Name: טור Steerability הגב עם מוביל מקביל Dual באמצעות מקורות כוח ייעודי: מודל חישובי (וידאו) | JoVE Journal
Uploaded: 2011-02-10T18:00:00.000+00:00
Duration: 11 min 19 s
Description: חקור מודל חישובי של גירוי חוט השדרה עם מקורות כוח ייעודיים לשיפור דיוק הכיוון הרפואי. המערכת משפרת פי 50 את הרזולוציה המרכזית-צדית לטיפול יעיל בכאב.

ai_agent_IP

ai_agent

maintenance

instantTrialDurationMinutes

isBiopharma

enableNewMyJoveSectionDesign

educationFeatures

seoMetaApi

ai_copilot_institution_blacklist

ai_chat_institution_blacklist

freeAccessWindow

ssoRoleCapture

scheduledMaintenanceBanner

joveLabsFeatures

disable_autoplay_for_bots

extended_trial_duration

5 minutes

מחקר זה מומן על ידי בוסטון סיינטיפיק Neuromodulation.

1. מבוא: גירוי חוט השדרה, או SCS, הוחל קלינית מאז 1967, כאשר ד"ר נורמן Shealy first מושתל אלקטרודות גירוי על עמודות הגב בניסיון לספק הקלה עבור חולים עם כאב כרוני סורר (Shealy et al., 1967). SCS הוא יישום קליני של התיאוריה שער, אשר טוען כי הפעלת גדול עצבים מביא myelinated אשר מתווכים מגע תחושות לחץ, יכול לעכב, או "לסגור את השער" על העברת אותות הכאב למרכזים גבוהים יותר במוח (מלזק &amp; הכותל , 1965). טכנולוגיה עבור SCS השתפר במשך עשרות שנים, עם ציוד גירוי אמין יותר מעוצב טוב יותר כדי לעורר את העמודות הגב התפתח. מפתח שיפורים אלו כבר הבנה מוגברת של neuroanatomy ו נוירופיזיולוגיה של חוט השדרה רלוונטי גירוי חשמלי קליניים. הבנה זו כבר מתקדמת על ידי מודלים חישוביים של SCS. מודלים חישוביים של נוירונים נעשה שימוש כדי להבין את המנגנונים הבסיסיים של גירוי עצבי מאז מודל מתמטי של הקסלי ו הודג'קין תוארה לראשונה (הודג'קין לבין הקסלי, 1952). פעילות עצבית היא מווסתת על ידי שדות חשמליים להחיל כזריקה הנוכחית תאיים ושדות פוטנציאל תאיים. Ranck איכותית דנו כיצד שינויים מתח תאיים באזור האקסון גורם בכמה אזורים של קרום האקסון אל depolarize ואחרים hyperpolarize (Ranck, 1975). מודל חישובי עבור SCS פותחה תחילה על ידי קובורן וסין (קובורן, 1980) והיה משמעותי furthered ידי Holsheimer ועמיתיו, החל Struijk ופיתוח של Holsheimer של מודל תלת ממדי השדה של SCS (Holsheimer ו Struijk, 1988). מודל חישובי שלהם העריכו את ההשפעה של פרמטרים אנטומיים על הסף של סיבי העמודה הגבית (Struijk et al., 1992), ניבא את מיקום הפוטנציאל של עירור בסיבים השורש הגבי (Struijk et al. 1993b), ניתח את ההשפעה של CSF עובי (Struijk et al, 1993a.) עם אישורים רפואיים (הוא et al, 1994;. Holsheimer et al, 1995a,.. Holsheimer et al, 1994). המודל תרומה משמעותית העיצוב של עיצוב להוביל גירוי, מה שמרמז על הפרמטרים האופטימלי עבור גודל המרווח קשר (Holsheimer ו Struijk, 1992; Holsheimer ו Wesselink, 1997), לטובת גירוי מועדף של סיבי טור הגבי מעל סיבי שורש (Holsheimer et al,. 1995b). 2. שיטות: מודל מתמטי Definition מתמטית אלמנטים סופיים (פאם) מודל נוצרה של חוט נמוכה השדרה החזי והסביבה שלה. המודל פאם כללה משנה חוט השדרה לבן ואפור, הנוזל השדרתי, הדורה, רקמה אפידורל בחלל העצם בחוליות, ושני מוביל multicontact גלילי. להוביל כל בת שמונה פלטינה אירידיום הקשר גלילי (דומיינים ניצוח, אורך 3mm ו בקוטר 1.25 מ"מ), מופרדים על ידי אורכי 1mm של בידוד פולימר (שאינם מנהלים תחומים, אורך 1 מ"מ). מוביל הוצבו dorsally, על גבי דורה, סימטרי, 1mm לכל צד של קו האמצע של חוט השדרה. במודל, "עובי" של שכבת הנוזל השדרתי בין אנשי הקשר ואת השטח הגבי של חוט השדרה (dCSF) צוין להיות 3.2mm. הגיאומטריה של המודל מתוארת באיור 1A ו resistivities חשמלי ניתנים לוח, ערכים באים בעיקר מן הספרות (Holsheimer, 2002;. Wesselink et al, 1999). נפח היה מרושת עם למעלה מ 1 מיליון צמתים, רשת עם צפיפות גבוהה באזור קרוב למקום שבו אלקטרודות ממוקמים כפי שמתואר באיור 1B. <img src="/files/ftp_upload/2443/2443fig1.jpg" alt="איור 1"> באיור 1. תיאור של רשת של פאם על חוט השדרה ולהוביל multicontact. (א) רכיבי המבנה של הדגם. (ב) רשת דגם - רק את החלק צפיפות גבוהה מוצג. רשת היה מקוטע למקטעים של צפיפות הצומת משתנה: ליד הקשר (≤ 300 מיקרומטר), מבודד הדורה וחוט השדרה (≤ 750 מיקרומטר); מרחב אפידורל (≤ 3000 מיקרומטר); ועצם