दोहरी समानांतर समर्पित पावर सूत्रों का उपयोग बिक्रीसूत्र के साथ पृष्ठीय स्तंभ Steerability: एक कम्प्यूटेशनल मॉडल

Medicine
 

Summary

रीढ़ की हड्डी उत्तेजना के एक गणितीय मॉडल का प्रयोग, हमने पाया है कि प्रत्येक संपर्क के लिए स्वतंत्र ऊर्जा स्रोतों के साथ एक बहु - स्रोत प्रणाली पृष्ठीय स्तंभ पर अधिक उत्तेजना के केंद्रीय बिंदु (100 3 बनाम) को लक्षित कर सकते हैं और 50 गुना अधिक क्षेत्र स्टीयरिंग संकल्प है ( एक एकल स्रोत प्रणाली से 0.02mm बनाम) 1mm.

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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).

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Abstract

में रीढ़ की हड्डी उत्तेजना (अनुसूचित जाति), उत्तेजना प्रेरित paresthesia की दर्दनाक शरीर के क्षेत्रों पर क़बूल चिकित्सीय प्रभावकारिता के लिए एक आवश्यक शर्त है. के बाद रोगी दर्द पैटर्न अद्वितीय किया जा सकता है है, एक आम उत्तेजना विन्यास पृष्ठीय एपीड्यूरल अंतरिक्ष में समानांतर में दो सुराग के स्थान है. इस का निर्माण उत्तेजना mediolaterally पृष्ठीय बेहतर दर्द paresthesia ओवरलैप को प्राप्त करने के स्तंभ पर वर्तमान स्टीयरिंग में लचीलापन प्रदान करता है है. एक सटीक फाइबर व्यास वितरण के साथ एक गणितीय मॉडल का उपयोग करना, हम दोहरी समानांतर की क्षमता का अध्ययन करने के लिए दोहरी समानांतर पर सन्निकट संपर्कों के बीच उत्तेजना चलाने की ओर जाता है (1) एक एकल स्रोत प्रणाली का उपयोग होता है, और (2) एक प्रणाली के साथ एक बहु - स्रोत, वर्तमान स्रोत प्रत्येक संपर्क के लिए समर्पित है. मात्रा कम वक्ष रीढ़ की हड्डी के कंडक्टर मॉडल epidurally तैनात दोहरी समानांतर के साथ (2 मिमी जुदाई) percutaneous सुराग पहले, बनाया गया था और बिजली क्षेत्र ANSYS, एक परिमित तत्व मॉडलिंग उपकरण का उपयोग कर की गणना की गई. 10 उम फाइबर के लिए सक्रिय समारोह की गणना पृष्ठीय स्तंभ में तंत्रिका तंतुओं पर Ranvier के नोड्स के साथ कोशिकी क्षमता का दूसरा अंतर के रूप में किया गया था. (वी.ओ. ए) सक्रियण और वी.ओ. ए के केंद्रीय बिंदु की मात्रा सक्रिय समारोह के एक पूर्व निर्धारित दहलीज का उपयोग अभिकलन थे. मॉडल दोहरी 8 संपर्क उत्तेजना सुराग पर समर्पित शक्ति के स्रोत प्रणाली बनाम एकल स्रोत के साथ क्षेत्र में स्टीयरिंग के परिणाम की तुलना में. मॉडल की भविष्यवाणी की है कि स्रोत मल्टी सिस्टम पृष्ठीय स्तंभ पर एक ही स्रोत (100 बनाम 3) प्रणाली और mediolateral संचालन के लिए मतलब स्टीयरिंग कदम से अधिक उत्तेजना के केंद्रीय बिंदु को लक्षित कर सकते हैं बहु - स्रोत बनाम 1 मिमी प्रणालियों के लिए 0.02 मिमी एकल स्रोत प्रणाली के लिए, एक 50 गुना सुधार. केंद्र उच्च संकल्प के साथ पृष्ठीय स्तंभ में उत्तेजना क्षेत्रों के लिए की क्षमता paresthesia दर्द के रोगियों में ओवरलैप के बेहतर अनुकूलन के लिए अनुमति दे सकता है.

