Dorsal Kolumn Styrbarhet med dubbla parallella Leder med dedikerade strömkällor: en beräkningsmodell

Medicine
 

Summary

Med hjälp av en matematisk modell av ryggmärgsstimulering, fann vi att en multi-source-system med oberoende kraftkällor för varje kontakt kan rikta mer centrala punkter av stimulering på rygg kolumnen (100 vs 3) och har 50 gånger högre upplösning fält styrning ( 0,02 mm vs 1 mm) än en single-source-system.

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

I ryggmärgsstimulering (SCS), överensstämmelse av stimulans-inducerad parestesi över smärtsamma kroppen regioner är en förutsättning för terapeutisk effekt. Eftersom patienten smärta mönster kan vara unikt, är en vanlig stimulering konfiguration placering av två leder parallellt i dorsala epiduralrummet. Denna konstruktion ger flexibilitet i styrningen stimulering nuvarande mediolaterally över rygg-kolumnen för att uppnå bättre smärta parestesi överlappar varandra. Med hjälp av en matematisk modell med en riktig fiberdiametern distribution, studerade vi möjligheten med dubbla parallella leder till att styra stimulering mellan närliggande kontakter på dubbla parallella leder med hjälp av (1) en enda källa system, och (2) en multi-source-system, med en dedikerad strömkälla för varje kontakt. Volymen dirigent modell av en låg bröstkorg ryggmärgen med epidurally positionerat två parallella (2 mm separation) var perkutan leder först skapade, och det elektriska fältet beräknades med hjälp av ANSYS, ett finita element modelleringsverktyg. Den aktiverar funktionen för 10 um fibrer beräknades som andra skillnaden i den extracellulära potentialen längs noder Ranvier på nervtrådarna i dorsala kolumnen. Volymen aktivering (VOA) och den centrala punkten i VOA har beräknats genom en förutbestämd tröskel att aktivera funktionen. Modellen jämförde resultaten fältet styrning med enda källa kontra specialutformade system strömkälla med dubbla 8-kontakt stimulering leder. Den modell förutspådde att flera källor systemet kan rikta mer centrala punkter stimulering på den dorsala kolumnen än en enda källa systemet (100 vs 3) och medelvärdet för styrning steg för mediolateral styrningen är 0,02 mm för flera källsystem vs 1 mm för enda källa system, en 50-faldig förbättring. Förmågan att centrera stimulering regioner i rygg-kolumnen med hög upplösning kan möjliggöra en bättre optimering av parestesi-smärta överlappning hos patienter.

Protocol

1. Inledning:

Ryggmärgsstimulering eller SCS, har varit kliniskt tillämpats sedan 1967, då dr Norman Shealy first inopererade stimulering elektroderna över rygg kolumner i ett försök att ge lindring för patienter med kronisk, svårbehandlad smärta (Shealy et al., 1967). SCS är den kliniska tillämpningen av Gate teorin, som hänvisar till att aktivering av stora myeliniserade afferenta nerver som förmedlar beröring och känslor tryck, kan hämma, eller "stänga grinden" på överföringen av smärtsignaler till högre centra i hjärnan (Melzack & Vägg , 1965). Teknik för SCS har förbättrats under decennier, med mer tillförlitliga stimulering utrustning bättre utformade för att stimulera rygg kolumner har utvecklats.

Nyckeln till dessa förbättringar har varit en ökad förståelse för neuroanatomi och neurofysiologi av ryggmärgen som är relevanta för klinisk elektrisk stimulering. Denna förståelse har framförts av datormodellering av SCS. Datormodellering av nervceller har använts för att förstå grundläggande mekanismer för neural stimulering sedan Hodgkin och Huxleys matematisk modell beskrevs första gången (Hodgkin och Huxley, 1952). Neural aktivitet moduleras av elektriska fält tillämpas intracellulära aktuella injektion och extracellulära potentiella fält. Ranck diskuteras kvalitativt hur förändringar i den extracellulära spänning i närheten av ett axon orsaka vissa regioner i axonet membran depolarize och andra att hyperpolarize (Ranck, 1975).

