CN116702534A - 基于相干电的脊髓损伤精准电刺激仿真方法及电刺激装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于相干电的脊髓损伤精准电刺激仿真方法，包括下列步骤：构建脊髓三维几何模型；构建脊髓相干电电刺激模型，方法如下：在脊髓三维几何模型表面添加电极，并根据脊髓各组织电学属性、表面电极电学属性设置脊髓三维几何模型电导率；对表面电极设置阴极以及阳极，每一阴极与一阳极为一组电流；对两组电流分别施加频率为F以及F+Δf的电流，从而形成一对相干电，两组电流分别被称为电流一和电流二，构建脊髓相干电三维几何电刺激模型；通过有限元计算，基于最优化方法设计脊髓相干电电刺激模式。本发明同时给出一种利用上述仿真方法实现的脊髓损伤精准电刺激装置。
Description
技术领域
本发明属于中枢神经损伤电刺激方法领域，具体涉及一种基于相干电的脊髓损伤精准电刺激仿真方法及电刺激装置。
背景技术
脊髓损伤(spinal cord injury，SCI)主要是暴力损伤导致的中枢神经系统损伤，导致患者出现感觉、运动和自主神经功能障碍。目前我国SCI年患病率为13-60人次/100万，发病人群集中于35-50岁，以男性居多，给患者家庭以及社会带来巨大经济负担。电刺激是目前针对脊髓损伤有效的治疗手段之一，研究证明脊髓电刺激可以有效改善脊髓损伤后神经组织的恢复，减小炎症发生，促进患者功能恢复。(Barss T S,Parhizi B,Porter J,etal.Neural Substrates of Transcutaneous Spinal Cord Stimulation:Neuromodulation across Multiple Segments of the Spinal Cord[J].Journal ofClinical Medicine,2022,11(3):639.以及Kathe C,Skinnider M A,Hutson T H,etal.The neurons that restore walking after Paralysis[J].Nature,2022.)
目前脊髓电刺激分为植入式与非植入式，植入式为硬膜外脊髓电刺激(Epiduralspinal cord stimulation,eSCS)，非植入式为经皮脊髓电刺激(transcutaneous spinalcord stimulation,tSCS)。eSCS可以应用低电流量靶向刺激相应神经组织，但存在手术风险高，治疗成本高，感染风险高的缺点，因此尚未得到大范围推广。tSCS使用表面皮肤电极进行刺激，具有无创性。但是，由于电流弥散，以及刺激电极与目标神经组织距离远，因此需要较大电流才能激活部分神经组织，所以存在精准度低，收敛度低以及舒适性低的缺点。因此，发明无创精准的脊髓电刺激方法亟需解决。
相干电通过构建两组不同频率的中频电流，使其交叉地输入人体，在深部治疗部位的电流交叉处形成0-100Hz低频调制电流，具有作用部位深，靶向性好，精准度高的优点。现今国际相关研究主要为使用相干电进行深部脑刺激(宋西姊,赵学,明东,等.基于时间,空间多刺激位点旋转相交实现TI刺激的设备:,CN110604868A[P].2019；Song X,Zhao X,LiX,et al.Multi-channel transcranial temporally interfering stimulation(tTIS):Application to living mice Brain[J].Journal ofNeural Engineering,2021,18(3):036003；Grossman N,Bono D,Dedic N,et al.Noninvasive Deep Brain Stimulation viaTemporally Interfering Electric Fields[J].Cell,2017,169(6):1029-1041.e16.)。此外，有研究利用植入式相干电刺激方法刺激受损脊髓，发现植入式相干电刺激刺激脊髓具有较高的选择性和刺激强度(Sunshine M D,CassaràAM,Neufeld E,et al.Restorationof breathing after opioid overdose and spinal cord injury using temporalinterference Stimulation[J].Communications Biology,2021,4(1).)，该研究采用植入性的电极阵列，需要手术植入，存在高费用、高风险等弊端。
