به تازگی منتشر شده است: مقاله در مورد مدل سازی تحریک ستون فقرات

در نسخه 2012 شبیه سازی Multiphysics ، مقاله ای در مورد مدل سازی تحریک نخاع برای تعیین تأثیر بافت اسکار بر توزیع جریان الکتریکی در طول درمان درد مزمن ارائه کردیم. اخیراً مقاله کامل توسط محققان Beth Israel Deaconess جفری آرل، کریس کارلسون، لونگژی می و جی شیلز در مجله Neuromodulation منتشر شده است .

مدلسازی اثر بافت اسکار در تحریک نخاع

تحریک طناب نخاعی (SCS) برای تسکین درد مزمن کمر و پا با کاشت الکترودهای جراحی که پتانسیل الکتریکی را مستقیماً به ستون فقرات اعمال می کند، استفاده می شود. این درمان با ارسال پالس های الکتریکی از طریق طناب نخاعی انجام می شود که با سلول هایی که سیگنال های درد را به مغز می فرستند ارتباط برقرار می کنند و از کار می اندازند. پالس ها را می توان افزایش یا کاهش داد یا الگوهای تحریک را می توان توسط برنامه نویس خارجی تغییر داد و بیمار به آن دسترسی داشت.

بیمارانی که درمان SCS را دریافت می‌کنند، الکترودها را در فضای اپیدورال روی ستون پشتی کاشته می‌کنند. با این حال، چند هفته پس از کاشت دستگاه، اسکار فیبروتیک در زیر تماس های الکترود ایجاد می شود که ویژگی های هدایت الکتریکی بافت اطراف الکترود را تغییر می دهد. اغلب، این بدان معنی است که تحریک باید دوباره برنامه ریزی شود تا محرک صحیح را به سلول های هدف مورد نظر برساند، فرآیندی که عموماً از طریق آزمون و خطا انجام می شود.

هندسه آرایه الکترود محرک.
آرایه الکترود محرک در سطح پوست بیرونی دورال نخاع. تشکیل اسکار به رنگ سبز نشان داده شده است. تصویر از کریس کارلسون.

اگرچه SCS از دهه 1960 مورد استفاده قرار گرفته است و هر ساله حدود 30000 روش از این دست انجام می شود، هنوز درک دقیقی از نحوه عملکرد این روش یا تغییر الگوهای تحریک پس از کاشت وجود ندارد. تیم Beth Israel Deaconess با استفاده از COMSOL Multiphysics در ترکیب با نرم‌افزارهای دیگر، مدل‌سازی کرد که چگونه تشکیل اسکار می‌تواند بر توزیع جریان در نخاع تأثیر بگذارد (قبلاً، تحقیقات در کلینیک Lahey، برلینگتون، MA، جایی که محقق جی شیلز هنوز وابسته است، انجام می‌شد).

تحقیقات آنها یکی از اولین تحقیقاتی است که اثرات بافت اسکار را بر روی درمان های SCS مورد بررسی قرار می دهد و اولین تحقیقاتی است که از مدل سازی محاسباتی برای انجام این کار استفاده می کند. در مطالعه خود، تیم یک مدل المان محدود سه بعدی از نخاع، بافت اسکار و الکترودها ایجاد کردند تا تعیین کنند که آیا می‌توانند از شبیه‌سازی برای پیش‌بینی دقیق و تعریف اصلاحات لازم در الگوی محرک پس از تشکیل بافت اسکار استفاده کنند یا خیر.

جلد جلد ژوئن 2014 Neuromodulation با مدلی از تحریک ستون فقرات.
جلد ژوئن 2014 Neuromodulation شامل مقاله “مدل سازی اثرات اسکار بر الگوهای تحریک ستون پشتی” توسط جفری آرل و همکاران، بت اسرائیل دیکونس است. تصویر روی جلد نمودارهای برش COMSOL Multiphysics گزیده ای از مقاله آنها است که پتانسیل میدانی یک کاتد مرکزی را نشان می دهد که توسط دو آند در حین تحریک ستون فقرات با و بدون اسکار کنار گذاشته شده است. تصویر با اجازه John Wiley & Sons, Inc.

پیش بینی پتانسیل شلیک آکسون

شبیه‌سازی‌های ایجاد شده توسط این تیم برای تعیین اینکه کدام آکسون‌ها در ستون‌های پشتی هنگام قرار گرفتن در معرض تحریک فعال می‌شوند و اینکه چگونه الگوهای تحریک خاص در پاسخ به بافت اسکار تغییر می‌کنند، استفاده شد. این مدل به بررسی چگونگی تغییر اسکار در عمق نفوذ و الگوی الیاف فعال در ستون فقرات پرداخت. انتظار تیم این بود که تشکیل اسکار مقاومتی باعث کاهش انرژی نفوذ به الیاف نخاع و در نتیجه کاهش درد بیماران شود. با کمال تعجب، آنها دریافتند که هنگامی که یک اسکار در زیر هر یک از آندهایی که در کنار کاتد مرکزی قرار دارند، ایجاد می‌شود، شکل میدان مخدوش می‌شود و در نتیجه انرژی بیشتری با اثرات غیرقابل پیش‌بینی به نخاع می‌رسد.