En beräkningsmodell för SCS ursprungligen utvecklades av Coburn och Sin (Coburn, 1980) och var betydligt främjas genom Holsheimer och kollegor, med början Struijk och Holsheimer utveckling av en tredimensionell fält modell av SCS (Holsheimer och Struijk, 1988). Deras beräkningsmodell uppskattas effekten av anatomiska parametrar på tröskelvärdena för dorsal kolumn fibrer (Struijk et al., 1992), förutspådde den potential platsen för excitation i dorsala fibrer (Struijk et al. 1993b), och analyseras effekten av CSF tjocklek (Struijk et al, 1993a.) med klinisk validering (Han et al, 1994;. Holsheimer et al, 1995a;.. Holsheimer et al, 1994). Modellen har bidragit väsentligt till utformningen av stimulering leder konstruktion, vilket tyder på optimala parametrar för kontakt storlek och avstånd (Holsheimer och Struijk, 1992; Holsheimer och Wesselink, 1997), att gynna stimulering av företrädesvis den dorsala kolumnen fibrer över roten fibrer (Holsheimer et al,. 1995b).

2. Metoder:

Matematisk modell Definition

En finita element matematisk (FEM) modell har skapats av den låga bröstkorg ryggmärgen och dess omgivande miljö. FEM-modellen bestod av ryggmärgen vit och grå materia, cerebrospinalvätska, dura, epiduralrummet vävnad, vertebrala ben och två cylindriska leder multicontact. Varje leda bestod av åtta cylindriska platina-iridium kontakter (ledande domäner, 3mm längd och 1,25 mm i diameter), åtskilda av 1mm längder av isolerande polymer (icke ledande domäner, 1 mm längd). Det leder placerades dorsalt, ovanpå dura, och symmetriska, 1mm på varje sida av mittlinjen ryggmärgen. I modellen var "tjock" av ryggmärgsvätskan lagret mellan kontakter och dorsala ytan av ryggmärgen (dCSF) som anges vara 3,2 mm. Geometrin av modellen illustreras i Figur 1A och elektrisk resistivitet ges i Tabell I, värderingar kommer främst från litteraturen (Holsheimer, 2002;. Wesselink et al, 1999). Volymen var sammanflätat med över 1 miljon noder, med en hög densitet nät i regionen nära där elektroderna är placerade som i figur 1B.

Figur 1
Figur 1. Avbildningar av maskan i FEM för ryggmärgen och multicontact bly. (A) Komponenter och struktur modell. (B) Modell mesh - bara hög densitet delen visas. Nätet var uppdelad i sektioner av rörlig nod densitet: nära kontakter (≤ 300 mikrometer), isolator, dura och ryggmärgen (≤ 750 mikrometer), epiduralrummet (≤ 3000 mikrometer), och vertebrala ben (≤ 5000 mikrometer).

Tabell 1
Tabell 1 Resistivitet värden för FEM domäner (Holsheimer, 2002;. Wesselink et al, 1999). Och modifiering (epiduralrummet) för att matcha kliniska data.

Ryggmärgen geometri (Figur 2) har skapats med en kombination av funktioner från relevant litteratur källor. Tvärsnittet av sladden härleddes från Kameyama et al, och den dorsala (DR) bana Struijk et al antogs (Kameyama et al, 1996;... Struijket al. 1993b). Dorsal kolumn (DC) fibrer har släppts ut på regelbundna rutnät av (200um för mediolateral riktning och 100um dorsoventral riktning, se figur 2A) och beräknas i rostrocaudal riktning. Varje DR var modelleras som en större diameter "mamma" fiber ansluten till tvåspetsnitar "dotter" fibrer av mindre diameter (Fig. 2B).

Figur 2
Figur 2. Struktur ryggmärgen modell. (A) Transactional syn på ryggmärgen och lokalisering av dorsala kolumnen fibrer. (B) ryggfenan rötter består av en mor fiber och tvillingkontakter fibrer dotter. Banan för modern fiber var digitaliserade från Struijk 1993. (C) Tredimensionell bild av ryggmärgen och DR fibrer.

Modell Utredning

När leder placerades i modellen, var de två typerna av stimulatorer genomförts genom att definiera strömmarna för två parallella kontakter. För en enda källa system, fanns det tre möjliga metoder för att leverera ström: a. den vänstra kontakten har alla nuvarande, b. de två kontakter vardera ger 50% av den nuvarande, c. längst till höger kontakten ger dig alla de nuvarande. Vi noterar här att impedansen hos den två kontakter antas lika, men detta är osannolikt att vara sant i klinisk tillämpning.