השדרה (≤ 5000 מיקרומטר). <img src="/files/ftp_upload/2443/2443table1.jpg" alt="טבלה 1"> טבלה 1 ערכי ההתנגדות של תחומים פאם (Holsheimer, 2002;. Wesselink et al, 1999). ושינוי (חלל אפידורלי) כדי להתאים את הנתונים הקליניים. הגיאומטריה חוט השדרה (איור 2) נוצר באמצעות שילוב של תכונות ממקורות הספרות הרלוונטית. חתך של חוט נגזר קאמיאמה ואח', ואת השורש הגבי (DR) מסלול של Struijk ואח' אומצה (קאמיאמה et al, 1996;... Struijket al. 1993b). הגבי (DC) סיבי טור הונחו על רשת רגיל (200um כיוון mediolateral וכיוון dorsoventral 100um; לראות בתרשים 2A) ו מוקרן לכיוון rostrocaudal. DR בכל עוצבה כמו סיב 'אמא' קוטר גדול המחובר סיבי "הבת" מפוצלת בקוטר קטן יותר (איור 2 ב). <img src="/files/ftp_upload/2443/2443fig2.jpg" alt="איור 2"> איור 2. מבנה המודל חוט השדרה. (א) להציג Transactional של חוט השדרה ואת המיקום של סיבים טור הגב. (ב) שורשי הגב מורכבים סיבים אמא וסיבים בת מפוצלת. מסלולו של סיבים האם היה דיגיטציה של Struijk 1993. (ג) שלוש להציג ממדי של חוט השדרה וסיבים DR. דגם חקירה לאחר מוביל הוצבו בתוך המודל, שני סוגי לגירוי יושמו על ידי הגדרת הזרמים שני קשרים במקביל. עבור מערכת מקור יחיד, היו שלוש שיטות אפשרי לספק הנוכחי: א הקשר השמאלי יש את כל הנוכחי; ב שני אנשי קשר בכל לספק 50% הנוכחי; ג הקשר הימני מספק את כל הנוכחי. נציין כאן כי עכבה של שני קשרים ההנחה היא שווה, אם כי זה לא סביר שיהיה נכון ביישום קליני. עבור מערכת multisource, כל איש קשר הוגדר להיות מקור זרם משלו לשליטה ב 1% שינויים הנוכחית מצטבר בין אנשי הקשר. במילים אחרות, אם הנוכחי הכולל מסירת שני אנשי קשר הוא 10mA, במערכת multisource הנוכחי ליצור קשר עם כל אחד צוין לשבר כל מסך, כל עוד סכום של הזרמים דרך 10mA כל קשר שווה. לדוגמה, הקשר השמאלי עשוי לספק 6.8 mA שם איש הקשר הימני ביותר היה אז לספק 3.2 mA. עבור מערכת multisource, 100 השבר מתפצל הזרם תוכנתו בצורה כזו. כדי לחשב את אזור ההפעלה בתוך העמודות הגבי על ידי כל מערכת, ניתוח פונקציה הפעלת בוצעה. הפונקציה הפעלת הוא קירוב של השינוי בפוטנציאל הטרנסממברני כאשר זרם מגרה תאי מוחל על רקמה עצבית עבור האלקטרודה נתון בגיאומטריה סיבים. האזור של הפעלת הוגדר מוקד של סיבי במודל שבו הפעלת הפונקציה (או ההבדל השני פשוט של מתח לאורך האקסון) עלה סף קבוע מראש (דוגמה 0.1mV/mm2). הנקודה המרכזית של גירוי הוגדר מחושב centroid גיאומטרי של אזור 3 מימדי ההפעלה. כדי לקבוע אמפליטודה גירוי, שני קשרים צוינו להיות cathodes (50% פוטנציאל שלילי של 50% על שני קשרים) בתצורה monopolar (שמקורו הנוכחי נמסר עם צפיפות זרם שווה בין גבולות מודל). משרעת גירוי אז גדל iteratively עד סיבים first מופעל נצפתה (זה תמיד היה סיבים טור הגבי). הפעלה זו הראשון היה להניח, כדי לקשר בין התפיסה הראשונה של paresthesia על ידי המטופל במסגרת הקלינית. במודל, הנוכחי הוגדל ואז 1.4 * (mA להפעיל סיבים הראשון) ואת centroid של האזור כתוצאה של הפעלת חושבה. Centroids של כל הצעדים היגוי (100:0 עד 0:100) חושבו עם משרעת נקבע בשלב הקודם. רזולוציה ממוצע של שינוי centroid היה מגוון המיקום centroid מחולק השלבים הנוכחיים. 3. התוצאה: כאשר הגירוי mediolaterally היגוי בין מוביל כפול, את מודל חישובי צופה כי מכשיר עם מקורות זרם עצמאי עבור כל איש קשר ניתן למקד את הנקודות המרכזיות יותר של גירוי על העמודה הגבית מאשר מערכת מקור יחיד (100 לעומת 3). כתוצאה מכך, הרזולוציה של התאמת הנקודה המרכזית של גירוי הוא 30 אממ עם מערכת multisource, גידול של פי 50 בקירוב בהשוואה ל-מקור יחיד מערכות (ראה איור 3). <img src="/files/ftp_upload/2443/2443fig3.jpg" alt="איור 3"> איור 3. מודל חישובי הופך את התחזיות הבאות. תצורה א להוביל כפולה: 2.0 מ"מ הפרדה בין מוביל עם גירוי מונופול. מכשירים ב מקור יחיד המספקים מקור יחיד, כוח משותף לכל אנשי הקשר יכול למקד שלוש נקודות מרכזיות של גירוי כאשר הסטה גירוי mediolaterally (גודל הצעד של 1 מ"מ בממוצע עם הפרדה 2 להוביל מ"מ). C: מכשיר בעל מקור כוח ייעודי עבור כל איש קשר ניתן יעד 100 נקודות המרכזי רוחבית בעמודה הגב כאשר fractionalizing הנוכחית במרווחים של 1%, או 10 נקודות, כאשר המרכזי fractionalizing במרווחים של 10% (גודל הצעד של 0.02 מ"מ על 1% צעדים 0.2 מ"מ עבור מדרגות 10% בממוצע).

