عمود الظهري Steerability مع العروض المتوازية باستخدام مصادر الطاقة المزدوجة مخصص : نموذج الحاسوبية

يتمثل الهدف العام من التجربة التالية في تقييم قدرة التوجيه الإنسي الوحشي للمجال في نظام تحفيز الحبل الشوكي متعدد المصادر عند استخدام تحفيز الحبل الشوكي. ويُعد توافق المذل (paresthesia) الناجم عن التحفيز مع مناطق الجسم المؤلمة شرطاً ضرورياً للفعالية العلاجية. ونظراً لأن أنماط الألم لدى المرضى قد تكون فريدة، فإن التكوين الشائع للتحفيز هو وضع سلكين على التوازي في الحيز فوق الجافية الظهري.

يوفر هذا التصميم مرونة في توجيه التحفيز، حيث يتم نقل التيارات الوسطية جانبياً عبر العمود الظهري لتحقيق تداخل أفضل في المذل. ويتم تقييم إمكانية توجيه التحفيز أولاً من خلال إنشاء نموذج عنصر محدود للنخاع الشوكي البشري لتحديد المجالات الكامنة التي تنشأ عن أقطاب تحفيز النخاع الشوكي فوق الجافية. وكخطوة ثانية، يتم حساب الجهود داخل العمود الظهري لمجموعة متنوعة من التيارات الكاثودية التي يتم إيصالها من نوعين من أنظمة تحفيز النخاع الشوكي.

النظام متعدد المصادر، حيث يمتلك كل تلامس مزروع مصدر تيار مخصصًا، والنظام أحادي المصدر حيث يتصل مصدر تيار واحد بعدة تلامسات. بعد ذلك، تُستخدم الجهود لحساب حجم التنشيط المتوقع في العمود الظهري لكل نوع من أنواع الأنظمة. ومن أجل مقارنة دقة التوجيه الإنسي الوحشي لتجنيد الألياف في كل نظام، تُظهر النتائج أن النظام متعدد المصادر يمكنه استهداف نقاط تحفيز أكثر مركزية في العمود الظهري مقارنة بالنظام أحادي المصدر، كما أن متوسط خطوة التوجيه للتوجيه الإنسي الوحشي يبلغ 20 microns للأنظمة متعددة المصادر مقابل one millimeter للأنظمة أحادية المصدر.

تحسن بمقدار 50 ضعفاً. قد تسمح القدرة على تمركز مناطق التحفيز في العمود الظهري بدقة عالية بتحسين تداخل ألم المذل (paresthesia) لدى المرضى بشكل أفضل. وتتمثل الميزة الرئيسية لاستخدام تقنية التحفيز متعدد المصادر مقارنة بتقنية المصدر الواحد في إمكانية ضبط مجال التحفيز نهائياً لتحفيز العصبون المستهدف بشكل انتقائي في ذلك العمود الظهري لدى كل مريض على حدة، وهو ما يؤدي أساساً إلى تعظيم الإمكانات العلاجية مع تقليل الآثار الجانبية إلى أدنى حد.

النموذج الرياضي المحدد هنا هو نموذج العناصر المحدودة أو FEM للنخاع الشوكي الصدري السفلي والبيئة المحيطة به. يتضمن نموذج FEM المادة البيضاء والرمادية للنخاع الشوكي، والسائل الدماغي الشوكي، والأم الجافية، وأنسجة الحيز فوق الجافية، وعظم الفقرات، ووصلتين أسطوانيتين متعددتي التلامس. تتكون كل وصلة متعددة التلامس من ثماني نقاط تلامس أسطوانية من البلاتين والإريديوم، تفصل بينها قطع من بوليمر عازل بطول 1 mm.

تُعتبر أقطاب التلامس الثمانية الآن هي المعيار السريري في تحفيز الحبل الشوكي. وقد تطور استخدام ثمانية نقاط تلامس من الأجهزة السابقة التي كانت تحتوي على نقطتي تلامس أو أربع نقاط فقط. وقد أشارت الدراسات إلى أن زيادة عدد نقاط التلامس، وبالتالي زيادة نطاق تغطية الحبل الشوكي، تعد أكثر فعالية في الحفاظ على العلاج بمرور الوقت.

لمواجهة مشكلة تزحزح الأقطاب الكهربائية، وهي مشكلة شائعة جداً، يتم وضع الأقطاب ظهرياً فوق الأم الجافية، بفاصل قدره 2.6 millimeters. وللتبسيط، يتم وضع أزواج من الأقطاب بشكل متماثل بالنسبة لخط المنتصف في النخاع الشوكي في هذه المحاكاة.

