Stimularea magnetica functionala [627737]

Stimularea magnetica functionala

~ Raport 15 Noiembrie 2018 ~

Student: [anonimizat] 24 vertebre ad evarate si 9 -10
vertebre false si este divizat a in cinci regiuni . Vertebrele adevarate alcatuiesc regiun ea cervicala
(7), toracala (12) si lombara (5) si sunt numite in acest fel de oarece sunt oase mobile care si-au
pastrat independenta. In continuarea regiunii lombare, vertebrele se sudeaza si formeaza regiunea
sacrala (5) , respectiv cea coccigiana (4 -5). Coloana vertebrala protej eaza madu va spinarii si
radacinile nervilor spinali si realiz eaza functia de sustinere si functia dinamica . Exista 31 de
perechi de nervi spinali : 8 in regiunea cervi cala, 12 in regiunea toracala , cate 5 in regiun ea lombara,
respectiv cea sacrala si o pereche in regiunea coccigiana.
Fiecare vertebra es te alcatuita dintr-un corp s i un arc, intre e le fiind cuprinsa g aura
vertebrala. Prin supra punerea vertebrelor este format canalul vertebral in care se ga seste maduva
spinarii. Intre vertebre se gasesc discurile intervertebrale care sunt alcatuite dintr -un nucleu pulpos
si un inel fibros si care absorb socurile .
Aceasta lucrare se axeaza pe regiunea lombara.
Coloana lombara are structura ideala pentru a optimiza stabilitatea si mobilitatea intregii
coloane vertebrale. Pentru miscarile de baza ale coloanei, regiunea lombara prezinta urmatoarele
grade de mobilitat e: flexie (60 g rade) , extensie (30 grade ), lateralizare (20 grade) si rotatie (5
grade) . [1,2]
Cu toate acestea, durerea in zona lombara este una dintre cele mai intalni te probleme, 80%
din populatie suferind de aceasta [3]. Traum atismele la nivelul coloanei vertebrale produc l eziuni
grave si pot aparea complicatii . O accidentare severa poate duce pana la pierderea controlului
asupra miscarilor si la incapacitatea de a sta si de a merge.
Una dint re metodele non-invazi ve folosite pentru recuperare a functiilor motorii este
stimularea magnetica. Aceasta metoda poate stimula direct madu va spinari i in timp ce campul
electromagnetic trece prin straturi cu rezistivitate ridicata precum vertebrele. [4]
Stimularea magnetica se bazeaza pe principiul fundamental al inductiei electromagnetice.
Un puls de curent electric care trece p rintr-o bobina asezata pe regiunea lombara creeaza un camp
magnetic variabil in timp. Acest camp magnetic trece prin tesuturile cu conductivitate electrica
scazuta si da nastere unui camp electric care ca uzeaza flux de ioni. [5]
Campul electric E indus in tesut este obtinut d in Legea lui Faraday:
 𝑥 𝑬=− 𝜕𝑩
𝜕𝑡
, unde B reprezinta campul magnetic dat de ecuatia Biot -Savart:
𝑩(𝒓,𝑡)= 𝜇0
4𝜋 𝐼(𝑡)∮𝑑𝒍(𝒓′)𝑥 𝒓′
|𝒓′|3
𝐶
, unde μ0 este permeabilitatea spațiului= 4π*10-7[H/m]; dl este un vector de -a lungul spiralelor
bobinei C, iar r’ este vectorul de deplasare.
Campul electric E din tesut reprezinta suma dintre un camp electric p rimar Ep si un camp
electric secundar Es. Campul electric primar este dat de campul magnetic variabil in timp B(t) din
bobina .
 𝑥 𝑬𝒑=− 𝜕𝑩
𝜕𝑡
Iar B poate fi exprimat astfel :
𝑩= 𝑥 𝑨

, unde A este potentialul vector .
In materialele conductoare, Ep va cauza o densitate de curent J=σEp, unde σ este
conductivitatea electrica .
Campul electric secundar Es este dat de ecuatia:
𝑬𝒔= 𝑉
, unde V este potentialul electric.
Prin urmar e, campul electric E indus in tesut este:
𝑬= 𝑬𝒑+𝑬𝒔=− 𝜕𝑨
𝜕𝑡+ 𝑉
Campul electric E indus in tesut depinde de forma bobinei , de localizarea si orientarea
acesteia , precum si de conductivitatea elec trica a tesutului respectiv . [6]
Exista foarte multe tipuri de bobine , iar alegerea se face functie de ce camp magnetic
trebuie indus . In cercetare , se foloseste bobina in forma de 8 deoarece are cea ma i mare focalizare ,
oferind informatii mai preci se asupra zonei stimulate . O prima problema a acestor bobine o
reprezinta in calzirea. Temperatura superficiala a acesteia trebuie sa ramana sub 41⁰C.
Exista mai multe tipuri de stimulari magnetice:
1. Stimularea prin puls unic
Un singur puls de curent este trimis prin bobina pentru stimularea neuronilor.
2. Stimularea prin puls pereche
Se trimit doua pulsuri de curent cu intensitati diferite printr -o bobina la un inter val de timp
de 1-20ms.
3. Stimularea repetitiv a
In prezent este cea mai utilizata tehnica. Se trimite un tren de pulsuri de aceeasi intensitate
(1-20 pulsuri pe secunda) . Stimular ea repetitiv a poate produce efect e de lu nga durata care nu sunt
limitate doar la perioada de stimulare. [7]

