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

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. 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 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. 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. 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).