نوع مقاله: مقاله کامل پژوهشی

نویسندگان

1 دانشگاه صنعتی امیرکبیر، دانشکده مهندسی پزشکی

2 دانشگاه تربیت مدرس، دانشکده پزشکی، گروه فیزیک پزشکی

10.22041/ijbme.2004.13517

چکیده

در سال های اخیر، تحقیقات بسیاری در زمینه تحریک الکتریکی سلول های عصبی انجام شده است تا به طریقی قابلیت "انتخاب" سلول های هدف توسط تحریک افزایش یابد. از جمله روش های پیشنهادی برای تحریک انتخابی فیبرهای دور از الکترود و همچنین فیبرهای باریک، استفاده از شکل موج های خاص از جمله شکل موج شامل پیش پالس مستطیلی کاتدی است. در مقاله حاضر، ابتدا با استفاده از مدل غیر خطی فیبر عصبی و شبیه سازی تحریک الکتریکی آن، تاثیر پارامترهای مختلف پیش پالس های کاتدی بر قابلیت انتخاب فیبرهای مایلین دار مورد بررسی قرار گرفته و در ادامه، تحریک با شکل موج جدیدی که شامل پیش پالس "شیب" است مورد مطالعه قرار گرفته است. نتایج حاصل از این شبیه سازی ها نشان می دهند که با استفاده از پیش پالس "شیب"، فیبرهای عصبی مختلف در محدوده ای وسیع تر قابل انتخاب هستند. به این ترتیب در تحریک فیبرهای عصبی نخاع- اعصاب محیطی و یا اعصاب حواس ویژه می توان با استفاده از پیش پالس شیب به قابلیت انتخاب بهتری در تحریک سلول های عصبی هدف دست یافت.

کلیدواژه‌ها

موضوعات

عنوان مقاله [English]

Effects Of Depolarizing Prepulses With Different Parameters On The Selective Stimulation Of Myelinated Fibers And Suggestion Of A New Prepulse Waveform With Superior Performance Based On Simulation Of

نویسندگان [English]

  • Amin Mahnam 1
  • Seyed Mohammad Firouzabadi 2
  • Seyed Mohammad Reza Hashemi Golpayegani 1

1 Bioelectrics Division, Department of Biomedical Engineering, AmirKabir University of Technology

2 Medical Physics Department, Faculty of Medicine, Tarbiat Modarres University

چکیده [English]

In recent years, various methods have been suggested to improve selectivity in electrical stimulation of neural fibers or cells. One of these methods is the use of depolarizing under-threshold prepulse to selectively stimulate fibers far from the electrode, without excitation of nearer fibers. In this paper, by implementing a nonlinear model of neural fiber and simulating electrical stimulation of the model, the effect of changes in various parameters of rectangular and stepwise prepulses on the range of applicability of this technique in selective stimulation of fibers in different distances from the electrode and with different diameters has been studied. This study has led to suggest a new waveform for the prepulse; ramp prepulse. The applicability of this prepulse has been studied also. The superiority of this prepulse in comparison with previous suggested ones has been shown. Using this prepulse, it is possible to stimulate selectively fibers in broader range of distances and diameters. Therefore in stimulating neural fibers in spinal cord or peripheral fibers or even neural fibers of special senses, the use of this prepulse can improve distinguishability of fibers in their stimulation.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Selective Electrical Stimulation
  • Stimulus Waveform
  • Under-Threshold Depolarizing Prepulse
  • Ramp Prepulse
  • Simulation Of Electrical Stimulation

[1]     Bak M, Girvin JP, Hambretch FT, Kufta CV, Loeb GE, Schmidt EM; Visual sensations produced by intracortical microstimulation of the human occipital cortex; Med Biol Eng Comput 1991; 28:257-259.

[2]     Clark GM, Tong YC, Patrick JF; Cochlear Prostheses; New York: Churchill Livington; 1990.

[3]     Hambrecht FT; Neural prosthesis; Ann Rev Biophys Bioeng 1979; 8:239-267.

[4]     Popovic MR, Keller T, Pappas IPI, Dietz V, Morari M; Surface-stimulation technology for grasping and walking neuroprostheses; IEEE Eng Med Biol Mag 2001; Jan/Feb:82-93.

