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

Medicine
 

Summary

Использование математической модели стимуляция спинного мозга, мы обнаружили, что из многих источников системы с независимыми источниками питания для каждого контакта можно ориентировать более центральными точками стимуляции на спинной колонки (100 против 3) и имеет 50-кратное большее разрешение поле рулевого управления ( 0,02 мм против 1 мм), чем из одного источника системы.

Cite this Article

Copy Citation | Download Citations | Reprints and Permissions

Lee, D., Gillespie, E., Bradley, K. Dorsal Column Steerability with Dual Parallel Leads using Dedicated Power Sources: A Computational Model. J. Vis. Exp. (48), e2443, doi:10.3791/2443 (2011).

Please note that all translations are automatically generated.

Click here for the english version. For other languages click here.

Abstract

В стимуляция спинного мозга (SCS), согласование стимуляции вызванной парестезии более болезненные части тела является необходимым условием для терапевтической эффективности. Поскольку пациент моделей боль может быть уникальной, общую конфигурацию стимуляция размещение двух проводов параллельно в спинной эпидуральное пространство. Эта конструкция обеспечивает гибкость в управлении стимуляции текущего mediolaterally за спинной колонки для достижения лучших боли парестезии перекрываются. Использование математической модели с точным распределением диаметр волокна, мы изучали возможность двойного параллельно ведет к стимуляции направить между соседними контактами на двойных параллельных приводит используя (1) единая система источника, и (2) нескольких источников системы, с посвященный источник тока для каждого контакта. Модель объемом дирижер низким грудным спинного мозга с эпидурально позиционируется двойным параллельным (2 мм разделения) чрескожная приводит впервые был создан, и электрического поля была рассчитана с использованием ANSYS, моделирования методом конечных элементов инструмента. Активация функции в течение 10 мкм волокна был рассчитан по формуле Второе отличие внеклеточного потенциала вдоль перехватами Ранвье по нервным волокнам в спинной колонки. Объем активации (VOA) и центральной точкой VOA были рассчитаны с использованием заранее установленного порога активации функции. Модели по сравнению поле рулевого результатов с одного источника по сравнению с посвященный источника питания систем двумя 8-контактный приводит стимуляции. Модель предсказывает, что из многих источников системы могут ориентироваться на более центральными точками стимуляции спинного столба, чем единая система источников (100 против 3) и означает шаг рулевого управления для медиолатеральной рулевого составляет 0,02 мм для нескольких систем-источников против 1 мм для одной системы источника, 50-кратное улучшение. Способность к центру стимуляции регионов в спинной колонки с высоким разрешением может позволить лучше оптимизация парестезии, боли у пациентов перекрытия.

Protocol

1. Введение:

Стимуляция спинного мозга, или СКС, как было клинически применяется с 1967 года, когда доктор Норманн Шели первой стимуляции имплантированными электродами на спинной столбцов в попытке оказания помощи пациентам с хроническими, неразрешимых боли (Шели и соавт., 1967). СКС является клинической реализации ворота теория, которая гласит, что активация больших миелинизированных афферентных нервов, являющиеся посредниками прикосновения и давления ощущений, может подавлять, или "закрыть ворота" на передачу болевых сигналов в высшие центры головного мозга (Melzack и стены , 1965). Технология СКС улучшилась за последние десятилетия, с более надежной стимуляции оборудования лучше, направленных на стимулирование спинного колонны развивалась.

Ключ к эти улучшения были более глубокое понимание нейроанатомии и нейрофизиологии спинного мозга, имеющие отношение к клинической электростимуляции. Это понимание было выдвинутые вычислительного моделирования СКС. Численное моделирование нейронов была использована, чтобы понять основные механизмы нервного возбуждения с математической модели Ходжкина и Хаксли был впервые описан (Ходжкин и Хаксли, 1952). Нейронной активности модуляции электрического поля применяется в качестве внутриклеточных инжекции тока и внеклеточной потенциальных полей. Ranck качественно обсуждали, как изменения во внеклеточной напряжение в непосредственной близости от аксона причиной некоторых регионах мембрана аксона деполяризовать и других hyperpolarize (Ranck, 1975).

