非侵入性时间干涉电刺激用于脊髓康复

摘要

本研究提出了一种用于脊髓损伤的经颅电刺激（TI）刺激方案，该方案针对特定区域优化了电极放置位置，并在临床应用中高效地实施了这一优化策略。

摘要

脊髓损伤（SCI）可导致运动、感觉和自主神经功能的永久性丧失，给康复治疗带来重大临床挑战。除了传统的康复方法外，硬膜外脊髓电刺激（eSCI）常被用于促进功能恢复。然而，eSCI具有侵入性，限制了患者的接受度和广泛应用。与传统脊髓刺激相比，时间干涉（TI）刺激提供了一种非侵入性方法，可刺激深层脊髓区域，因此在SCI治疗中具有广阔前景。实现有效TI刺激用于SCI康复的一个关键因素，是将两对电极准确放置在皮肤表面，以在目标脊髓区域产生高强度的电场包络。我们提出了一种独特的方案，利用电场模拟与参数优化来确定针对特定SCI区域的最佳电极放置位置。此外，该方案系统地描述了如何在临床TI刺激中高效实施优化后的电极放置策略。

引言

脊髓损伤（SCI）是一种致残性的中枢神经系统疾病，可导致损伤平面以下永久性丧失运动、感觉和自主神经功能^1,2因此，脊髓损伤患者的治疗与康复已成为科学研究和临床实践的关注焦点。传统的治疗方法，包括药物治疗和物理疗法，在促进功能恢复方面存在一定的局限性^3,4,5,6在物理治疗中，脊髓电刺激已成为脊髓损伤康复的一种有效策略，可分为有创和无创两种模式。^7,8侵入性脊髓电刺激，例如硬膜外脊髓电刺激（eSCI），可提供直接的电刺激 通过 植入电极但存在感染和瘢痕组织形成的风险^9,10相比之下，无创技术（如经皮神经电刺激，TENS）在有效到达深层脊髓结构方面存在局限性，从而影响治疗效果^11,12.

时差干扰（TI）刺激是一种新兴的神经调控技术，可通过特定的电流递送模式实现对深层组织的非侵入性刺激^13,14。该技术通过在皮肤表面放置两对电极，输送频率略有差异的千赫兹级交流电。基于干涉原理，该设置可在深层组织内产生一个独特的低频包络（频率范围从几赫兹至数十赫兹），从而实现靶向神经调控。这种独特的作用机制使TI刺激能够克服传统神经调控技术的深度限制，为深层神经结构提供一种无需侵入性操作的有效干预手段。与经皮神经电刺激（TENS）不同，TI具有更深的穿透深度和更高的空间特异性；与脊髓硬膜外刺激（eSCI）相比，TI则避免了手术风险，为脊髓损伤（SCI）的神经调控提供了一种更安全、更易普及的替代方案。TI刺激已被研究用于治疗多种疾病，如运动障碍和抑郁症。在不完全性脊髓损伤中，由于部分神经通路仍保持完整，TI刺激极有可能增强残存神经回路的活动，从而促进神经可塑性及功能恢复^15,16。因此，TI刺激作为一种用于脊髓损伤治疗的神经调控策略，具有重要的应用前景¹⁷。

然而，目前的干涉刺激（TI）硬件系统主要针对经颅应用设计，缺乏专为脊髓刺激开发的TI系统。由于头部与躯干在解剖结构和电生理特性上存在差异，专为头部设计的现有TI刺激设备无法完全适用于脊髓刺激，导致输出参数优化和电极放置面临挑战。在头部进行TI 刺激时，通常采用固定的导场坐标系统（如10-10系统）以辅助电极在头部的准确定位。然而，该系统不适用于躯干区域。此外，由于TI刺激在生物组织深部产生低频包络信号，仅依靠人工放置电极难以准确预测所产生的电场分布，通常需要借助计算模拟来可视化并优化组织内部的电场分布。然而目前尚无成熟的针对脊髓TI刺激的电场模拟与参数优化工作流程，这对其临床应用构成了显著挑战。电极放置位置、刺激频率和电流强度等参数直接影响电场分布以及低频包络的幅值，进而调节神经活动并促进神经可塑性^13,17。

本研究的目的是建立一种便捷且高效的经颅干扰电场（TI）模拟与参数优化工作流程，并开发一套专用于脊髓损伤治疗的TI硬件系统。通过电场模拟与参数优化，我们旨在确定能够使特定脊髓损伤靶区的TI包络场强达到最大的电极放置构型，从而提高治疗效果。此外，为了促进优化后电极构型的实际应用，我们在原有头部TI硬件系统的基础上，设计了一种新的用于脊髓TI刺激的电极坐标定位方法。该系统旨在简化电极定位过程，提升临床操作的可行性。

