Спинной управляемость колонна с двойной снабжении параллельного использования выделенного источников энергии: Вычислительная модель

1. Введение: Стимуляция спинного мозга, или СКС, как было клинически применяется с 1967 года, когда доктор Норманн Шели первой стимуляции имплантированными электродами на спинной столбцов в попытке оказания помощи пациентам с хроническими, неразрешимых боли (Шели и соавт., 1967). СКС является клинической реализации ворота теория, которая гласит, что активация больших миелинизированных афферентных нервов, являющиеся посредниками прикосновения и давления ощущений, может подавлять, или "закрыть ворота" на передачу болевых сигналов в высшие центры головного мозга (Melzack и стены , 1965). Технология СКС улучшилась за последние десятилетия, с более надежной стимуляции оборудования лучше, направленных на стимулирование спинного колонны развивалась. Ключ к эти улучшения были более глубокое понимание нейроанатомии и нейрофизиологии спинного мозга, имеющие отношение к клинической электростимуляции. Это понимание было выдвинутые вычислительного моделирования СКС. Численное моделирование нейронов была использована, чтобы понять основные механизмы нервного возбуждения с математической модели Ходжкина и Хаксли был впервые описан (Ходжкин и Хаксли, 1952). Нейронной активности модуляции электрического поля применяется в качестве внутриклеточных инжекции тока и внеклеточной потенциальных полей. Ranck качественно обсуждали, как изменения во внеклеточной напряжение в непосредственной близости от аксона причиной некоторых регионах мембрана аксона деполяризовать и других hyperpolarize (Ranck, 1975). Расчетная модель для СКС была первоначально разработана Коберн и Sin (Коберн, 1980) и был значительно способствовало Holsheimer и коллеги, начиная с Struijk и развития Holsheimer о трехмерной модели области СКС (Holsheimer и Struijk, 1988). Их вычислительная модель оценкам влияние анатомических параметров на пороги спинным волокна колонке (Struijk и соавт., 1992), предсказал, потенциальные места возбуждения в спинном волокна корня (Struijk и соавт., 1993b), а также проанализировали воздействие CSF толщина (Struijk и др., 1993a). клинические проверки (Он и др., 1994;. Holsheimer и др., 1995a;.. Holsheimer и др., 1994). Модель внесли значительный вклад в дизайн стимуляции дизайн свинец, предлагая оптимальные параметры для размера контакта и расстояние (Holsheimer и Struijk, 1992; Holsheimer и Весселинка, 1997), в пользу льготных стимуляции спинного волокна столбе над мочек (Holsheimer и др.,. 1995b). 2. Методы: Математические модели определения Конечных элементов математической (FEM) была создана модель с низким уровнем грудного спинного мозга и его окружающей средой. Модель FEM состоял из спинного мозга белого и серого вещества, спинномозговая жидкость, оболочки, эпидуральное пространство ткани, позвоночной кости и двух цилиндрических приводит многоконтактный. Каждый привести состояла из восьми цилиндрических платины и иридия контакты (проведение доменов, 3 мм длины и 1,25 мм в диаметре), разделенных длиной 1 мм изоляционных полимера (непроводящих областей, 1 мм длиной). Приводит были расположены в верхней части, поверх твердой мозговой оболочки, и симметрично, 1 мм с каждой стороны средней линии спинной мозг. В модели, "толщина" слоя спинномозговой жидкости между контактами и дорсальной поверхности спинного мозга (DCSF) было указано, чтобы быть 3,2 мм. Геометрия модели показан на рисунке 1А и электрических сопротивлений приведены в таблице, значения ближайшие преимущественно из литературы (Holsheimer, 2002;. Весселинка и др., 1999). Объем был вперемешку с более 1 миллиона узлов, с высокой плотностью сетки в области, близкой к электродам, где расположены, как показано на рисунке 1b. Рисунок 1. Изображение сетки МКЭ для спинного мозга и многоконтактный свинца. () Компоненты и структуры модели. (В) Модель сетки – только высокой части плотности показано на рисунке. Сетка была разделена на участки переменной плотности узла: у контактов (≤ 300 мкм); изолятор, длительность и спинного мозга (≤ 750 мкм); эпидуральное пространство (≤ 3000 мкм) и позвоночной кости (≤ 5000 мкм). В таблице 1 значения сопротивления FEM доменов (Holsheimer, 2002;. Весселинка и др., 1999). И модификации (эпидуральное пространство), чтобы соответствовать клинических данных. Спинного геометрии шнура (рис. 2) была создана с помощью комбинации функций из соответствующих источников литературы. Сечение шнура была получена из