[5]     Creasey GH; Electrical stimulation of sacral roots for micturition after spinal cord injury; Urol Clin N Amer 1993; 20:505 515.

[6]     پورمیر جعفری فیروزآبادی سیدمحمد؛ تحریک الکتریکی نخاع و مدلسازی پاسخ عضله به تحریک؛ رساله دکترای مهندسی برق گرایش مهندسی پزشکی، دانشگاه تربیت مدرس، 1376.

[7]     Grill WM, Mortimer JT; Stimulus waveforms for selective neural stimulation; IEEE Eng Med Biol Mag 1995; 14:375-385.

[8]     Abeyratne UR, Adnan SM; A novel scheme for the selective stimulation of nerve fibers using nonlinear properties of action potentials; Critical Reviews in Biomed Eng 2000; 28(1&2):95-101.

[9]     Deurloo KEI, Holsheimer J, Boom HBK; Transverse tripolar stimulation of peripheral nerve: A modeling study of spatial selectivity; Med Biol Eng Comput 1998; 36:66-74.

[10] Tai C, Booth AM, Robinson CJ, de Groat WC, Roppolo JR; Multimictoelectrode stimulation within the cat L6 spinal cord: Influences of electrode combinations and stimulus interleave time on knee joint extension torque; IEEE Trans Rehab Eng 2000; 8(1):1-9.

[11] مندولکانی م، شرافت ار، هاشمی گلپایگانی م.ر، فیروزآبادی م؛ تحریک الکتریکی نخاع با چند الکترود: شبیه‌سازی توزیع پتانسیل الکتریکی و آزمایش؛ فصلنامه علمی-پژوهشی دانشور، 1378، 23: 59-72.

[12] Grill WM, Mortimer JT; The effect of stimulus pulse duration on selectivity of neural stimulation; IEEE Trans Biomed Eng 1996; 43(2):161-166.

[13] Fang ZP, Mortimer JT; A method to effect physiological recruitment order in electrical activated muscle; IEEE Trans Biomed Eng 1991; 38(2):175-179.

[14] Fang ZP, Mortimer JT; Selective activation of small motor axons by quasitrapezoidal current pulses; IEEE Trans Biomed Eng 1991; 38(2):168-174.

[15] Grill WM, Mortimer JT; Inversion of the currentdistance relationship by transient depolarization; IEEE Trans Biomed Eng 1997; 44(1):1-9.

[16] حقی‌پور س، فیروزآبادی م، جان‌احمدی م؛ مقایسه اثر ولتاژهای تحریکی شبه ذوزنقه‌ای و راست‌گوشه بر روی فعالیت الکتریکی کانال‌های وابسته به ولتاژ سدیمی و پتاسیمی مدل سلول تحریک‌پذیر؛ مجله فیزیک پزشکی ایران، پاییز 1382، 2: 9-14.

[17] مهنام ا، فیروزآبادی م، هاشمی گلپایگانی م.ر؛ بررسی تاثیر پارامترهای پیش‌پالس کاتدی در تحریک انتخابی فیبرهای مایلین‌دار و استخراج شکل‌موج جدیدی برای تحریک الکتریکی انتخابی؛ دهمین کنفرانس مهندسی پزشکی، تهران، 1381.

[18] Rattay F; Analysis of models for extracellular fiber stimulation; IEEE Trans Biomed Eng 1989; 36:676- 682.

[19] Rattay F, Aberham M; Modeling membranes for functional electrical stimulation; IEEE Trans Biomed Eng 1993; 40(12).

[20] Rattay F; Analysis of the electrical excitation of CNS neurons; IEEE Trans on Biomed Eng 1998; 45(6):766- 772.

[21] Warman EN, Grill WM, Durand D; Modeling the effect of electric fields on nerve fibers: Determination of excitation thresholds; IEEE Trans Biomed Eng 1992; 39(12).

[22] McNeal DR; Analysis of a model for excitation of myelinated nerve; IEEE Trans Biomed Eng 1976; 23:329-337.

[23] Chiu SY, Retchie JM, Rogast RB, Stagg D; A quantitative description of membrane current in rabbit myelinated nerve; J Physiol 1979; 292:149-166.