概述
经颅运动诱发电位（tcMEP）已广泛应用在不同外科手术过程中监测皮质脊髓束。通过放置在颅骨上的两个刺激电极进行 tcMEP 刺激是标准技术，具有较低阈值的阳极引发肌肉 MEP 反应。动脉瘤和其他幕上手术期间的传统 tcMEP 技术存在局限性，当患者全身麻醉时需要相对较高的刺激强度来激活运动神经束。因此，具有在较深皮质下激活皮质脊髓束和绕过皮质或近皮质浅表病变的风险。
连接四极 tcMEP 方法（LQP-tcMEP）的优势在于双侧颅骨上的两个阳极和两个阴极，根据国际 10-20 系统将电极放置在 M3、M4、C1、C2 处，靠近运动皮层中手臂和腿部的代表区域。由于电流扩散更广和在更多皮层或浅皮层下激活，tcMEP 可能需要较低的电压。在本研究中，通过使用逼真的头部模型进行有限元模拟（FEM），比较 LQP、M3-M4 和 C1-C2 之间在阈值和超阈值刺激强度下中央前皮质中手部、手臂和腿部的电流密度。
方法
运动诱发电位
对 25 名未破裂颅内动脉瘤患者进行开颅夹闭手术并监测 tcMEP，患者术前没有运动障碍或术中神经电生理监测禁忌症。分别在 C1、M3、C2 和 M4 位点放置螺旋电极，施加恒定电压刺激，使用 Cadwell Cascade 系统记录。采用 8 个脉冲，脉冲间隔为 2 ms，脉冲宽度为 75 μs。使用 C1-M3 和 C2-M4 处电极配置 LQP 蒙太奇，C1-C2 或 M3-M4 测试双极蒙太奇，从手部的拇短展肌/小指展肌和脚部的趾短伸肌/拇展肌获得 MEP 阈值电压。对于每位患者，随机测试 LQP、M3-M4 和 C1-C2，从每次蒙太奇的手和脚获得刺激阈值。阈值响应定义为可记录到较小（幅度超过 25 μV）和可靠复合肌肉动作电位（CMAP）的最低刺激强度，在 Cadwell Cascade 系统显示屏读取每个电压阈值的电流，测试在开颅前完成。
有限元建模
获得患者分辨率为 1mm 的TI 加权 MRI 图像数据，在 SPM12 中自动分割出白质、灰质、脑脊液（CSF）、颅骨和空气。然后在 Simpleware 软件中手动校正（移除孤岛和组织重叠），分割出脑室、眼睛、脂肪、肌肉、皮肤和血管。在 Simpleware CAD 模块将螺旋电极嵌入颅骨表面上方约 4 mm 处的头皮隔室中。在创建的头部模型中分析的感兴趣区域（ROI）是皮质运动小人所代表的手、手臂和腿。
在 Simpleware 软件中，数据对象在列表中的排序有优先级，为避免各组织间的重叠，在 Models 下方的顺序为脑室、白质、灰质、眼睛、血管、空气、脑脊液、颅骨、脂肪、肌肉、皮肤和电极。在 Simpleware FE 模块同时对以上结构进行自动网格划分，生成约 520 万个四面体单元。
为预测头部模型中的电流密度和电场分布，将生成的网格模型导入 COMSOL Multiphysics 进行模拟，求解拉普拉斯方程。假设 tcMEP 刺激引发的电流模式与直流电刺激期间施加的电流模式相同，即脑组织不具有任何电反应性能。在每个模拟蒙太奇中，将放置在左半球的电极任意指定为阳极，右半球电极为阴极，所有剩余表面都是电绝缘。对阳极施加固定电位，阴极设置为接地（0 V）。然后将电压解进行缩放，使每个蒙太奇的阳极电压与来自手和脚的 tcMEPs相应阈值电压相匹配，从电压解中获得头部和每个 ROI 中的电场和电流密度。由于仅根据绝对电流密度或电场值进行分析，电极的相对极性不影响结果。
在 MATLAB 中生成与 T1 图像具有相同分辨率和大小的 3-D 网格，然后使用 COMSOL LiveLink for MATLAB 代码对每个成像体素中的平均电流密度、电导率和电场值进行采样。将分割的 ROI 配准到此网格，提取每个感兴趣的场参数。比较不同电极蒙太奇和电压阈值下每个 ROI 的电流密度和电场。手部 MEP 的电压阈值用于手部和手臂 ROI，脚部 MEP 的阈值用于腿部 ROI。电导率平均值用于评估每个平均量中部分容积效应的程度。
