Modelización de los efectos de la neuroestimulación medular

Abstract

[ES] El dolor crónico constituye un problema social y económico de primer orden. Se estima que alrededor del 19% de la población sufre de esta patología y de ellos un 12% son pacientes afectados por dolor severo. El coste económico asociado a las consecuencias del dolor en España se calcula en torno al 2,5% del PIB.

La neuroestimulación medular eléctrica tónica es una de las terapias de elección para pacientes aquejados de dolor crónico severo neuropático y vascular, refractario a tratamientos farmacológicos, desde hace más de cincuenta años. El éxito de la terapia, en términos de alivio del dolor, depende de muchos factores relativos al propio paciente (patología, características anatómicas y aspectos psicológicos), así como de aspectos técnicos asociados al dispositivo utilizado y a su programación. Una correcta programación del neuroestimulador, así como otros factores asociados a la elección de los electrodos y posición de éstos en el espacio epidural, constituye uno de los factores críticos para la eficacia de la terapia. Sin embargo, hay una enorme escasez de información respecto a estos aspectos, a pesar de la cantidad de información clínica que existe sobre la terapia.

Esta tesis estudia, mediante un modelo de neuroestimulación medular basado en métodos matemáticos y simulación computacional, diversas configuraciones de electrodos, posición de éstos, y programación de polaridades, con la finalidad de extraer conclusiones de utilidad clínica en la terapia de neuroestimulación tónica.

El modelo desarrollado está basado en dos submodelos: un modelo tridimensional que simula la distribución del campo eléctrico en la médula, en cualquier nivel metamérico, si bien el presente trabajo se centra en T8 y T10, denominado volumen conductor, y un modelo de fibra que permite estudiar si una fibra mielinizada de un determinado diámetro desarrolla un potencial de acción bajo la acción de un campo eléctrico externo. Utilizando este modelo, se ha estudiado el efecto de diferentes factores de enorme influencia en la práctica clínica:

- Elección del material pre-implante: efecto de la distancia entre polos del electrodo en la estimulación (elección del electrodo). - Técnica de implante: efecto de la distancia lateral entre electrodos paralelos implantados a la misma altura metamérica (posicionamiento de los electrodos en el espacio epidural). - Herramientas de programación: estudio del efecto de la polaridad en la estimulación (resultados para las distintas polaridades utilizadas habitualmente). - Técnica para desplazar la parestesia lateralmente: estudio del efecto de la estimulación transversa.

Se ha procedido además a un registro de distintos umbrales de estimulación para varias programaciones en una muestra de 26 pacientes, mediante un estudio clínico observacional registrado en el CEIC (Comité Ético de Investigación Clínica) del Consorcio Hospital General Universitario de Valencia, para validar el modelo.

Como resultado de la tesis, se ha desarrollado un modelo que permite estudiar el efecto de la estimulación tónica en cualquier nivel metamérico y determinar su eficacia en la creación de potenciales de acción, y se han sugerido unas pautas para la elección de los parámetros asociados a la terapia que puedan ser de utilidad clínica.

[CA] El dolor crònic constitueix un problema social i econòmic de primer ordre. S'estima que al voltant del 19% de la població pateix d'aquesta patologia i d'ells un 12% són pacients afectats per dolor sever. El cost econòmic associat a les conseqüències del dolor a Espanya es calcula entorn del 2,5% del PIB.

La neuroestimulació medul·lar elèctrica tònica és una de les teràpies d'elecció per a pacients afligits de dolor crònic sever neuropàtic i vascular, refractari a tractaments farmacològics, des de fa més de cinquanta anys. L'èxit de la teràpia, en termes d'alleujament del dolor, depén de molts factors relatius al propi pacient (patologia, característiques anatòmiques i aspectes psicològics), així com d'aspectes tècnics associats al dispositiu utilitzat i a la seua programació. Una correcta programació del *neuroestimulador, així com altres factors associats a l'elecció dels elèctrodes i posició d'aquests en l'espai epidural, constitueix un dels factors crítics per a l'eficàcia de la teràpia. No obstant això, hi ha una enorme escassetat d'informació respecte a aquests aspectes, malgrat la quantitat d'informació clínica que existeix sobre la teràpia.