Protocol

1. परिचय:

रीढ़ की हड्डी उत्तेजना या अनुसूचित जातियों, नैदानिक ​​किया गया है 1967 के बाद से लागू किया, जब डॉ. नॉर्मन Shealy पहले एक पुरानी, ​​असभ्य दर्द (Shealy एट अल., 1967) के साथ रोगियों के लिए राहत प्रदान करने की कोशिश में पृष्ठीय स्तंभों पर उत्तेजना इलेक्ट्रोड प्रत्यारोपित. अनुसूचित जातियों गेट थ्योरी है, जो बड़े myelinated अभिवाही तंत्रिकाओं की है कि सक्रियण जो स्पर्श और दबाव उत्तेजना मध्यस्थता posits के नैदानिक ​​कार्यान्वयन है, को बाधित कर सकते हैं, या "बंद फाटक" दर्द संकेतों के प्रसारण पर मस्तिष्क में उच्चतर केन्द्रों (Melzack और वाल , 1965). अनुसूचित जातियों के लिए प्रौद्योगिकी दशकों में सुधार हुआ है, और अधिक विश्वसनीय उत्तेजना बेहतर पृष्ठीय स्तंभों को प्रोत्साहित करने के लिए डिज़ाइन उपकरण के साथ विकसित किया गया है.

इन सुधारों के लिए कुंजी neuroanatomy और रीढ़ की हड्डी नैदानिक ​​बिजली की उत्तेजना के लिए प्रासंगिक गर्भनाल के Neurophysiology की एक वृद्धि की समझ किया गया है. यह समझ अनुसूचित जातियों के कम्प्यूटेशनल मॉडलिंग द्वारा उन्नत किया गया है. न्यूरॉन्स के कम्प्यूटेशनल मॉडलिंग करने के लिए तंत्रिका उत्तेजना के लिए बुनियादी तंत्र को समझने के बाद पहले Hodgkin है और हक्सले गणितीय मॉडल (Hodgkin है और हक्सले, 1952) में वर्णित किया गया करने के लिए इस्तेमाल किया गया है. तंत्रिका गतिविधि बिजली intracellular वर्तमान इंजेक्शन और कोशिकी संभावित क्षेत्रों के रूप में लागू क्षेत्रों द्वारा modulated है. Ranck गुणात्मक कैसे एक अक्षतंतु के आसपास के क्षेत्र में कोशिकी वोल्टेज में परिवर्तन अक्षतंतु झिल्ली के कुछ क्षेत्रों को बिगाड़ना और दूसरों hyperpolarize (Ranck 1975) कारण पर चर्चा की.

अनुसूचित जातियों के लिए एक कम्प्यूटेशनल मॉडल शुरू Coburn और पाप (Coburn, 1980) द्वारा विकसित किया गया था और काफी Holsheimer और उनके सहयोगियों द्वारा आगे बढ़ाया, Struijk और Holsheimer अनुसूचित जातियों के एक तीन आयामी क्षेत्र मॉडल (Holsheimer और Struijk, 1988) के विकास के साथ शुरू. उनकी कम्प्यूटेशनल मॉडल पृष्ठीय स्तंभ फाइबर (Struijk एट अल., 1992) के थ्रेसहोल्ड पर शारीरिक मापदंडों के प्रभाव का अनुमान है, पृष्ठीय रूट फाइबर (Struijk एट अल., 1993b) में उत्तेजना के संभावित स्थान की भविष्यवाणी की, और सी.एस.एफ. के प्रभाव का विश्लेषण नैदानिक ​​वैधीकरण (Holsheimer एट अल, 1995a;. Holsheimer एट अल, 1994 वह एट अल, 1994) के साथ मोटाई (Struijk एट अल, 1993a) . मॉडल उत्तेजना नेतृत्व डिजाइन के डिजाइन के लिए महत्वपूर्ण योगदान दिया, संपर्क आकार और अंतरालन Holsheimer (और Struijk, 1992; Holsheimer और Wesselink, 1997) के लिए इष्टतम मापदंडों का सुझाव, जड़ (फाइबर Holsheimer एट अल पर पृष्ठीय स्तंभ फाइबर के तरजीही उत्तेजना पक्ष. 1995b).