Расчетная модель для СКС была первоначально разработана Коберн и Sin (Коберн, 1980) и был значительно способствовало Holsheimer и коллеги, начиная с Struijk и развития Holsheimer о трехмерной модели области СКС (Holsheimer и Struijk, 1988). Их вычислительная модель оценкам влияние анатомических параметров на пороги спинным волокна колонке (Struijk и соавт., 1992), предсказал, потенциальные места возбуждения в спинном волокна корня (Struijk и соавт., 1993b), а также проанализировали воздействие CSF толщина (Struijk и др., 1993a). клинические проверки (Он и др., 1994;. Holsheimer и др., 1995a;.. Holsheimer и др., 1994). Модель внесли значительный вклад в дизайн стимуляции дизайн свинец, предлагая оптимальные параметры для размера контакта и расстояние (Holsheimer и Struijk, 1992; Holsheimer и Весселинка, 1997), в пользу льготных стимуляции спинного волокна столбе над мочек (Holsheimer и др.,. 1995b).

2. Методы:

Математические модели определения

Конечных элементов математической (FEM) была создана модель с низким уровнем грудного спинного мозга и его окружающей средой. Модель FEM состоял из спинного мозга белого и серого вещества, спинномозговая жидкость, оболочки, эпидуральное пространство ткани, позвоночной кости и двух цилиндрических приводит многоконтактный. Каждый привести состояла из восьми цилиндрических платины и иридия контакты (проведение доменов, 3 мм длины и 1,25 мм в диаметре), разделенных длиной 1 мм изоляционных полимера (непроводящих областей, 1 мм длиной). Приводит были расположены в верхней части, поверх твердой мозговой оболочки, и симметрично, 1 мм с каждой стороны средней линии спинной мозг. В модели, "толщина" слоя спинномозговой жидкости между контактами и дорсальной поверхности спинного мозга (DCSF) было указано, чтобы быть 3,2 мм. Геометрия модели показан на рисунке 1А и электрических сопротивлений приведены в таблице, значения ближайшие преимущественно из литературы (Holsheimer, 2002;. Весселинка и др., 1999). Объем был вперемешку с более 1 миллиона узлов, с высокой плотностью сетки в области, близкой к электродам, где расположены, как показано на рисунке 1b.

Рисунок 1
Рисунок 1. Изображение сетки МКЭ для спинного мозга и многоконтактный свинца. () Компоненты и структуры модели. (В) Модель сетки - только высокой части плотности показано на рисунке. Сетка была разделена на участки переменной плотности узла: у контактов (≤ 300 мкм); изолятор, длительность и спинного мозга (≤ 750 мкм); эпидуральное пространство (≤ 3000 мкм) и позвоночной кости (≤ 5000 мкм).

Таблица 1
В таблице 1 значения сопротивления FEM доменов (Holsheimer, 2002;. Весселинка и др., 1999). И модификации (эпидуральное пространство), чтобы соответствовать клинических данных.

Спинного геометрии шнура (рис. 2) была создана с помощью комбинации функций из соответствующих источников литературы. Сечение шнура была получена из Kameyama и др., а также задний корешок (DR) траектории Struijk и др., было принято (Kameyama и др., 1996;... Struijkи соавт., 1993b). Спинной колонки (DC) волокна были размещены на регулярной сетке (200um для медиолатеральной направлении и 100 мкм дорсовентральной направлении, см. рисунок 2А) и прогнозируемого в rostrocaudal направлении. Каждый ДР был смоделирован как волокна «мать» большего диаметра связано с волокон дочери раздвоенные меньшего диаметра (рис. 2В).

Рисунок 2
Рисунок 2. Структура модели спинного мозга. (А) транзакций зрения спинной мозг и спинной расположение волокна колонке. (B) Спинной корни состоят из волокна матери и раздвоенные волокна дочь. Траектория мать волокна оцифрованном с Struijk 1993 года. (C) Трехмерный вид спинного мозга и DR волокон.

Модель исследования

Как только приводит были помещены в модели, два типа стимуляторов были реализованы путем определения токов для двух параллельных контактов. Для единой системы источника, существует три возможных способа доставки ток: a. левый контакт имеет все тока; b. двумя контактами в каждом доставить 50% от тока; c. правый контакт обеспечивает все текущие. Отметим здесь, что сопротивление двух контактов считается равной, хотя вряд ли это быть правдой в клиническом применении.