Aquesta tesi estudia, mitjançant un model de neuroestimulació medul·lar basat en mètodes matemàtics i simulació computacional, diverses configuracions d'elèctrodes, posició d'aquests, i programació de polaritats, amb la finalitat d'extraure conclusions d'utilitat clínica en la teràpia de neuroestimulació tònica.

El model desenvolupat està basat en dos submodels: un model tridimensional que simula la distribució del camp elèctric en la medul·la, en qualsevol nivell metamèric, si bé el present treball se centra en T8 i T10, denominat volum conductor, i un model de fibra que permet estudiar si una fibra mielinitzada d'un determinat diàmetre desenvolupa un potencial d'acció sota l'acció d'un camp elèctric extern. Utilitzant aquest model, s'ha estudiat l'efecte de diferents factors d'enorme influència en la pràctica clínica:

- Elecció del material pre-implant: efecte de la distància entre pols de l'elèctrode en l'estimulació (elecció de l'elèctrode). - Tècnica d'implant: efecte de la distància lateral entre elèctrodes paral·lels implantats a la mateixa altura metamèrica (posicionament dels elèctrodes en l'espai epidural). - Eines de programació: estudi de l'efecte de la polaritat en l'estimulació (resultats per a les diferents polaritats utilitzades habitualment). - Tècnica per a desplaçar la parestèsia lateralment: estudi de l'efecte de l'estimulació transversa.

S'ha procedit a més a un registre de diferents llindars d'estimulació per a diverses programacions en una mostra de 26 pacients, mitjançant un estudi clínic observacional registrat en el CEIC (Comité Ètic d'Investigació Clínica) del Consorci Hospital General Universitari de València, per a validar el model.

Com a resultat de la tesi, s'ha desenvolupat un model que permet estudiar l'efecte de l'estimulació tònica en qualsevol nivell metamèric i determinar la seua eficàcia en la creació de potencials d'acció, i s'han suggerit unes pautes per a l'elecció dels paràmetres associats a la teràpia que puguen ser d'utilitat clínica.

[EN] Chronic pain is a major social and economic problem. It is estimated that about 19% of the population suffers from this pathology and of them 12% are patients affected by severe pain. The economic cost associated with the consequences of pain in Spain is estimated at around 2.5% of GDP.

Tonic spinal cord stimulation is one of the therapies of choice for patients suffering from severe chronic neuropathic and vascular pain, refractory to pharmacological treatments, for more than fifty years. The success of the therapy, in terms of pain relief, depends on many factors related to the patient himself (pathology, anatomical characteristics and psychological aspects), as well as technical aspects associated with the device used and its programming. A correct programming of the neurostimulator, as well as other factors associated with the choice of electrodes and their position in the epidural space, is one of the critical factors for the effectiveness of the therapy. However, there is a huge lack of information regarding these aspects, despite of the amount of clinical information that exists about the therapy.

This thesis studies, using a model of spinal cord stimulation based on mathematical methods and computational simulation, several configurations of electrodes, position of these, and programming of polarities, in order to draw conclusions of clinical utility in tonic neurestimulation therapy. The model developed is based on two submodels: a three-dimensional model that calculates the distribution of the electric field in the spinal cord, at any metameric level, although the present work focuses on T8 and T10, called volume conductor, and a fiber model that allows to study if a myelinated fiber with certain diameter creates an action potential under the action of an external electric field. Using this model, the effect of different factors of big influence on clinical practice has been studied:

- Choice of pre-implant material: effect of the distance between lead contacts on stimulation (lead choice). - Implant technique: effect of the lateral distance between parallel leads implanted at the same metameric level (positioning of the leads in the epidural space). - Programming tools: study of the effect of polarity on stimulation (results for the different polarities commonly used). - Technique to move paresthesia laterally: study of the effect of transverse stimulation.

We have also registered different stimulation thresholds for several programs in a sample of 26 patients, through an observational clinical study registered in the CEIC (Clinical Research Ethics Committee) of the Consorcio Hospital General Universitario de Valencia, to validate the model.

As a result of the thesis, a model has been developed that allows to study the effect of tonic stimulation at any metameric level and determine its effectiveness in the creation of action potentials, and some guidelines have been suggested for the choice of parameters associated with the therapy that may be clinically useful.