发明内容
根据已有相关理论研究基础，提出一种基于相干电的脊髓损伤精准电刺激仿真方法，该方法利用仿真软件建立脊髓有限元模型，根据麦克斯韦方程和最优化理论，确定仿真条件下的电刺激参数，包括电极相位，刺激频率以及刺激强度。技术方案如下：
一种基于相干电的脊髓损伤精准电刺激仿真方法，包括下列步骤：
(1)构建脊髓三维几何模型；
(2)构建脊髓相干电电刺激模型，方法如下：
确定在脊髓三维几何模型的表面添加相干电表面电极的组数及布局方式，在脊髓三维几何模型表面添加各组相干电表面电极，根据脊髓各组织电学属性、表面电极电学属性设置脊髓三维几何模型电导率；
对每一组相干电表面电极，设置阴极以及阳极，每一阴极与一阳极为一组电流；对两组电流分别施加频率为第一刺激频率F以及第二刺激频率F+Δf的电流，从而形成一对相干电，两组电流分别被称为电流一和电流二，构建脊髓相干电三维几何电刺激模型；
(3)对每一组相干电表面电极，通过有限元计算，基于最优化方法设计脊髓相干电电刺激模式，确定最优电刺激参数。
进一步地，步骤(3)中，对每一组相干电表面电极，通过有限元计算，基于最优化方法设计脊髓相干电电刺激模式，确定最优电刺激参数的方法如下：
在所构建的脊髓相干电三维几何电刺激模型基础上，通过有限元计算方法求解麦克斯韦方程，获得脊髓神经组织的电场分布；
计算脊髓神经组织电场强度以及神经电流密度；
计算两组电流所构成的相干电沿不同方向的包络调制幅度分布，进而计算整体的包络调制幅度；
确定最优电刺激参数。
进一步地，所确定的最优电刺激参数为电极相位，方法如下：
依次构建不同电极相位的脊髓相干电电刺激模型，计算在不同电极相位下的脊髓神经组织电流密度和包络调制幅度；根据最优化原则，对比不同电极相位的脊髓神经组织电流密度和包络调制幅度结果，选择脊髓神经组织电流密度最大且包络调制幅度最大的电极相位为最优电极相位。
1.根据权利要求2所述的脊髓损伤精准电刺激仿真方法，其特征在于，所确定的最优电刺激参数为刺激频率，方法如下：
依次构建不同刺激频率的脊髓相干电电刺激模型，计算各个刺激频率下的脊髓神经组织电流密度和包络调制幅度；根据最优化原则，对比不同刺激频率的脊髓神经组织电流密度和包络调制幅度结果，结合人体解剖背部的平均面积及表面电极承受能力，选择脊髓神经组织电流密度且包络调制幅度最大的刺激频率为最优刺激频率。
步骤(2)中,所构建的脊髓相干电电刺激模型，F≥1000Hz，Δf<1000Hz。
所确定的最优电刺激参数电流强度：依次构建不同电流强度的脊髓相干电电刺激模型；计算该电流强度下的脊髓神经组织电流密度和包络调制幅度；根据最优化原则，对比不同电流强度的脊髓神经组织电流密度和包络调制幅度结果，结合人体解剖背部的平均面积及表面电极承受能力，选择脊髓神经组织电流密度且包络调制幅度最大的电流强度为最优电流强度，即最优刺激强度。
进一步地，步骤(3)中，通过有限元计算方法求解如下麦克斯韦方程，获得脊髓神经组织的电场分布u：
其中，是指微分算子，σ是脊髓电导率分布，Ω是脊髓相干电三维几何电刺激模型所代表区域，j为施加在表面电极上的电流密度，/>是指偏导数，n代表边界外法向向量。
进一步地，步骤(3)中，根据下列两个方程计算脊髓神经组织电场强度以及神经电流密度/>
本发明还提供了一种脊髓损伤精准电刺激装置，包括相干电表面电极，相干电发生器件和计算部件，其中，
相干电表面电极，通过导联与相干电发生器件相连；
计算部件，用于根据所述的脊髓损伤精准电刺激仿真方法确定最优电刺激参数；