Для системы из многих источников, каждый контакт был определен иметь свой собственный источник тока, управляемый в 1% дополнительных текущих изменений между контактами. Другими словами, если суммарный ток доставлены две контактов 10 мА, в системе многих источников тока на каждый контакт был указан в любой фракции от общего числа, до тех пор, как сумма токов через каждый контакт равный 10 мА. Например, левый контакт может доставить 6,8 мА, где правый контакт затем доставить 3,2 мА. Для системы из многих источников, 100 дробных расколов текущих были запрограммированы таким образом.

Для расчета область активации в течение спинной столбцах по каждой системы, активация функции анализ. Активация функции приближения изменения трансмембранного потенциала при внеклеточной стимулирующие ток подводится к нервной ткани для данного электрода и волоконно геометрии. Области активации был определен как локус волокон в модели, где активация функции (или просто второй разности напряжений вдоль аксона) превысил заданный порог (например, 0.1mV/mm2). Центральная точка стимуляции было определено и рассчитывается как геометрическое центр тяжести 3-мерную область активации.

Чтобы определить, стимуляции амплитуда, два контакта были определены для катодов (50% и 50% отрицательный потенциал на двух контактов) в монополярной конфигурации (источником текущих поставляется с эквивалентной плотности тока от модели границ). Стимуляции амплитуда затем многократно увеличилось до первого волокна активированного наблюдалось (это было всегда спинным волокна колонка). Это первая активация предполагалось соотносить с первого восприятия парестезии на пациента в клинических условиях. В модели, тока тогда увеличился до 1,4 * (мА для активации первой волокна) и центр тяжести в результате область активации был рассчитан. Центроиды всеми маневрами шагов (100:0 до 0:100) были вычислены с амплитудой определяется на предыдущем шаге. Среднее разрешение центроида изменение центра тяжести спектра хранилища на текущий шагов.

3. Итог:

Когда рулевое стимуляции mediolaterally между двойным ведет, вычислительная модель предсказывает, что устройства с независимыми источниками тока для каждого контакта можно ориентировать более центральными точками стимуляции спинного столба, чем единая система источников (100 против 3). В результате этого, в резолюции регулировки центральной точке стимуляции составляет 30 мкм с системой многих источников, приближенных 50-кратное увеличение по сравнению с одного источника систем (см. Рисунок 3).

Рисунок 3
Рисунок 3. Вычислительная модель делает следующие прогнозы. А. Двойная конфигурация свинца: 2,0 мм расстояние между ведет с монопольным стимуляции. B. Отдельные приборы источник, который обеспечивает один общий источник питания для всех контактов, могут ориентироваться на трех центральных точках стимуляции при переключении стимуляции mediolaterally (размер шага в 1 мм в среднем с 2 разделения привести мм). C: устройства с выделенным источником питания для каждого контакта можно ориентировать 100 центральных точек в сторону спинного столбца при fractionalizing текущей с шагом 1%, или 10 центральных моментов, когда fractionalizing с шагом 10% (размер шага 0,02 мм на 1% шаги и 0,2 мм для 10% шагов в среднем).

Discussion

Способность к центру стимуляции регионов в спинной колонки с высоким разрешением может позволить лучше оптимизация парестезии, боли у пациентов перекрытия. То есть, у данного пациента, область активации в спинной колонки могут быть направлены на максимальный охват болезненных областей при минимизации побочных эффектов (за счет стимуляции нежелательных волокна, которые могут генерировать парестезии в undesireable местах или создать двигатель или вегетативной эффекты).

Disclosures

Авторы являются сотрудниками Нейромодуляция Boston Scientific.

Acknowledgments

Это исследование было профинансировано Нейромодуляция Boston Scientific.

