun, frekansı 1000 Hz'e ayarlayın ve "LB1" ve "LO1" elektrotlarını +1 V ve 0 V "Sınır ayarlarına" atayın.
      NOT: Bu kurulum "LF-R1"i yansıtır ancak zıt elektrot konfigürasyonuyla girişim etkisi yaratır. Diğer tüm ayarlar değişmeden kalır. Bu, ilk elektrot çifti simülasyon kurulumunu tamamlar.
    7. LF-R1 ve LF-L1'i çoğaltın, bunları LF-R2 ve LF-L2 olarak yeniden adlandırın ve ilgili elektrotları atamak için Sınır ayarlarını değiştirin. Önceki elektrotları "Izgara" ve "Vokseller"den çıkarın ve her çift için yeni seti ekleyin. 25 grubun tümü için tekrarlayın.
    8. Tüm simülasyonlar yapılandırıldıktan sonra, Simülasyon sekmesinde tüm simülasyonları seçin, şeritte Otomatik Izgara Güncellemesi'ne tıklayın (Sağ alt köşedeki Görev Yöneticisine tıklayın. Pencere kılavuzun oluşturulduğunu gösteriyorsa, bu adımların normal şekilde ilerlediğini onaylar) ve ardından tüm simülasyonları aynı anda çalıştırmak için Çalıştır - Toplu Çalıştır'ı seçin.
      NOT: 1040 Hz (LF-R1) ve 1000 Hz (LF-L1) frekansları, nöromodülasyon17 için hedef omurilik bölgesindeki etkili stimülasyon frekansı olan girişim yoluyla 40 Hz'lik (1040 Hz - 1000 Hz) düşük frekanslı bir zarf üretmek için seçilir.
  4. İstatistiksel analiz gerçekleştirin
    1. Analiz sekmesine tıklayın, LF-R1 - Genel Alan - Sensör Çıkarıcı'yı seçin ve Genel Alan oluşturmak için Genel Alan'a tıklayın.
    2. Elektrik alan dağılımını 1V giriş voltajından 1mA giriş akımına dönüştürmek için Genel Alan - EM E(x,y,z,f0) - Saha Veri Araçları - Alan Ölçeklendirme'ye tıklayın. Ölçek faktörü aşağıdaki gibi belirlenir (Şekil 6):
      1. Model sekmesinde, şeritte Katılar - Blok'u seçerek ve boyutları elektrodu tamamen kapsayacak şekilde ayarlayarak (örn. 12 mm × 12 mm × 7 mm) RO1 elektrodunu çevreleyen bir kübik hacim (Blok RO1) oluşturun.
      2. Blok RO1'i Çoklu ağaçtan Analiz paneline sürükleyerek iki özdeş "Blok RO1" modülü oluşturun.
      3. LF-R1 altında Genel Alan'ı ve Model gezginindeki ilk Blok RO1'i seçin, ardından Yüzey ve EM E(x,y,z,f0)'a aynı anda tıklayın. "Toplam Akı" değerini görüntülemek için Akı Değerlendiricisi - Liste Görüntüleyici'ye tıklayın. 0,001 'i Toplam Akı değerine bölerek ölçek faktörünü hesaplayın.
    3. Aynı işlemi "LF-L1" için tekrarlayın.
    4. Analiz gezgininde Alan Ölçeklendirme altında LF-R1 ve LF-L1'i çoklu seçin, ardından iki elektrot çiftinden elektrik alan dağılımlarını birleştirmek için şeritteki Maksimum Modülasyon'a tıklayın. Elektrot çifti başına 2 mA çıkışı yansıtmak için "Ağırlık A" ve "Ağırlık B"yi 2 olarak ayarlayın (Şekil 7).
    5. Omuriliğin hedef bölgesindeki ortalama elektrik alan yoğunluğunu çıkarın:
      1. Yalnızca "Omurilik" bölgesini korumak için şeritte Alan Veri Araçları - Maske Filtresi'ni seçerek bir "Maske Filtresi" uygulayın.
      2. Analiz gezgininde LF-R1'e tıklayın ve hedef omurilik bölgesini izole etmek için şeritte Saha Veri Araçları - Kırp'a tıklayın (Şekil 8).
      3. Kırpılan bölge için ortalama elektrik alanı yoğunluğunu görüntülemek için şeritteki İstatistikler - Tablo Görüntüleyici'ye tıklayın (Normal değer aralığı: 0,1-2 V/m).
    6. İşlemi 25 elektrot çifti konfigürasyonunun tümü için tekrarlayın ve 25 grubun tamamının hedefindeki ortalama elektrik alan yoğunluğunu elde edin.
    7. Her konfigürasyon için ortalama elektrik alan yoğunluğunu karşılaştırın ve en yüksek yoğunluğa sahip konfigürasyonu en uygun kurulum olarak belirleyin.

