Спинной управляемость колонна с двойной снабжении параллельного использования выделенного источников энергии: Вычислительная модель

Общая цель следующего эксперимента заключается в оценке возможности управления смещением электрического поля в медиолатеральном направлении в системе стимуляции спинного мозга с несколькими источниками. Соответствие зон парестезии, индуцированной стимуляцией, областям болевых ощущений в организме является необходимым условием терапевтической эффективности. Поскольку болевые синдромы у пациентов могут быть уникальными, распространенной конфигурацией стимуляции является параллельное размещение двух электродов в дорсальном эпидуральном пространстве.

Данная конструкция обеспечивает гибкость при управлении стимуляцией, смещая ток медиально и латерально по дорсальному столбу для достижения оптимального перекрытия зон парестезии при боли. Оценка возможности управления стимуляцией осуществляется путем первоначального создания конечно-элементной модели спинного мозга человека для определения потенциальных полей, создаваемых электродами при эпидуральной стимуляции спинного мозга. На втором этапе рассчитываются потенциалы в дорсальном столбе для различных катодных токов, подаваемых двумя типами систем стимуляции спинного мозга.

Многоисточникная конфигурация, в которой каждый имплантированный контакт имеет выделенный источник тока, и одноисточникная конфигурация, при которой один источник тока подключен к нескольким контактам. Далее потенциалы используются для расчета прогнозируемого объема активации в заднем канатике для каждого типа системы. Для сравнения медиолатерального разрешения рекрутирования волокон в каждой системе результаты показывают, что многоисточникная система позволяет воздействовать на более центральные точки стимуляции в заднем канатике, чем одноисточникная система, а средний шаг управления для медиолатерального смещения составляет 20 microns для многоисточникных систем по сравнению с 1 millimeter для одноисточникных систем.

Улучшение в 50 раз. Возможность центрирования зон стимуляции в заднем канатике с высоким разрешением может позволить лучше оптимизировать перекрытие парестезии и боли у пациентов. Основным преимуществом использования метода многоточечной стимуляции по сравнению с методом одноточечной стимуляции является то, что поле стимуляции можно окончательно настроить для селективной стимуляции целевого нейрона в заднем канатике у каждого отдельного пациента, что, по сути, максимизирует терапевтический потенциал при минимизации побочных эффектов.

Описанная здесь математическая модель представляет собой модель конечных элементов (МКЭ) нижнего отдела грудного отдела спинного мозга и окружающей его среды. Модель МКЭ включает белое и серое вещество спинного мозга, спинномозговую жидкость, твердую мозговую оболочку, ткани эпидурального пространства, костную ткань позвонков и два цилиндрических многоконтактных электрода. Каждый многоконтактный электрод состоит из восьми цилиндрических платино-иридиевых контактов, разделенных изоляционным полимером длиной 1 mm.

В настоящее время клиническим стандартом при стимуляции спинного мозга считается использование восьми контактных электродов. Переход к восьми контактам произошел в ходе развития устройств, которые ранее имели всего два или четыре контакта. Исследования показали, что большее количество контактов и, соответственно, более широкий охват спинного мозга позволяют более эффективно поддерживать терапевтический эффект с течением времени.

Для предотвращения миграции электродов, которая является весьма распространенной проблемой, электроды размещают дорсально поверх твердой мозговой оболочки с расстоянием 2,6 мм между ними. Для упрощения в симуляции пары электродов располагаются симметрично относительно срединной линии спинного мозга.

В модели толщина слоя спинномозговой жидкости между контактами и дорсальной поверхностью спинного мозга установлена на уровне 3.2 millimeters. Электрическое сопротивление, использованное в модели, приведено здесь. Спинномозговая жидкость, белое вещество и твердая мозговая оболочка имеют самое низкое удельное сопротивление.

Эпидуральный жир и костная ткань позвонков обладают высоким удельным сопротивлением; здесь представлена сетка модели МКЭ для спинного мозга и многоконтактного электрода. Объем разбит на сетку, содержащую более 100 миллионов узлов, с высокой плотностью сетки в области, прилегающей к месту расположения электродов. Здесь показаны только участки сетки с высокой плотностью.

Сетка разделена на секции с переменной плотностью узлов. Расстояние между узлами вблизи контактов составляет 300 микрон или менее. Расстояние между узлами изолятора твердой мозговой оболочки и спинного мозга составляет 750 микрон или менее.

Плотность узлов эпидурального пространства составляет 3000 микрон или менее, а расстояние между узлами тел позвонков — 5 000 микрон или менее. 3D-модель геометрии спинного мозга создана с использованием совокупности характеристик из соответствующих литературных источников. Волокна задних столбов расположены по регулярной сетке с шагом 200 микрон в медиолатеральном направлении и 100 микрон в дорсовентральном направлении и спроецированы в направлении спинного мозга.