方案

本研究涉及人类受试者，按照《赫尔辛基宣言》的规定进行。伦理批准由浙江大学机构审查委员会获得。所有参与者在纳入研究前均签署了书面知情同意书，确保其充分了解研究的目的、流程、潜在风险以及随时无惩罚退出的权利。本研究中使用的试剂和设备列于材料表中。

禁忌症与特殊注意事项
通过病史问卷和体格检查对脊髓损伤（SCI）患者进行入组资格评估，以识别影响参与的状况：
纳入标准：（1）年龄在18至80岁之间（性别不限）；（2）不完全性脊髓损伤，美国脊髓损伤协会（ASIA）分级为B、C或D级，发病时间为1至6个月；（3）过去一周内ASIA评估结果无变化；（4）研究期间药物治疗方案稳定；（5）愿意遵守研究的所有要求，包括参加所有规定的训练课程和康复评估。
排除标准¹⁷：（1）因神经系统疾病（如脑卒中、多发性硬化、创伤性脑损伤）导致的运动功能受限；（2）存在任何不稳定或严重的医学状况（如未控制的高血压、心力衰竭）；（3）有癫痫发作史；（4）存在电刺激禁忌症（如体内植入电子设备、起搏器、金属植入物）。

1. 材料

1. 确认所需材料的完整性（参见 材料表）。
2. 使用磁共振成像（MRI）或计算机断层扫描（CT）对脊髓损伤（SCI）患者进行评估。
3. 打开电磁仿真软件以进行电场仿真（所有步骤均在该软件内完成，无需切换至其他软件或使用额外脚本）。在开展电场仿真前，确保电磁仿真软件中包含人体模型（男性或女性）。
   1. 若无此类模型，请在功能区选择 Model/Phantom - Humans ，然后下载人体模型。下载完成后，将模型导入当前项目以用于后续仿真。
4. 每次刺激前，按下 电源 按钮开启TI刺激器，并使用指定连接线缆连接电极适配器（图1）。检查设备屏幕上的电池状态。若电量低于20%，请立即使用指定电源适配器插入标准电源插座进行充电。
   注意：使用不兼容的适配器可能会损坏电池或导致TI刺激器输出异常。
5. 目视检查每个Ag/AgCl电极是否存在裂纹、变色或残留物。使用异丙醇和软布清洁电极表面以去除污染物。随后在电极表面均匀涂抹一层约1 mm厚的导电凝胶，以降低接触阻抗并防止刺激过程中引起皮肤刺激。
   1. 此外，需准确获取电极的尺寸信息，包括其直径和厚度，因为这些参数在后续电场仿真中起关键作用。
6. 将两对电极线缆的连接头与电极适配器上标有标签的接口一一对应连接。

2. 电场模拟与参数优化

注意：电场仿真的整体工作流程包括三个主要步骤：构建几何模型（包括人体模型和电极）、定义仿真条件（材料属性、边界条件和网格生成），最后进行计算以可视化脊髓目标区域内的电场分布（图2）。参数优化涉及对多种候选电极对构型进行电场仿真，计算目标区域内的平均电场强度，并确定能使该强度最大化的构型。具体步骤如下：

