טור Steerability הגב עם מוביל מקביל Dual באמצעות מקורות כוח ייעודי: מודל חישובי

Medicine
 

Summary

באמצעות מודל מתמטי של גירוי חוט השדרה, מצאנו כי מערכת מרובת מקור עם מקורות כוח עצמאיים עבור כל איש קשר ניתן למקד יותר נקודות המרכזי של גירוי על העמודה הגבית (100 לעומת 3) ויש לו 50 של פי יותר היגוי ברזולוציה שדה ( 0.02mm לעומת 1mm) מאשר מערכת מקור יחיד.

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

בשנת גירוי חוט השדרה (SCS), ההתאמה של גירוי הנגרם paresthesia על אזורים כואבים בגוף היא תנאי הכרחי עבור יעילות טיפולית. מאז דפוסי כאב המטופל יכול להיות ייחודי, תצורה נפוצה היא גירוי את המיקום של שני מוביל במקביל במרחב אפידורל הגבי. לבנות זה מספק גמישות היגוי גירוי הנוכחית mediolaterally על העמודה הגבית להשיג יותר כאב paresthesia חפיפה. באמצעות מודל מתמטי עם הפצה סיבים בקוטר מדויק, למדנו את היכולת של מקבילים כפול מוביל לנווט בין גירוי קשרים סמוכים על מקבילים כפול מוביל באמצעות (1) מערכת מקור יחיד, ו (2) מערכת מרובת המקור, עם מוקדש מקור הזרם עבור כל איש קשר. המנצח נפח המודל של חוט נמוכה השדרה החזי עם מקבילים כפול epidurally בעמדה (2 ההפרדה מ"מ) מוביל מלעורית נוצר הראשונה, השדה החשמלי חושבה באמצעות ANSYS, כלי מידול אלמנטים סופיים. הפעלת הפונקציה עבור 10 סיבים אממ חושבה כהפרש השני של הפוטנציאל תאיים לאורך הצמתים של Ranvier על סיבי העצב בעמודה הגבי. היקף ההפעלה (VOA) ו הנקודה המרכזית של VOA חושבו בעזרת סף קבוע מראש של הפונקציה הפעלת. המודל בהשוואה ההיגוי בתחום התוצאות עם מקור יחיד לעומת ייעודי המקור מערכות חשמל ב -8 מגע מוביל כפול גירוי. המודל חזה כי מערכת מרובת מקור יכול למקד יותר נקודות המרכזי של גירוי על העמודה הגבית מאשר מערכת מקור יחיד (100 לעומת 3) ואת הצעד ההגה מתכוון היגוי mediolateral הוא 0.02 מ"מ מקור מרובת מערכות נגד 1 מ"מ עבור מערכות מקור יחיד, שיפור של פי 50. היכולת האזורים מרכז הגירוי בעמודה הגב עם רזולוציה גבוהה עשוי לאפשר אופטימיזציה טובה יותר של paresthesia-כאב חפיפה בחולים.

Protocol

1. מבוא:

גירוי חוט השדרה, או SCS, הוחל קלינית מאז 1967, כאשר ד"ר נורמן Shealy first מושתל אלקטרודות גירוי על עמודות הגב בניסיון לספק הקלה עבור חולים עם כאב כרוני סורר (Shealy et al., 1967). SCS הוא יישום קליני של התיאוריה שער, אשר טוען כי הפעלת גדול עצבים מביא myelinated אשר מתווכים מגע תחושות לחץ, יכול לעכב, או "לסגור את השער" על העברת אותות הכאב למרכזים גבוהים יותר במוח (מלזק & הכותל , 1965). טכנולוגיה עבור SCS השתפר במשך עשרות שנים, עם ציוד גירוי אמין יותר מעוצב טוב יותר כדי לעורר את העמודות הגב התפתח.

מפתח שיפורים אלו כבר הבנה מוגברת של neuroanatomy ו נוירופיזיולוגיה של חוט השדרה רלוונטי גירוי חשמלי קליניים. הבנה זו כבר מתקדמת על ידי מודלים חישוביים של SCS. מודלים חישוביים של נוירונים נעשה שימוש כדי להבין את המנגנונים הבסיסיים של גירוי עצבי מאז מודל מתמטי של הקסלי ו הודג'קין תוארה לראשונה (הודג'קין לבין הקסלי, 1952). פעילות עצבית היא מווסתת על ידי שדות חשמליים להחיל כזריקה הנוכחית תאיים ושדות פוטנציאל תאיים. Ranck איכותית דנו כיצד שינויים מתח תאיים באזור האקסון גורם בכמה אזורים של קרום האקסון אל depolarize ואחרים hyperpolarize (Ranck, 1975).