После размещения электродов в модели реализуются два типа стимуляторов путем определения токов для двух параллельных контактов. Для системы с одним источником предусмотрены один катод и один анод, которые при реализации могут быть подключены к любому набору контактов. В модели определяется только полярность контакта, а ток через любой контакт зависит от количества контактов, подключенных к соответствующему полюсу.

Например, если к катоду подключен один контакт, этот контакт поглощает весь катодный ток. Однако, если к катодному полюсу источника подключены два контакта, они разделяют ток пополам, по 50% каждый. Разумеется, в математической модели импеданс каждого контакта идентичен, что обычно не соответствует действительности в клинической практике.

Это означает, что подача тока на каждый контакт в одноисточниковой системе не контролируется. Для наших модельных исследований мы использовали три возможных метода подачи тока. В первом методе весь ток подается на крайний левый катод, во втором — каждый из двух катодов подает 50% тока, а в третьем — весь ток подается на крайний правый катод. Для многоисточниковой системы определено, что каждый контакт имеет собственный источник тока с возможностью управления шагом изменения тока в 1% между контактами.

Другими словами, если общий ток, подаваемый на два контакта, составляет 10 мА, ток на каждом контакте может быть любой долей от общего значения, при условии, что сумма токов через каждый контакт равна 10 мА. Например, если через левый контакт проходит 6,8 мА, то через правый будет проходить 3,2 мА. Таким образом запрограммированы 100 вариантов дробного распределения тока.

Катод является основным контактом, задействованным в нейростимуляции. Активация катодного контакта вызывает ток, направленный к контакту; электрический ток течет вдоль аксона, а также через внутреннюю часть аксона и через его мембрану. В узлах Ranvier эти токи приводят к деполяризации в центре аксона и гиперполяризации в его латеральных частях.

Математическая функция, моделирующая деполяризацию и гиперполяризацию, называется активирующей функцией. Активирующая функция представляет собой аппроксимацию изменения трансмембранных потенциалов. При подаче внеклеточного стимулирующего тока на нервную ткань с определенной геометрией электродов и волокон активирующая функция применяется к волокнам задних столбов спинного мозга.

Область активации определяется как совокупность волокон. В модели, где активирующая функция превышает заданный порог, эта функция используется для прогнозирования областей активации в задних столбах. Центральная точка стимуляции определяется и вычисляется как геометрический центр трехмерной области активации. Для определения амплитуды стимуляции один контакт электрода левого столба назначается катодом.

В монополярной конфигурации амплитуда стимуляции итеративно увеличивается до тех пор, пока не будет активировано первое волокно. Это всегда волокно заднего столба. Предполагается, что эта первая активация коррелирует с первым ощущением парестезии у пациента в клинических условиях.

В данной модели ток затем увеличивают до 1,4 от значения тока, необходимого для активации первого волокна, и вычисляют OID результирующей области активации. OID для всех 100 этапов управления, начинающихся со 100 до нуля и проходящих от нуля до 100, рассчитываются с амплитудой, определенной на предыдущем этапе. Среднее разрешение изменения OID представляет собой диапазон расположения OID, деленный на количество шагов тока.

Конечно-элементная модель предполагает наличие двух параллельных электродов, расположенных на расстоянии 2,6 мм друг от друга, каждый из которых имеет восемь контактов. Одиночное устройство-источник, обеспечивающее единый общий источник питания для всех контактов, может воздействовать на три центральные точки стимуляции. При латеральном смещении среды стимуляции это соответствует среднему шагу в 1 мм при расстоянии между электродами в 2 мм; устройство с отдельным источником питания для каждого контакта может воздействовать на 100 центральных точек в медиально-латеральном направлении в заднем канатике спинного мозга.

При фракционировании тока с шагом в 1% это соответствует шагу в 0,02 мм при смещении стимуляции медиально-латерально между двумя электродами. Представленная здесь вычислительная модель предсказывает, что устройство с независимыми источниками тока для каждого контакта может воздействовать на более центральные точки стимуляции в задних столбах спинного мозга, чем система с одним источником. В результате разрешение регулировки центральной точки стимуляции в многоисточниковой системе составляет 20 мкм, что примерно в 50 раз превышает разрешение систем с одним источником. Возможность прецизионного смещения стимуляции в задних столбах с высоким разрешением может обеспечить лучшую оптимизацию перекрытия зон купирования боли при процедуре.

В конкретном случае пациента причина активации у людей с темным цветом кожи может быть сосредоточена на максимальном охвате болезненной области при одновременном минимизировании побочных эффектов. Таким образом, использование фракционированного тока из независимого источника обеспечивает точное направление стимуляции на целевые нервы в колонке Doser во время терапии стимуляции спинного мозга.