Dirigibilidade coluna dorsal com terminais paralelo duplo usando fontes de energia dedicados: um modelo computacional

O objetivo geral do experimento a seguir é avaliar a dirigibilidade do campo lateral da mídia de um sistema de estimulação da medula espinhal de várias fontes na estimulação da medula espinhal. A concordância da parestesia induzida por estimulação sobre regiões corporais doloridas é uma condição necessária para a eficácia terapêutica. Como os padrões de dor do paciente podem ser únicos, uma configuração de estimulação comum é a colocação de dois eletrodos em paralelo no espaço peridural dorsal.

Esta construção fornece flexibilidade na estimulação de direção, a corrente média lateralmente sobre a coluna dorsal para obter melhor dor. Sobreposição de parestesia. A avaliação da dirigibilidade da estimulação é alcançada criando primeiro um modelo de elementos finitos da medula espinhal humana para determinar os campos potenciais criados pelos eletrodos de estimulação epidural da medula espinhal Como uma segunda etapa, os potenciais dentro da coluna dorsal são calculados para uma variedade de correntes catódicas fornecidas por dois tipos de sistemas de estimulação da medula espinhal.

Multifonte, onde cada contato implantado tem uma fonte de corrente dedicada e uma única fonte onde há apenas uma fonte de corrente conectada a vários contatos. Em seguida, os potenciais são usados para calcular o volume previsto de ativação na coluna dorsal para cada tipo de sistema. A fim de comparar a resolução lateral do meio de recrutamento de fibras em cada sistema, os resultados mostram que o sistema multi-fonte pode atingir mais pontos centrais de estimulação na coluna dorsal do que um sistema de fonte única e o passo médio de direção para o direcionamento lateral do meio é de 20 mícrons para sistemas de múltiplas fontes versus um milímetro para sistemas de fonte única.

Uma melhoria de 50 vezes. A capacidade de centralizar regiões de estimulação na coluna dorsal com alta resolução pode permitir uma melhor otimização da sobreposição da dor da parestesia em pacientes. A principal vantagem de usar a técnica de estimulação de múltiplas fontes em relação a uma técnica de fonte única é que o campo de estimulação pode ser finalmente ajustado para estimular seletivamente o neurônio-alvo nessa coluna de dose em cada paciente individual, o que basicamente maximiza a possibilidade terapêutica e minimiza os efeitos colaterais.

O modelo matemático definido aqui é um modelo de elementos finitos ou FEM da medula espinhal torácica baixa e seu ambiente circundante. O modelo FEM inclui a substância branca e cinzenta da medula espinhal, líquido cefalorraquidiano, dura-máter, tecido espacial epidural, osso vertebral e dois eletrodos cilíndricos de contato múltiplo. Cada eletrodo de contato múltiplo consiste em oito contatos cilíndricos de platina irídio, separados por um milímetro de polímero isolante.

Oito eletrodos de contato são agora considerados o padrão clínico na estimulação da medula espinhal. O uso de oito contatos evoluiu de dispositivos anteriores que tinham apenas dois ou quatro contatos. Estudos sugeriram que um maior número de contatos e, portanto, uma maior extensão de cobertura da medula espinhal é mais robusto na manutenção da terapia ao longo do tempo.

Diante da migração de chumbo, um problema muito comum, os eletrodos são posicionados dorsalmente no topo da dura-máter, separados por 2,6 milímetros. Para simplificar. Na simulação, os pares de derivações são posicionados simetricamente em relação à linha média da medula espinhal.

No modelo, a espessura da camada de líquido cefalorraquidiano entre os contatos e a superfície dorsal da medula espinhal é especificada em 3,2 milímetros. O resistivo elétrico usado no modelo é dado aqui. A substância branca do LCR e a dura-máter têm a menor resistividade.

A gordura epidural e o osso vertebral têm alta resistividade representada aqui é a malha do modelo FEM para a medula espinhal e eletrodo de contato múltiplo. O volume é malha com mais de 100 milhões de nós com malha de alta densidade na região próxima de onde os eletrodos estão localizados. Apenas as partes de alta densidade da malha são mostradas aqui.

A malha é segmentada em seções de densidade de nó variável. A separação dos nós próximos aos contatos é menor ou igual a 300 mícrons. A separação do nó da dura-máter do isolador e da medula espinhal é menor ou igual a 750 mícrons.

A densidade do nó do espaço epidural é menor ou igual a 3000 mícrons, e a separação do nó do osso vertebral é menor ou igual a 5.000 mícrons. O modelo 3D da geometria da medula espinhal é criado usando uma combinação de recursos de fontes relevantes da literatura. As fibras da coluna dorsal são colocadas em uma grade regular de 200 mícrons na direção lateral da mídia, 100 mícrons na direção ventral dorsal e projetadas na direção do stro codd.