מודל חישובי עבור SCS פותחה תחילה על ידי קובורן וסין (קובורן, 1980) והיה משמעותי furthered ידי Holsheimer ועמיתיו, החל Struijk ופיתוח של Holsheimer של מודל תלת ממדי השדה של SCS (Holsheimer ו Struijk, 1988). מודל חישובי שלהם העריכו את ההשפעה של פרמטרים אנטומיים על הסף של סיבי העמודה הגבית (Struijk et al., 1992), ניבא את מיקום הפוטנציאל של עירור בסיבים השורש הגבי (Struijk et al. 1993b), ניתח את ההשפעה של CSF עובי (Struijk et al, 1993a.) עם אישורים רפואיים (הוא et al, 1994;. Holsheimer et al, 1995a,.. Holsheimer et al, 1994). המודל תרומה משמעותית העיצוב של עיצוב להוביל גירוי, מה שמרמז על הפרמטרים האופטימלי עבור גודל המרווח קשר (Holsheimer ו Struijk, 1992; Holsheimer ו Wesselink, 1997), לטובת גירוי מועדף של סיבי טור הגבי מעל סיבי שורש (Holsheimer et al,. 1995b).

2. שיטות:

מודל מתמטי Definition

מתמטית אלמנטים סופיים (פאם) מודל נוצרה של חוט נמוכה השדרה החזי והסביבה שלה. המודל פאם כללה משנה חוט השדרה לבן ואפור, הנוזל השדרתי, הדורה, רקמה אפידורל בחלל העצם בחוליות, ושני מוביל multicontact גלילי. להוביל כל בת שמונה פלטינה אירידיום הקשר גלילי (דומיינים ניצוח, אורך 3mm ו בקוטר 1.25 מ"מ), מופרדים על ידי אורכי 1mm של בידוד פולימר (שאינם מנהלים תחומים, אורך 1 מ"מ). מוביל הוצבו dorsally, על גבי דורה, סימטרי, 1mm לכל צד של קו האמצע של חוט השדרה. במודל, "עובי" של שכבת הנוזל השדרתי בין אנשי הקשר ואת השטח הגבי של חוט השדרה (dCSF) צוין להיות 3.2mm. הגיאומטריה של המודל מתוארת באיור 1A ו resistivities חשמלי ניתנים לוח, ערכים באים בעיקר מן הספרות (Holsheimer, 2002;. Wesselink et al, 1999). נפח היה מרושת עם למעלה מ 1 מיליון צמתים, רשת עם צפיפות גבוהה באזור קרוב למקום שבו אלקטרודות ממוקמים כפי שמתואר באיור 1B.

איור 1
באיור 1. תיאור של רשת של פאם על חוט השדרה ולהוביל multicontact. (א) רכיבי המבנה של הדגם. (ב) רשת דגם - רק את החלק צפיפות גבוהה מוצג. רשת היה מקוטע למקטעים של צפיפות הצומת משתנה: ליד הקשר (≤ 300 מיקרומטר), מבודד הדורה וחוט השדרה (≤ 750 מיקרומטר); מרחב אפידורל (≤ 3000 מיקרומטר); ועצם השדרה (≤ 5000 מיקרומטר).

טבלה 1
טבלה 1 ערכי ההתנגדות של תחומים פאם (Holsheimer, 2002;. Wesselink et al, 1999). ושינוי (חלל אפידורלי) כדי להתאים את הנתונים הקליניים.

הגיאומטריה חוט השדרה (איור 2) נוצר באמצעות שילוב של תכונות ממקורות הספרות הרלוונטית. חתך של חוט נגזר קאמיאמה ואח', ואת השורש הגבי (DR) מסלול של Struijk ואח' אומצה (קאמיאמה et al, 1996;... Struijket al. 1993b). הגבי (DC) סיבי טור הונחו על רשת רגיל (200um כיוון mediolateral וכיוון dorsoventral 100um; לראות בתרשים 2A) ו מוקרן לכיוון rostrocaudal. DR בכל עוצבה כמו סיב 'אמא' קוטר גדול המחובר סיבי "הבת" מפוצלת בקוטר קטן יותר (איור 2 ב).

איור 2
איור 2. מבנה המודל חוט השדרה. (א) להציג Transactional של חוט השדרה ואת המיקום של סיבים טור הגב. (ב) שורשי הגב מורכבים סיבים אמא וסיבים בת מפוצלת. מסלולו של סיבים האם היה דיגיטציה של Struijk 1993. (ג) שלוש להציג ממדי של חוט השדרה וסיבים DR.

דגם חקירה

לאחר מוביל הוצבו בתוך המודל, שני סוגי לגירוי יושמו על ידי הגדרת הזרמים שני קשרים במקביל. עבור מערכת מקור יחיד, היו שלוש שיטות אפשרי לספק הנוכחי: א הקשר השמאלי יש את כל הנוכחי; ב שני אנשי קשר בכל לספק 50% הנוכחי; ג הקשר הימני מספק את כל הנוכחי. נציין כאן כי עכבה של שני קשרים ההנחה היא שווה, אם כי זה לא סביר שיהיה נכון ביישום קליני.

