电场分布模型在人类食管刺激补丁和环电极

文摘

介绍。电刺激是人类疼痛模型用于实验。可视化的目的是开发一个模型的电场分布在食管接近环和补丁安装在一个食管电极导管并解释获得的感官反应。方法。电场分布在食管层(粘膜、肌肉层和周围组织)是使用一个计算有限元模型基于一个三维模型。每一层都被分配不同的电气性能。一个电场超过20 V / m被认为激活食管传入。结果。模型输出显示均匀和对称场周围环电极贴片电极周围鞍型场相比。增加电极间的距离增大肌肉层中的电场。结论。与10毫米环电极极间距离似乎最优未来导管的设计。尽管模型需要进一步验证,结果似乎有用的电极设计和电刺激模式的理解。

1。介绍

食管功能的调节通过外在和内在的神经是复杂的1,2]。Transmucosal电刺激食道与环和贴片电极已广泛应用于内脏疼痛实验模型(3,4]。电刺激是nonphysiologic去偏光所有自由神经末梢绕过nociceptive-specific受体。对疼痛的感觉阈值的宽动态范围以及精确控制刺激开始强调的重要性,探索基本感官以及镇痛药的作用机制。

争议存在关于设计和类型的食管电刺激电极,这是环电极和电极片都是常用的(5- - - - - -11]。电极片粘在一个向外袋,根据bagfilling,挤压对粘膜。另一方面,环电极安装在导管可能刺激只有有限的部分粘膜由于不同接触粘膜腔不是圆形的横截面(12]。

我们假设一个three-compartment 3 d有限元模型(FEM)可以计算电场在粘膜和肌肉层和浆膜和周围组织食道(名为“肺”文本)在电刺激。该模型包括分析电流引起的这两种类型的电极和不同环电极的接触表面。刺激量的分析与电场的分布和神经密度在每一层。刺激量越大,越高数量的神经末梢导致响应。

人类痛苦的实验数据用于模型在这项研究中获得的信息相关的感觉刺激。

这项研究的目的是开发电极/组织的有限元模型几何和提供电场分布结果与报道感觉水平。

2。材料和方法

2.1。有限元模型

电场的有限元分析提供一个定义的容积导体。开发模型中的导体代表两个食道的解剖层。食道的几何形状决定在早期实验中利用内镜超声图像(13]。因此,粘膜和肌肉层的厚度在这项研究中的应用是0.85和2.72毫米总壁厚3.57毫米。网格的大小选择,这样至少5个网格点被定义为一个统一的领域,也就是说,至少5点两侧的两个域之间的接口。为简单起见,第一种方法,该模型假定各向同性条件。粘膜层的电导率是设置为0.05 S / m根据文学规范(14)和肌肉层0.53 S / m (14]。围绕两层被认为是无限的体积电导率为0.27 S / m (14浆膜和肺组织组成的。电导率值低量程频率(< 100 kHz)有效。three-compartment有限元建立了使分析和比较电场分布的双极电极片粘在一小袋膨胀和双相环电极安装在2毫米的导管,10毫米,分别和20毫米电极间的距离。模型可视化的电场分布与不同电极设计。粘膜表面几何形状(圆形或椭圆)考虑在计算相关环电极。

容积导体的功能 有限元法是基于当前的守恒定律的微分方程: 在这容积导体中的电流密度和吗注入电荷密度的电极。电流密度是表示为导电率的函数的容积导体,因此电场的强度()和电势(根据欧姆定律(微分)如下 用于有限元方程的 模型的输出用于可视化三维电场分布。此外,神经可能被激活的电场进行了计算。阈值被设置为20 V / m (15]。

2.2。人类实验

两个灵活的食管导管构造(Ditens A / S, Hornslet、丹麦)。一个导管有四个不锈钢电极的电极形成三套导管电极距离的2(图10和20毫米1(一))。透壁的阻抗和感官得分(见下文)与不同的设计。基于这些发现的另一个导管设计一对环形电极和一双贴片电极放置在外部的充气绝缘的聚氨酯袋6毫米的长度。完全充气袋包含6毫升生理盐水,最大un-stretched直径和周长(图28和88毫米1(一))。两个环电极之间的距离,两片电极是10毫米。包含补丁的导管和环电极,两腔用于膨胀和紧缩。另外两个流明是用于压力测量,一个袋子里,一个近端,确保导管在食道的正确位置。补丁和环电极的表面积是相等的。