<ol><li>Barolat, G. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Current+Status+of+Epidural+Spinal+Cord+Stimulation%5BTitle%5D)+AND+%22Neurosurgery+Quarterly%22%5BJournal%5D)">Current Status of Epidural Spinal Cord Stimulation.</a> Neurosurgery Quarterly. 5, 98-124 (1995).</li>
<li>Coburn, B. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Electrical+stimulation+of+the+spinal+cord%3A+two-dimensional+finite+element+analysis+with+particular+reference+to+epidural+electrodes%5BTitle%5D)+AND+%22Med+Biol+Eng+Comput%22%5BJournal%5D)">Electrical stimulation of the spinal cord: two-dimensional finite element analysis with particular reference to epidural electrodes.</a> Med Biol Eng Comput. 18, 573-584 (1980).</li>
<li>Feirabend, H. K., Choufoer, H., Ploeger, S., Holsheimer, J., van Gool, J. D. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Morphometry+of+human+superficial+dorsal+and+dorsolateral+column+fibres%3A+significance+to+spinal+cord+stimulation%5BTitle%5D)+AND+%22Brain%22%5BJournal%5D)">Morphometry of human superficial dorsal and dorsolateral column fibres: significance to spinal cord stimulation.</a> Brain. 25, 1137-1149 (2002).</li>
<li>He, J., Barolat, G., Holsheimer, J., Struijk, J. J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Perception+threshold+and+electrode+position+for+spinal+cord+stimulation%5BTitle%5D)+AND+%22Pain%22%5BJournal%5D)">Perception threshold and electrode position for spinal cord stimulation.</a> Pain. 59, 55-63 (1994).</li>
<li>Hodgkin, A. L., Huxley, A. F. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((A+quantitative+description+of+membrane+current+and+its+application+to+conduction+and+excitation+in+nerve%5BTitle%5D)+AND+%22J+Physiol%22%5BJournal%5D)">A quantitative description of membrane current and its application to conduction and excitation in nerve.</a> J Physiol. 117, 500-544 (1952).</li>
<li>Holsheimer, J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Which+Neuronal+Elements+are+Activated+Directly+by+Spinal+Cord+Stimulation%5BTitle%5D)+AND+%22Neuromodulation%22%5BJournal%5D)">Which Neuronal Elements are Activated Directly by Spinal Cord Stimulation.</a> Neuromodulation. 5, 25-31 (2002).</li>
<li>Holsheimer, J., Barolat, G., Struijk, J. J., He, J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Significance+of+the+spinal+cord+position+in+spinal+cord+stimulation%5BTitle%5D)+AND+%22Acta+Neurochir+Suppl%22%5BJournal%5D)">Significance of the spinal cord position in spinal cord stimulation.</a> Acta Neurochir Suppl. 64, 119-1124 (1995).</li>
<li>Holsheimer, J., den Boer, J. A., Struijk, J. J., Rozeboom, A. R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((MR+assessment+of+the+normal+position+of+the+spinal+cord+in+the+spinal+canal%5BTitle%5D)+AND+%22AJNR+Am+J+Neuroradiol%22%5BJournal%5D)">MR assessment of the normal position of the spinal cord in the spinal canal.</a> AJNR Am J Neuroradiol. 15, 951-959 (1994).</li>
<li>Holsheimer, J., Struijk, J. J. Analysis of spinal cord stimulation. <a target="_blank" href="http://scholar.google.com/scholar?hl=en&safe=off&q=author%3aHolsheimer%2C+J+%22Electrophysiological+Kinesiology%22">Electrophysiological Kinesiology</a>. Wallinga, W., Boom, W., De Vries, J. , Excerpta Medica Congress Series. Amsterdam. Vol 804 95-98 (1988).</li>
<li>Electrode Geometry and Preferential Stimulation of Spinal Nerve Figers Having Different Orientations. Holsheimer, J., Struijk, J. J. A Modeling Study 14th Ann Int Conf IEEE Eng in Med & Biol Soc, Sept. 1992, Paris, France, , IEEE. Chicago. 256 (1992).</li>
<li>Holsheimer, J., Struijk, J. J., Tas, N. R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Effects+of+electrode+geometry+and+combination+on+nerve+fibre+selectivity+in+spinal+cord+stimulation%5BTitle%5D)+AND+%22Med+Biol+Eng+Comput%22%5BJournal%5D)">Effects of electrode geometry and combination on nerve fibre selectivity in spinal cord stimulation.</a> Med Biol Eng Comput. 33, 676-682 (1995).</li>
<li>Holsheimer, J., Wesselink, W. A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Optimum+electrode+geometry+for+spinal+cord+stimulation%3A+the+narrow+bipole+and+tripole%5BTitle%5D)+AND+%22Med+Biol+Eng+Comput%22%5BJournal%5D)">Optimum electrode geometry for spinal cord stimulation: the narrow bipole and tripole.</a> Med Biol Eng Comput. 35, 493-497 (1997).</li>
