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

Общей целью данного эксперимента является оценка медиа-латеральной управляемости системы стимуляции спинного мозга из нескольких источников при стимуляции спинного мозга. Согласованность индуцированных стимуляцией парестезии над болезненными участками тела является необходимым условием терапевтической эффективности. Поскольку болевые паттерны пациента могут быть уникальными, распространенной конфигурацией стимуляции является параллельное размещение двух отведений в дорсальном эпидуральном пространстве.

Эта конструкция обеспечивает гибкость в управлении стимуляцией, током среды латерально над дорсальным столбом для достижения лучшей боли. Перекрытие парестезии. Оценка управляемости стимуляции достигается путем создания конечно-элементной модели спинного мозга человека для определения потенциальных полей, создаваемых электродами эпидуральной стимуляции спинного мозга

Мультиисточник, где каждый имплантируемый контакт имеет отдельный источник тока, и один источник, где только один источник тока подключен к нескольким контактам. Далее с помощью потенциалов вычисляется прогнозируемый объем активации в дорсальном столбце для каждого типа системы. Чтобы сравнить медиа-латеральное разрешение рекрутинга волокна в каждой системе, результаты показывают, что система с несколькими источниками может нацеливаться на большее количество центральных точек стимуляции в дорсальном столбе, чем система с одним источником, а средний шаг управления для медиа-латерального управления составляет 20 микрон для систем с несколькими источниками против одного миллиметра для систем с одним источником.

Улучшение в 50 раз. Способность центрировать области стимуляции в дорсальном столбе с высоким разрешением может позволить лучше оптимизировать перекрытие боли при парестезии у пациентов. Основное преимущество использования метода стимуляции с несколькими источниками по сравнению с методом с одним источником заключается в том, что поле стимуляции может быть окончательно скорректировано для избирательной стимуляции нейрона-мишени в этой колонке дозы у каждого отдельного пациента, что в основном максимизирует терапевтические возможности при минимизации побочных эффектов.

Определенная здесь математическая модель представляет собой конечно-элементную модель или МКЭ нижнегрудного отдела спинного мозга и окружающей его среды. Модель FEM включает в себя белое и серое вещество спинного мозга, спинномозговую жидкость, твердую мозговую оболочку, ткань эпидурального пространства, позвоночную кость и два цилиндрических многоконтактных провода. Каждый многоконтактный провод состоит из восьми цилиндрических платиново-иридиевых контактов, разделенных длиной в один миллиметр изоляционного полимера.

Восемь контактных отведений в настоящее время считаются клиническим стандартом стимуляции спинного мозга. Использование восьми контактов развилось из более ранних устройств, которые имели только два или четыре контакта. Исследования показали, что большее количество контактов и, следовательно, больший охват спинного мозга более надежны в поддержании терапии с течением времени.

В условиях миграции свинца, которая является очень распространенной проблемой, проводники располагаются дорсально на вершине твердой мозговой оболочки, на расстоянии 2,6 миллиметра. Для простоты. При моделировании пары отведений расположены симметрично относительно средней линии спинного мозга.

В модели толщина слоя спинномозговой жидкости между контактами и тыльной поверхностью спинного мозга указана как 3,2 миллиметра. Электрические резистивные сопротивления, используемые в модели, приведены здесь. Белое вещество и твердая мозговая оболочка спинномозговой жидкости имеют самое низкое удельное сопротивление.

Эпидуральный жир и позвоночная кость имеют высокое удельное сопротивление, изображенные здесь представляет собой сетка модели FEM для спинного мозга и многоконтактного отведения. Объем состоит из более чем 100 миллионов узлов с сеткой высокой плотности в области, близкой к расположению электродов. Здесь показаны только участки сетки с высокой плотностью.

Сетка сегментируется на участки с переменной плотностью узлов. Расстояние между узлами вблизи контактов меньше или равно 300 мкм. Расстояние между узлами изоляторной твердой мозговой оболочки и спинного мозга меньше или равно 750 мкм.