2. तरीके:

गणितीय मॉडल परिभाषा

कम वक्ष रीढ़ की हड्डी और उसके आसपास के वातावरण के एक परिमित तत्व गणितीय मॉडल (FEM) बनाया गया था. एफईएम मॉडल रीढ़ की हड्डी में सफेद और ग्रे बात है, मस्तिष्कमेरु द्रव, dura, एपीड्यूरल अंतरिक्ष ऊतक, कशेरुका अस्थि, और दो बेलनाकार multicontact सुराग के शामिल थे. प्रत्येक नेतृत्व आठ बेलनाकार प्लैटिनम iridium संपर्कों (डोमेन, 3mm लंबाई और 1.25 मिमी व्यास के संचालन), बहुलक (गैर का आयोजन डोमेन, 1mm लंबाई) इन्सुलेट के 1mm लंबाई के द्वारा अलग की शामिल है. सुराग तैनात थे dorsally dura के ऊपर, और सममित, 1mm रीढ़ की हड्डी के midline के प्रत्येक पक्ष के लिए. मॉडल में, संपर्कों और रीढ़ की हड्डी के पृष्ठीय सतह (dCSF) के बीच मस्तिष्कमेरु द्रव परत के "मोटाई" 3.2mm करने के लिए निर्दिष्ट किया गया था. मॉडल की ज्यामिति 1A चित्रा में सचित्र है और बिजली resistivities तालिका में दिया जाता है मैं, साहित्य (Holsheimer, 2002; Wesselink एट अल, 1999) से मुख्य रूप से आ मूल्यों. मात्रा 1 लाख से अधिक नोड्स के साथ meshed किया गया था, जहां इलेक्ट्रोड के रूप में चित्रा 1B में सचित्र स्थित हैं करीब क्षेत्र में एक उच्च घनत्व जाल के साथ.

चित्रा 1
चित्रा 1 एफईएम की रीढ़ की हड्डी और multicontact नेतृत्व के लिए जाल का चित्रण . (ए) घटक और मॉडल की संरचना. (बी) मॉडल जाल - केवल उच्च घनत्व हिस्सा दिखाया गया है. जाल चर नोड घनत्व के खंडों में खंडित किया गया था: संपर्क (≤ 300 सुक्ष्ममापी) के पास, विसंवाहक dura, और रीढ़ की हड्डी (≤ 750 सुक्ष्ममापी) एपीड्यूरल (≤ 3000 सुक्ष्ममापी), अंतरिक्ष और कशेरुका अस्थि (≤ 5000 सुक्ष्ममापी).

तालिका 1
तालिका 1 एफईएम डोमेन की प्रतिरोधकता मान (Holsheimer, 2002; Wesselink एट अल, 1999) और संशोधन (एपीड्यूरल अंतरिक्ष) नैदानिक ​​डेटा मैच के लिए.

रीढ़ की हड्डी की ज्यामिति (चित्रा 2) प्रासंगिक साहित्य स्रोतों से सुविधाओं का एक संयोजन का उपयोग कर बनाया गया था. कॉर्ड के पार अनुभाग Kameyama एट अल से व्युत्पन्न गया था, और Struijk एट अल के पृष्ठीय रूट प्रक्षेपवक्र (डा.) को अपनाया गया था (Kameyama एट अल, 1996;. . Struijkअल. एट, 1993b). पृष्ठीय स्तंभ फाइबर (डीसी) के नियमित ग्रिड (mediolateral दिशा और 100um dorsoventral दिशा के लिए 200um, चित्रा 2A देखें) पर रखा गया और rostrocaudal दिशा में अनुमान. प्रत्येक डॉ छोटे व्यास (चित्र 2B) का बंटवारा 'बेटी' फाइबर से जुड़ा एक बड़ा व्यास 'माँ' फाइबर के रूप में modeled गया था.