<li>Kameyama, T., Hashizume, Y., Sobue, G. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Morphologic+features+of+the+normal+human+cadaveric+spinal+cord%5BTitle%5D)+AND+%22Spine%22%5BJournal%5D)">Morphologic features of the normal human cadaveric spinal cord.</a> Spine. 21, 1285-1290 (1996).</li>
<li>McIntyre, C. C., Grill, W. M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Extracellular+stimulation+of+central+neurons%3A+influence+of+stimulus+waveform+and+frequency+on+neuronal+output%5BTitle%5D)+AND+%22J+Neurophysiol%22%5BJournal%5D)">Extracellular stimulation of central neurons: influence of stimulus waveform and frequency on neuronal output.</a> J Neurophysiol. 88, 1592-1604 (2002).</li>
<li>McIntyre, C. C., Miocinovic, S., Butson, C. R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Computational+analysis+of+deep+brain+stimulation%5BTitle%5D)+AND+%22Expert+Rev+Med+Devices%22%5BJournal%5D)">Computational analysis of deep brain stimulation.</a> Expert Rev Med Devices. 4, 615-622 (2007).</li>
<li>Melzack, R., Wall, P. D. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Pain+mechanisms%3A+a+new+theory%5BTitle%5D)+AND+%22Science%22%5BJournal%5D)">Pain mechanisms: a new theory.</a> Science. 150, 971-979 (1965).</li>
<li>Ranck, J. B. Jr <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Which+elements+are+excited+in+electrical+stimulation+of+mammalian+central+nervous+system%3A+a+review%5BTitle%5D)+AND+%22Brain+Res%22%5BJournal%5D)">Which elements are excited in electrical stimulation of mammalian central nervous system: a review.</a> Brain Res. 98, 417-440 (1975).</li>
<li>Shealy, C. N., Mortimer, J. T., Reswick, J. B. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Electrical+inhibition+of+pain+by+stimulation+of+the+dorsal+columns%3A+preliminary+clinical+report%5BTitle%5D)+AND+%22Anesth+Analg%22%5BJournal%5D)">Electrical inhibition of pain by stimulation of the dorsal columns: preliminary clinical report.</a> Anesth Analg. 46, 489-491 (1967).</li>
<li>Smith, M. C., Deacon, P. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Topographical+anatomy+of+the+posterior+columns+of+the+spinal+cord+in+man.+The+long+ascending+fibres%5BTitle%5D)+AND+%22Brain%22%5BJournal%5D)">Topographical anatomy of the posterior columns of the spinal cord in man. The long ascending fibres.</a> Brain. 107, 671-698 (1984).</li>
<li>Struijk, J. J., Holsheimer, J., Barolat, G., He, J., Boom, H. B. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Paresthesia+Thresholds+in+Spinal+Cord+Stimulation%3A+A+Comparison+of+Theoretical+Results+with+Clinical+Data%5BTitle%5D)+AND+%22IEEE+Trans+Rehab+Eng%22%5BJournal%5D)">Paresthesia Thresholds in Spinal Cord Stimulation: A Comparison of Theoretical Results with Clinical Data.</a> IEEE Trans Rehab Eng. 1, 101-107 (1993).</li>
<li>Struijk, J. J., Holsheimer, J., Boom, H. B. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Excitation+of+dorsal+root+fibers+in+spinal+cord+stimulation%3A+a+theoretical+study%5BTitle%5D)+AND+%22IEEE+Trans+Biomed+Eng%22%5BJournal%5D)">Excitation of dorsal root fibers in spinal cord stimulation: a theoretical study.</a> IEEE Trans Biomed Eng. 40, 632-639 (1993).</li>
<li>Struijk, J. J., Holsheimer, J., van der Heide, G. G., Boom, H. B. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Recruitment+of+dorsal+column+fibers+in+spinal+cord+stimulation%3A+influence+of+collateral+branching%5BTitle%5D)+AND+%22IEEE+Trans+Biomed+Eng%22%5BJournal%5D)">Recruitment of dorsal column fibers in spinal cord stimulation: influence of collateral branching.</a> IEEE Trans Biomed Eng. 39, 903-912 (1992).</li>
<li>Struijk, J. J., Holsheimer, J., van Veen, B. K., Boom, H. B. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Epidural+spinal+cord+stimulation%3A+calculation+of+field+potentials+with+special+reference+to+dorsal+column+nerve+fibers%5BTitle%5D)+AND+%22IEEE+Trans+Biomed+Eng%22%5BJournal%5D)">Epidural spinal cord stimulation: calculation of field potentials with special reference to dorsal column nerve fibers.</a> IEEE Trans Biomed Eng. 38, 104-110 (1991).</li>
<li>Wesselink, W. A., Holsheimer, J., King, G. W., Torgerson, N. A., Boom, H. B. K. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Quantitative+Aspects+of+the+Clinical+Performance+of+Transverse+Tripolar+Spinal+Cord+Stimulation%5BTitle%5D)+AND+%22Neuromodulation%22%5BJournal%5D)">Quantitative Aspects of the Clinical Performance of Transverse Tripolar Spinal Cord Stimulation.</a> Neuromodulation. 2, 5-14 (1999).</li>
</ol>

