外周神经几何形状和局部解剖对磁刺激时间常数的影响

背景介绍

快速切换的磁共振成像（MRI）梯度场会在人体内产生足够强的电场，导致外周神经刺激（Peripheral Nerve Stimulation, PNS），限制成像速度和分辨率的提高。PNS阈值强度-持续时间曲线被广泛用于表征周期波形的刺激阈值，并用时间常数（Chronaxie）和基础电压（Rheobase）参数化。现行的MRI安全标准依赖单一的时间常数值来表征所有神经的反应。然而，实验结果显示外周神经的时间常数值相差一个数量级。由于观察到多样的时间常数值以及该值在MRI安全模型中的重要性，深入了解导致时间常数变异的机制变得至关重要。

论文来源

此研究成果由Natalie G. Ferris、Valerie Klein、Bastien Guerin、Lawrence L. Wald以及Mathias Davids等人共同完成，研究成员隶属哈佛大学生物物理学研究生项目、哈佛-MIT健康科学与技术部门以及哈佛医学院。该论文发表在Journal of Neural Engineering期刊。

研究流程

研究方法

研究者使用耦合电磁-神经动力外周神经刺激模型评估导致时间常数变异的几何形状来源。他们研究了刺激磁场线圈相对于身体的位置、局部解剖特征以及神经轨迹对驱动函数和时间常数的影响。

研究包含以下步骤： 1. 电磁-神经动力PNS模型: 先预测给定线圈几何在人体模型中引起的电场，投影电场至神经图谱并整合结果，得到沿神经的电位。接着，计算神经元在神经环境中的反应。 2. 研究对象: 使用两个不同的腿部模型，一个是现实的腿部模型，另一个是简化的圆柱形腿部模型。研究线圈位置和轴向角度对时间常数和基础电压的影响。

结果分析

1. 现实腿部模型：通过改变线圈相对于腿部的z位置和旋转角度，研究了这些变化对不同神经PNS阈值及其时间常数和基础电压的影响。
2. 简化腿部模型：分析了不同几何参数（如弯曲角度、半径、骨骼空隙长度和高度）对电场形态、时间常数和基础电压的影响。

主要结果

现实腿部模型

变动线圈的位置和旋转角度会显著影响PNS阈值。在某些位置，最敏感神经的位置会变化，导致时间常数和基础电压的变化。例如，当线圈从z=0m移动到z=0.1m时，最敏感位置从普通腓神经变化为内侧腓神经，阈值从72mT增加到157mT，时间常数从459μs降至317μs。

简化腿部模型

通过这种简化模型，研究者能够更好地理解神经轨迹和局部解剖对电场形成的影响。例如，增大弯曲角度（在恒定弯曲半径下）会减少时间常数，而增大弯曲半径（在恒定角度下）则会增加时间常数。在骨骼空隙模型中，空隙长度和高度对电场“热点”形态及其时间常数和基础电压有显著影响。

驱动函数分析

驱动函数（Driving Function, DF）被用来确定不同几何特征对电场变化的响应。例如，弯曲神经的DF展示了小弯曲半径（如1mm）具有更陡的电场斜率，从而拥有更大的DF幅度，相应地，时间常数较短。

电场诱导膜电位变化

通过计算电场诱导的跨膜电位变化，研究者分析了不同几何特征对膜电位随时间的变化情况。在一些几何情景下，电荷积累和消散的速率会影响刺激阈值及时间常数。例如，弯曲半径为1mm的小弯曲神经与9mm的大弯曲神经尽管初始电荷差异不大，但它们的时间常数明显不同。

结论与意义

研究表明，导致MRI磁刺激时间常数变异的一个机制是刺激模式生成的电荷在轴突上的沉积和随后的时间分布不同。对于具有固定生理和内在参数的神经，跨膜电位的消散速率影响刺激阈值和时间常数。这项研究揭示，通过改善对时间常数变异机制的理解，可推广性描述实际PNS阈值并提升MRI和MPI的安全标准。

研究亮点

1. 明确了神经轨迹和局部解剖对时间常数的影响。
2. 建立了包含耦合电磁-神经动力学模型的PNS预测框架。
3. 发现了电荷消散速率作为时间常数变异的一个基础因素。

研究价值

这些发现对当前的梯度安全监控方法有重要意义，揭示了依赖单一时间常数值设定PNS安全限值的局限性，并强调使用详尽的实验数据或现实人体模型以捕捉时间常数变异的重要性。本研究的长期目标是了解时间常数变异的来源，以便更精确地反映患者身体习性、位置和线圈类型的变化，从而优化MRI和MPI的安全标准。