相干电发生器件，基于所确定的最优电刺激参数生成施加到表面电极上的相干电。
本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：为电刺激的治疗方案的设计与优化建立了仿真平台，为脊髓损伤康复方案的相干电刺激参数优化和标准化治疗奠定基础。
附图说明
图1为本发明的整体方案示意图；
图2为脊髓相干电刺激几何模型细节图
图3为不同电刺激强度以及电刺激强度比下脊髓相干电刺激仿真结果图
图4为不同电刺激强度下相干电刺激仿真图
图5为多对相干电不同电刺激参数下电刺激仿真图
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面对本发明实施方式作进一步地详细描述。
将相干电应用到脊髓损伤电刺激治疗中，即具有表面电极的无创性与成本低的优点，又解决传统表面电极弥散程度高、靶向性低的缺点。本发明基于此种考虑，建立了基于相干电的脊髓损伤精准电刺激仿真方法，大概可以分为以下三个步骤，图1为整体方案示意图。
1.构建脊髓三维几何模型
基于脊髓CT数据，通过仿真软件自带的GUI几何建模模块来构建脊髓三维几何模型。
2.构建脊髓相干电电刺激模型
在步骤1构建的脊髓三维几何模型基础上，于脊髓三维几何模型表面添加电极，并根据脊髓各组织电学属性、表面电极电学属性设置脊髓三维几何模型电导率。对表面电极设置阴极以及阳极，每一阴极与一阳极为一组电流。对两组电流分别施加频率为F以及F+Δf的电流(F≥1000Hz，Δf<1000Hz，例如2000Hz与2020Hz)，从而形成一对相干电，两组电流分别被称为电流一和电流二。构建脊髓相干电三维几何电刺激模型。图2为相应模型；表1为模型各部位参数。
表1：脊髓相干电刺激几何模型电导率参数
3.通过有限元计算，基于最优化方法设计脊髓相干电电刺激模式：
在步骤2构建的脊髓相干电三维几何电刺激模型基础上，通过有限元计算方法求解如下麦克斯韦方程，获得脊髓神经组织的电场分布。
其中，是指微分算子，σ是脊髓电导率分布，Ω是脊髓相干电三维几何电刺激模型所代表区域，j为施加在表面电极上的电流密度，u为计算所得脊髓神经组织电势分布，/>是指偏导数，n代表边界外法向向量。
通过上述方程获得脊髓神经组织电势分布u后，进而根据方程(2)和方程(3)计算脊髓神经组织电场强度以及神经电流密度/>电流密度是指电荷流动的密度，即每单位横截面面积电流量。电流密度常用于衡量电量的大小，与电刺激治疗效果直接相关，用该指标评价刺激神经电量。
计算沿不同方向的包络调制幅度分布，其中A、B、C分别代表两组电流所构成的相干电在x、y、z方向上包络调制幅度。代表电流一形成的电场在x方向上的电场矢量，代表电流二形成的电场在x方向上的电场矢量。R代表x、y、z三个方向上的整体包络调制幅度。
R＝sqrt(A2+B2+C2) (4)
根据如下步骤，确定仿真条件下的电刺激参数，包括电极相位、刺激频率以及刺激强度比。
(1)确定电极相位：
依次构建不同电极相位的脊髓相干电电刺激模型。分别通过求解方程(1-4)，计算在不同电极相位下的脊髓神经组织电流密度和包络调制幅度R。根据最优化原则，对比不同电极相位的脊髓神经组织电流密度和包络调制幅度结果，选择脊髓神经组织电流密度最大且包络调制幅度最大的电极相位为最优电极相位。
(2)确定刺激频率：
依次构建不同刺激频率的脊髓相干电电刺激模型。分别通过求解方程(1-4)，计算该刺激频率下的脊髓神经组织电流密度和包络调制幅度R。根据最优化原则，对比不同刺激频率的脊髓神经组织电流密度和包络调制幅度结果，结合人体解剖背部的平均面积及表面电极承受能力，选择脊髓神经组织电流密度且包络调制幅度最大的刺激频率为最优刺激频率。
(3)确定电流强度：
依次构建不同电流强度的脊髓相干电电刺激模型。分别通过求解方程(1-4)，计算该电流强度下的脊髓神经组织电流密度和包络调制幅度R。根据最优化原则，对比不同电流强度的脊髓神经组织电流密度和包络调制幅度结果，结合人体解剖背部的平均面积及表面电极承受能力，选择脊髓神经组织电流密度且包络调制幅度最大的电流强度为最优电流强度。
实施例1