Uma vez que os eletrodos são posicionados dentro do modelo, dois tipos de estimuladores são implementados definindo as correntes para dois contatos paralelos. Para um único sistema de origem, há um único cátodo e ânodo que pode ser conectado a qualquer conjunto de contatos quando implementado. No modelo, apenas a polaridade de um contato é definida e a corrente através de qualquer contato depende do número de contatos conectados a qualquer pólo.

Por exemplo, se um único contato estiver conectado ao cátodo, esse contato dissipará toda a corrente do cátodo. No entanto, se dois contatos estiverem conectados ao pólo catódico da fonte, eles dividirão a corrente pela metade em 50% cada. É claro que, no modelo matemático, a impedância de cada contato é idêntica, o que normalmente não é verdade na aplicação clínica.

Isso implica que a entrega atual para cada contato em um único sistema de origem não é controlada. Para nossas investigações de modelo, usamos três métodos possíveis para fornecer corrente no primeiro método. O cátodo mais à esquerda tem toda a corrente no segundo, os dois cátodos fornecem 50% da corrente e, no terceiro, o cátodo mais à direita fornece toda a corrente Para o sistema de várias fontes, cada contato é definido para ter sua própria fonte de corrente controlável em 1% de mudanças de corrente incrementais entre os contatos.

Em outras palavras, se a corrente total fornecida aos dois contatos for de 10 miliamperes, a corrente para cada contato será especificada como qualquer fração do total, desde que a soma das correntes através de cada contato seja igual a 10 miliamperes. Por exemplo, se o contato esquerdo fornecer 6,8 miliamperes, o contato direito fornecerá 3,2 miliamperes. As 100 divisões fracionárias de corrente são programadas dessa maneira.

O cátodo é o principal contato envolvido na estimulação neural. A ativação do contato catártico causa fluxo de corrente em direção ao contato A corrente elétrica flui ao longo do axônio, mas também através do interior do axônio e através da membrana do axônio. Nos nós do rvi, essas correntes levam à despolarização no meio do axônio e hiperpolarização nas partes laterais do axônio.

A função matemática que modela a despolarização e a hiperpolarização é chamada de função ativadora. A função de ativação é uma aproximação da mudança nos potenciais transmembrana. Quando a corrente estimulante extracelular é aplicada aos tecidos neurais em um determinado eletrodo e geometria da fibra, a função de ativação é então aplicada à medula espinhal, fibras da coluna dorsal.

A região de ativação é definida como o locus das fibras. No modelo em que a função de ativação excede um limite predeterminado, a função de ativação é usada para prever regiões de ativação nas colunas dorsais. O ponto central de estimulação é definido e calculado como o oid geométrico da região tridimensional de ativação Para determinar a amplitude de estimulação, um contato do condutor da coluna esquerda é especificado como um cátodo.

Em uma configuração monopolar, a amplitude de estimulação é então aumentada iterativamente até que a primeira fibra seja ativada. Esta é sempre uma coluna dorsal. Fibra. Supõe-se que essa primeira ativação se correlacione com a primeira percepção de parestesia por um paciente em um ambiente clínico.

No modelo, a corrente é então aumentada para 1,4 vezes a corrente necessária para ativar a primeira fibra, e o OID da região de ativação resultante é calculado. Os OIDs de todas as 100 etapas de direção começando em 100 a zero e indo de zero a 100 são calculados com a amplitude determinada como na etapa anterior. A resolução média da alteração do OID é o intervalo de localização do OID dividido pelas etapas atuais.

O modelo de elementos finitos assume dois condutores paralelos, separados por 2,6 milímetros de oito contatos cada. Um dispositivo de fonte única que fornece uma única fonte de energia compartilhada para todos os contatos pode atingir três pontos centrais de estimulação. Ao deslocar o meio de estimulação lateralmente, isso corresponde a um tamanho de passo de um milímetro em média com uma separação de eletrodos de dois milímetros, um dispositivo com uma fonte de energia dedicada para cada contato pode atingir 100 pontos centrais medial lateralmente na coluna dorsal.

Ao fracionar a corrente em incrementos de 1%, isso corresponde a um tamanho de passo de 0,02 milímetros para passos de 1% ao direcionar a estimulação medial lateralmente entre os condutores duplos. O modelo computacional aqui apresentado prevê que um dispositivo com fontes de corrente independentes para cada contato pode atingir mais pontos centrais de estimulação na coluna dorsal do que um único sistema de fonte. Como resultado disso, a resolução de ajuste do ponto central de estimulação é de 20 mícrons com o sistema de múltiplas fontes e um aumento de aproximadamente 50 vezes na resolução em comparação com sistemas de fonte única, A capacidade de orientar a razão da estimulação na coluna do fazedor com alta resolução pode permitir uma melhor otimização da sobreposição da dor do procedimento.

Em pacientes que estão em um determinado paciente, o motivo da ativação naqueles de cor pode ser focado para maximizar a cobertura da área dolorosa e minimizar o efeito colateral. Portanto, o uso de uma corrente fracionada de fonte independente permite o direcionamento preciso da estimulação nos nervos-alvo na coluna Doser durante a terapia de estimulação da medula espinhal.