3. Elektrot konumlandırma ve cihaz kurulumu

  1. SCI hastasından sırtlıklı bir sandalyeye rahatça oturmasını isteyin, giysileri çıkararak veya ayarlayarak gövdesinin dik ve sırtının açıkta kalmasını sağlayın.
  2. Omurga boyunca dikenli süreçleri palpe ederek SCI bölgesine en yakın vertebral seviyeyi belirleyin. C7 dikenli çıkıntıyı (boynun tabanında belirgin) bulun ve hedef omurlara doğru aşağı doğru sayın (örneğin, C5, C7'nin üzerinde iki omurdur). Orijini belirlemek için hedef omurun dikenli çıkıntısının üzerindeki cilt yüzeyini yıkanabilir bir işaretleyici (58-7726, Crayola Inc.) ile işaretleyin18.
  3. Önceden optimize edilmiş elektrot yerleştirme parametrelerine (d1, d2) dayanarak, esnek bir ölçüm bandı kullanarak dört elektrot konumunu ölçün. Orijinden, dört kadrandaki konumları bulmak için d1'i yatay olarak (sol ve sağ) ve d2'yi dikey olarak (yukarı ve aşağı) ölçün: (d1, d2), (d1, -d2), (-d1, d2), (-d1, -d2). Her konumu yıkanabilir bir işaretleyici ile işaretleyin.
  4. Yağları ve kalıntıları gidermek için işaretli elektrot bölgelerindeki cildi alkollü mendillerle temizleyin. Kesik veya sıyrık olmadan sağlam olduğundan emin olmak için cildi inceleyin. Bir şırınga veya aplikatör kullanarak her bölgeye 1,5 mL iletken jel uygulayın ve 10 mm çapında bir alana eşit olarak yayın.
  5. Fazla kablo uzunluğunu bantla sabitleyerek elektrot kablolarındaki gerilimi en aza indirin. Kabloları sandalyeye veya yakındaki bir standa bağlayarak doğal bir şekilde asmak için asın, böylece kazara ayrılma riskini azaltın.
  6. Her bir Ag/AgCl elektrodunu jel kaplı cilde sıkıca bastırarak elektrotları hastanın sırtındaki işaretli konumlara takın. Hareketi önlemek için her elektrodu kenarları kaplayacak şekilde yapışkan bantla sabitleyin.
    NOT: Sağ ve sol elektrotların her biri bir elektrot çifti oluşturur. Sağ taraftaki üst elektrodu anot ve alt elektrodu katot olarak belirleyin. Sol taraftaki üst elektrodu katot ve alt elektrodu anot olarak atayarak bir ayna görüntüsü konfigürasyonu oluşturun.
  7. Elektrotlar uygun şekilde yerleştirildikten ve tüm bağlantılar doğrulandıktan sonra, güç düğmesine basarak TI stimülatörünü açın. Global Parametre Ayarları'na tıklayın ve aşağıdaki stimülasyon parametrelerini yapılandırın: Stimülasyon modu: tTIS, Stimülasyon tipi: Standart Stimülasyon , Toplam stimülasyon süresi: 1200 s, Stimülasyon dalga formu: Sinüs dalgası menüdeki ilgili seçenekleri seçerek.
  8. Seçilen iki stimülasyon kanalı için empedans ölçümü yapın. Empedansın kabul edilebilir aralıkta olduğundan emin olmak için Empedans Testini Başlat'a tıklayın (yük empedansı 12 kΩ'u aşarsa stimülatör çıkışı otomatik olarak durduracaktır). Etkili stimülasyon için en uygun empedans aralığı 6-8 kΩ'dur.
  9. Her kanal için stimülasyon frekansını ve çıkış akımı genliğini yapılandırın. Kanal 1: Frekans 1040 Hz'e ayarlanmış, akım genliği 2 mA'ya ayarlanmış. Kanal 2: Frekans 1000 Hz'e, akım genliği 2 mA15'e ayarlandı.

4. Stimülasyon

  1. Katılımcının işlem boyunca rahat bir oturma pozisyonunda kalmasını ve her zaman tamamen bilinçli kalmasını sağlayın.
  2. Stimülasyonu başlatmak için cihazın arayüzündeki Başlat düğmesine basarak stimülatörü etkinleştirin.
  3. Stimülasyon sırasında hastanın geri bildirimini, herhangi bir hissi (örn. karıncalanma, rahatsızlık) bildirmelerini isteyerek izleyin. Hasta önemli bir rahatsızlık veya güçlü bir batma hissi bildirirse, akım genliğini 0,5 mA'lık artışlarla azaltın veya Durdur düğmesine basarak stimülasyonu hemen duraklatın.
    NOT: Bu çalışmada ve benzer teknikler üzerine yapılan önceki araştırmalarda gözlemlendiği gibi, transkutanöz elektriksel stimülasyona normal bir fizyolojik yanıt olan hafif bir karıncalanma veya kaşıntı hissi bekleyin17. Bu his tipik olarak 2-3 dakika içinde azalır.