Плотность узлов эпидурального пространства меньше или равна 3000 мкм, а разделение узлов позвоночной кости меньше или равно 5000 мкм. 3D-модель геометрии спинного мозга создается с использованием комбинации признаков из соответствующих литературных источников. Волокна дорсального столба размещаются на регулярной сетке размером 200 мкм в латеральном направлении среды, 100 мкм в дорсальном вентральном направлении и проецируются в направлении стро-няни

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

Например, если к катоду подключен один контакт, этот контакт поглощает весь катодный ток. Однако, если к катодному полюсу источника подключить два контакта, то они делят ток пополам на 50% каждый. Конечно, в математической модели импеданс каждого контакта идентичен, что обычно не верно в клиническом применении.

Это означает, что подача тока каждому контакту в системе с одним источником не контролируется. Для наших модельных исследований мы использовали три возможных метода подачи тока. Крайний левый катод имеет весь ток во втором, каждый из двух катодов подает 50% тока, а в третьем крайний правый катод подает весь ток

Другими словами, если общий ток, подаваемый на два контакта, составляет 10 миллиампер, то ток на каждом контакте определяется как любая доля от общего тока, при условии, что сумма токов через каждый контакт равна 10 миллиамперам. Например, если левый контакт выдает 6,8 миллиампер, то правый контакт будет выдавать 3,2 миллиампера. 100 дробных разделений тока программируются таким образом.

Катод является основным контактом, участвующим в нейронной стимуляции. Активация катарсического контакта приводит к тому, что ток течет по направлению к контактному электрическому току вдоль аксона, а также через внутреннюю часть аксона и через мембрану аксона. В узлах rvi эти токи приводят к деполяризации в середине аксона и гиперполяризации в боковых частях аксона.

Математическая функция, которая моделирует деполяризацию и гиперполяризацию, называется активирующей функцией. Активирующая функция представляет собой приближение изменения трансмембранных потенциалов. Когда внеклеточный стимулирующий ток подается на нервные ткани в данной геометрии электрода и волокон, активирующая функция затем применяется к волокнам спинного мозга, тыльного столба.

Область активации определяется как локус волокон. В модели, в которой активирующая функция превышает заданный порог, активирующая функция используется для прогнозирования областей активации в дорсальных столбцах. Центральная точка стимуляции определяется и рассчитывается как геометрический оид трехмерной области активации Для определения амплитуды стимуляции один контакт от отведения левой колонки указывается как катод.

В монополярной конфигурации амплитуда стимуляции затем итеративно увеличивается до тех пор, пока не будет активировано первое волокно. Это всегда спинной столб. Волокно. Предполагается, что эта первая активация коррелирует с первым восприятием парестезии пациентом в клинических условиях.

Затем в модели ток увеличивается в 1,4 раза по сравнению с током, необходимым для активации первого волокна, и вычисляется OID полученной области активации. OID всех 100 ступеней рулевого управления, начиная со 100 до нуля и проходя от нуля до 100, вычисляются с амплитудой, определенной как на предыдущем этапе. Среднее разрешение изменения OID — это диапазон расположения OID, деленный на текущие шаги.

Конечно-элементная модель предполагает наличие двух параллельных выводов, расположенных на расстоянии 2,6 миллиметра друг от друга из восьми контактов каждый. Устройство с одним источником, которое обеспечивает единый общий источник питания для всех контактов, может быть нацелено на три центральные точки стимуляции. При смещении стимулирующих сред в горизонтальном направлении, что соответствует размеру шага в среднем в один миллиметр с двухмиллиметровым расстоянием между отведениями, устройство с выделенным источником питания для каждого контакта может воздействовать на 100 центральных точек медиально латерально в дорсальном столбе.

При фракционировании тока с шагом 1% это соответствует размеру шага 0,02 миллиметра для 1%шага при направлении стимуляции медиально латерально между двойными отведениями. Представленная здесь вычислительная модель предсказывает, что устройство с независимыми источниками тока для каждого контакта может нацеливаться на большее количество центральных точек стимуляции в дорсальном столбе, чем система с одним источником. В результате этого разрешение регулировки центральной точки стимуляции составляет 20 микрон при использовании системы с несколькими источниками и примерно в 50 раз увеличивается разрешение по сравнению с системами с одним источником.

У пациента, который находится у данного пациента, причина активации у цветных пациентов может быть сфокусирована на максимальном покрытии болезненной области при минимизации побочного эффекта. Таким образом, использование фракционированного тока от независимого источника позволяет точно направлять стимуляцию на целевые нервы в колонке дозатора во время стимуляции спинного мозга.