個人化脊椎電刺激模擬

(1) 從開源的 TotalSegmentator 磁振造影數據集(https://zenodo.org/records/14710732)下載人體軀幹的 MR 影像，或是直接在 IT'IS 基金會的 Github 網頁(https://github.com/ITISFoundation/medical-datasets/releases/)下載一小部分 TotalSegmentator MRI 樣本(編號 s0287 和 s0288)。

(2) 開啟 Sim4Life 介面，按 Imp/Export | Import 導入 s0287 樣本 MR 影像。

(3) 在 Explore 視窗點選 s0287 影像，然後在工具列選擇 Image Tools | Auto-Segment。Controller 視窗會出現自動標籤(Auto-Label)的參數設定，推論任務(Inference Task)選擇 Body(MRI)，其餘選項維持預設的設定。按下 Run 執行身體組織分割。 

選項說明

• MRI bias-correction: 可減少MRI影像中的不均勻性，並提高推理效能 
• Add Cortical Layer: 選擇是否插入皮質層以區分皮質骨和鬆質骨 
• Add lumen/wall separation: 選擇是否增加器官腔/壁分隔 
• Closing Radius: 用於建立身體遮罩的形態學閉合半徑; 頭部遮罩外的噪點將分配至背景 
• Merge Left/Right: 啟用後，將身體左右兩側合併為單一組織 
• Merge Lung Lobes: 啟用後，將肺葉合併為單一肺組織 
• Merge Muscles: 啟用後，將肌肉區域合併為單一肌肉組織 
• Output Spacing: 添加/閉合薄層(如皮質骨、臟器壁)，輸出將進行重採樣(預設值為 1.0 mm) 
• Split Vertebrae: 啟用後，將個別分割椎骨(僅適用於 Body (MRI))

(4) 顯示軀幹組織分割完成後的影像

(5) 生成三維組織模型 

在 Explore 視窗選擇 s0287 (Body (MRI)) 影像，然後到工具列點選 Image Tools | Generate Surfaces。Controller 視窗會顯示 Options 設定區塊，左下角 Select Tissues 按鈕可選擇要生成 3D 模型的組織(預先設定為全部的組織)，點選 Run 後開始建立立體組織模型。

(6) Explorer 視窗顯示生成的組織物件; 3D 視窗顯示軀幹、脊椎模型

(7) 建立刺激電極對 

將電極置於特定解剖位置的皮膚表面: 

• 陰極: 置於 T11-T12 背部椎體旁脊柱區
• 陽極: 置於腹部臍周區域 

步驟: 

i. 以椎骨與腎臟為基準建立軀幹中心座標系 

利用 Tools | Geometry 取得特定解剖結構的包圍盒最小點與最大點，並以兩者的中點 (0.5 * (p1 + p2)) 作為該結構的大致空間位置。

• 以第 11 與第 12 胸椎(T11–T12)[Vertebra_T11_cortical、Vertebra_T12_cortical]的皮質骨位置估算陰極(cathode)中心點: p_cathode
• 以第 4 與第 5 腰椎(L4–L5) [Vertebra_L4_cortical、Vertebra_L5_cortical]的皮質骨位置估算陽極(anode)中心點: p_anode
• 分別計算左腎[Kidney_left]與右腎[Kidney_right]的中心點，用來判定身體的左右方向: p_kidney_left、p_kidney_right

ii. 根據解剖結構自動判定人體的空間方向，推算電極的合理體表位置

• 用陰極與陽極中心點差向量(p_cathode - p_anode)，找出變化量最大的座標軸，將其視為人體的上方向: up_direction
• 透過左右腎中心點的差向量(p_kidney_right - p_kidney_left)，找出左右差異最大的軸向，並依其正負號判定右側方向: right_direction
• 已知上下與左右方向後，再以向量外積計算出前方向(front_direction)，確立一組符合人體解剖的三維座標系

iii. 將先前估算出的陰極與陽極位置投影到皮膚外表面，並在該位置建立電極幾何物件

• 將陰極與陽極的初始位置分別沿前方向(front_direction)向外平移約 200 單位，使其落在體表之外(p_cathode - 200.0 * front_direction, p_anode + 200.0 * front_direction)
• 透過計算與皮膚(Skin)表面的最近距離，將位置精確投影到皮膚外表面上
• 在這兩個皮膚表面位置建立半徑為 5 mm 的球體，並分別命名為 Cathodež 與 Anode，代表最終放置於人體體表的陰極與陽極電極

(8) 建立低頻歐姆準靜態模擬

A. 電極刺激參數:

• 頻率: 30 Hz
• 脈寬: 每相 1 ms (雙相波)
• 波形: 矩形波
• 振幅: 調整至誘發後根-肌肉反射的大小(通常為 15-25 V)

B. 求解器設置

• Setup: Frequency 設置為 30 Hz
• Materials: Reference Database 設置為 IT'IS LF 5.0，將生成的身體軀幹模型從 Multi-tree 視窗拖曳至此材料設定中，以自動分配各組織的材料參數
• Boundary Conditions: 建立兩個新的 Dirichlet 邊界條件，並分別放入陽極(Anode)與陰極(Cathode)物件; 陽極的 Constant Potential 設定為 20V，陰極的 Constant Potential 設定為 0V
• Grid: 新增一個 Manual Grid Settings，將所有組織物件放入此設置夾中; 設定 Maximum Step = 2 mm、Geometry Resolution = 1 mm、Priority = 0
• Voxels: 新增一個 Automatic Voxeler Settings，將陽極(Anode)與陰極(Cathode)物件放入此設置中，Priority 設定為 0; 在組織物件所在 Automatic Voxeler Settings 設定 Priority = 0
• Solver: 將 Convergence Tolerance 改為 High

完成所有設定後，分別按下工具列的 Create Voxels、Run 開始執行模擬

(9) 分析結果-電場分佈 

i. Analysis 介面選擇點選模擬名稱 LF Electro Ohmic Quasi-Stat.，然後在 Controller 視窗選擇 Overall field，工具列按下 Sensor Extractor

ii. 在 Explorer 視窗點選 Overall field，Controller 視窗選擇EM E(x, y, z, f0)，工具欄點選 Viewers | Slice Viewer 提取電場模擬結果 

iii. 在 Controller 視窗設定場平面為 YZ、Slice Index = 108，查看兩電極附近組織的電場分佈