1. 在配备至少 16 GB 内存和多核处理器的计算机上启动电磁仿真软件。通过选择创建一个新项目 文件 - 新建项目 在功能区中。
2. 几何模型构建
   1. 点击 模型 功能区中的选项卡，通过选择导入人体模型 模型/模拟体 - 人类 并选择男性或女性静态模型（图3).
   2. 使用解剖学标志确定最接近脊髓损伤（SCI）部位的椎体位置（例如，C5 大致位于可触及的颈部基底部显著骨性突起——C7 棘突下方 2–3 cm 处）。将皮肤表面正对所选椎体中心区域的位置设为坐标原点（示意图 - 点）。分别将水平轴和垂直轴定义为 x 轴和 y 轴图4).
      注意：在本方案的演示中，我们选择由C5椎骨包裹的脊髓区域作为刺激靶区。此选择并非固定不变，仅为演示方便而定。在实际应用本方案时，可任意选择任何特定的脊髓目标区域。
   3. 对于每种电极对配置，将四个电极相对于原点对称放置（图4），脊柱两侧各有一对。通过水平距离（d₁）和垂直距离（d₂) 从原点出发，使得每种构型中四个电极的坐标为 (d₁，d₂），（d₁, -d₂），（-d₁，d₂），以及（-d₁, -d₂).
      注意：本演示中评估了25种电极对组合，每个象限内的相邻电极在水平方向上相距1 mm，垂直方向上相距5 mm，从而使候选电极相对于目标区域分布在合适的范围内。具体电极放置步骤如下：以第一象限为例：
      1. 通过点击创建一个圆柱形电极 固体 - 圆柱体 根据临床治疗中实际使用的电极尺寸，制作条带，其厚度可略微增加，以补偿模拟模型中与皮肤表面的微小交界。
         注意：本实验中，电极直径设为10 mm，厚度设为5 mm。
      2. 点击 移动 在功能区中将圆柱体放置于后侧皮肤表面，略微嵌入。将其中心调整至 (10 mm, 10 mm)，表示距原点水平和垂直距离均为 10 mm。
      3. 复制该圆柱体 模型 在探查器上将第二个电极向右移动11 mm，使其位于（21 mm，10 mm）。重复此过程，在（32 mm，10 mm）、（43 mm，10 mm）和（54 mm，10 mm）处依次创建额外的电极。
      4. 复制第一个电极，并将其向上移动15 mm，将第二个电极定位在（10 mm，25 mm）。重复此过程，依次在（10 mm，40 mm）、（10 mm，55 mm）和（10 mm，70 mm）处生成电极。
      5. 重复此过程，在第一象限内生成25个电极（5行 × 5列）。
         注意：每个经皮电刺激（TI）配置使用四个电极（两对），以输送两个千赫兹频率的电流，这些电流相互干涉，在脊髓中形成低频包络。为了优化电极放置，采用每个象限5×5位置网格，在总共25种配置中进行测试，每种配置包含四个电极，所有模拟中共计使用100个电极。电极的尺寸以及不同组电极之间的距离根据实际条件设定，本演示仅提供一个示例。
   4. 对于第二、第三和第四象限的放置步骤，遵循相同的流程。完成后，全部25组电极对配置（共100个电极）应排列如图所示 图4.
   5. 通过右键单击相应电极来系统地重命名电极 模型 浏览器（例如， "ROn" 第一象限 "LOn" 第二 "LBn" 第三步， "RBn" 第四，其中 n 为组编号，取值范围为 1 至 25。
   6. 在3D模型视图中目视检查电极放置位置。使用以下方法调整位置 移动 确保每个电极略微嵌入皮肤表面（0.5 mm），且无间隙。
3. 模拟条件设置
   1. 点击 模拟 标签页，然后单击以创建新模拟 新型 - 电子显微镜低频电学准静态 在功能区中，右键单击并重命名它 "LF-R1"由于经颅刺激（TI）在低频下进行，因此使用 "欧姆准静态" 求解器仅考虑准静态近似。
   2. 点击 设置 面板下方 模拟 将频率设置为 1040 Hz。
   3. 将人体模型从 多树 进入 LF-R1 - 材料，将在 1040 Hz 下自动分配组织特异性电导率值（表1).
   4. 在边界条件中，修改默认设置 边界设置 到 通量 通过选择 边界类型 并选择 通量 从下拉菜单中。然后，创建两个新的 "边界设置" 通过点击 新设置 并分配 +1 V 和 0 V 的输入电压（ 图5).
      1. 分配电极 "RO1" 和 "RB1" 将它们拖入相应的设置项中以应用这些设置 "边界设置"分别表明 "RO1" 输出 +1 V 同时 "RB1" 作为返回通路。
   5. 保留默认设置 "传感器" 并调整 网格 通过设置 最大步长 到 1 mm 和 几何分辨率 到 1 mm，根据计算资源而定。
   6. 创建一个新的模拟 "LF-L1" 通过复制 "LF-R1"，将频率设置为 1000 Hz，并分配电极 "LB1" 和 "LO1" +1 V 和 0 V "边界设置".
      注意：此设置与 "LF-R1" 但电极构型相反，以产生干扰效应。所有其他设置保持不变。至此完成第一对电极的模拟设置。
   7. 重复 LF-R1 和 LF-L1，将它们重命名为 LF-R2 和 LF-L2，并修改边界设置以分配相应的电极。从先前的电极中移除 "网格" 和 "体素" 为每一对添加新组合，对所有25组重复此步骤。
   8. 所有模拟设置完成后，选中全部模拟 模拟 标签，点击 自动网格更新 在功能区中（单击） 任务管理器 右下角。如果窗口提示网格已构建完成，则表明步骤正常进行），然后选择 运行 - 批量运行 同时运行所有模拟。
      注意：选择1040 Hz（LF-R1）和1000 Hz（LF-L1）的频率，通过干涉产生40 Hz（1040 Hz - 1000 Hz）的低频包络，该频率即为脊髓目标区域神经调节的有效刺激频率。¹⁷.
4. 进行统计分析
   1. 点击 分析 标签，选择 LF-R1 - 整体视野 - 传感器提取器，然后点击 总体领域 生成一个总体场。
   2. 点击 整体场 - EM E(x,y,z,f0) - 场数据工具 - 场缩放 将输入电压为1V时的电场分布转换为输入电流为1mA时的电场分布。该比例因子确定如下（图6):
      1. 在 模型 标签，通过选择创建一个立方体体积（Block RO1），以包围电极 RO1 固体 - 区段 在功能区中设置尺寸，以完全包含电极（例如，12 mm × 12 mm × 7 mm）。
      2. 拖拽 阻断 RO1 从 多树 到……中 分析 面板，生成两个相同的 "RO1区段" 模块。
      3. 选择 总体领域 在……下方 LF-R1 以及第一个 RO1 封闭 在 模型 探索器，然后单击 表面 和 EM E(x,y,z,f₀) 同时。点击 通量评估器 - 列表查看器 以展示 "总通量" 值。通过将 0.001 除以总通量值来计算缩放因子。
   3. 重复相同的过程 "LF-L1" .
   4. 多选 LF-R1 和 LF-L1 在……下方 田间尺度 在 分析 探索器，然后单击 最大调制 在功能区中耦合来自两对电极的电场分布。设置 "重量 A" 和 "重量 B" 至2以反映每对电极2 mA的输出图7).
   5. 提取脊髓目标区域的平均电场强度：
      1. 应用 "掩膜滤波器" 通过选择 野外数据工具 - 掩膜滤波器 在功能区中保留仅 "脊髓" 区域
      2. 点击 LF-R1 在 分析 探索器并单击 田间数据工具 - 作物 在功能区中选择目标脊髓区域（图8).
      3. 点击 统计学 - 表格查看器 在功能区中显示裁剪区域的平均电场强度（正常值范围：0.1–2 V/m）。
   6. 对全部25种电极对配置重复该过程，并获取所有25组在目标位置的平均电场强度。
   7. 比较每种配置的平均电场强度，并将强度最高的配置确定为最优设置。