चित्रा 2
चित्रा 2 रीढ़ की हड्डी मॉडल की संरचना. (ए) रीढ़ की हड्डी और पृष्ठीय स्तंभ फाइबर के स्थान के ट्रांसेक्शनल दृश्य. (बी) पृष्ठीय जड़ों एक माँ फाइबर और बंटवारा बेटी फाइबर से बना रहे हैं. माँ फाइबर की प्रक्षेपवक्र Struijk 1993 से डिजीटल था. (सी) रीढ़ की हड्डी और डॉ फाइबर के तीन आयामी दृष्टिकोण.

मॉडल जांच

एक बार सुराग मॉडल के भीतर तैनात किया गया, stimulators के दो प्रकार के दो समानांतर संपर्कों के लिए धाराओं को परिभाषित द्वारा लागू किया गया. एक ही स्रोत प्रणाली के लिए, वहाँ तीन संभावित तरीकों वर्तमान देने थे: ए ज., leftmost संपर्क सभी मौजूदा है सी., दो प्रत्येक संपर्क वर्तमान के 50% उद्धार दाएँ संपर्क सभी मौजूदा बचाता है. हम यहाँ ध्यान दें कि दो संपर्कों के प्रतिबाधा बराबर माना जाता है, हालांकि इस नैदानिक ​​अनुप्रयोग में सच होने की संभावना नहीं है.

Multisource प्रणाली के लिए, प्रत्येक संपर्क के लिए 1% के बीच संपर्कों वृद्धिशील वर्तमान में परिवर्तन की अपनी मौजूदा नियंत्रणीय स्रोत है परिभाषित किया गया था. दूसरे शब्दों में, यदि कुल दो संपर्कों को वितरित वर्तमान 10mA multisource प्रणाली में, प्रत्येक संपर्क करने के लिए वर्तमान कुल के किसी भी अंश के लिए निर्दिष्ट किया गया था, तो प्रत्येक संपर्क बराबर 10mA के माध्यम से धाराओं के योग के रूप में लंबे समय. उदाहरण के लिए, leftmost संपर्क 6.8 मा जहां rightmost संपर्क तो 3.2 मा उद्धार होगा उद्धार हो सकता है. Multisource प्रणाली के लिए, 100 भिन्नात्मक विभाजन के इस तरीके में वर्तमान क्रमादेशित रहे थे.

प्रत्येक प्रणाली द्वारा पृष्ठीय कॉलम के भीतर सक्रियण के क्षेत्र की गणना करने के लिए, एक सक्रिय समारोह विश्लेषण किया गया था. सक्रिय समारोह में जब कोशिकी उत्तेजक वर्तमान एक दिया इलेक्ट्रोड और फाइबर ज्यामिति के लिए तंत्रिका ऊतक के लिए लागू किया जाता है transmembrane क्षमता में परिवर्तन की एक सन्निकटन है. सक्रियण के क्षेत्र मॉडल में जहां सक्रिय समारोह (या अक्षतंतु साथ voltages के बस दूसरा अंतर) एक पूर्व निर्धारित सीमा (उदा. 0.1mV/mm2) से अधिक फाइबर के बिन्दुपथ के रूप में परिभाषित किया गया था. उत्तेजना के केंद्रीय बिंदु को परिभाषित किया गया था और सक्रियण के 3 आयामी क्षेत्र के ज्यामितीय केन्द्रक के रूप में गणना की.