הכותבים הם עובדי Neuromodulation בוסטון סיינטיפיק.

היכולת האזורים מרכז הגירוי בעמודה הגב עם רזולוציה גבוהה עשוי לאפשר אופטימיזציה טובה יותר של paresthesia-כאב חפיפה בחולים. כלומר, המטופל נתון, אזור ההפעלה בעמודות הגבית עשויה להיות ממוקד על מנת למקסם את כיסוי של אזורים כואבים תוך מזעור תופעות לוואי (עקב גירוי של סיבים רצוי, אשר עשוי ליצור paresthesia במקומות undesireable או ליצור מנוע או האוטונומית השפעות).

<ul style=";text-align:right;direction:rtl"><li style=";text-align:right;direction:rtl"> נוירון ( <a href="http://www.neuron.yale.edu">http://www.neuron.yale.edu</a> ) </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> ANSYS (Canonsburg, הרשות הפלסטינית, <a href="http://www.ansys.com">http://www.ansys.com</a> ) </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> Matlab (Natick, MA, <a href="http://www.mathworks.com">http://www.mathworks.com</a> ) </li></ul>

טור steerability הגב עם מוביל מקביל dual באמצעות מקורות כוח ייעודי: מודל חישובי

Dorsal Column Steerability with Dual Parallel Leads using Dedicated Power Sources:  A Computational Model

בשנת גירוי חוט השדרה (SCS), ההתאמה של גירוי הנגרם paresthesia על אזורים כואבים בגוף היא תנאי הכרחי עבור יעילות טיפולית. מאז דפוסי כאב המטופל יכול להיות ייחודי, תצורה נפוצה היא גירוי את המיקום של שני מוביל במקביל במרחב אפידורל הגבי. לבנות זה מספק גמישות היגוי גירוי הנוכחית mediolaterally על העמודה הגבית להשיג יותר כאב paresthesia חפיפה. באמצעות מודל מתמטי עם הפצה סיבים בקוטר מדויק, למדנו את היכולת של מקבילים כפול מוביל לנווט בין גירוי קשרים סמוכים על מקבילים כפול מוביל באמצעות (1) מערכת מקור יחיד, ו (2) מערכת מרובת המקור, עם מוקדש מקור הזרם עבור כל איש קשר. המנצח נפח המודל של חוט נמוכה השדרה החזי עם מקבילים כפול epidurally בעמדה (2 ההפרדה מ&quot;מ) מוביל מלעורית נוצר הראשונה, השדה החשמלי חושבה באמצעות ANSYS, כלי מידול אלמנטים סופיים. הפעלת הפונקציה עבור 10 סיבים אממ חושבה כהפרש השני של הפוטנציאל תאיים לאורך הצמתים של Ranvier על סיבי העצב בעמודה הגבי. היקף ההפעלה (VOA) ו הנקודה המרכזית של VOA חושבו בעזרת סף קבוע מראש של הפונקציה הפעלת. המודל בהשוואה ההיגוי בתחום התוצאות עם מקור יחיד לעומת ייעודי המקור מערכות חשמל ב -8 מגע מוביל כפול גירוי. המודל חזה כי מערכת מרובת מקור יכול למקד יותר נקודות המרכזי של גירוי על העמודה הגבית מאשר מערכת מקור יחיד (100 לעומת 3) ואת הצעד ההגה מתכוון היגוי mediolateral הוא 0.02 מ&quot;מ מקור מרובת מערכות נגד 1 מ&quot;מ עבור מערכות מקור יחיד, שיפור של פי 50. היכולת האזורים מרכז הגירוי בעמודה הגב עם רזולוציה גבוהה עשוי לאפשר אופטימיזציה טובה יותר של paresthesia-כאב חפיפה בחולים.

באמצעות מודל מתמטי של גירוי חוט השדרה, מצאנו כי מערכת מרובת מקור עם מקורות כוח עצמאיים עבור כל איש קשר ניתן למקד יותר נקודות המרכזי של גירוי על העמודה הגבית (100 לעומת 3) ויש לו 50 של פי יותר היגוי ברזולוציה שדה ( 0.02mm לעומת 1mm) מאשר מערכת מקור יחיד.

טור Steerability הגב עם מוביל מקביל Dual באמצעות מקורות כוח ייעודי: מודל חישובי

בגירוי של חוט השדרה (SCS), התאמה (concordance) של פריזתזיה המושרה על ידי גירוי מעל אזורי הגוף הכואבים היא תנאי הכרחי להשגה של השפעה טיפולית...