3. 电极定位与设备设置

1. 让脊髓损伤（SCI）患者舒适地坐在带靠背的椅子上，确保其躯干保持直立，并通过脱去或调整衣物使背部暴露。
2. 通过触诊脊柱上的棘突，确定最接近SCI损伤部位的椎体水平。定位C7棘突（位于颈部基底部，较为突出），向下计数至目标椎体（例如，C5位于C7上方两个椎体处）。使用可擦除标记笔（58-7726，Crayola Inc.）在目标椎体棘突上方的皮肤表面做标记，作为坐标原点¹⁸。
3. 根据先前优化的电极放置参数（d₁, d₂），使用柔性卷尺测量四个电极位置。从原点出发，水平方向（左右）测量d₁ ，垂直方向（上下）测量d₂ ，以确定四个象限中的电极位置：(d₁, d₂)、(d₁, -d₂)、(-d₁, d₂)、(-d₁, -d₂)。使用可擦除标记笔标记每个位置。
4. 使用酒精棉片清洁已标记的电极部位皮肤，以去除油脂和碎屑。检查皮肤是否完整，无切口或擦伤。使用注射器或涂抹器在每个部位涂抹1.5 mL导电凝胶，并将其均匀涂抹于直径约10 mm的区域。
5. 通过使用胶带固定多余的电缆长度，以减少电极导线上的张力。将导线悬挂，使其自然下垂，并将其固定在椅子或附近的支架上，以降低意外脱落的风险。
6. 将电极按标记位置贴附于患者背部，将每个Ag/AgCl电极牢固按压在涂有导电凝胶的皮肤上。使用医用胶带固定每个电极，覆盖其边缘以防止移位。
   注：右侧和左侧的电极各自组成一对电极。将右侧上方电极指定为阳极，下方电极为阴极；将左侧上方电极指定为阴极，下方电极为阳极，形成镜像对称配置。
7. 确认电极正确放置且所有连接无误后，按下power按钮开启经颅电刺激（TI）刺激器。点击Global Parameter Settings，并设置以下刺激参数：刺激模式：tTIS，刺激类型：Standard Stimulation，总刺激时间： 1200 s，刺激波形：正弦波，通过在菜单中选择相应选项进行设置。
8. 对选定的两个刺激通道执行阻抗测量。点击Start Impedance Test ，确保阻抗值处于可接受范围内（若负载阻抗超过12 kΩ，刺激器将自动停止输出）。有效刺激的最佳阻抗范围为6–8 kΩ。
9. 为每个通道配置刺激频率和输出电流幅值。通道1：频率设置为1040 Hz，电流幅值设置为2 mA。通道2：频率设置为1000 Hz，电流幅值设置为2 mA¹⁵。

