在电休克疗法的影响建模的视野电流模拟

1。介绍

严重精神疾病(如临床抑郁症)是全球的主要公共卫生问题之一。仅在美国(美国),国立精神卫生研究所报道,重度抑郁症影响大约1730万美国成年人在任何一年,或7.1%的人口18岁及以上(1),其中很多是治疗耐药。临床抑郁症伴有其他疾病和医疗条件,如心脏病和糖尿病,这是死亡的主要原因之一美国(2)。抑郁症的治疗包括抗抑郁药物、心理治疗和电休克疗法(ECT)治疗严重,危及生命的情况下没有反应的药物。

电休克疗法导致广义麻醉患者的发作向大脑提供电流通过头皮上的电极(3)。研究表明,ECT比药物治疗更有效,与50 - 60%的患者达到快速缓解抑郁等课程后,相比与药物治疗或心理治疗(10 - 40%4)。等也与低利率相关精神病住院治疗和快速减少精神病人自杀驱动(5)。尽管在临床使用其高有效性等使用率较低(这是管理在美国每年约有100000人(6),指责是由于认知副作用的风险。

的进步等政府可以专注于减少其负面影响病人。Sackeim等人发现,高剂量对单边(原则)等电极配置是一个健壮的有效形式的双边(提单)等,导致那么严重和持久的认知障碍(7)。其他研究指出的重要性理解等刺激参数和电场(左)特点,以提供一个更焦stimulation-closer神经兴奋阈值,从而减少不必要的等强度(800 - 900 mA (4)对癫痫感应,可能使患者不良事件的风险更高。

现代等参数选择由电极位置的选择原则(或提单)其次是相应的脉冲宽度值,频率,脉冲序列时间和振幅(26- - - - - -29日)。等临床医生选择开始治疗前电极位置和脉冲宽度。频率和脉冲序列持续时间、人口统计变量(年龄和性别)或个别病人发作滴定法确定值。最后,固定振幅(800或900 mA)选择基于可用的商业等设备。在某些治疗中心,等课程开始与相关参数以更少的认知风险(极短脉冲宽度为0.3 ms和荷重软化)如果不足发作感应或平庸的最初几个治疗后临床疗效会话,切换到更有效的参数(短暂的脉冲宽度和提单)。接着实证方法是确保等病人最终接收足够的疗效剂量。

计算模型的电流继续添加有意义的值几个电刺激方法回顾性分析(例如,解释临床结果)和潜在的(刺激参数规划和优化)。例如,提出模型用于脑深部电刺激(DBS)领导选择现在临床批准和日常保健的一部分(8)。在等,计算模型进行了量化刺激强度和focality (3,9- - - - - -11),探索白质电导率的影响(12在怀孕期间胎儿的大脑),字段(13),相关成果(14)等。由于这些模型是直接来源于结构的MRI扫描,有变化程度(或数据集的轴向范围)认为,由于缺乏标准化。

本研究主要是想通知/程度的视野(FOV)之外额外的MRI数据收集变得不必要的ECT-induced刺激对准确预测指标。先前的努力表明原则通常是更多的焦点(即。,刺激大脑容量的百分比)低于提单(3)。临床等研究证实同样的间接,正如上面提到的,通常开始课程荷重软化蒙太奇。因此,我们非常有兴趣去探究如何将不同程度地影响到两个常规电极位置和是否有montage-specific考虑。鉴于提单时间两个电极的位置等,可以假设比原则更大的影响的程度。此外,之前建模的努力被认为是常见的神经激活阈值对比蒙太奇。然而,由于极短原则转向简短提单在实际实践中,比较也应该做出对更新后的神经激活阈值占更大的脉冲宽度。在这项研究中,我们首先开发了一个解剖现实全身的有限元模型。四个额外的版本的模型被认为是通过删除几何不同区段(上脑袋,完整的头部,颈部和躯干)。我们模拟ECT-induced电流,计算所有典型的刺激和focality指标。我们终于报道FOV建模的影响,提出精确的电流预测所需的程度。

2。方法

电分布的模拟执行如下:

2.1。解剖数据集和几何模型

高加索脑图谱(洲际弹道导弹- 152)获得了从蒙特利尔神经学研究所(MNI,蒙特利尔,加拿大)(15)。我们认为是代表平均模板适当考虑到目标的影响,阐明FOV应该保存在一个庞大的人口。个体效应的影响并不是这项研究的重点。对全身的数据集,从虚拟人口获得“公爵”数据(ViP)家族(16),这是一组详细的高分辨率解剖模型创建的磁共振图像数据的志愿者。