5. İşlem sonrası adımlar

  1. Stimülasyon seansı tamamlandıktan sonra, stimülasyon sonrası değişiklikleri değerlendirmek için Empedans Testini Başlat'ı seçerek empedans durumunu tekrar ölçün. Karşılaştırma için değerleri kaydedin.
  2. Otururken dengesini ve konforunu kontrol ederek hastanın fiziksel stabilitesini doğrulayın. Tahrişi önlemek için tıbbi bandı ciltten yavaşça soyarak nazikçe çıkarın. Elektrotları bir kenarından kaldırarak dikkatlice ayırın.
  3. Elektrotları bir musluğun altında temiz suyla durulayın ve temiz bir havlu üzerinde havayla kurutun. Kalan jeli çıkarmak için hastanın cildini elektrot bölgelerinde nemli bir kağıt havluyla silin.
  4. Hastaya duyusal değişiklikler (örn. karıncalanma, uyuşma), motor iyileşmeler ve advers olaylar (örn. cilt tahrişi, ağrı) hakkında sorular soran standart bir anket uygulayın. Analiz için yanıtları kaydedin19.

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

Results

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

TI simülasyonları hatasız yürütülürken, mevcut elektrot çiftleri grubu tarafından uyarılan hedef omurilik bölgesindeki ortalama elektrik alan yoğunluğu elde edilebilir. Örnek olarak C10 hedef alanını uyaran Grup 5'u ele alırsak (Şekil 9), arayüzde görüntülenen "Hacim Ağırlıklı Ortalama" 0.50 V/m'dir. Ek olarak, "Maksimum Modülasyon - Maske Filtresi - Görüntüleyiciler - Yüzey Görüntüleyici" tıklanarak, diğer dokular yarı saydam olarak ayarlanırken omurilik ü...

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

Discussion

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

Kritik adımlar

Simülasyon koşullarının ayarlanması
Elektrotlar insan modelinin cildinin yüzeyine yerleştirildiğinde, elektrotlar ile cilt arasında hava boşluğu kalmamasını sağlamak için silindirik elektrotlar kısmen cilde gömülür. Aksi takdirde akım havadan geçerek insan vücuduna geçemez. Elektrottan orijine olan mesafe (d1 , d2) cilt tamamen düz olmadığı için cilt yüzeyi boyunca ölçülür. Bu mesafe, d...

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

Disclosures

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

Tüm yazarlar bu makale ile ilgili herhangi bir çıkar çatışması beyan etmemektedir.

Acknowledgements

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

Çin Ulusal Doğa Bilimleri Vakfı (52407261), Zhejiang'ın "Öncü" ve "Lider Kaz" Ar-Ge Programı (2025C01137), Zhejiang Eyaletinin Anahtar Araştırma ve Geliştirme Planı (2024C03040), Zhejiang Rehabilitasyon Tıbbı Derneği'nin Araştırma Özel Fon Projesi (ZKKY2024008) ve ZMT tarafından Sim4Life tarafından desteklenen araştırma, 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 veya BT sistemi Siemens HealthineersMAGNETOM Skyra (MR) / SOMATOM X.cite (CT)
Yapışkan Bant3MDurapore 1538-1
Alkol MendilleriPDI SağlıkS41125
PilNeurodomeNervioX-1000 aksesuarı
Computer Dell TechnologiesPrecision 366016 GB RAM, çok çekirdekli işlemci
Elektriksel iletken jelSoterix HD-1AGE-12
Elektrot adaptörüNeurodomeNervioX-1000 aksesuarı
Elektromanyetik simülasyon yazılımıZMT Zurich MedTech AGSim4Life v8.0
İnsan simülasyon modelleri IT'IS VakfıSanal Nüfus 3.0Duke (Statik) 3.0, Ella (Statik) 3.0
İzopropil AlkolMedline EndüstrileriMDS098003Z
Ölçü bandıStanley Tools33-725
Kağıt HavluKimberly-ClarkKimwipes 34155
Şırınga veya UygulayıcıBD305857
TI uyarıcıNeurodomeNervioX-1000Zamansal Girişim Uyarı Cihazı
İki çift Ag/AgCl elektrot ve kabloShanhai Medical LtdSHTIS
Yıkanabilir MarkerCrayola58-7726

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