Kameyama и др., а также задний корешок (DR) траектории Struijk и др., было принято (Kameyama и др., 1996;… Struijkи соавт., 1993b). Спинной колонки (DC) волокна были размещены на регулярной сетке (200um для медиолатеральной направлении и 100 мкм дорсовентральной направлении, см. рисунок 2А) и прогнозируемого в rostrocaudal направлении. Каждый ДР был смоделирован как волокна «мать» большего диаметра связано с волокон дочери раздвоенные меньшего диаметра (рис. 2В). Рисунок 2. Структура модели спинного мозга. (А) транзакций зрения спинной мозг и спинной расположение волокна колонке. (B) Спинной корни состоят из волокна матери и раздвоенные волокна дочь. Траектория мать волокна оцифрованном с Struijk 1993 года. (C) Трехмерный вид спинного мозга и DR волокон. Модель исследования Как только приводит были помещены в модели, два типа стимуляторов были реализованы путем определения токов для двух параллельных контактов. Для единой системы источника, существует три возможных способа доставки ток: a. левый контакт имеет все тока; b. двумя контактами в каждом доставить 50% от тока; c. правый контакт обеспечивает все текущие. Отметим здесь, что сопротивление двух контактов считается равной, хотя вряд ли это быть правдой в клиническом применении. Для системы из многих источников, каждый контакт был определен иметь свой собственный источник тока, управляемый в 1% дополнительных текущих изменений между контактами. Другими словами, если суммарный ток доставлены две контактов 10 мА, в системе многих источников тока на каждый контакт был указан в любой фракции от общего числа, до тех пор, как сумма токов через каждый контакт равный 10 мА. Например, левый контакт может доставить 6,8 мА, где правый контакт затем доставить 3,2 мА. Для системы из многих источников, 100 дробных расколов текущих были запрограммированы таким образом. Для расчета область активации в течение спинной столбцах по каждой системы, активация функции анализ. Активация функции приближения изменения трансмембранного потенциала при внеклеточной стимулирующие ток подводится к нервной ткани для данного электрода и волоконно геометрии. Области активации был определен как локус волокон в модели, где активация функции (или просто второй разности напряжений вдоль аксона) превысил заданный порог (например, 0.1mV/mm2). Центральная точка стимуляции было определено и рассчитывается как геометрическое центр тяжести 3-мерную область активации. Чтобы определить, стимуляции амплитуда, два контакта были определены для катодов (50% и 50% отрицательный потенциал на двух контактов) в монополярной конфигурации (источником текущих поставляется с эквивалентной плотности тока от модели границ). Стимуляции амплитуда затем многократно увеличилось до первого волокна активированного наблюдалось (это было всегда спинным волокна колонка). Это первая активация предполагалось соотносить с первого восприятия парестезии на пациента в клинических условиях. В модели, тока тогда увеличился до 1,4 * (мА для активации первой волокна) и центр тяжести в результате область активации был рассчитан. Центроиды всеми маневрами шагов (100:0 до 0:100) были вычислены с амплитудой определяется на предыдущем шаге. Среднее разрешение центроида изменение центра тяжести спектра хранилища на текущий шагов. 3. Итог: Когда рулевое стимуляции mediolaterally между двойным ведет, вычислительная модель предсказывает, что устройства с независимыми источниками тока для каждого контакта можно ориентировать более центральными точками стимуляции спинного столба, чем единая система источников (100 против 3). В результате этого, в резолюции регулировки центральной точке стимуляции составляет 30 мкм с системой многих источников, приближенных 50-кратное увеличение по сравнению с одного источника систем (см. Рисунок 3). Рисунок 3. Вычислительная модель делает следующие прогнозы. А. Двойная конфигурация свинца: 2,0 мм расстояние между ведет с монопольным стимуляции. B. Отдельные приборы источник, который обеспечивает один общий источник питания для всех контактов, могут ориентироваться на трех центральных точках стимуляции при переключении стимуляции mediolaterally (размер шага в 1 мм в среднем с 2 разделения привести мм). C: устройства с выделенным источником питания для каждого контакта можно ориентировать 100 центральных точек в сторону спинного столбца при fractionalizing текущей с шагом 1%, или 10 центральных моментов, когда fractionalizing с шагом 10% (размер шага 0,02 мм на 1% шаги и 0,2 мм для 10% шагов в среднем).