结果与讨论
刺激蒙太奇之间的比较
与 LQP 相比，M3-M4 和 C1-C2 的阈值电压明显更高。统计脚部获得阈值响应所需从手部阈值开始的电压平均增加量，LQP 所需增幅低于M3-M4 和 C1-C2。
图3：（A）手、脚阈值响应的平均电压（B）脚部阈值响应所需的手部阈值电压平均增加量
与 M3-M4相比，LQP 刺激引发 tcMEP 阈值响应所需总电流较大，但与 C1-C2 相近。
阈值处的 FEM 模拟
手部 ROI
对于每种刺激条件，左手 ROI 中的局部电流密度均匀，右手 ROI 中的前部和侧面电流密度较高。
尽管手部 ROI 中的阈值电流密度几乎相同，但 LQP、M3-M4 和 C1-C2 的阈值电压却不同，LQP 的电流通路阻力最小，C1-C2 的电阻最大。电流通路最初垂直于电极位置，然后分散在皮质表面。与 M3 上的单个电极相比，LQP 中 C1 和 M3 上的电极分离可以预期范围更广的电流通路（表面积更大，电阻更小）。
手臂 ROI
在手部阈值下，不同刺激蒙太奇的手臂 ROI 中值电流密度相似。但由于包含近端手臂肌肉，因此变化更大。左侧脑回顶部或附近局部电流密度增加的区域较大，而右臂 ROI 中的电流密度增加的区域更靠近内侧。
腿部 ROI
尽管强度差异大和头皮位置不同，但这三个刺激蒙太奇的局部电流密度分布相似。左腿和右腿 ROI 的局部密度在脑回顶部或附近都较大。
与手部 ROI 相比，在 LQP、M3M4 和 C1-C2 的阈值刺激下，手臂和腿部 ROI 的中位电流密度变化更大。这是意料之中的，因为手臂和腿部 ROI 并不局限于代表进行术中阈值测量的手或脚的中央前皮质区域。手、手臂和腿 ROI 内 LQP、M3-M4、C1-C2 的电流密度局部分布非常相似。这种相似性与皮质电流密度变化一致，皮质电流密度变化主要由大脑皮层褶皱决定，而头皮刺激位置的影响较少。
超阈值刺激的 FEM 模拟
在手部 tcMEP 阈值下，手部外侧（H）区电流密度相似，而手臂区域 C1-C2 的电流密度大于 LQP 和 M3-M4。在脚部阈值下，腿部内侧（L）区 C1-C2 的电流密度也大于 M3-M4。对每个蒙太奇施加相同电压，观察到电流密度的明显差异。LQP 的放射冠电流密度较高，其次是 M3-M4、C1-C2。颅骨外的皮肤、肌肉和脂肪组织中电流密度在 C1-C2 中最大，其次是 LQP、M3-M4。
分析左手和右手 ROI 电流密度与电压的关系，电流密度在手部阈值（圆圈）处“标准化”。如果电压进行相等的阶跃变化，则电阻较小（即斜率较大）的蒙太奇 LQP 的电流密度增加将更大。如果 LQP 与高刺激电压一起用于颅脑手术，则可能需要特别注意。
结论
LQP 刺激的手和脚 MEP 电压阈值最低，其次是 M3-M4 和 C1-C2。tcMEP 运动皮层中电流密度的局部分布主要由皮层的几何形状决定，用 FEM 模拟的电流密度和电阻可以解释 tcMEP 电极蒙太奇的阈值要求。LQP 刺激的电阻最小，当次优且可变的 tcMEP 需要较大的刺激增加幅度时可能会最有用。模拟中使用 LQP 增加电压时电流的增益相对较陡，这表明对于幕上手术，在远高于阈值的中等或高强度下需要谨慎，避免刺激手术部位深处白质中的皮质脊髓轴突。LQP 刺激可能最适用于由于术前神经系统缺陷、麻醉或其他患者因素（如颅骨厚度）而需要相对高电流密度的次优 MEP 病例。
参考
- Guo L, Boakye E, Sadleir R J, et al. Transcranial MEP threshold voltages and current densities simulated with finite element modelling[J]. Clinical Neurophysiology, 2023, 154: 1-11