2.3。研究协议

体内的数据来自两个健康男性志愿者,他们既没有遭受任何上消化道症状也没有收到任何药物。受试者此前经历了食管内镜,排除病态,如食管炎、食管裂孔疝。当地伦理委员会批准了这项研究协议(VN妇幼保健2003/120)符合《赫尔辛基宣言》。口头和书面知情同意。志愿者参与支付150 shh /小时。

之前的研究中,受试者被要求使用清廉电子视觉模拟量表(血管),0:不知觉;1:轻微的模糊感知感觉(感觉阈值(ST));2:明确的看法温和的感觉;3:模糊的知觉温和的感觉;4:明确的知觉温和的知觉。为痛苦的感觉使用的主题范围从5 - 10锚定在5:疼痛检测阈值(PDT);6:轻微疼痛;7:中度疼痛;8:中等疼痛强度;9:剧烈的疼痛,10:难以忍受的痛苦。规模已经详细描述之前(16期间),已经被证明是健壮和可靠的食管刺激(9]。刺激重复三次,平均强度计算。由于安全原因一个心电图在整个实验过程中获得的。步骤1中的电流强度增加马直到PDT达成。断断续续的虚假的刺激或低电流强度相同的随机交付给盲人受试者为一个可预测的刺激模式。

最初,导管的三双环形电极放置在食道的激励电极定位5厘米以上下食管括约肌。系列的三刺激电极间的距离进行直到PDT,开始2毫米到20毫米。

撤军后第一个导管,导管,补丁和环电极定位,这样包的中心将被放置5厘米近端下食管括约肌,和刺激了袋膨胀卷2,4,5毫升(后者与模糊的知觉)。刺激高卷做不是为了避免机械刺激食道。

电极的设计与一个已知的电阻连接到一个开关箱和一个双通道示波器(惠普54615 b、惠普(hewlett - packard)、瑞士日内瓦)。验证好粘膜接触,示波器测量透壁的电势(图1 (b))。因此,食道壁的阻抗可以计算。计算机控制的恒流刺激(IES 230年JNI生物医学ApS、Klarup、丹麦)应用电刺激五个矩形组成的恒流脉冲持续时间1 ms应用于200 Hz。

3所示。结果

电场分布在食管层计算。提供的理论阻抗有限元方法和实验确定阻抗都是表中提供1。在短暂的阻抗测量体内高于由有限元法决定。此外,使用环形电极的阻抗较高比获得贴片电极。

模型演示更均匀、对称模式在环电极无论表面接触而鞍型贴片电极(图模式2)。增加环电极之间的距离增加了刺激量在圣和PDT尤其是肌肉层(表1)。例子,计算电场在PDT粘膜从388增加到971毫米³当从2增加到20毫米的电极距离而肌肉层中的电场三倍大1551 - 4504毫米不等³2和20毫米的电极距离(表1和图3)。充气袋的贴片电极略微改变了电场在粘膜和肌肉层(图3)。刺激电流范围之间的刺激强度表示为圣,PDT是13日,14日和10马当刺激三种不同电极距离和15日10日和9马当与贴片电极刺激一袋有不同的馅。

4所示。讨论

食道的电场分布计算使用three-compartment 3 d有限元分配不同的每个食管层电特性。模型被用来解释人类的感官反应电刺激食道在痛苦中使用电极设计常用的实验室。实验设计都是易于使用,以前的数据表明高重现性(9,17]。环电极设计与10毫米极间距离提供最好的刺激电流范围和最均匀分布的电场和最灵活的解决方案,可以建在不同的导管的设计。

5。方法论的注意事项

获取信息的模型构建中的电场分布的人类食管粘膜和肌肉层。电刺激神经传入纤维和生成一个动作电位去偏光,其他因素取决于电场的方向(18]。粘膜层包括肌肉细胞和粘膜。分别有不同的导电率,0.5 S / m为粘膜肌肉和0.001 S / m。全球整个层用一个等效电导率可以建模,例如,在0.01 S / m和0.2 S / m。因此选择0.05 S / m的值。基于组织的介电性能,第二和第三层的导电率设置为0.53 S / m和0.27 S / m对应于周围的肌肉层和浆膜和“肺”。

