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

O objetivo geral do seguinte experimento é avaliar a capacidade de direcionamento lateral do campo no meio de um sistema de estimulação da medula espinhal com múltiplas fontes na estimulação da medula espinhal. A concordância entre a parestesia induzida pela estimulação e as regiões corporais dolorosas é uma condição necessária para a eficácia terapêutica. Como os padrões de dor dos pacientes podem ser únicos, uma configuração comum de estimulação consiste na colocação de dois eletrodos em paralelo no espaço epidural dorsal.

Essa construção oferece flexibilidade no direcionamento da estimulação, movendo lateralmente a corrente no meio da coluna dorsal para obter uma melhor sobreposição de parestesia. A avaliação da capacidade de direcionamento da estimulação é realizada primeiramente criando um modelo de elementos finitos da medula espinhal humana para determinar os campos de potencial gerados por eletrodos de estimulação da medula espinhal epidural. Em um segundo passo, 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.

De múltiplas fontes, em que cada contato implantado possui uma fonte de corrente dedicada, e de fonte única, na qual há apenas uma fonte de corrente conectada a múltiplos contatos. Em seguida, os potenciais são utilizados para calcular o volume previsto de ativação na coluna dorsal para cada tipo de sistema. Para comparar a resolução medial lateral do recrutamento de fibras em cada sistema, os resultados mostram que o sistema de múltiplas fontes pode direcionar pontos de estimulação mais centrais na coluna dorsal do que um sistema de fonte única, e o passo médio de direcionamento medial lateral 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 parestesia com a dor em pacientes. A principal vantagem do uso da técnica de estimulação com múltiplas fontes em comparação com a técnica de fonte única é que o campo de estimulação pode ser ajustado com precisão para estimular seletivamente o neurônio-alvo na coluna dorsal de cada paciente individualmente, o que basicamente maximiza a possibilidade terapêutica enquanto 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, o líquido cefalorraquidiano, a dura-máter, o tecido do espaço epidural, o osso vertebral e dois eletrodos cilíndricos multicontato. Cada eletrodo multicontato consiste em oito contatos cilíndricos de platina-irídio, separados por segmentos de um milímetro de polímero isolante.

Atualmente, considera-se que oito eletrodos de contato são o padrão clínico na estimulação da medula espinhal. O uso de oito contatos evoluiu a partir de dispositivos anteriores que tinham apenas dois ou quatro contatos. Estudos sugerem que um maior número de contatos, e consequentemente uma maior extensão da cobertura da medula espinhal, é mais eficaz para manter a terapia ao longo do tempo.

Diante da migração de eletrodos, um problema muito comum, os eletrodos são posicionados dorsalmente sobre a dura-máter, separados por 2,6 milímetros. Por simplicidade. Na simulação, pares de eletrodos 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 como sendo de 3,2 milímetros. As resistividades elétricas utilizadas no modelo são fornecidas aqui. O líquido cefalorraquidiano, a substância branca e a dura-máter apresentam a menor resistividade.

A gordura epidural e o osso vertebral possuem alta resistividade; aqui é mostrada a malha do modelo de elementos finitos (FEM) para a medula espinhal e o eletrodo multicontato. O volume é discretizado com mais de 100 milhões de nós, com uma malha de alta densidade na região próxima à localização dos eletrodos. Apenas as partes de alta densidade da malha são exibidas aqui.

A malha é segmentada em seções de densidade variável de nós. A separação entre nós próximos aos contatos é menor ou igual a 300 mícrons. A separação dos nós no isolante dura e na medula espinhal é menor ou igual a 750 mícrons.

A densidade de nós do espaço epidural é menor ou igual a 3000 mícrons, e a separação dos nós 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 características provenientes de fontes relevantes da literatura. As fibras da coluna dorsal são posicionadas em uma grade regular de 200 mícrons na direção médio-lateral, 100 mícrons na direção dorsal-ventral e projetadas na direção estrocórdica.

Uma vez que os eletrodos são posicionados dentro do modelo, dois tipos de estimuladores são implementados mediante a definição das correntes para dois contatos paralelos. Em um sistema de fonte única, há um único cátodo e ânodo que podem ser conectados a qualquer conjunto de contatos quando implementados. 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 polo.

Por exemplo, se um único contato estiver conectado ao cátodo, esse contato drena toda a corrente do cátodo. No entanto, se dois contatos estiverem conectados ao polo catódico da fonte, eles dividem a corrente ao meio, 50% cada. É claro que, no modelo matemático, a impedância de cada contato é idêntica, o que normalmente não é verdade em aplicações clínicas.

Isso implica que a corrente fornecida a cada contato em um sistema com uma única fonte não é controlada. Para nossas investigações com o modelo, utilizamos três métodos possíveis para fornecer corrente. No primeiro método, o catodo mais à esquerda recebe toda a corrente; no segundo, os dois catodos fornecem cada um 50% da corrente; e no terceiro, o catodo mais à direita fornece toda a corrente. No sistema com múltiplas fontes, cada contato é definido como tendo sua própria fonte de corrente, controlável em incrementos de 1% nas mudanças de corrente entre os contatos.

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

O cátodo é o contato principal envolvido na estimulação neural. A ativação do contato catódico provoca o fluxo de corrente em direção ao contato; a corrente elétrica flui ao longo do axônio, mas também pelo interior do axônio e através da membrana do axônio. Nos nós de Ranvier, essas correntes levam à despolarização na região mediana do axônio e à hiperpolarização nas partes laterais do axônio.

A função matemática que modela a despolarização e a hiperpolarização é chamada de função de ativação. A função de ativação é uma aproximação da alteração nos potenciais transmembrana. Quando uma corrente estimuladora extracelular é aplicada aos tecidos neurais numa determinada geometria de eletrodo e fibra, a função de ativação é então aplicada à medula espinhal e às fibras da coluna dorsal.

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

Em uma configuração monopolares, a amplitude da estimulação é então aumentada iterativamente até que a primeira fibra seja ativada. Essa fibra é sempre uma coluna dorsal.Fibra. Assume-se que essa primeira ativação esteja correlacionada à primeira percepção de parestesia por um paciente em um contexto 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 resultante de ativação é calculado. Os OIDs de todas as 100 etapas de direcionamento, começando de 100 até zero e passando por zero até 100, são computados com a amplitude determinada conforme no passo anterior. A resolução média da mudança de OID é a faixa de localização do OID dividida pelo número de passos de corrente.

O modelo de elementos finitos assume dois eletrodos paralelos, posicionados a 2,6 milímetros de distância, cada um com oito contatos. Um único dispositivo fonte que fornece uma fonte de energia compartilhada para todos os contatos pode direcionar-se a três pontos centrais de estimulação. Ao deslocar o meio de estimulação lateralmente, isso corresponde a um tamanho de passo médio de um milímetro com separação de dois milímetros entre os eletrodos; um dispositivo com uma fonte de energia dedicada para cada contato pode direcionar-se a 100 pontos centrais na direção medial-lateral na coluna dorsal.

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

No paciente em questão, a razão da ativação naqueles de cor pode ser direcionada para maximizar a cobertura da área dolorosa, ao mesmo tempo que minimiza os efeitos colaterais. Portanto, o uso de uma corrente fracionada a partir de uma fonte independente permite o direcionamento preciso da estimulação sobre os nervos-alvo na coluna Doser durante a terapia de estimulação da medula espinhal.