Materials

Name Company Catalog Number Comments
NEURON
ANSYS
Matlab

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. Barolat, G. Current Status of Epidural Spinal Cord Stimulation. Neurosurgery Quarterly. 5, 98-124 (1995).
  2. Coburn, B. Electrical stimulation of the spinal cord: two-dimensional finite element analysis with particular reference to epidural electrodes. Med Biol Eng Comput. 18, 573-584 (1980).
  3. Feirabend, H. K., Choufoer, H., Ploeger, S., Holsheimer, J., van Gool, J. D. Morphometry of human superficial dorsal and dorsolateral column fibres: significance to spinal cord stimulation. Brain. 25, 1137-1149 (2002).
  4. He, J., Barolat, G., Holsheimer, J., Struijk, J. J. Perception threshold and electrode position for spinal cord stimulation. Pain. 59, 55-63 (1994).
  5. Hodgkin, A. L., Huxley, A. F. A quantitative description of membrane current and its application to conduction and excitation in nerve. J Physiol. 117, 500-544 (1952).
  6. Holsheimer, J. Which Neuronal Elements are Activated Directly by Spinal Cord Stimulation. Neuromodulation. 5, 25-31 (2002).
  7. Holsheimer, J., Barolat, G., Struijk, J. J., He, J. Significance of the spinal cord position in spinal cord stimulation. Acta Neurochir Suppl. 64, 119-1124 (1995).
  8. Holsheimer, J., den Boer, J. A., Struijk, J. J., Rozeboom, A. R. MR assessment of the normal position of the spinal cord in the spinal canal. AJNR Am J Neuroradiol. 15, 951-959 (1994).
  9. Holsheimer, J., Struijk, J. J. Analysis of spinal cord stimulation. Electrophysiological Kinesiology. Wallinga, W., Boom, W., De Vries, J. Excerpta Medica Congress Series. Amsterdam. Vol 804 95-98 (1988).
  10. 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).
  11. Holsheimer, J., Struijk, J. J., Tas, N. R. Effects of electrode geometry and combination on nerve fibre selectivity in spinal cord stimulation. Med Biol Eng Comput. 33, 676-682 (1995).
  12. Holsheimer, J., Wesselink, W. A. Optimum electrode geometry for spinal cord stimulation: the narrow bipole and tripole. Med Biol Eng Comput. 35, 493-497 (1997).
  13. Kameyama, T., Hashizume, Y., Sobue, G. Morphologic features of the normal human cadaveric spinal cord. Spine. 21, 1285-1290 (1996).
  14. McIntyre, C. C., Grill, W. M. Extracellular stimulation of central neurons: influence of stimulus waveform and frequency on neuronal output. J Neurophysiol. 88, 1592-1604 (2002).
  15. McIntyre, C. C., Miocinovic, S., Butson, C. R. Computational analysis of deep brain stimulation. Expert Rev Med Devices. 4, 615-622 (2007).
  16. Melzack, R., Wall, P. D. Pain mechanisms: a new theory. Science. 150, 971-979 (1965).
  17. Ranck, J. B. Jr Which elements are excited in electrical stimulation of mammalian central nervous system: a review. Brain Res. 98, 417-440 (1975).
  18. Shealy, C. N., Mortimer, J. T., Reswick, J. B. Electrical inhibition of pain by stimulation of the dorsal columns: preliminary clinical report. Anesth Analg. 46, 489-491 (1967).
  19. Smith, M. C., Deacon, P. Topographical anatomy of the posterior columns of the spinal cord in man. The long ascending fibres. Brain. 107, 671-698 (1984).
  20. Struijk, J. J., Holsheimer, J., Barolat, G., He, J., Boom, H. B. Paresthesia Thresholds in Spinal Cord Stimulation: A Comparison of Theoretical Results with Clinical Data. IEEE Trans Rehab Eng. 1, 101-107 (1993).
  21. Struijk, J. J., Holsheimer, J., Boom, H. B. Excitation of dorsal root fibers in spinal cord stimulation: a theoretical study. IEEE Trans Biomed Eng. 40, 632-639 (1993).
  22. Struijk, J. J., Holsheimer, J., van der Heide, G. G., Boom, H. B. Recruitment of dorsal column fibers in spinal cord stimulation: influence of collateral branching. IEEE Trans Biomed Eng. 39, 903-912 (1992).
  23. Struijk, J. J., Holsheimer, J., van Veen, B. K., Boom, H. B. Epidural spinal cord stimulation: calculation of field potentials with special reference to dorsal column nerve fibers. IEEE Trans Biomed Eng. 38, 104-110 (1991).
  24. Wesselink, W. A., Holsheimer, J., King, G. W., Torgerson, N. A., Boom, H. B. K. Quantitative Aspects of the Clinical Performance of Transverse Tripolar Spinal Cord Stimulation. Neuromodulation. 2, 5-14 (1999).

Comments

0 Comments


    Post a Question / Comment / Request

    You must be signed in to post a comment. Please or create an account.

    Usage Statistics