उत्तेजना आयाम निर्धारित करने के लिए, दो संपर्कों को एक monopolar विन्यास में (50% और 50% दो संपर्कों पर संभावित नकारात्मक) cathodes sourced वर्तमान मॉडल सीमाओं से बराबर वर्तमान घनत्व के साथ दिया जा निर्दिष्ट किया गया है. उत्तेजना आयाम तो iteratively बढ़ा दिया गया था जब तक पहली सक्रिय फाइबर (यह हमेशा एक पृष्ठीय स्तंभ फाइबर) मनाया गया. यह पहली सक्रियण के लिए नैदानिक ​​सेटिंग में एक रोगी द्वारा paresthesia की पहली धारणा के लिए सहसंबंधी मान लिया था. मॉडल में, वर्तमान तो 1.4 * (मा पहली फाइबर को सक्रिय करने के लिए) करने के लिए बढ़ा दिया गया था और सक्रियण के परिणामस्वरूप क्षेत्र के केन्द्रक की गणना की गई. सभी स्टीयरिंग कदम (100:0 करने के लिए 0:100) के Centroids गणना पिछले चरण में निर्धारित आयाम के साथ थे. केन्द्रक परिवर्तन का औसत संकल्प केन्द्रक स्थान रेंज वर्तमान चरणों द्वारा विभाजित किया गया था.

3. परिणाम:

जब उत्तेजना दोहरी सुराग के बीच mediolaterally स्टीयरिंग, कम्प्यूटेशनल मॉडल भविष्यवाणी की है कि प्रत्येक संपर्क के लिए स्वतंत्र वर्तमान स्रोतों के साथ एक युक्ति एक एकल स्रोत प्रणाली (100 3 बनाम) की तुलना में अधिक केंद्रीय पृष्ठीय स्तंभ पर उत्तेजना के अंक को लक्षित कर सकते हैं. इस का एक परिणाम के रूप में उत्तेजना के केंद्रीय बिंदु के समायोजन के संकल्प के एक multisource प्रणाली के साथ उम 30, लगभग एक एकल स्रोत प्रणाली (चित्रा 3 देखें) की तुलना में 50 गुना वृद्धि है.

चित्रा 3
चित्रा 3. कम्प्यूटेशनल मॉडल निम्नलिखित भविष्यवाणियों बनाता है. ए दोहरी नेतृत्व विन्यास: monopole उत्तेजना के साथ सुराग के बीच 2.0 मिमी जुदाई. बी एकल स्रोत उपकरणों है कि एक एकल, सभी संपर्कों के लिए साझा शक्ति के स्रोत प्रदान उत्तेजना के तीन केंद्रीय अंक लक्ष्य जब उत्तेजना mediolaterally स्थानांतरण (1 मिमी की एक औसत पर 2 मिमी नेतृत्व जुदाई के साथ कदम आकार) कर सकते हैं. सी: एक समर्पित शक्ति के स्रोत के लिए प्रत्येक संपर्क के 100 केंद्रीय अंक laterally पृष्ठीय स्तंभ में कर सकते हैं लक्ष्य जब वेतन वृद्धि 1%, या 10 केंद्रीय अंक में वर्तमान fractionalizing जब 10% वेतन वृद्धि (0.02 मिमी की 1% के लिए कदम आकार में fractionalizing के साथ एक डिवाइस चरणों और चरणों के लिए 10% औसत पर 0.2 मिमी).

Discussion

केंद्र उच्च संकल्प के साथ पृष्ठीय स्तंभ में उत्तेजना क्षेत्रों के लिए की क्षमता paresthesia दर्द के रोगियों में ओवरलैप के बेहतर अनुकूलन के लिए अनुमति दे सकता है. यह एक भी रोगी में है, पृष्ठीय स्तंभों में सक्रियण के क्षेत्र दर्दनाक क्षेत्रों के कवरेज को अधिकतम करने के लिए ध्यान केंद्रित किया जा सकता है जबकि कम से कम दुष्प्रभाव (अवांछित फाइबर, जो undesireable स्थानों में paresthesia उत्पन्न या बना सकते हैं मोटर या autonomic की उत्तेजना के कारण ) प्रभाव.

Disclosures

लेखकों बोस्टन वैज्ञानिक Neuromodulation के कर्मचारी हैं.

Acknowledgments

यह अध्ययन बोस्टन वैज्ञानिक Neuromodulation द्वारा वित्त पोषित किया गया था.

Materials

Name Company Catalog Number Comments
NEURON
ANSYS
Matlab

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