本发明的基于相干电的脊髓损伤电刺激仿真方法，参见图2和图3，具体包括下列的步骤：
①基于脊髓三维CT数据，利用仿真软件构建脊髓三维几何模型，长为30㎝，宽为35.4㎝，厚度为24.2㎝。并分为皮肤(3㎜)、脂肪层(5㎜)、胸腔(23.2㎜)。
②在仿真软件设置表面电极，直径为2㎝，高度为0.3㎝。
③在仿真软件设置终端与接地，并设置电流参数，包括电流大小、刺激频率。利用公式(1)—(4)，计算该刺激参数下的脊髓神经组织电流密度和包络调制幅度R。
③更改电流参数，包括电极相位、电流频率、电流强度电流强度及强度比。利用公式(1)—(4)，计算该刺激参数下的脊髓神经组织电流密度和包络调制幅度R。根据最优化原则，对比不同刺激参数下的电流密度和包络调制幅度结果，结合人体解剖背部的平均面积及表面电极承受能力，选择电流密度且包络调制幅度最大的电刺激参数为最优刺激参数。
综上所述，本发明实施例通过上述步骤①-步骤④实现了脊髓损伤精准电刺激仿真方法。在仿真实验中，通过相干电刺激脊髓神经组织模型，可以增加深部神经组织受刺激程度，为从根本上提高脊髓损伤无创电刺激刺激效率奠定研究基础。
实施例2
下面结合图4以及图5对实施例1中的方案进行进一步地介绍，详见下文描述：
①在构建好的脊髓三维模型中增加表面电极，以两椎骨中点为标点，呈正方形放置四块表面电极，两两电极相距4㎝；
②将电极片设置终端与接地，并设置电流参数。电流1强度为40mA、频率为1000Hz；电流2强度为40mA，频率为1100Hz，差频为100Hz，利用公式(1)—(4)，计算该刺激参数下的脊髓神经组织电流密度和包络调制幅度R。
③更改电流强度以及电流强度比：将电流大小由电流1强度为40mA、电流2强度为40mA，电流强度1：1改为电流1强度为40mA、电流2强度为5mA，电流强度8：1。利用公式(1)—(4)，计算该刺激参数下的脊髓神经组织电流密度和包络调制幅度R。
④更改电极数目以及设置电刺激参数：添加一组新的相干电表面电极置于脊髓三维模型，两两电极相距4㎝，两组电极之间相距10㎝。将电极片设置终端以及接地，并设置电刺激参数：电流1强度为40mA、频率为1000Hz；电流2强度为40mA，频率为1100Hz，差频为100Hz；电流3强度为40mA、频率为1000Hz；电流4强度为40mA，频率为1100Hz，差频为100Hz，利用公式(1)—(4)，计算该刺激参数下的脊髓神经组织电流密度和包络调制幅度R。
⑤更改多组相干电电刺激参数：将电流大小由电流1强度为40mA、频率为1000Hz；电流2强度为40mA，频率为1100Hz，；电流3强度为40mA、频率为1000Hz；电流4强度为40mA，频率为1100Hz改为电流1强度为40mA、频率为1000Hz；电流2强度为5mA，频率为1080Hz；电流3强度为5mA、频率为1080Hz；电流4强度为40mA，频率为1000Hz，利用公式(1)—(4)，计算该刺激参数下的脊髓神经组织电流密度和包络调制幅度R。
综上所述，本发明实施例提供的基于相干电的脊髓损伤电刺激仿真方法，能够从仿真实验方面，极大程度激活深层脊髓神经组织模型，并在不移动电极片的情况下改变作用靶点。
在上述基础上，本发明还提供了一种电刺激装置。此种电刺激装置包括至少一组相干电表面电极，相干电发生器件和计算部件。使用时，表面电极被固定在人体背部的合适位置，通过导联与相干电发生器件相连；计算部件用于根据上述的仿真计算确定最优电刺激参数；相干电发生器件，基于所确定的最优电刺激参数生成施加到表面电极上的相干电。
本领域技术人员可以理解附图只是一个优选实施例的示意图，上述本发明实施例序号仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种基于相干电的脊髓损伤精准电刺激仿真方法，包括下列步骤：
(1)构建脊髓三维几何模型；
(2)构建脊髓相干电电刺激模型，方法如下：
确定在脊髓三维几何模型的表面添加相干电表面电极的组数及布局方式，在脊髓三维几何模型表面添加各组相干电表面电极，根据脊髓各组织电学属性、表面电极电学属性设置脊髓三维几何模型电导率；