4. 刺激

1. 确保受试者在整个操作过程中保持舒适的坐姿，并始终保持完全清醒状态。
2. 通过按下设备界面上的Start 开关启动刺激器，以开始刺激。
3. 在刺激过程中通过询问受试者是否有任何感觉（例如刺痛感、不适感）来监测其反馈。若受试者报告明显不适或强烈的刺痛感，应立即将电流强度每次降低0.5 mA，或按下停止按钮暂停刺激。
   注意：可能会出现轻微的刺痛或瘙痒感，这是经皮电刺激的正常生理反应，本研究及以往类似技术的研究中均观察到该现象¹⁷。这种感觉通常在2-3分钟内消失。

5. 术后步骤

1. 刺激会话结束后，通过选择开始阻抗测试再次测量阻抗状态，以评估刺激后的变化。记录数值用于比较。
2. 通过检查患者坐位时的平衡状态和舒适度，确认其身体稳定性。轻轻撕除医用胶带，从皮肤上缓慢剥离，避免造成刺激。小心地从一侧边缘抬起，取下电极。
3. 在水龙头下用清水冲洗电极，并将其置于干净的毛巾上自然晾干。用湿润的纸巾擦拭患者电极放置部位的皮肤，清除残留的导电凝胶。
4. 向患者发放标准化问卷，询问其感觉变化（如刺痛感、麻木感）、运动功能改善情况以及不良事件（如皮肤刺激、疼痛）。记录回答内容以供分析¹⁹。

结果

在无误差地进行经颅电刺激（TI）模拟时，可获得由当前电极对组刺激脊髓目标区域的平均电场强度。以第10组刺激C5目标区域为例（图9），“成交量加权平均价界面中显示为 0.50 V/m。此外，通过点击“最大调制 - 掩模滤波器 - 观察器 - 表面观察器，通过将其他组织设为半透明，可保留脊髓上电场分布的三维视图。这有助于直观观察第10组在C5靶区周围的电场分布情况（图10).

完成所有组别的模拟后，对每个目标区域的平均电场强度进行分析和比较。例如，根据Xie等人²⁰的报道，在模型上对三个目标区域（C5、T7和L3）进行了TI刺激模拟（图11）。结果表明，d₂越小，目标区域内的平均电场强度越低。三个目标区域的最优(d₁, d_...

讨论

关键步骤

设置模拟条件
当电极放置于人体模型皮肤表面时，圆柱形电极会部分嵌入皮肤，以确保电极与皮肤之间无空气间隙。否则，电流将无法通过空气进入人体。电极到原点的距离（d₁, d₂）沿皮肤表面测量，因为皮肤并非完全平坦。该距离可能与直线直接测量值略有差异。

为几何模型分配材料属性时，不对电极分配任何材料属性，因为电极作为信号源。配置网格时，需根据可用的计算资源调整网格分辨率。网格过细则会减慢计算速度，而网格过粗则可能影响仿真的准确性。"Padding Setting" 设置为手动模式，且 "Bottom Padding" 和 "Top Padding" 均设为 0，因为低频求解器无需在周边区域进行计算。运行仿真前，必须选中 "Auto Grid Update" 并点击 &...

材料

本文使用的材料清单

姓名	公司	目录编号	评论
3T MRI 或 CT 系统	西门子医疗	MAGNETOM Skyra（MRI）/ SOMATOM X.cite（CT）
粘性胶带	3M	Durapore 1538-1
酒精擦拭巾	PDI Healthcare	S41125
电池	Neurodome		NervioX-1000 的配件
计算机	戴尔科技	Precision 3660	16 GB 内存，多核处理器
导电凝胶	Soterix	HD-1AGE-12
电极适配器	Neurodome		NervioX-1000 的配件
电磁仿真软件	ZMT 苏黎世医疗科技有限公司	Sim4Life v8.0
人体仿真模型	IT’IS 基金会	虚拟人群 3.0	Duke（静态）3.0，Ella（静态）3.0
异丙醇	Medline Industries	MDS098003Z
卷尺	史丹利工具	33-725
纸巾	金佰利	Kimwipes 34155
注射器或涂抹器	BD	305857
TI 刺激仪	Neurodome	NervioX-1000	时间干涉刺激装置
两对 Ag/AgCl 电极及电缆	上海医疗有限公司	SHTIS
可水洗记号笔	绘儿乐	58-7726