המטרה הכוללת של הניסוי הבא היא להעריך את יכולת ההיגוי של השדה המדיאלי-לטרלי (media lateral field steerability) של מערכת גירוי של חוט השדרה בעלת מקורות רבים בגירוי של חוט השדרה. התאמה של הפרסטזיה המושרה על ידי הגירוי מעל אזורי גוף כואבים היא תנאי הכרחי ליעילות טיפולית. מכיוון שדפוסי הכאב של המטופלים יכולים להיות ייחודיים, תצורת גירוי נפוצה היא מיקום של שני אלקטרודות במקביל בחלל האפידוראלי הדורסלי.מבנה זה מספק גמישות בהכוונת הגירוי, כאשר זרמי מדיה עוברים באופן לטראלי מעל העמוד הדורסלי כדי להשיג כיסוי טוב יותר של אזורי הכאב והפרסטזיה. הערכת יכולת ההכוון של הגירוי התבצעה תחילה על ידי יצירת מודל אלמנטים סופית של חוט השדרה האנושי, במטרה לקבוע את השדות הפוטנציאליים הנוצרים על ידי אלקטרודות של גירוי עמוד השדרה האפידורלי. בשלב השני, חושבו הפוטנציאלים בתוך העמוד הדורסלי עבור מגוון זרמי קתודה שהועברו משני סוגים של מערכות לגירוי חוט השדרה.מקור רב-נקודתי (Multisource), שבו לכל מגע מושתל יש מקור זרם ייעודי, ומקור יחיד (single source), שבו מקור זרם אחד בלבד מחובר למספר מגעים. לאחר מכן, הפוטנציאלים משמשים לחישוב נפח ההפעלה החזוי בעמוד השדרה הגבי (dorsal column) עבור כל סוג מערכת. כדי להשוות את הרזולוציה המדיאלית-לטרלית (media lateral) של גיוס הסיבים בכל מערכת, התוצאות מראות כי המערכת רב-המקורית יכולה לכוון לנקודות גירוי מרכזיות יותר בעמוד השדרה הגבי מאשר מערכת בעלת מקור יחיד, וכי צעד ההכוון הממוצע להכוון מדיאלי-לטרלי הוא 20 microns עבור מערכות רב-מקוריות לעומת מילימטר אחד עבור מערכות בעלות מקור יחיד.שיפור של פי 50. היכולת למרכז את אזורי הגירוי בעמוד השדרה הגבי (dorsal column) ברזולוציה גבוהה עשויה לאפשר אופטימיזציה טובה יותר של חפיפת כאב הפרסתזיה במטופלים. היתרון המרכזי בשימוש בטכניקת גירוי רב-מקורית על פני טכניקה של מקור בודד הוא שניתן לבסוף להתאים את שדה הגירוי כדי לגרות באופן סלקטיבי את הנוירון המטרה בעמוד השדרה הגבי בכל מטופל בנפרד, מה שבעצם ממקסם את הפוטנציאל הטיפולי תוך מזעור תופעות הלוואי.המודל המתמטי המוגדר כאן הוא מודל אלמנטים סופיות (FEM) של חוט השדרה בחלק התוראקלי התחתון ושל הסביבה שסביבו. מודל ה-FEM כולל את החומר הלבן והאפור של חוט השדרה, נוזל חוט השדרה (CSF), הקשיה (dura), רקמה של החלל האפידורלי, עצם חוליה ושתי אלקטרודות גליליות רב-מגעיות. כל אלקטרודה רב-מגעית מורכבת משמונה מגעים גליליים של פלטינום-אירידיום, המופרדים על ידי מקטעים של פולימר מבודד באורך של 1 mm.שמונה מוצלי מגע נחשבים כעת לסטנדרט הקליני בגירוי של חוט השדרה. השימוש בשמונה מגעים התפתח ממכשירים מוקדמים יותר שכללו רק שניים או ארבעה מגעים. מחקרים הצביעו על כך שמספר רב יותר של מגעים, ובכך כיסוי נרחב יותר של חוט השדרה, הוא יעיל יותר בשמירה על הטיפול לאורך זמן.בשל תזוזת אלקטרודות, בעיה נפוצה מאוד, האלקטרודות ממוקמות גבנית מעל הקשורה (dura), במרווח של 2.6 מילימטרים זו מזו. לצורך הפשטות, בסימולציה ממוקמים זוגות של אלקטרודות באופן סימטרי ביחס לקו האמצע של חוט השדרה.במודל, עובי שכבת הנוזל הצרברוספינלי בין המגעים למשטח הגבי של חוט השדרה מוגדר כ-3.2 millimeters. ההתנגדויות החשמליות שנעשה בהן שימוש במודל מופיעות כאן. לנוזל ה-CSF, לחומר הלבן ולקשת השדרה (dura) יש את ההתנגדות הסגולית הנמוכה ביותר.לשומן האפידוראלי ולעצם החוליות יש התנגדות גבוהה; מוצגת כאן רשת ה-FEM עבור חוט השדרה והאלקטרודה מרובת המגעים. הנפח מחולק לרשת של מעל 100 מיליון צמתים, עם רשת בצפיפות גבוהה באזור הקרוב למיקומי האלקטרודות. כאן מוצגים רק החלקים בעלי הצפיפות הגבוהה של הרשת.הרשת מחולקת למקטעים בעלי צפיפות צמתים משתנה. המרחק בין הצמתים בקרבת המגעים הוא 300 מיקרון או פחות. המרחק בין הצמתים של הקשקשית המבודדת (insulator dura) ושל חוט השדרה הוא 750 מיקרון או פחות.צפיפות הצמתים של החלל האפידורלי היא 3000 מיקרון או פחות, והמרחק בין הצמתים של עצם החוליה הוא 5,000 מיקרון או פחות. המודל התלת-ממדי של גיאומטריית חוט השדרה נוצר באמצעות שילוב של מאפיינים ממקורות ספרות רלוונטיים. סיבי העמוד הדורסליים ממוקמים על רשת סדירה של 200 מיקרון בכיוון המדיאו-לטרלי, 100 מיקרון בכיוון הדורסו-ונטרלי, ומושלכים לכיוון חוט השדרה.