对每一组相干电表面电极，设置阴极以及阳极，每一阴极与一阳极为一组电流；对两组电流分别施加频率为第一刺激频率F以及第二刺激频率F+Δf的电流，从而形成一对相干电，两组电流分别被称为电流一和电流二，构建脊髓相干电三维几何电刺激模型；
(3)对每一组相干电表面电极，通过有限元计算，基于最优化方法设计脊髓相干电电刺激模式，确定最优电刺激参数。
2.根据权利要求1所述的脊髓损伤精准电刺激仿真方法，其特征在于，步骤(3)中，对每一组相干电表面电极，通过有限元计算，基于最优化方法设计脊髓相干电电刺激模式，确定最优电刺激参数的方法如下：
在所构建的脊髓相干电三维几何电刺激模型基础上，通过有限元计算方法求解麦克斯韦方程，获得脊髓神经组织的电场分布；
计算脊髓神经组织电场强度以及神经电流密度；
计算两组电流所构成的相干电沿不同方向的包络调制幅度分布，进而计算整体的包络调制幅度；
确定最优电刺激参数。
3.根据权利要求2所述的脊髓损伤精准电刺激仿真方法，其特征在于，所确定的最优电刺激参数为电极相位，方法如下：
依次构建不同电极相位的脊髓相干电电刺激模型，计算在不同电极相位下的脊髓神经组织电流密度和包络调制幅度；根据最优化原则，对比不同电极相位的脊髓神经组织电流密度和包络调制幅度结果，选择脊髓神经组织电流密度最大且包络调制幅度最大的电极相位为最优电极相位。
4.根据权利要求2所述的脊髓损伤精准电刺激仿真方法，其特征在于，所确定的最优电刺激参数为刺激频率，方法如下：
依次构建不同刺激频率的脊髓相干电电刺激模型，计算各个刺激频率下的脊髓神经组织电流密度和包络调制幅度；根据最优化原则，对比不同刺激频率的脊髓神经组织电流密度和包络调制幅度结果，结合人体解剖背部的平均面积及表面电极承受能力，选择脊髓神经组织电流密度且包络调制幅度最大的刺激频率为最优刺激频率。
5.根据权利要求4所述的脊髓损伤精准电刺激仿真方法，其特征在于，步骤(2)中,所构建的脊髓相干电电刺激模型，F≥1000Hz，Δf<1000Hz。
6.根据权利要求2所述的脊髓损伤精准电刺激仿真方法，其特征在于，所确定的最优电刺激参数电流强度：
依次构建不同电流强度的脊髓相干电电刺激模型；计算该电流强度下的脊髓神经组织电流密度和包络调制幅度；根据最优化原则，对比不同电流强度的脊髓神经组织电流密度和包络调制幅度结果，结合人体解剖背部的平均面积及表面电极承受能力，选择脊髓神经组织电流密度且包络调制幅度最大的电流强度为最优电流强度，即最优刺激强度。
7.根据权利要求1所述的脊髓损伤精准电刺激仿真方法，其特征在于，步骤(3)中，通过有限元计算方法求解如下麦克斯韦方程，获得脊髓神经组织的电场分布u：
其中，是指微分算子，σ是脊髓电导率分布，Ω是脊髓相干电三维几何电刺激模型所代表区域，j为施加在表面电极上的电流密度，/>是指偏导数，n代表边界外法向向量。
8.根据权利要求1所述的脊髓损伤精准电刺激仿真方法，其特征在于，步骤(3)中，根据下列两个方程计算脊髓神经组织电场强度以及神经电流密度/>
9.一种脊髓损伤精准电刺激装置，其特征在于，包括相干电表面电极，相干电发生器件和计算部件，其中，
相干电表面电极，通过导联与相干电发生器件相连；
计算部件，用于根据权利要求1-4任意一项所述的脊髓损伤精准电刺激仿真方法确定最优电刺激参数；
相干电发生器件，基于所确定的最优电刺激参数生成施加到表面电极上的相干电。
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|---|---|---|---|---|
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- 2023-04-26 CN CN202310463380.1A patent/CN116702534B/zh active Active
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|---|---|
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