一个电场超过20 V / m的两个食管层被认为是激活感觉传入纤维。20 V / m的阈值(15)对应于非特异性神经动作电位的门槛。因此,体积分布类似于神经的解剖层可以招募。可视化的电场,在选择阈值计算。例如一个阈值100 V / m反映肌肉层的参与而阈值降低3 V / m导致增加肌肉层的参与。使用主观感觉分数作为有限元法,提供了新信息的字段和参与食道的解剖层次。

必须考虑不同方面的发展包含电极导管。环电极有一个好处,那就是它们可以放置在几乎任何导管。相反贴片电极可以放在袋子,但有越来越多的外袋防止鼻插管。电接触粘膜施加的压力可能会增加。然而,在当前研究通货膨胀袋减少刺激的强度,这可能反映了电气和机械刺激的结合。在以前的实验观察心房捕获在电刺激食道的19]。知识的贴片电极的位置使研究者有机会旋转导管电极,以减少心脏刺激(16]。另一方面心房捕获不是临床的重要性,我们从未在我们的实验室观察心律失常。因此,它被认为是一个安全程序无论电极设计。

6。电场

模型演示更均匀、对称的电子分布在环形电极贴片电极周围的鞍型模式。我们使用的感觉和疼痛阈值检测获得的实验数据模拟和体内反应之间的比较。增加环电极间距离增加了肌肉层中的电场是最突出的。此外,它降低了刺激感官和疼痛强度检测阈值。

粘膜的感觉神经末梢的感觉仅仅扮演了一个很小的作用(图和痛苦的经历3)。动物研究已经证明,distension-sensitive传入响应缺乏底层mucosa-submucosa肌肉层和浆膜膜类似于那些获得完整的墙(20.]。当前的研究结果支持这个。即使获得感官得分的贡献只有不具体的信息传入通路,肌肉中的神经末梢层对疼痛处理(图的贡献最大3)。

影响阻抗的主要因素是电极的面积接触粘膜。理想情况下,粘膜将整个电极表面接触。向外的小袋子贴片电极略微改变电场分布在粘膜和肌肉层,最有可能因为对食管电极挤压墙突出纵向折叠。实验数据证明了良好的粘膜接触,甚至在袋子里的小卷。然而,它将很难排除贴片电极是否导致改变可能由于机械刺激感觉的袋的位置。相反它预期的粘膜接触环电极会有所不同,从被轮(1.5毫米)半径椭圆(两个半轴0.7和7.5毫米),这取决于在食管腔导管位置。然而,担心使用环电极粘膜接触不足,尤其是在椭圆表面模式,无法验证实验在当前设置。

7所示。电刺激

电机轴突的神经兴奋性是紧随其后的是一个不应期约3毫秒(21)的超极化膜需要一个更大的潜在激活相对或绝对不能激活。一个单脉冲电刺激可能是有利的,因为它允许更好的分离ST和PDT [22]。然而,我们使用火车组成的五个恒流脉冲,每1毫秒时间应用在200赫兹,因为它已经被证明是强大的和可再生的9,17,23]。刺激会激发领域内的神经末梢的五倍(24),尽管这个话题将经历five-pulse火车作为一个刺激。疼痛知觉的总和个人激励的感觉传入纤维。然而,由于不同食管神经密度层是未知的,我们只能预测刺激体积与主观疼痛评分。食管阻抗在人类可以改变由于不同的当地条件食管粘膜和唾液分泌25),而且食物或回流胃与十二指肠的内容(26可以解释,我们测量高阻抗比模拟体内。然而,这个参数上的差异也可能出现由于各向同性模型的局限性。

需要获得大量刺激电流范围使用ST和PDT作为结束点。这是获得从环电极2毫米(刺激电流范围13 mA)和10毫米(刺激电流范围14 mA)电极贴片电极的距离和包2毫升填充(刺激电流范围15 mA)。刺激电流范围在20毫米的电极距离40%下降而降低电极间的距离。因此,电极对电极间的距离应不超过10毫米。另一方面,食道的电场,由环的使用只有2毫米的距离,不太敏感的部分原因是食管神经密度是未知的,可能分配严重不均。因此10毫米的极间距离是可取的。

8。结论

我们描述一个电极/组织的有限元模型几何,给实验测量的结果。环电极放置的电极距离10毫米提供最好的刺激电流范围和最均匀场和导管的设计似乎最灵活的解决方案。尽管进一步发展一个各向异性的模式和需要更多的验证在未来的研究中,它似乎是一个公平的建议使用这个设计实验使用电刺激食道疼痛。

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