לאחר מיקום האלקטרודות בתוך המודל, מוטמעים שני סוגי מעבדים על ידי הגדרת הזרמים עבור שני מגעים מקבילים. עבור מערכת בעלת מקור יחיד, קיימים קתודה ואנודה בודדות שניתן לחבר לכל סט של מגעים בעת ההטמעה. במודל, מוגדרת רק הפולריות של המגע, והזרם העובר דרך כל מגע תלוי במספר המגעים המחוברים לכל קוטב.לדוגמה, אם מגע בודד מחובר לקתודה, מגע זה סופג את כל זרם הקתודה. עם זאת, אם שני מגעים מחוברים לקוטב הקתודה של המקור, הם מחלקים את הזרם לשני חלקים שווים של 50% כל אחד. כמובן שבמודל המתמטי, העכבה של כל מגע היא זהה, דבר שאינו נכון בדרך כלל ביישום קליני.משמעות הדבר היא שהזרם המועבר לכל מגע במערכת עם מקור יחיד אינו נשלט. לצורך חקירת המודל שלנו, השתמשנו בשלוש שיטות אפשריות להעברת זרם: בשיטה הראשונה, הקתודה השמאלית ביותר נושאת את כל הזרם; בשנייה, שתי הקתודות מעבירות כל אחת 50% מהזרם; ובשלישית, הקתודה הימנית ביותר מעבירה את כל הזרם. עבור המערכת עם הרב-מקורות, כל מגע מוגדר כבעל מקור זרם משלו, הניתן לשליטה בשינויי זרם מדורגים של 1% בין המגעים.במילים אחרות, אם הזרם הכולל המועבר לשני המגעים הוא 10 milliamps, הזרם לכל מגע מוגדר ככל שבר מהסכום הכולל, כל עוד סכום הזרמים דרך כל מגע שווה ל-10 milliamps. לדוגמה, אם המגע השמאלי מעביר 6.8 milliamps, המגע הימני יעביר 3.2 milliamps. 100 הפיצולים השבריים של הזרם מתוכנתים באופן זה.הקתודה היא מגע המגע העיקרי המעורב בגירוי עצבי. הפעלה של מגע הקתודה גורמת לזרימת זרם לעבר המגע; זרם חשמלי זורם לאורך האקסון, אך גם דרך פנים האקסון ודרך ממברנת האקסון. בצמתי רנבייה, זרמים אלו מובילים לדפולריזציה במרכז האקסון והיפר-פולריזציה בחלקיו הצדדיים של האקסון.הפונקציה המתמטית המדמה את הדפולריזציה וההיפרפולריזציה נקראת פונקציית ההפעלה (activating function). פונקציית ההפעלה היא קירוב של השינוי בפוטנציאלים הטרנס-ממברנליים. כאשר זרם גירוי חוץ-תאי מופעל על רקמות עצביות בגיאומטריה נתונה של אלקטרודה וסיב, פונקציית ההפעלה מיושמת לאחר מכן על סיבי העמוד האחורי של חוט השדרה.אזור ההפעלה מוגדר כמקום של הסיבים. במודל שבו פונקציית ההפעלה עולה על סף שנקבע מראש, משתמשים בפונקציית ההפעלה כדי לחזות אזורי הפעלה בעמודי השדרה הגביים (dorsal columns). נקודת הגירוי המרכזית מוגדרת ומחושבת כמרכז הגאומטרי של אזור ההפעלה התלת-ממדי. כדי לקבוע את עוצמת הגירוי, מוגדר מגע אחד מהאלקטרודה של העמוד השמאלי כקתודה.בתצורה מונופולרית, מגדילים את אמפליטודת הגירוי באופן איטרטיבי עד להפעלה של הסיב הראשון. זהו תמיד סיב של העמוד הדורסלי (dorsal column fiber). הפעלה ראשונה זו נחשבת כמתואמת לתחושת הפרסטזיה הראשונה שחווה מטופל במסגרת קלינית.במודל, הזרם מוגדל לאחר מכן ל-1.4 מהזרם הדרוש להפעלת הסיב הראשון, ומחושב ה-OID של אזור ההפעלה שנוצר. ה-OIDs של כל 100 שלבי ההיגוי, המתחילים ב-100, יורדים לאפס וחוזרים מאפס ל-100, מחושבים כאשר האמפליטודה נקבעת כפי שנעשה בשלב הקודם. הרזולוציה הממוצעת של שינוי ה-OID היא טווח מיקומי ה-OID חלקי שלבי הזרם.מודל האלמנטים הסופיתים מניח שני אלקטרודות מקבילים, המרוחקים זה מזה ב-2.6 millimeters, כאשר בכל אחד שמונה מגעים. התקן מקור יחיד, המספק מקור כוח משותף אחד לכל המגעים, יכול להכווין לשלוש נקודות גירוי מרכזיות. כאשר מזיזים את מדיה הגירוי לטרלית, הדבר תואם לגודל צעד של 1 millimeter בממוצע עם הפרדה של 2 millimeter בין האלקטרודות; התקן עם מקור כוח ייעודי לכל מגע יכול להכווין ל-100 נקודות מרכזיות מדיאלית-לטרלית בעמוד השדרה הגבי (dorsal column).בעת חלוקת הזרם במרווחים של 1%, הדבר תואם לגודל צעד של 0.02 מילימטרים עבור צעדים של 1% כאשר מכוונים את הגירוי מדיאלית-לטרלית בין שני אלקטרודות (dual leads). המודל החישובי המוצג כאן חוזה כי מכשיר בעל מקורות זרם עצמאיים לכל מגע יכול להכווין לנקודות גירוי מרכזיות יותר בעמוד השדרה הגבי (dorsal column) מאשר מערכת בעלת מקור יחיד. כתוצאה מכך, רזולוציית הכוונון של נקודת הגירוי המרכזית היא 20 מיקרון במערכת הרב-מקורית, ומהווה עלייה של פי 50 ברזולוציה בהשוואה למערכות בעלות מקור יחיד. היכולת להכווין את הגירוי בעמוד השדרה הגבי ברזולוציה גבוהה עשויה לאפשר אופטימיזציה טובה יותר של חפיפת הגירוי עם אזור הכאב.במטופל נתון, סיבת ההפעלה אצל מטופלים בעלי גוון עור כהה עשויה להיות ממוקדת במטרה למקסם את הכיסוי של האזור הכואב תוך מזעור תופעות הלוואי. לכן, שימוש בזרם שברי (fractionized current) ממקור עצמאי מאפשר ניתוב מדויק של הגירוי לעצבים המטרה בעמוד ה-Doser במהלך הטיפול בגירוי של חוט השדרה.