För Multisource systemet var varje kontakt definieras för att ha en egen strömkälla kontrolleras i 1% inkrementella aktuella förändringar mellan kontakterna. Med andra ord, om den totala strömmen som levereras till två kontakter är 10 mA, i Multisource systemet strömmen till varje kontakt angavs till någon del av den totala, så länge som summan av de strömmar genom varje kontakt lika 10mA. Till exempel kan den vänstra kontakten ger 6,8 mA när den högra kontakten skulle då ge 3,2 mA. För Multisource systemet, delar upp 100 fraktionerad av nuvarande var programmerade på detta sätt.

För att beräkna regionen aktivering inom de dorsala kolumnerna genom att varje system har en aktiverande funktion analys. Den aktiverar funktionen är en approximation av förändringen i transmembrana potential när extracellulära stimulerande ström appliceras på nervvävnad för en given elektrod och fiber geometri. Regionen aktivering definierades som locus av fibrer i modellen där aktivera funktionen (eller helt enkelt andra skillnaden på spänningar längs axonet) överskred ett lägsta (ex. 0.1mV/mm2). Den centrala punkten av stimulans definierades och beräknas som den geometriska tyngdpunkt av 3-dimensionella regionen aktivering.

För att avgöra stimulering amplitud, var de två kontakterna specificerade för att vara katoder (50% och 50% negativa potential på två kontakter) i en monopolär konfiguration (köps nuvarande levereras med motsvarande strömtäthet från modell gränser). Den stimulans amplituden var då iterativt ökas tills den första fibern aktiverade observerades (det var alltid en dorsal kolumn fiber). Denna första aktivering antogs att korrelera till första uppfattning om parestesi av en patient i den kliniska miljö. I modellen var aktuell då ökat till 1,4 * (mA till först aktivera fiber) och tyngdpunkten av den resulterande regionen aktivering beräknats. Centroids av alla styr-steg (100:0 till 0:100) beräknades med amplituden bestäms i föregående steg. Genomsnittlig upplösning centroiden förändringen var centroiden plats utbud dividerat med aktuella stegen.

3. Utfall:

När styrning stimulering mediolaterally mellan dubbla leder förutspår beräkningsmodell som en enhet med självständig nuvarande källor för varje kontakt kan rikta mer centrala punkter stimulering på den dorsala kolumnen än en enda källa systemet (100 vs 3). Som en följd av detta är upplösningen på justeringen av den centrala punkten i stimulering 30 um med en Multisource system, en cirka 50-faldig ökning jämfört med single-source-system (se figur 3).

Figur 3
Figur 3. Beräkningsmodell gör följande förutsägelser. A. Dubbla leda konfiguration: 2,0 mm avstånd mellan leder med enpolig stimulering. B. En enda enheter som ger en enda, gemensam strömkälla för alla kontakter kan rikta tre centrala punkter av stimulering vid växling stimulering mediolaterally (ett steg med 1 mm i genomsnitt med 2 mm bly separation). C: En enhet med en egen strömkälla för varje kontakt kan rikta 100 centrala punkter i sidled i den dorsala kolumnen när fractionalizing ström i steg om 1%, eller 10 centrala punkter när fractionalizing i steg om 10% (ett steg storlek på 0,02 mm för 1% steg och 0,2 mm för 10% steg i genomsnitt).

Discussion

Förmågan att centrera stimulering regioner i rygg-kolumnen med hög upplösning kan möjliggöra en bättre optimering av parestesi-smärta överlappning hos patienter. Det är, i en viss patient, får regionen aktivering i dorsala kolumnerna riktas för att maximera täckningen av smärtsamma områden samtidigt minimera biverkningar (på grund av stimulering av oönskade fibrer, som kan generera parestesier i undesireable platser eller skapa motorn eller autonoma effekter).

Disclosures

Författarna är anställda i Boston Scientific Neuromodulering.

Acknowledgments

Denna studie har finansierats av Boston Scientific Neuromodulering.

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