شبيه‏سازي انسداد هدايت عصب بوسيله اعمال جريان متناوب فركانس بالا با شكل موج مربعي نامتقارن و بررسي مكانيزم اثر آن

Simulation of Fiber Conduction Block Using High Frequency Alternating Current with Asymmetric Biphasic Waveform and its Mechanism of Action

چكيده مقدمه: استفاده از جريان‏هاي متناوب فركانس بالا روشي ايمن، بازگشت‏پذير و داراي خاصيت انتخابي براي انسداد الكتريكي عصب و جلوگيري از انتشار پالس‏هاي عصبي است كه در دهه گذشته جهت درمان بيماري‏ و ناتواني‏هاي مرتبط با پالس‏هاي عصبي ناخواسته، مورد توجه محققين قرار گرفته است. با اين حال كاهش دامنه تحريك، از بين بردن پاسخ هجومي اوليه و بهينه‏سازي پارامترهاي تحريك براي كاربردهاي مختلف همچنان مورد بررسي قرار دارد. در اين مطالعه با شبيه‏سازي انسداد فيبرهاي عصبي، كارآيي شكل‏موج پيشنهادي دوفاز نامتقارن در القاي بلوك عصبي و مكانيزم اثر آن مورد ارزيابي قرار گرفت. مواد و روش‌ها: شبيه‏سازي به وسيله‏ي مدل بسيار دقيقي از اكسون مايلين‏دار پستانداران انجام شد. تحريك الكتريكي يك فيبر عصبي شامل 51 گره رانويه با دو الكترود نقطه‏اي يكي براي ايجاد بلوك و ديگري براي ايجاد پتانسيل عمل تست شبيه سازي شد و رفتار فيبر عصبي از جمله پديده انسداد و مكانيزم تحقق آن مورد بررسي قرار گرفت. يافته‌ها: اعمال تحريك متناوب فركانس بالا در حالت كلي سه رفتار متفاوت را در فيبر القا مي‏نمايد. عدم پاسخ به تحريك، آتش شدن متناوب فيبر يا بلوك شدن فيبر پس از چندين بار آتش. با كاهش تقارن شكل‏موج پيشنهادي دوفاز نامتقارن، آستانه لازم براي القاي انسداد الكتريكي در فيبرهاي عصبي كاهش مي يابد. اعمال تحريك باعث افزايش متوسط ولتاژ غشا مي شود كه مي‏تواند منجر به كاهش تحريك‏پذيري غشا و بلوك شدن فيبر گردد. نتيجه‌‌گيري: استفاده از شكل موج دوفاز نامتقارن در ايجاد انسداد عصبي سبب كارايي بالاي اين روش در بكارگيري باليني مي‏شود. اعمال اين شكل‏موج باعث كاهش مصرف انرژي سيستم تحريك و همچنين كاهش آسيب به بافت شده و اين مساله مي‏تواند گامي موثر در جهت استفاده باليني از اين روش براي كاهش درد، ويا ايجاد بي‏حسي باشد. كليد واژه‌ها: جريان‏هاي متناوب فركانس بالا، شكل‏موج دوفاز نامتقارن، مكانيزم انسداد فيبر عصبي، شبيه‏سازي كامپيوتري

Introduction: High frequency alternating current is a safe, reversible and selective method for nerve conduction block that has been under study during the last decade as a treatment for the diseases involving abnormal neural impulses. However, reducing the stimulus amplitude, and the undesired onset response, as well as optimizing the stimulus parameters for more effective block is still researchable. In this article, simulation of the electrical stimulation of neural fibers was used to study the efficiency of the asymmetric biphasic waveforms in inducing the block condition, and to investigate its mechanism of action. Materials and Methods: Computer simulations were carried out based on a detailed model of mammalian peripheral nerve fibers. Electrical stimulation of a 51-node axon with two point-source electrodes was simulated, one for inducing conduction block, and the other for applying a test stimulus. Asymmetric biphasic waveform was applied and the neural responses including the block phenomena and its mechanism were studied. Results: High frequency stimulation induces three different responses in the fiber, based on its amplitude and position related to the electrode: no excitation, repetitive excitation and block. The proposed waveform provides lower block thresholds and by increasing the asymmetry of the waveform, the net charge required to induce conduction block was significantly reduced in comparison with the sine and symmetric rectangular waveforms. The stimulation increases the average membrane voltage and this is higher when asymmetric waveform is used which can explain the higher efficiency of this waveform for inducing conduction block. Conclusion: Lower thresholds for the proposed waveform is very important in clinical use of the high frequency alternating currents due to higher efficiency of the stimulation, lower power consumption of the stimulator, and lower side effects of the stimulation, and can be considered as a step towards the clinical use of high frequency stimulations. Keywords: High Frequency Alternating Current, Asymmetric Rectangular Waveform, Nerve Conduction Block, Computer Simulation