Rezultatele obtinute pana la data raportarii

Se foloseste software -ul 3D Slicer, care utilizeaza imagini CT in plan sagital, axial,
respectiv coronal , pentru a crea un model 3D . Setul de imagini CT “Whole Spine (Cervical -Dorsal –
Lumbar -Sacral) ” a fost preluat din [ 8].

a) d)

b) c)

Fig.1. a) plan axial b) plan sagital c) plan coronal d) model 3D

In vederea obtin erii modelelor 3D pentru fiecare vertebr a lombara L1-L5 conform Fig.2 –
Fig.6, se efectueaza urmatorii pasi in 3D Slicer :
1. Volume Rendering – pentru a vizualiza modelul 3D al intregii sectiuni ;
2. Display ROI (Region Of Interest) – pentru a incadra imaginea din fiecare plan astfel
incat sa se vizualizeze doar regiunea de interes, cu alte cuvinte vertebra dorita, in vederea
decuparii;
3. Crop volume – se vizualizeaza vertebra selectata decupata;
4. Editor – pentru segmentarea manuala a volumului ales in vederea unei definiri precise a
vertebrei respective pentru a obtine modelul 3D. Din modulul Editor se urmaresc pasii:
a) Threshold tools – se selecteaza Bone
b) Save Island Effect – se face click pe vertebra selectata si este separata de celalalte
structuri
c) Paint Effect – se sterg manual partile care nu fac parte din vertebra dorita, iar aceasta se
coloreaza folosind Bone
d) Split Merge Volume
e) Merge and Build – este creat modelul 3D dorit
Fiecare model este salvat in format STL.

Pentru a p relucra modelele obtinute se utilizeaza MeshLab . Etapele parcurse sunt
urmatoarele:
1. Filters → Remeshing, Simplifi cation and Reconstruction → Quadric Edge Collapse
Decimation – pentru a reduce complexitatea modelului 3D
2. Filters → Remeshing, Simplification and Reconstruction → Screened Poisson Surface
Reconstruction (se aleg Vertices: 750 si Faces: 1500) – pentru a obtine etansarea si netezi rea
supraf etei conform Fig.7.
Fiecare model este salvat in format 3DS.

Fig 2. Vertebra L1 Fig.3. Vertebra L2

Fig.4. Vertebra L3 Fig.5. Vertebra L4

Fig.6. Vertebra L5 Fig.7. Vertebra L5 prelucrata in MeshLab

Pentru a face fiecare model sa fie 3D Solid se utilizeaza AutoCAD , urmarind pasii:
1. MESHOPTIONS (Command) – pentru a converti Polyface Mesh in Standard Mesh
Object
2. CONVTOSOLID (Command) – pentru a converti in 3D Solid
Fiecare model este salvat in format IGES pentru a fi compatibil cu COMSOL Multiphysics .
Fiecare vertebra este apoi importata in AutoCAD pentru a obtine ansamblul care formeaza
coloana lombara (Fig.8). Acesta este salvat, de asemenea, in format IGES.

Fig.8. Vertebrele asamblate in AutoCAD

Bibliografie

[1] M. Ceccarellia, R.C. Saltarelob G. Carbonea J.C.M. Carvalhob , “Simulation of the lumbar spine as a
multi -module paralel manipulator ”, 2011
[2] http://spine.unitbv.ro/pdf/Raport_SPINE_1_2014%20consortiu%2020pag%20ver1.pdf
[3] Gregory Cra mer Susan Darby Cramer , “Clinical Anatomy of the Spine, Spinal Cord, and ANS ”,3rd
Edition , 2014 nd Susan A. Darb y
[4] Mihaela Cretu, Adrian Darabant, Radu V. Ciupa , “Magnetic Stimulation of the Spinal Cord:
Evaluating the Characteristics of an Appropriate Stimulator ”, 2015
[5] Ursu la S. Hofstoetter , Simon M. Danner and Karen Minassian , “Paraspinal Magnetic and
Transcutaneous Electrical Stimulation ”, 2014
[6] Jarmo Ruohonen , “Transcranial Magnetic Stimulation: Modelling and New Techniques ”, Espoo 1998
[7] Jefferson Vegas, Alexander Misdorp, “Focal Coil Design for Transcranial Magnetic Stimulation on
Mice”, 2016
[8] https://www.embodi3d.com/files/file/11735 -whole -spine -cervical -dorsal -lumbar -sacral -ct-scan/