Analisi delle distribuzioni di densità di corrente in stimolazione elettrica corticale nella terapia del dolore

Introduction: The motor cortex stimulation (MCS) is a neurostimulation invasive technique based on the principle of the generation of an electric field induced by a biphasic stimulation via electrodes placed on the brain tissue at the turn of the central sulcus. Over the past 10 years, this technique has emerged as a possible alternative of drugs in the pain therapy. The knowledge of the induced current density distributions and the comparison between the different configurations of electrodes are therefore essential to evaluate the experimental results and optimize the therapeutic treatments. Goal: To quantify and analyze, by metrics appropriately defined, the distributions of induced current density in the brain of human anatomical models, reproducing the electrode configurations and using the stimulation parameters proposed in the clinical literature. Methods: The simulations of this study were conducted by modeling the electrodes array most commonly encountered in clinical literature and using the stationary currents electro quasi-static low frequency approximation based on the finite element method (FEM). The analysis of the current density distribution has developed in three distinct phases in order to evaluate the influence of each parameter while leaving unchanged the others: in phase 1 is presented the analysis of the influence of the interelectrode distance variation and the positioning in different cortical areas; in phase 2 it’s evaluated the influence of the intensity and frequency of stimulation variation; in phase 3 it is analyzed the influence of anatomical variations, using 3 models of different ages. For each stimulation was assessed the focalty, the effective volume and effective depth (using the motor cortex threshold, 1.25 A/m2). Finally, It was held the analysis on the safety compliance in this technique. Results and Conclusions: The anatomy of the cerebral cortex, in which the typical convolutions are observable, strongly influences the current density distribution. The placement of the second electrode on the postcentral gyrus or sulcus increase respectively the effective volume or effective depth; not only the stimulation intensity but also the frequency leads to an increase in the current density distribution; cortical atrophy and the consequent increase of cerebrospinal fluid due to aging, brings the stimulations performed on elderly subjects to be less effective due to the leakage of the field in the CSF. Finally, the analysis about safety shows this technique as not harmful.

Introduzione: La stimolazione della corteccia motoria (MCS) è una tecnica invasiva di neurostimolazione basata sul principio di generazione di un campo elettrico indotto da stimolazione bifasica tramite elettrodi posti sul tessuto cerebrale a cavallo del solco centrale. Negli ultimi 10 anni questa tecnica si è affermata come possibile alternativa ai farmaci nella terapia del dolore. La conoscenza delle distribuzioni della densità di corrente elettrica indotta e il confronto tra le differenti configurazioni di elettrodi sono quindi indispensabili al fine di valutare i risultati sperimentali e ottimizzare i trattamenti terapeutici. Obiettivo: quantificare e analizzare, mediante metriche opportunamente definite, le distribuzioni di densità di corrente elettrica indotta a livello cerebrale su modelli anatomici umani, riproducendo le configurazioni di elettrodi e utilizzando i parametri di stimolazione proposti nella letteratura clinica. Metodi: Le simulazioni del presente studio sono state condotte modellizzando l’array di elettrodi maggiormente riscontrato in letteratura e utilizzando il solutore elettro quasi-statico a correnti stazionarie in bassa frequenza basata sul metodo agli elementi finiti (FEM). L’analisi della distribuzione della densità di corrente elettrica si è sviluppata in tre fasi distinte al fine di valutare l’influenza di ciascun parametro mantenendo invariati gli altri: nella fase 1 è presente l’analisi dell’influenza della variazione della distanza interelettrodica e del posizionamento su aree corticali diverse; nella fase 2 si è valutata l’influenza della variazione di intensità e frequenza di stimolazione; nella fase 3 è stata analizzata l’influenza delle variazioni anatomiche, usando 3 modelli di età differenti. Per ogni stimolazione è stata valutata la focalità, il volume e la profondità efficaci (usando come soglia la motor cortex thresold, 1.25 A/m2). Si è svolta infine una breve verifica sul rispetto della sicurezza in questa tecnica. Risultati e Conclusioni: L’anatomia della corteccia cerebrale, nella quale sono osservabili le tipiche circonvoluzioni, influenza fortemente la distribuzione della densità di corrente elettrica. Il posizionamento del secondo elettrodo sul sul giro o sul solco postcentrale aumenterà rispettivamente il volume o la profondità efficace; non solo l’intensità ma anche la frequenza di stimolazione portano ad un aumento nella distribuzione della densità di corrente elettrica; l’atrofia corticale e il conseguente aumento di liquido cerebrospinale dovuto all’invecchiamento portano le stimolazioni effettuate su soggetti anziani ad essere meno efficaci a causa dell’aumento di dispersione del campo nel CSF. Infine, dalla verifica sulla sicurezza si può ritenere questa tecnica non nociva.