使用专用电源的双平行电极背柱刺激可操控性：一种计算模型

以下实验的总体目标是评估多源脊髓电刺激系统在脊髓电刺激中对媒体侧向场可控性的能力。刺激诱发的异常感觉（感觉异常）与疼痛身体区域的一致性是治疗有效的必要条件。由于患者的疼痛模式可能各不相同，一种常见的刺激配置是在背侧硬膜外腔平行放置两根电极导线。

该构建体在引导刺激方面提供了灵活性，可将电流介质横向施加于背柱，以实现更佳的疼痛缓解和感觉异常重叠。通过以下步骤评估刺激的可引导性：首先建立人类脊髓的有限元模型，以确定硬膜外脊髓刺激电极所产生的电位场；第二步，计算由两种类型的脊髓刺激系统输送不同阴极电流时背柱内的电位分布。

多源系统中，每个植入的触点都有独立的电流源，而单源系统中仅有一个电流源连接多个触点。接下来，利用这些电位计算每种系统类型在背柱中预测的激活体积。为了比较每种系统在内侧-外侧方向上纤维募集的空间分辨能力，结果显示，与单源系统相比，多源系统能够更精确地靶向背柱中更靠近中央的刺激位点，其内侧-外侧方向的平均导向步长为20微米，而单源系统的平均导向步长为1毫米。

50 倍的改进。能够以高分辨率精确定位背柱中的刺激区域，可能有助于更好地优化患者感觉异常与疼痛区域的重叠。与单源刺激技术相比，多源刺激技术的主要优势在于，可对刺激场进行精细调节，从而在每位个体患者中选择性地刺激目标神经元，这实质上是在最大化治疗效果的同时最小化副作用。

此处定义的数学模型是胸椎下段脊髓及其周围环境的有限元模型（FEM）。该FEM模型包括脊髓的白质和灰质、脑脊液、硬脊膜、硬膜外间隙组织、椎骨以及两根圆柱形多触点电极。每根多触点电极由八个圆柱形铂铱触点组成，触点之间由长度为一毫米的绝缘聚合物隔开。

目前，八触点电极被认为是脊髓电刺激的临床标准。八触点的应用是从早期仅具有两个或四个触点的设备发展而来的。研究表明，触点数量越多，对脊髓的覆盖范围越广，长期维持治疗效果的能力也更强。

面对导线移位这一非常常见的问题，导线被放置在硬脑膜背侧，间距为2.6毫米，以简化操作。在模拟中，成对的导线相对于脊髓中线对称放置。

在该模型中，电极接触点与脊髓背表面之间的脑脊液层厚度设定为 3.2 毫米。模型中使用的电导率参数如下所示。脑脊液、白质和硬膜的电阻率最低。

硬膜外脂肪和椎体骨具有高电阻率，此处显示的是脊髓和多触点电极的有限元模型网格。该体积被划分为超过一亿个节点，在电极附近区域采用高密度网格。此处仅显示网格的高密度部分。

网格被划分为不同节点密度的区域。在接触点附近的节点间距小于或等于300微米。绝缘硬脊膜和脊髓的节点间距小于或等于750微米。

硬膜外腔的节点密度小于或等于3000微米，椎骨的节点间距小于或等于5,000微米。脊髓几何结构的三维模型是通过整合相关文献资料中的多种特征构建而成。背柱纤维在媒体侧向以200微米、背腹向以100微米的规则网格排列，并沿脊髓纵轴方向进行投影。

当电极在模型中定位后，通过定义两个平行接触点的电流来实现两种类型的刺激器。对于单源系统，存在单一的阴极和阳极，实施时可连接至任意一组接触点。在模型中，仅定义接触点的极性，而通过任一接触点的电流则取决于连接至任一电极的接触点数量。

例如，如果仅有一个触点连接至阴极，则该触点将承载全部阴极电流。然而，如果两个触点连接至电源的阴极极，它们将平分电流，各承担50%。当然，在数学模型中，每个触点的阻抗均相同，但在临床应用中通常并非如此。

这意味着在单源系统中，流向每个触点的电流未受控制。在我们的模型研究中，采用了三种可能的电流输送方法。第一种方法中，最左侧的阴极承载全部电流；第二种方法中，两个阴极各输送50%的电流；第三种方法中，最右侧的阴极承载全部电流。对于多源系统，每个触点均被定义为具有独立的电流源，且触点间的电流可进行1%增量的可控调节。

换句话说，如果输送至两个触点的总电流为 10 毫安，则输送至每个触点的电流可设定为总电流的任意比例，只要通过各触点的电流之和等于 10 毫安即可。例如，若左侧触点输送 6.8 毫安，则右侧触点将输送 3.2 毫安。这 100 种电流比例分配方式均按此方法编程设定。

阴极是参与神经刺激的主要触点。激活阴极触点会导致电流流向该触点，电流沿轴突传导，同时也通过轴突内部以及轴突膜传导。在郎飞结处，这些电流引起轴突中部的去极化以及轴突侧部的超极化。

用于模拟去极化和超极化的数学函数被称为激活函数。激活函数是对跨膜电位变化的一种近似。当在特定的电极和纤维几何条件下，向神经组织施加细胞外刺激电流时，该激活函数即被应用于脊髓的背柱纤维。

激活区域被定义为纤维的位置。在激活函数超过预设阈值的模型中，利用激活函数来预测背柱中的激活区域。刺激的中心点被定义并计算为三维激活区域的几何中心。为了确定刺激幅度，指定左侧列电极中的一个触点作为阴极。

在单极配置中，逐步增加刺激强度，直至第一个神经纤维被激活，这始终是背柱纤维。这种首次激活被认为与临床环境中患者首次感知到感觉异常相对应。

在该模型中，随后将电流增加至激活第一根纤维所需电流的1.4倍，并计算由此产生的激活区域的OID。计算从100到0、再从0到100的全部100个转向步骤的OID，其幅度由前一步骤确定。OID变化的平均分辨率为OID位置范围除以电流步数。

有限元模型假设存在两条平行电极，每条电极上包含八个触点，触点间距为2.6毫米。一种具有单一共用电源的单源设备可为所有触点供电，并能够靶向三个刺激中心点。当横向移动刺激位置时，在电极间距为两毫米的情况下，平均步长为一毫米；而具备每个触点独立电源的设备则可在背柱内侧-外侧方向上靶向100个中心点。

当以1%的增量对电流进行分步调节时，在双电极之间横向控制背柱刺激的中心位置时，每个1%的步进对应0.02毫米的步长。本文提出的计算模型预测，对于每个触点具有独立电流源的设备，相比单源系统，能够更精确地靶向背柱内的中心刺激点。因此，多源系统的刺激中心点调节分辨率达到20微米，相较于单源系统，分辨率提高了约50倍。在背柱内以高分辨率调控刺激区域的能力，可能有助于更好地优化刺激区域与疼痛区域的重叠效果。

对于特定患者而言，针对肤色人群的激活原因可能集中在最大限度覆盖疼痛区域的同时最小化副作用。因此，在脊髓刺激治疗期间，利用来自独立源的分频电流可实现对背柱中目标神经的精确刺激调控。