نمودارهای حجمی ایجاد شده با COMSOL Multiphysics که توزیع پتانسیل الکتریکی را بر روی نخاع نشان می دهد.
حجم ترسیم می شود که از پشت یک نخاع پنهان به سمت آرایه الکترود محرک (یعنی نمای شکمی) نگاه می کند. نمودارها توزیع پتانسیل الکتریکی را در سطح ماده سفید (آکسون ها یا رشته های عصبی) نخاع نشان می دهند. A: تحریک طبیعی از یک کاتد مرکزی که توسط “نگهبان‌های” آند در کنار آن قرار دارد که میدان را به سمت مرکز ماده سفید متمرکز می‌کند. ب: پس از تشکیل اسکار در زیر آند سمت راست، میدان الکتریکی مورد نظر منحرف می‌شود و تعداد زیادی رشته‌های عصبی را در نواحی بدون هدف تحریک می‌کند. نتیجه عدم تسکین درد و احساس ناراحتی است. ج: برنامه ریزی مجدد آرایه الکترود برای جبران تشکیل اسکار. بدون مدل‌سازی اجزای محدود برای نشان دادن توزیع مجدد میدان حاصل، چنین برنامه‌ریزی مجددی مانند «پرواز کور» است. اینجا، دامنه الکترود مناسب افزایش یافته است. د: تلاش دوم برای برنامه ریزی مجدد آرایه الکترود برای جبران اسکار. دامنه الکترود سمت چپ کاهش یافته و دو الکترود بالا و پایین الکترود مسدود شده توسط اسکار روشن شده اند. تصویر از کریس کارلسون.

نتایج آنها نشان داد که با یک اسکار، هدایت بافت به 0.15 S/m در مقایسه با هدایت اولیه 0.6 S/m کاهش می یابد. این مدل همچنین دو الگوی جبرانی متفاوت را در نظر گرفت – تلاش‌هایی که یک برنامه‌نویس محرک ممکن است برای بازیابی خط پایه اولیه الگوی تحریک قبل از اینکه توسط اسکار مختل شود، انجام دهد.

نمودارهای توزیع پتانسیل الکتریکی را از آرایه الکترود محرک برش دهید
نمودارهای برش از بالا به پایین توزیع پتانسیل الکتریکی از آرایه الکترود محرک. مقایسه با شکل قبلی A: الگوی تحریک طبیعی. مدل‌سازی اجزای محدود نشان داده است که در تحریک نخاع، رشته‌های عصبی که منجر به تسکین درد می‌شود، در یک نوار نازک 0.3 میلی‌متری بر روی لایه بیرونی ماده سفید (سیلندر داخلی)، که تقریباً ناحیه‌ای است که ناحیه زرد لمس می‌کند، قرار دارند. پتانسیل الکتریکی بین دو ناحیه آبی حتی یک جابجایی کوچک از میدان الکتریکی که بزرگی یا تقارن آن را تغییر می‌دهد منجر به از دست دادن تسکین درد و احساسات ناخوشایند احتمالی می‌شود. ب: الگوی توزیع میدان تحریف شده پس از تشکیل اسکار در زیر آند سمت چپ. C و D: الگوهای پس از دو تلاش برای برنامه ریزی مجدد آرایه الکترود برای جبران تشکیل اسکار. تصویر از کریس کارلسون.

مدلی که آنها با COMSOL Multiphysics ایجاد کردند، نشان داد که چگونه در بافت اسکار، با نفوذ عمیق‌تر نسبت به حالت اولیه و بدون اسکار، فعال‌سازی بیشتری وجود دارد، و همچنین چگونه تلاش‌های جبرانی نتوانستند الگوی تحریک پایه را بازیابی کنند. در این مدل، انرژی‌های فعال‌سازی زیر خود اسکار به شدت کاهش می‌یابد، اما کل انرژی ناشی از تحریک ثابت می‌ماند. محققان این یافته را با قوانین فعلی کیرشوف در مورد بقای انرژی کلی مرتبط کردند. معنای این امر برای بیمار این است که در بسیاری از موارد، جریان بالاتر از حد مطلوب به بافت‌های عمیق‌تر می‌رسد و به طور بالقوه باعث تحریک بیش از حد الیاف و ایجاد ناراحتی می‌شود.

تحقیقات آینده در مورد درمان های تحریک ستون فقرات

بنابراین این نتایج برای آینده درمان های تحریک ستون فقرات چه معنایی دارد؟ تحقیق انجام شده توسط آرل و همکاران. درک عمیق‌تری از اینکه چگونه بافت اسکار می‌تواند SCS را تحت تأثیر قرار دهد ارائه می‌کند و نیاز به برنامه‌نویسان تحریک را برای تعریف بهتر و ترکیب اطلاعات در مورد بافت اسکار بر اساس بیمار به بیمار نشان می‌دهد. این تحقیق نه تنها می تواند برای SCS اعمال شود، بلکه تکنیک های تحریک مغز نیز می توانند از درک عمیق تری از چگونگی تأثیر بافت اسکار بر تحریک بهره مند شوند. در مقاله خود، محققان بیان می‌کنند که «تحلیل‌های بیشتر و دانش حاصل از مدل‌سازی FEM، به‌ویژه با تغییرات سیستماتیک پارامترها، ممکن است برنامه‌نویسان را به سمت جبران مؤثر تشکیل اسکار راهنمایی کند. تغییرات مناسب به طور موثرتر.