2.2。图像处理和分割

核磁共振数据的分割成组织类别(图1),如皮肤和头骨,是基于前一个广泛的研究由我们组(17- - - - - -20.)。使用软件Simpleware (Synopsys对此有限公司、钙、美国),分段MNI 152数据集被修改,以建立一个持续脑脊液(CSF)和公爵的身体融合人类模型(图1)。Simpleware也是刺激电极用于设计和集成的全身模型,并生成有限元网格与高质量的因素。

2.3。电极位置和计算模型

等电极配置是正确的(原则)和单侧(提单)(图1)。根据实际建模的电极和凝胶隔间等管理。对提单等,两电极的中心是放置在额颞叶双边头部的位置,2.5厘米以上的中点假想线连接的外眼角眼睛和耳朵的耳珠(3)。在原则等,一个电极放置2.5厘米右边的头部的顶点,和第二电极是集中在正确的额颞叶的位置(如提单等配置。建模等电极是25毫米的圆的半径。凝胶/粘贴的形状也是圆的半径等于电极。

所示图1从头部,由此产生的模型然后截断分成四个不同的部分:上头部,头部,颈部和躯干。总共10个不同体积网格生成和分别导入到COMSOL多重物理量5.6(美国马COMSOL Inc .)获得左斜表面情节brain-selecting空间维度的3 d,物理电流(ec),研究类型为固定。各向同性和均匀电导率值分配给每个动作在皮肤(S / m)如下:0.465;骨:0.01;CSF: 1.65;灰质:0.276;白质:0.126;肌肉:0.35;男性生殖系统:0.232;膀胱壁:0.408; intestines: 0.164; cartilage: 1.01; liver: 0.221; kidney: 0.403; air: 1e⁻¹⁵;海绵:1.4;和电极:5.9 e⁷(18,21,22)。相对介电常数,对于所有的车厢都是固定不变的模型作为一个静态系统解决。最后,相关的边界条件被实施:在阳极电极正常电流强度;在阴极电极地面条件;和所有其他外部表面视为绝缘(17)。

2.4。数据分析

数据分析,我们分析了电的空间分布在大脑中诱导等,特点是3 d皮质和2 d横向表面情节。这些图像描绘了刺激强度相对于神经激活阈值电除以电阈值(E / E_th)。我们认为是此前估计的神经激活极短脉冲电阈值等(0.25 V /厘米)由邓小平et al。(9)。全面深入研究FOV的影响考虑,我们计算了第99个百分位诱导刺激强度在整个大脑的峰值相对于E_th等振幅是缩放(100 - 900 mA) (表1)。如果有人认为全身模型地面真理,它反映出实际的实验条件,我们引入一个相对误差(RE)指标系统地量化FOV的影响。

在那里,米_x:X模型;X FOV考虑;和米_神奇动物:模型(全身)。

我们进一步比较左斜右到左半球中值的比值大小所有视场范围量化偏侧性。每个条件的刺激focality由于接触电脑容量的百分比比神经和健壮的激活阈值也被确定。此外,脑容量百分比对短暂的脉冲等计算。健壮的激活阈值被认为是1.4^*E_th基于之前的研究(23)。

3所示。结果

3.1。皮质表面和左斜截面大小

皮质表面3 d图表明,电刺激蒙太奇之间的分布明显不同,与先前的研究一致(3,11)。荷重软化的蒙太奇,占据主导地位的两个刺激电极之间的电流扩展(即。,周围的顶点和额颞叶的位置)。整个当前宽不过,扩散传播,与流从右边的右额叶后部区域(图2)。同时,从顶部和前视图中可以感知图2电的原则配置相对更优越的地区的空间分布,而提单蒙太奇倾向于电流通过前伪劣的大脑区域。虽然电流扩展降低电极的大脑区域使用蒙太奇,基于前和前视图,很明显,提单蒙太奇的电流扩散进一步扩展到脑桥,延髓,脊髓的开始。

上层主管对蒙太奇模式导致最高的刺激强度(电级相对于神经激活阈值)相比其他区段。此后诱导刺激强度(即。,as more FOV is considered) did not change noticeably. Both montages indicate increased current flow/concentration in the temporal region [directly underneath the temporal electrode(s)] reflecting thinner bone in the region.

二维横截面图图3帮助检查深度focality /流更深的皮质下区域。这些照片进一步巩固一些早期的观察基于3 d表面情节。例如,荷重软化,流从头部顶端延伸结束在右脑颞位置(见冠状图像)和流从右边的右额叶后部区域(见轴向图像)。提单的后部区域“幸免”相比,流集中在亚地区。这个观察是更明显的程度从全头模型与更多的视场。由于最短视场上头部模型,电流不能流任何不如几何/组织,从而导致其他区段刺激强度最高。此外,提单蒙太奇原则导致刺激强度高于蒙太奇,清晰明显的轴向片上头蒙太奇(图3. b.6)。然而,随着更多FOV,诱导刺激优势看起来定性相似。