في النموذج، تم تحديد سمك طبقة السائل الدماغي الشوكي بين نقاط التلامس والسطح الظهري للنخاع الشوكي بـ 3.2 millimeters. وتظهر هنا المقاومات الكهربائية المستخدمة في النموذج. وتمتلك المادة البيضاء في السائل الدماغي الشوكي والأم الجافية أدنى مقاومية.

تتميز الدهون فوق الجافية وعظام الفقرات بمقاومة كهربائية عالية؛ يظهر هنا توزيع الشبكة (mesh) لنموذج العناصر المحدودة (FEM) للنخاع الشوكي وسلك التوصيل متعدد نقاط التلامس. تم تقسيم الحجم إلى شبكة تضم أكثر من 100 مليون عقدة، مع استخدام شبكة عالية الكثافة في المنطقة القريبة من مواقع الأقطاب الكهربائية. تظهر هنا فقط الأجزاء عالية الكثافة من الشبكة.

يتم تقسيم الشبكة إلى أقسام ذات كثافة عقد متغيرة. تكون المسافة الفاصلة بين العقد بالقرب من نقاط التلامس أقل من أو تساوي 300 microns. وتكون المسافة الفاصلة بين العقد في الجافية العازلة والنخاع الشوكي أقل من أو تساوي 750 microns.

تكون كثافة العقد في الحيز فوق الجافية أقل من أو تساوي 3000 microns، ويكون التباعد بين العقد في العظم الفقري أقل من أو يساوي 5,000 microns. يتم إنشاء النموذج ثلاثي الأبعاد لهندسة الحبل الشوكي باستخدام مجموعة من الخصائص المستمدة من المصادر الأدبية ذات الصلة. يتم وضع ألياف العمود الخلفي على شبكة منتظمة بمسافة 200 microns في الاتجاه الإنسي الوحشي، و100 microns في الاتجاه الظهري البطني، وتُسقط في اتجاه الحبل الشوكي.

بمجرد وضع الأقطاب الكهربائية داخل النموذج، يتم تنفيذ نوعين من المحفزات من خلال تحديد التيارات لجهتي اتصال متوازيتين. بالنسبة لنظام المصدر الواحد، يوجد كاثود وأنود واحد يمكن توصيلهما بأي مجموعة من نقاط الاتصال عند التنفيذ. في النموذج، يتم تحديد قطبية نقطة الاتصال فقط، ويعتمد التيار المار عبر أي نقطة اتصال على عدد نقاط الاتصال المتصلة بأي قطب.

على سبيل المثال، إذا تم توصيل نقطة تلامس واحدة بالمهبط، فإن نقطة التلامس هذه تستوعب كل تيار المهبط. ومع ذلك، إذا تم توصيل نقطتي تلامس بقطب المهبط للمصدر، فإنهما يقسمان التيار إلى النصف بنسبة 50% لكل منهما. وبالطبع، في النموذج الرياضي، تكون ممانعة كل نقطة تلامس متطابقة، وهو أمر لا يتحقق عادةً في التطبيقات السريرية.

وهذا يعني أن التيار الواصل إلى كل نقطة تلامس في نظام المصدر الواحد ليس خاضعاً للتحكم. ولأغراض تحقيقاتنا في النموذج، استخدمنا ثلاث طرق ممكنة لتوصيل التيار: في الطريقة الأولى، يحمل الكاثود الموجود في أقصى اليسار كل التيار، وفي الثانية، يوصل كل من الكاثودين 50% من التيار، وفي الثالثة، يوصل الكاثود الموجود في أقصى اليمين كل التيار. أما بالنسبة لنظام المصادر المتعددة، فقد تم تعريف كل نقطة تلامس بحيث يكون لها مصدر تيار خاص بها يمكن التحكم فيه بتغيرات تيار تزايدية بنسبة 1% بين نقاط التلامس.

بمعنى آخر، إذا كان إجمالي التيار الموصّل إلى الاتصالين 10 milliamps، فإن التيار الموجه لكل اتصال يتم تحديده ليكون أي كسر من الإجمالي، طالما أن مجموع التيارات المارة عبر كل اتصال يساوي 10 milliamps. على سبيل المثال، إذا كان الاتصال الأيسر يوصّل 6.8 milliamps، فإن الاتصال الأيمن سيوصّل حينئذٍ 3.2 milliamps. ويتم برمجة عمليات تقسيم التيار الجزئية الـ 100 بهذه الطريقة.

