عمود الظهري Steerability مع العروض المتوازية باستخدام مصادر الطاقة المزدوجة مخصص : نموذج الحاسوبية

Medicine
 

Summary

باستخدام نموذج رياضي لتحفيز النخاع الشوكي ، وجدنا أن وجود نظام متعدد المصادر مع مصادر الطاقة المستقلين عن كل اتصال يمكن أن تستهدف المزيد من النقاط المركزية لتحفيز الاقتصاد على عمود الظهري (100 مقابل 3) ، وإلى 50 ضعفا أكثر من مجال التوجيه القرار ( 0.02mm مقابل 1MM) من نظام أحادي المصدر.

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

في تحفيز الحبل الشوكي (SCS) ، التوافق من التحفيز التي يسببها مذل على مناطق الجسم المؤلمة هي شرط ضروري لفعالية العلاجية. منذ أنماط آلام المريض يمكن أن تكون فريدة من نوعها ، وتحفيز تكوين شيوعا هو موضع اثنين يؤدي بالتوازي في الفضاء فوق الجافية الظهرية. هذا البناء يوفر المرونة في توجيه التحفيز الحالية mediolaterally على عمود الظهري لتحقيق أفضل الألم مذل التداخل. باستخدام نموذج رياضي مع توزيع ألياف قطرها دقة ، لدراسة قدرة موازية المزدوج يؤدي إلى توجيه تنبيه الاتصالات بين المجاورة على متوازية يؤدي استخدام مزدوج (1) نظام مصدر واحد ، و (2) نظام متعدد المصادر ، مع مكرسة المصدر الحالي لكل جهة اتصال. نموذج الموصل حجم سلك المنخفضة الصدري العمود الفقري المزدوج مع موازية epidurally - المتمركزة (2 فصل ملم) أنشئت لأول مرة عن طريق الجلد ويؤدي ، وكان يحسب الحقل الكهربائي باستخدام ANSYS ، وهي نماذج العناصر المحدودة الأداة. تم حساب الدالة تفعيل لمدة 10 ألياف أم أنها الفرق الثاني من خارج الخلية المحتملة على طول العقد رانفييه على الألياف العصبية في العمود الظهري. حسبت حجم التنشيط (VOA) ، والنقطة المركزية للVOA باستخدام عتبة محددة سلفا من تفعيل وظيفة. نموذج مقارنة نتائج التوجيهي الميداني مع مصدر واحد مقابل أنظمة مخصصة مصدر الطاقة على المزدوج يؤدي التحفيز 8 للإتصال به. نموذج وتوقع المصدر أن النظام المتعدد يمكن أن تستهدف المزيد من النقاط المركزية لتحفيز الاقتصاد على عمود الظهري من نظام مصدر واحد (100 مقابل 3) والخطوة تعني توجيه لتوجيه الناصف الوحشي هو 0.02 ملم لأنظمة متعددة المصادر مقابل 1 ملم لأنظمة مصدر واحد ، وهو تحسن بنسبة 50 أضعاف. قد تكون القدرة على تحفيز مناطق في وسط العمود الظهري مع ارتفاع القرار السماح لتحسين الاستفادة المثلى من مذل للألم التداخل لدى المرضى.

Protocol

1. مقدمة :

وقد الحبل الشوكي التحفيز ، أو SCS ، وتطبق سريريا منذ عام 1967 ، عندما الدكتور نورمان Shealy زرع أقطاب كهربائية first التحفيز على أعمدة الظهرية في محاولة لتقديم الاغاثة للمرضى الذين يعانون من الآلام المزمنة والمستعصية (Shealy وآخرون ، 1967). SCS هو تطبيق لنظرية السريرية بوابة ، الذي يفترض أن التنشيط كبيرة من الأعصاب وارد العصبي الذي توسط اللمس والأحاسيس الضغط ، ويمكن أن تمنع ، أو "إغلاق البوابة" على إرسال إشارات الألم إلى أعلى المراكز في الدماغ (ميلزاك والجدار ، 1965). وقد تحسنت تكنولوجيا SCS على مدى عقود ، مع تحفيز أكثر موثوقية المعدات مصممة بشكل أفضل لتحفيز الأعمدة وقد تطورت الظهري.