荷重软化蒙太奇显然是单侧性的,有电流流入左半球。电流在提单蒙太奇的symmetricity反映了电极位置显然证明了冠状和轴向图像。最后,对蒙太奇和类似于三维表面图,有一个大幅下降刺激强度从上面的头全头视场之后并没有改变多少。

对于蒙太奇,总的来说,很明显观察诱导下降值在每一个过渡,随着越来越多的视场目标被认为是(表1和图4)。从上面的头过渡到全头的结果比其他转换最大跌幅。荷重软化和等幅100 mA,重新上头部和全身模型之间的4.72%。之间的关系等电流强度和E / E_th将线性和很容易证实通过考虑蒙太奇在不同电流强度之间。全头之间的对应再保险、颈部和躯干模型全身模型是0.28,0.20和0.11%,分别。100年提单振幅的妈,重新上头部和全身模型之间的49.59%确认提单比原则更大大影响了有限的视场。全头之间的对应再保险、颈部和躯干模型全身模型是2.33,2.08和0.16%,分别。

3.2。一侧的刺激

刺激的一侧被确定的比例量化值左对左脑的大小(图5)。像预期的那样(3),单侧性的荷重软化电极配置的比例高于提单电极配置所有区段。有微不足道的影响不同的区段头的一侧比提单蒙太奇与所有区段显示值~ 1。这是预期的蒙太奇的完美对称性质。上部荷重软化模型主管的比例最高(1.59)解释为更多的电流进入右半球由于视场目标(见减少图3. .)。的比率下降到1.49全头模型和保持额外的头区段视为基本未变。解释为额外的电流下降到左半球(或降低电流到右半球)越来越多的视场。然而,提单蒙太奇,由于对称设计,在多大程度上认为基本上没有对一侧比例是一个可以预期的影响。

3.3。刺激focality(脑容量百分比高于神经激活阈值)

策划等电流振幅与刺激的大脑体积百分比,这些参数之间的关系是两者的结合线性和非线性阶段(图6)。上面的头视场,刺激大脑体积的百分比高于E_th提单的配置原则显然高于蒙太奇等振幅~ 480 mA (图6)。此后,提单和荷重软化诱导曲线合并,达到最大百分比在~ 700 mA和更高。当考虑E_th21 V / m(即。E_th短暂的脉冲相应提单),提单₂₁发现刺激脑容量高于荷重软化了几乎整个等振幅范围直到对齐曲线和饱和。当你考虑全头程度,荷重软化最初开始类似于提单但低于提单₂₁(图6 b)。在马等振幅~ 210 ~ 290 mA,荷重软化超过提单和提单₂₁,分别。

对于剩下的区段除了全身模型,在最初的等剂量(即。,until ~210 mA), both RUL and BL induce a similar percentage of brain volume stimulation but only when considering brief pulses. For the full-body model, RUL starts off higher than BL even during initial ECT doses (图6 e)。从全头程度,直到全身模型,荷重软化超过提单₂₁~ 290 mA,到达最大百分比~ 800 mA。然而,对于这两个提单脉冲,等振幅之间的关系和刺激大脑的体积百分率是或多或少的线性范围考虑。

因此,一定要注意,不管程度,荷重软化蒙太奇,刺激大脑容量曲线饱和(即。高,达到100%)等剂量(~ 700 - 900 mA),产生微不足道的变化。对于所有区段,刺激focality值原则蒙太奇像一个s形的函数。然而,提单的蒙太奇(极短和短脉冲),等振幅和脑容量刺激之间的关系在很大程度上是线性模型除了上面的头。

3.4。刺激focality:比较神经和健壮的神经激活阈值

最后,我们估计的总体focality刺激对健壮的神经激活阈值(E≥1.4^*E_th)(图7)。为了简单起见,我们只考虑了E_th对应于极短提单和荷重软化脉冲(25 V / m)。总的来说,正如预期的那样,结果观察到的神经激活阈值也与健壮的神经激活阈值一致,随着focality指标确定相对于使用比例因子为1.4。具体来说,原则是不敏感FOV考虑边际变化从上层头完整的头部,然后没有变化。提单蒙太奇,由于两个时间电极,表明一个引人注目的变化从上完整的头。没有显著变化之后,随着越来越多的视场。当对比蒙太奇,这些情节证实,总的来说,荷重软化蒙太奇刺激大脑体积的比例更高。