dorsal-column-steerability-with-dual-parallel-leads-using-dedicated

Research

JoVE Journal

Medicine

רפואה

באופן אמין לשחזור לייצר פגיעה בחוט השדרה הצווארי חד צדדית באמצעות impactor אופק אינסופי מתואר. השיטה מנצלת את מסגרת שנועדה מותאם אישית לצבוט לייצב את עמוד השדרה. הליך סטנדרטי ופגיעה פרמטרים ביומכנית לגרום פציעות די מתמשכת.

דגם Contusive של פגיעה בחוט השדרה באמצעות צוואר הרחם חד צדדית Impactor אופק אינסופי

מקור: Kumar, S., et. al. מודל עכבר של פצעי לחץ לאחר פגיעה בחוט השדרה. J. Vis. Exp. (2019)סרטון זה מדגים אינדוקציה מפורטת של פגיעה בחוט השדרה בעכברים. העכבר המורדם מנותח כדי לחשוף את חוליות T9-T10, והתהליכים הקוצניים שלהם מוסרים. לאחר מכן חוט השדרה החשוף עובר טרנסקטציה כדי לגרום לפציעה. לאחר מכן סוגרים את אזור הניתוח, והעכבר מורשה להתאושש.

יצירת מודל עכבר עם פגיעה בחוט השדרה

ייצוב השדרה הוא הכרחי לצמצום שונות, ולהפקת פגיעות בחוט השדרה עקבית ניסיונית. באמצעות מנגנון ייצוב מותאם אישית בשילוב עם מכשיר Impactor NYU / MASCIS, יש לנו הפגנו כאן הציוד ונוהל התקינים ליצירת פציעות שחזור חמי-contusive צוואר רחם (C5) בחוט השדרה בחולדות מבוגרות.

ייצוב שיטה חדש להפקת חוליות פגיעה בחוט השדרה Contusive

כאן, אנו מציגים פרוטוקול לכימות דריכה מדויקת במכרסמים. אותות מחולל הדפוס המרכזי של קליפת המוח ועמוד השדרה נדרשים למיקום מדויק של כף הרגל במהלך תנועה חסומה. אנו מדווחים כאן על משימת ההליכה המוגבלת החדשה הבוחנת ישירות התנהגות צעד מדויקת.

א-סימטרי טיילת: רומן התנהגות Assay עבור לימוד אסימטרית תנועה

השימוש בגירוי מגנטי טרנס-גולגולתי (TMS) לחקר בקרה מוטורית אנושית דורש שילוב של מערכות איסוף נתונים כדי לשלוט בהעברת TMS ובו זמנית לתעד התנהגות אנושית. כתב היד הנוכחי מספק מתודולוגיה מפורטת לשילוב מערכות איסוף נתונים לצורך חקירת תנועה אנושית באמצעות TMS.

שילוב מערכות נתונים רכישה מרובות לחקר פלט corticospinal ורב-קטע ביומכניקה

כאן אנו מתארים הליכים כירורגיים כדי לייצר הפרעה בחוט השדרה הצדדי אמין (HX) ברמה9 בית החזה של חולדות מבוגרים הערכות נוירוהתנהגותיות שנועדו לזהות לגרעונות אסימטריים לאחר פציעה חד צדדית כזו.

חוט השדרה הצידה המישיתית והתנהגות אסימטרית בחולדות למבוגרים

מטרת הפרויקט היא לפתח של צינור דוגמנות אינטראקטיבי, מטופל ספציפי כדי לדמות את ההשפעה של גירוי מוחי עמוק, ליד בזמן אמת ולספק משוב משמעותי לגבי כמה התקנים אלה משפיעים על פעילות עצבית במוח.

פילוח סיבים עצביים ספינלי לטיפול גירוי מוחי עמוק באמצעות דגמים אינטראקטיביים, מטופל ספציפי

מאמר זה מציג מסגרת ניסיונית/אנליטית לחקר שליטה בגוף האדם. הפרוטוקול מספק הליכים צעד-אחר-צעד לביצוע ניסויים עומדים, מדידת הקינמטיקה ואותות קינטיקה, וניתוח התוצאות כדי לספק תובנות לגבי המנגנון שבבסיס השליטה האנושית.

שיטות נסיוניות ללימוד בקרת הפוסטאורל האנושית

פיתחנו פלטפורמה אחת למעקב אחר התנהגות בעלי חיים במהלך שתי משימות למידה אסוציאטיביות תלויות סיבים מטפסים. התכנון הזול מאפשר אינטגרציה עם ניסויים אופטוגנטיים או ניסויי הדמיה המכוונים לטיפוס על פעילות המוח הקטן הקשורה לסיבים תזונתיים.

פלטפורמה גמישה לניטור למידה אסוציאטיבית חושית תלוית מוח הקטן

צינור ניסיוני לתיאור כמותי של דפוס הלוקומוטור של עכברים ההולכים בחופשיות באמצעות ארגז הכלים MouseWalker (MW) מסופק, החל מהקלטות וידאו ראשוניות ומעקב ועד ניתוח לאחר כימות. מודל פגיעה בחוט השדרה בעכברים משמש כדי להדגים את התועלת של מערכת MW.

שימוש בהליכון עכבר לכימות תפקוד לקוי של מנוע עכבר במודל עכבר של פגיעה בחוט השדרה

פרוטוקול זה מקים צינור הערכה קינמטי של עכברוש אחורי באמצעות בדיקת הליכון ללא סימן עם תיוג אוטומטי רב-מפרקי מונע למידה עמוקה, המאפשר כימות תנועה שניתן לשחזר.

מעקב סינכרוני רב-מפרקי מבוסס למידה עמוקה לכימות אובייקטיבי של קינמטיקה של תנועת גפיים אחוריות בעכברים

חקור מודל חישובי של גירוי חוט השדרה עם מקורות כוח ייעודיים לשיפור דיוק הכיוון הרפואי. המערכת משפרת פי 50 את הרזולוציה המרכזית-צדית לטיפול יעיל בכאב.

טור Steerability הגב עם מוביל מקביל Dual באמצעות מקורות כוח ייעודי: מודל חישובי

גלה סרטונים נוספים