كان له دور أساسي في هذه التحسينات زيادة فهم من التشريح العصبي والفسيولوجيا العصبية من الحبل الشوكي التحفيز الكهربائي ذات الصلة السريرية. وقد طرحت لهذا التفاهم من النمذجة الحاسوبية SCS. وقد استخدمت النمذجة الحاسوبية من الخلايا العصبية لفهم الآليات الأساسية لتحفيز العصبية منذ وقد وصفت أول نموذج هودجكين وهكسلي الرياضية (هودجكين وهكسلي ، 1952). النشاط العصبي هو منظم بواسطة الحقول الكهربائية كما هو مطبق حقن الخلايا الحالية والحقول المحتملة خارج الخلية. Ranck مناقشة كيف يمكن للتغييرات نوعيا في التيار الكهربائي خارج الخلية في محيط محور عصبي يسبب بعض المناطق في غشاء المحوار ليزيل الاستقطاب وغيرها hyperpolarize إلى (Ranck ، 1975).

وقد وضعت في البداية نموذج لSCS الحسابية التي كوبورن والخطيئة (كوبورن ، 1980) ، وعزز بشكل كبير من قبل Holsheimer وزملاؤه ، بدءا Struijk Holsheimer والتنمية في الميدان نموذج الابعاد الثلاثة للSCS (Holsheimer وStruijk ، 1988). يقدر نموذجهم الحسابية تأثير المعلمات التشريحية على عتبات ألياف عمود الظهري (Struijk وآخرون ، 1992) ، وتوقع الموقع المحتمل للالإثارة في الألياف الجذرية الظهرية (Struijk وآخرون ، 1993b) ، وتحليل تأثير CSF سمك (Struijk وآخرون ، 1993a). مع التثبت السريرية (وآخرون ، 1994 ؛. Holsheimer وآخرون ، 1995a ؛. Holsheimer وآخرون ، 1994). ساهم بشكل كبير في تصميم نموذج لتصميم يؤدي التحفيز ، مما يوحي المعلمات الأمثل لحجم الاتصال والتباعد (Holsheimer وStruijk ، 1992 ؛ Holsheimer وWesselink ، 1997) ، لصالح تحفيز تفضيلية من ألياف عمود الظهري على ألياف الجذر (Holsheimer وآخرون. 1995b).

2. الأساليب :

تعريف الرياضية النموذجية

تم إنشاء العناصر المحدودة الرياضية (FEM) نموذج من الحبل الشوكي الصدري المنخفضة والبيئة المحيطة بها. يتألف النموذج من FEM المسألة الحبل الشوكي الأبيض والرمادي ، والسائل النخاعي ، الجافية ، فوق الجافية نسيج الفضاء ، وعظم العمود الفقري ، واثنين يؤدي multicontact أسطواني. وتألفت كل قيادة من ثمانية اتصالات البلاتين الايريديوم اسطواني (إجراء المجالات ، وطول قطرها 3mm و 1.25 ملم) ، ومفصولة أطوال 1MM العازلة من البوليمر (غير إجراء المجالات طول 1MM ،). وتمركزت يؤدي ظهريا ، وفوق الجافية ، ومتماثل ، 1mm إلى كل جانب من خط الوسط من الحبل الشوكي. في النموذج ، تم تحديد "سمك" للطبقة السائل النخاعي بين الأسماء والسطح الظهري للحبل الشوكي (dCSF) ليكون 3.2mm. ويوضح الشكل الهندسي للنموذج في الشكل 1A وتعطى resistivities الكهربائية في الجدول الأول ، والقيم القادمة في الغالب من الكتابات (Holsheimer ، 2002 ؛. Wesselink وآخرون ، 1999). وكان حجم مزجها مع أكثر من 1 مليون العقد ، مع شبكة عالية الكثافة في المنطقة القريبة من المكان الذي تقع الأقطاب كما هو مبين في الشكل 1B.