يُعد الكاثود هو نقطة التلامس الأساسية المشاركة في التحفيز العصبي. يؤدي تنشيط نقطة التلامس الكاثودية إلى تدفق التيار نحو نقطة التلامس، حيث يتدفق التيار الكهربائي على طول المحوار، وأيضاً عبر الجزء الداخلي من المحوار وعبر غشاء المحوار. وعند عقد رانفييه، تؤدي هذه التيارات إلى إزالة الاستقطاب في منتصف المحوار وفرط الاستقطاب في الأجزاء الجانبية من المحوار.

تُسمى الدالة الرياضية التي تمثل عمليات إزالة الاستقطاب وفرط الاستقطاب بالدالة التنشيطية. وتعد الدالة التنشيطية تقريباً للتغير في جهود الغشاء عبر الخلوي. وعند تطبيق تيار تحفيزي خارج خلوي على الأنسجة العصبية ضمن هندسة محددة للأقطاب والألياف، يتم تطبيق الدالة التنشيطية حينئذٍ على ألياف العمود الظهري في النخاع الشوكي.

تُعرّف منطقة التنشيط بأنها موضع الألياف. وفي النموذج الذي تتجاوز فيه دالة التنشيط عتبة محددة مسبقاً، تُستخدم دالة التنشيط للتنبؤ بمناطق التنشيط في الأعمدة الظهرية. وتُعرّف نقطة التحفيز المركزية وتُحسب على أنها المركز الهندسي لمنطقة التنشيط ثلاثية الأبعاد. ولتحديد سعة التحفيز، يتم تحديد تلامس واحد من سلك العمود الأيسر ليكون كاثوداً.

في التكوين أحادي القطب، يتم زيادة سعة التحفيز بشكل تكراري حتى يتم تنشيط الليفة الأولى. وتكون هذه الليفة دائماً من العمود الظهري. ويُفترض أن هذا التنشيط الأول يرتبط بأول شعور بالمذل (paresthesia) يشعر به المريض في الإعدادات السريرية.

في النموذج، يتم بعد ذلك زيادة التيار إلى 1.4 مرة من التيار اللازم لتنشيط الليفة الأولى، ويتم حساب القطر الخارجي (OID) لمنطقة التنشيط الناتجة. يتم حساب الـ OIDs لجميع خطوات التوجيه المائة، بدءاً من 100 إلى صفر، ثم من صفر إلى 100، مع تحديد السعة كما في الخطوة السابقة. ويُحسب متوسط دقة تغير الـ OID عن طريق قسمة نطاق موقع الـ OID على خطوات التيار.

يفترض نموذج العناصر المحدودة وجود سلكين متوازيين، تفصل بينهما مسافة 2.6 مليمتر، ويحتوي كل منهما على ثماني نقاط تلامس. ويمكن لجهاز مصدر واحد يوفر مصدر طاقة مشترك لجميع نقاط التلامس استهداف ثلاث نقاط تحفيز مركزية. وعند إزاحة وسائط التحفيز جانبيًا، فإن هذا يتوافق مع حجم خطوة يبلغ مليمتر واحد في المتوسط مع وجود فاصل بين السلكين بمقدار مليمترين، بينما يمكن لجهاز بمصدر طاقة مخصص لكل نقطة تلامس استهداف 100 نقطة مركزية من الناحية الإنسية إلى الوحشية في العمود الظهري.

عند تقسيم التيار بزيادات قدرها 1%، فإن هذا يتوافق مع حجم خطوة يبلغ 0.02 مليمتر لخطوات بنسبة 1% عند توجيه التحفيز إنسياً-وحشياً بين سلكين مزدوجين. يتوقع النموذج الحسابي المعروض هنا أن الجهاز الذي يحتوي على مصادر تيار مستقلة لكل نقطة تلامس يمكنه استهداف نقاط تحفيز أكثر مركزية في العمود الظهري مقارنة بنظام المصدر الواحد. ونتيجة لذلك، تبلغ دقة ضبط نقطة التحفيز المركزية 20 ميكرون في نظام المصادر المتعددة، وهو ما يمثل زيادة في الدقة بنحو 50 ضعفاً مقارنة بأنظمة المصدر الواحد. إن القدرة على توجيه التحفيز في العمود الظهري بدقة عالية قد تسمح بتحسين أفضل لتداخل تخفيف الألم أثناء الإجراء.

في حالة مريض معين، قد يتم تركيز سبب التنشيط لدى المرضى الملونين لزيادة تغطية المنطقة المؤلمة إلى أقصى حد مع تقليل الآثار الجانبية. وبناءً على ذلك، فإن استخدام تيار مجزأ من مصدر مستقل يتيح توجيهاً دقيقاً للتحفيز على الأعصاب المستهدفة في عمود Doser أثناء علاج تحفيز الحبل الشوكي.