עבור מערכת multisource, כל איש קשר הוגדר להיות מקור זרם משלו לשליטה ב 1% שינויים הנוכחית מצטבר בין אנשי הקשר. במילים אחרות, אם הנוכחי הכולל מסירת שני אנשי קשר הוא 10mA, במערכת multisource הנוכחי ליצור קשר עם כל אחד צוין לשבר כל מסך, כל עוד סכום של הזרמים דרך 10mA כל קשר שווה. לדוגמה, הקשר השמאלי עשוי לספק 6.8 mA שם איש הקשר הימני ביותר היה אז לספק 3.2 mA. עבור מערכת multisource, 100 השבר מתפצל הזרם תוכנתו בצורה כזו.

כדי לחשב את אזור ההפעלה בתוך העמודות הגבי על ידי כל מערכת, ניתוח פונקציה הפעלת בוצעה. הפונקציה הפעלת הוא קירוב של השינוי בפוטנציאל הטרנסממברני כאשר זרם מגרה תאי מוחל על רקמה עצבית עבור האלקטרודה נתון בגיאומטריה סיבים. האזור של הפעלת הוגדר מוקד של סיבי במודל שבו הפעלת הפונקציה (או ההבדל השני פשוט של מתח לאורך האקסון) עלה סף קבוע מראש (דוגמה 0.1mV/mm2). הנקודה המרכזית של גירוי הוגדר מחושב centroid גיאומטרי של אזור 3 מימדי ההפעלה.

כדי לקבוע אמפליטודה גירוי, שני קשרים צוינו להיות cathodes (50% פוטנציאל שלילי של 50% על שני קשרים) בתצורה monopolar (שמקורו הנוכחי נמסר עם צפיפות זרם שווה בין גבולות מודל). משרעת גירוי אז גדל iteratively עד סיבים first מופעל נצפתה (זה תמיד היה סיבים טור הגבי). הפעלה זו הראשון היה להניח, כדי לקשר בין התפיסה הראשונה של paresthesia על ידי המטופל במסגרת הקלינית. במודל, הנוכחי הוגדל ואז 1.4 * (mA להפעיל סיבים הראשון) ואת centroid של האזור כתוצאה של הפעלת חושבה. Centroids של כל הצעדים היגוי (100:0 עד 0:100) חושבו עם משרעת נקבע בשלב הקודם. רזולוציה ממוצע של שינוי centroid היה מגוון המיקום centroid מחולק השלבים הנוכחיים.

3. התוצאה:

כאשר הגירוי mediolaterally היגוי בין מוביל כפול, את מודל חישובי צופה כי מכשיר עם מקורות זרם עצמאי עבור כל איש קשר ניתן למקד את הנקודות המרכזיות יותר של גירוי על העמודה הגבית מאשר מערכת מקור יחיד (100 לעומת 3). כתוצאה מכך, הרזולוציה של התאמת הנקודה המרכזית של גירוי הוא 30 אממ עם מערכת multisource, גידול של פי 50 בקירוב בהשוואה ל-מקור יחיד מערכות (ראה איור 3).

איור 3
איור 3. מודל חישובי הופך את התחזיות הבאות. תצורה א להוביל כפולה: 2.0 מ"מ הפרדה בין מוביל עם גירוי מונופול. מכשירים ב מקור יחיד המספקים מקור יחיד, כוח משותף לכל אנשי הקשר יכול למקד שלוש נקודות מרכזיות של גירוי כאשר הסטה גירוי mediolaterally (גודל הצעד של 1 מ"מ בממוצע עם הפרדה 2 להוביל מ"מ). C: מכשיר בעל מקור כוח ייעודי עבור כל איש קשר ניתן יעד 100 נקודות המרכזי רוחבית בעמודה הגב כאשר fractionalizing הנוכחית במרווחים של 1%, או 10 נקודות, כאשר המרכזי fractionalizing במרווחים של 10% (גודל הצעד של 0.02 מ"מ על 1% צעדים 0.2 מ"מ עבור מדרגות 10% בממוצע).

Discussion

היכולת האזורים מרכז הגירוי בעמודה הגב עם רזולוציה גבוהה עשוי לאפשר אופטימיזציה טובה יותר של paresthesia-כאב חפיפה בחולים. כלומר, המטופל נתון, אזור ההפעלה בעמודות הגבית עשויה להיות ממוקד על מנת למקסם את כיסוי של אזורים כואבים תוך מזעור תופעות לוואי (עקב גירוי של סיבים רצוי, אשר עשוי ליצור paresthesia במקומות undesireable או ליצור מנוע או האוטונומית השפעות).

Disclosures

הכותבים הם עובדי Neuromodulation בוסטון סיינטיפיק.

Acknowledgments

מחקר זה מומן על ידי בוסטון סיינטיפיק Neuromodulation.

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