الشكل 1
الشكل 1. تصوير لشبكة من FEM عن الحبل الشوكي ويؤدي multicontact. (A) ومكونات هيكل النموذج. (ب) شبكة النموذجية -- يظهر فقط الجزء الكثافة السكانية العالية. كانت شبكة مقسمة إلى أقسام ذات الكثافة عقدة متغير : بالقرب من الاتصالات (≤ 300 ميكرون) ، عازل ، الجافية والحبل الشوكي (≤ 750 ميكرون) ؛ الحيز فوق الجافية (≤ 3000 ميكرون) ، والعظام الفقرية (≤ 5000 ميكرون).

الجدول 1
الجدول 1 قيم المقاومة من المجالات FEM (Holsheimer ، 2002 ؛. Wesselink وآخرون ، 1999). والتعديل (الحيز فوق الجافية) لمطابقة البيانات السريرية.

تم إنشاء هندسة الحبل الشوكي (الشكل 2) باستخدام مزيج من الميزات من مصادر الأدب ذات الصلة. استمدت المقطع العرضي للحبل من Kameyama وآخرون ، والجذر الظهري (DR) مسار Struijk اعتمد آخرون كان (Kameyama وآخرون ، 1996 ؛... Struijkوآخرون ، 1993b). وضعت عمود الظهري (DC) على شبكة الألياف العادية (200um الناصف الوحشي لاتجاه واتجاه ظهري بطني 100um ، انظر الشكل 2A) ، والمتوقع في الاتجاه rostrocaudal. وعلى غرار كل DR والألياف (الأم) أكبر قطرها متصلة ألياف 'ابنة' متشعبة من أصغر قطره (الشكل 2B).

الشكل 2
الشكل 2. هيكل نموذج الحبل الشوكي. (A) نظرا للمعاملات في النخاع الشوكي والعمود الموقع من ألياف الظهرية. (ب) وتتكون الجذور الظهرية للأم والألياف ألياف ابنته ذات الشعبتين. وكان رقمية مسار الألياف الأم من Struijk 1993. (ج) ثلاثة الأبعاد للعرض في النخاع الشوكي والألياف DR.

نموذج التحقيق

مرة واحدة ويؤدي تمركزت داخل النموذج ، تم تنفيذ هذين النوعين من التحفيز والتشجيع من خلال تحديد التيارات لمدة اتصالات موازية. لنظام مصدر واحد ، كانت هناك ثلاث طرق ممكنة لتقديم الحالي : (أ) الاتصال أقصى اليسار لديه كل الحالية ؛ ب. الاتصالات كل منهما تسليم 50 ٪ من الحالي ، (ج) الاتصال أقصى اليمين يسلم جميع الحالي. نلاحظ هنا أن يفترض مقاومة للاتصالات تساوي اثنين ، رغم أن هذا ليس من المرجح أن يكون صحيحا في التطبيق السريري.

بالنسبة للنظام المتعددة المصادر ، تم تعريف كل اتصال لديك مصدر الحالية الخاصة التحكم في التغيرات الحالية 1 ٪ المتزايد بين الأسماء. وبعبارة أخرى ، إذا كان مجموع الحالية تسليمها للاتصالات اثنين 10mA ، في نظام المتعددة المصادر تم تحديد الحالي إلى كل اتصال على أي جزء من المجموع ، وطالما أن مجموع التيارات من خلال كل 10mA الاتصال على قدم المساواة. على سبيل المثال ، قد اتصل تقديم أقصى 6.8 أمبير حيث سيلقي الاتصال أقصى اليمين ثم 3،2 مللي أمبير. بالنسبة للنظام المتعددة المصادر ، و 100 من كسور الانقسامات الحالية كانت مبرمجة على هذا النحو.

