个人化脊椎电刺激模拟

(1) 从开源的 TotalSegmentator 磁振造影数据集(https://zenodo.org/records/14710732)下载人体躯干的 MR 影像，或是直接在 IT'IS 基金会的 Github 网页(https://github.com/ITISFoundation/medical-datasets/releases/)下载一小部分 TotalSegmentator MRI 样本(编号 s0287 和 s0288)。

(2) 开启 Sim4Life 接口，按 Imp/Export | Import 导入 s0287 样本 MR 影像。

(3) 在 Explore 窗口点选 s0287 影像，然后在工具栏选择 Image Tools | Auto-Segment。Controller 窗口会出现自动卷标(Auto-Label)的参数设定，推论任务(Inference Task)选择 Body(MRI)，其余选项维持默认的设定。按下 Run 执行身体组织分割。 

选项说明

• MRI bias-correction: 可减少MRI影像中的不均匀性，并提高推理效能 
• Add Cortical Layer: 选择是否插入皮质层以区分皮质骨和松质骨 
• Add lumen/wall separation: 选择是否增加器官腔/壁分隔 
• Closing Radius: 用于建立身体屏蔽的形态学闭合半径; 头部屏蔽外的噪点将分配至背景 
• Merge Left/Right: 启用后，将身体左右两侧合并为单一组织 
• Merge Lung Lobes: 启用后，将肺叶合并为单一肺组织 
• Merge Muscles: 启用后，将肌肉区域合并为单一肌肉组织 
• Output Spacing: 添加/闭合薄层(如皮质骨、脏器壁)，输出将进行重采样(默认值为 1.0 mm) 
• Split Vertebrae: 启用后，将个别分割椎骨(仅适用于 Body (MRI))

(4) 显示躯干组织分割完成后的影像

(5) 生成三维组织模型 

在 Explore 窗口选择 s0287 (Body (MRI)) 影像，然后到工具栏点选 Image Tools | Generate Surfaces。Controller 窗口会显示 Options 设定区块，左下角 Select Tissues 按钮可选择要生成 3D 模型的组织(预先设定为全部的组织)，点选 Run 后开始建立立体组织模型。

(6) Explorer 窗口显示生成的组织对象; 3D 窗口显示躯干、脊椎模型

(7) 建立刺激电极对 

将电极置于特定解剖位置的皮肤表面: 

• 阴极: 置于 T11-T12 背部椎体旁脊柱区
• 阳极: 置于腹部脐周区域 

步骤: 

i. 以椎骨与肾脏为基准建立躯干中心坐标系 

利用 Tools | Geometry 取得特定解剖结构的包围盒最小点与最大点，并以两者的中点 (0.5 * (p1 + p2)) 作为该结构的大致空间位置。

• 以第 11 与第 12 胸椎(T11–T12)[Vertebra_T11_cortical、Vertebra_T12_cortical]的皮质骨位置估算阴极(cathode)中心点: p_cathode
• 以第 4 与第 5 腰椎(L4–L5) [Vertebra_L4_cortical、Vertebra_L5_cortical]的皮质骨位置估算阳极(anode)中心点: p_anode
• 分别计算左肾[Kidney_left]与右肾[Kidney_right]的中心点，用来判定身体的左右方向: p_kidney_left、p_kidney_right

ii. 根据解剖结构自动判定人体的空间方向，推算电极的合理体表位置

• 用阴极与阳极中心点差向量(p_cathode - p_anode)，找出变化量最大的坐标轴，将其视为人体的上方向: up_direction
• 透过左右肾中心点的差向量(p_kidney_right - p_kidney_left)，找出左右差异最大的轴向，并依其正负号判定右侧方向: right_direction
• 已知上下与左右方向后，再以向量外积计算出前方向(front_direction)，确立一组符合人体解剖的三维坐标系

iii. 将先前估算出的阴极与阳极位置投影到皮肤外表面，并在该位置建立电极几何对象

• 将阴极与阳极的初始位置分别沿前方向(front_direction)向外平移约 200 单位，使其落在体表之外(p_cathode - 200.0 * front_direction, p_anode + 200.0 * front_direction)
• 透过计算与皮肤(Skin)表面的最近距离，将位置精确投影到皮肤外表面上
• 在这两个皮肤表面位置建立半径为 5 mm 的球体，并分别命名为 Cathodež 与 Anode，代表最终放置于人体体表的阴极与阳极电极

(8) 建立低频奥姆准静态仿真

A. 电极刺激参数:

• 频率: 30 Hz
• 脉宽: 每相 1 ms (双相波)
• 波形: 矩形波
• 振幅: 调整至诱发后根-肌肉反射的大小(通常为 15-25 V)

B. 求解器设置

• Setup: Frequency 设置为 30 Hz
• Materials: Reference Database 设置为 IT'IS LF 5.0，将生成的身体躯干模型从 Multi-tree 窗口拖曳至此材料设定中，以自动分配各组织的材料参数
• Boundary Conditions: 建立两个新的 Dirichlet 边界条件，并分别放入阳极(Anode)与阴极(Cathode)对象; 阳极的 Constant Potential 设定为 20V，阴极的 Constant Potential 设定为 0V
• Grid: 新增一个 Manual Grid Settings，将所有组织对象放入此设置夹中; 设定 Maximum Step = 2 mm、Geometry Resolution = 1 mm、Priority = 0
• Voxels: 新增一个 Automatic Voxeler Settings，将阳极(Anode)与阴极(Cathode)对象放入此设置中，Priority 设定为 0; 在组织对象所在 Automatic Voxeler Settings 设定 Priority = 0
• Solver: 将 Convergence Tolerance 改为 High

完成所有设定后，分别按下工具栏的 Create Voxels、Run 开始执行模拟

(9) 分析结果-电场分布 

i. Analysis 接口选择点选仿真名称 LF Electro Ohmic Quasi-Stat.，然后在 Controller 窗口选择 Overall field，工具栏按下 Sensor Extractor

ii. 在 Explorer 窗口点选 Overall field，Controller 窗口选择EM E(x, y, z, f0)，工具栏点选 Viewers | Slice Viewer 提取电场模拟结果 

iii. 在 Controller 窗口设定场平面为 YZ、Slice Index = 108，查看两电极附近组织的电场分布