4所示。讨论

本研究调查的影响建模的视野等首次电流计算。典型的变化等刺激/ focality指标FOV从上部增加全身五区段被认为是。

我们的研究结果表明,模拟FOV影响诱导刺激指标。水平的影响在预料之中,蒙太奇的功能考虑,其总体预期电流模式。鉴于下流动区域由于提单,有深远的影响的考虑模型视场有限的基础水平的完整的大脑(上)。然而,相对误差下降迅速~ 2%时考虑到脖子,最终达到在躯干FOV subpercentage错误。荷重软化的蒙太奇,相对误差在地上的事实已经在subpercentage全头程度(0.28%),我们不推荐收集更多数据超出这个范围。提单的蒙太奇,考虑视场扩大全头势在必行。进一步考虑程度将取决于建模过程的目的。例如,一个~ 2%错误可能不是有意义的跨多个学科当比较刺激的结果,所有使用相同的提单蒙太奇。然而,对于一个建模验证运动(21),进一步降低可能是至关重要的,确保匹配预测录音。

我们的研究结果表明,与先前的报道相反,本研究中使用的模型表明,荷重软化蒙太奇比提单蒙太奇不太集中。这一发现是由不同视场的考虑在这项研究中,从而表明其效用。提单蒙太奇导致电流损失通过下区域和视场有限模型的考虑了占这个细节(见冠状图像图3)。因此,刺激大脑体积的百分比高于典型阈值(神经激活和健壮的神经激活)荷重软化蒙太奇低于提单montage-only上头部模型。当全头和额外FOV模型被认为是,荷重软化超过提单蒙太奇在刺激脑容量的百分比。

毫无争议,荷重软化等被认为是认知的(7)。我们发现荷重软化刺激大脑超过提单等可能意味着focality度量当前使用的不是象征或预测brain-sparing方面的荷重软化等。自从focality与E_th,可以推测认为E_th可能没有足够的价值。这些阈值推导出基于记录电波形结合神经时间常数和电激活阈值之前的数据经颅磁刺激研究(9),因此受到多个假设。此外,癫痫发作与电动机阈值可能更相关等调查。另一种可能是特定的头部形状有助于增加顶点和寺庙电极之间的距离,导致更多的电流进入大脑。数据集被认为是白种人平均数据集(MNI 152)和白种人一般比其他种族更细长形状的头(24)。然而,最终,诱导当刺激强度超过治疗癫痫发作阈值和没有一对一的关联刺激脑容量的百分比。尽管如此,电是有意义的作为一个较低的值在某一地区(阈下)意味着一个低概率的发作起始位置。第三种可能是一侧的刺激(图5)是一个更重要的指标比focality对改善认知能力相关的原则(30.,31日)。我们的结果证明全脑刺激相对于E_th附近的荷重软化和整个大脑刺激(~ 90%)在800 mA振幅(与提单图6)。前左斜等调查展示了电一侧原则(14,32协会)和较高的认知能力下降左(即。> 112.5 V / m) (14)。左半球的左斜原则高于E_th但可能不足以认知产生不利的影响。(即选择阈值。,seizure threshold) may be useful to compare the focality differences associated with ECT electrode placements at amplitudes used in clinical practice (800 or 900 mA). Applying a higher threshold to the brain saturation maps would minimize the saturation effect of higher amplitudes and offer insights into electrode placement focality differences associated with higher E-fields.

虽然我们的研究并没有研究等ECT配售bifrontal (BF) (25),可以得出一般结论基于我们的研究的结果。作为男朋友的主导电流蒙太奇将优越的地区(即流动。,under and between the electrodes), we can fully expect lesser impact due to the modeled FOV in comparison to the RUL and the BL placements. In this case, even considering a FOV extending to the upper head may be sufficient. Since we used a single head model, we cannot account for inter-individual differences in calculated stimulation and focality metrics. We expect inter-individual differences as the prior effort involving a full-head extent model (3)表明一个更大的脑容量的百分比刺激提单比各自的荷重软化曲线只有合并在一个较高的等振幅的~ 800 mA)。因此,未来应该努力探索荷重软化,BL-induced脑容量刺激系统跨多个个性化的数据集。

数据可用性声明

最初的贡献提出了研究中都包含在本文/辅料,可以针对相应的作者进一步询问。

道德声明

伦理审查和批准不需要按照机构的指导方针。

作者的贡献

广告发展的概念的想法。AG)电建模和执行相关的后处理。AG)和广告分析结果和准备最初手稿草案从CA与重要的知识输入,Z-DD,决断力,PP-F, DT。所有作者确认整体的方法,导致最后的手稿文本,并批准提交的版本。

资金

广告支持由国家卫生研究所(NIH): 75 n95020c00024 1 r44mh126833-01a1;国防部(DOD): W912CG21C0014;和国家航空和宇宙航行局(NASA): 80 nssc22ca071。Z-DD支持由国家心理卫生研究所的校内研究项目(ZIAMH002955)。这是由国立卫生研究院和MH125126支持。

的利益冲突

AG, YH, DT,和广告是受雇于Soterix医疗公司。

其余作者声明,这项研究是在没有进行任何商业或财务关系可能被视为一个潜在的利益冲突。

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