لحساب المنطقة من خلال تفعيل الأعمدة الظهرية كل النظام ، تم إجراء تحليل تفعيل وظيفة. تفعيل وظيفة هو تقريبي للتغير في القدرة عبر الغشاء عند تطبيق الحالي لتحفيز الأنسجة العصبية خارج الخلية لقطب معين ، والهندسة الألياف. وقد عرفت هذه المنطقة من حيث تفعيل بموضع من ألياف في النموذج حيث تفعيل وظيفة (أو ببساطة الفارق الثاني من الفولتية على طول محور عصبي) تجاوز عتبة محددة مسبقا (مثلا 0.1mV/mm2). وقد تم تعريف النقطة المركزية من التحفيز ومحسوبة على أنها النقطه الوسطى الهندسي للمنطقة 3 الابعاد التنشيط.

لتحديد السعة التحفيز ، تم تحديد الأسماء اثنين يتم كاثودات (50 ٪ و 50 ٪ سلبية محتملة على اثنين من الأسماء) في تكوين القطب (مصادر الحالية تسليمها مع الكثافة الحالية ما يعادلها من حدود النموذج). ثم كانت زيادة السعة التحفيز تكرارا حتى وحظ الألياف first تنشيط (وهذا كان دائما الألياف عمود الظهري). وكان من المفترض هذا التنشيط أول من ربط للتصور الأول من مذل من قبل المريض في وضع السريرية. في النموذج ، ثم تمت زيادة الحالي إلى 1.4 * (مللي أمبير لتنشيط الألياف الأولى) ، وكان يحسب النقطه الوسطى من المنطقة وأدت التنشيط. حسبت Centroids جميع الخطوات التوجيهية (100:0 إلى 0:100) مع تحديد السعة في الخطوة السابقة. وكان القرار متوسط ​​التغير النقطه الوسطى النقطه الوسطى نطاق الموقع مقسوما الخطوات الحالية.

3. النتيجة :

عند توجيه تنبيه mediolaterally بين يؤدي المزدوج ، فإن النموذج الحسابي يتوقع أن الجهاز الحالي مع مصادر مستقلة عن كل اتصال يمكن أن تستهدف المزيد من النقاط المركزية لتحفيز الاقتصاد على عمود الظهري من نظام مصدر واحد (100 مقابل 3). نتيجة لذلك ، فإن قرار تعديل النقطة المركزية من التحفيز هو 30 أم مع نظام المتعددة المصادر ، تقريبي 50 أضعاف بالمقارنة مع أنظمة مصدر واحد (انظر الشكل 3).

الشكل 3
الشكل 3. النموذج يجعل التوقعات الحسابية التالية. ألف التكوين يؤدي المزدوجة : 2.0 مم الفصل بين التحفيز يؤدي مع احتكار. يمكن للأجهزة باء المصدر واحدة التي توفر واحد ، ومصدر قوة مشتركة لجميع الاتصالات الهدف ثلاث نقاط مركزية من التحفيز عندما يتحول التحفيز mediolaterally (حجم خطوة من 1 ملم في المتوسط ​​2 ملم مع فصل الرصاص). ج : جهاز مع مصدر طاقة مخصصة لكل جهة اتصال يمكن أن تستهدف 100 نقطة مركزية أفقيا في العمود الظهري عندما fractionalizing الحالية بزيادات 1 ٪ أو 10 نقطة مركزية عندما fractionalizing بزيادات 10 ٪ (حجم خطوة من 0.02 مم : 1 ٪ خطوات وخطوات ل0.2 ملم 10 ٪ في المتوسط).

Discussion

قد تكون القدرة على تحفيز مناطق في وسط العمود الظهري مع ارتفاع القرار السماح لتحسين الاستفادة المثلى من مذل للألم التداخل لدى المرضى. وهذا هو ، في مريض معين ، قد تكون مركزة في منطقة التنشيط في الأعمدة الظهرية لتعظيم تغطية المناطق المؤلمة مع التقليل من الآثار الجانبية (نظرا لتحفيز ألياف غير مرغوب فيها ، والتي قد تولد تنمل في مواقع مكروه أو إنشاء محرك أو اللاإرادي الآثار).

Disclosures

الكتاب والعاملين في تعديل العمليات العصبية لبوسطن العلمية.

Acknowledgments

وقد تم تمويل هذه الدراسة العلمية تعديل العمليات العصبية لبوسطن.

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