Comparison of spinal cord stimulation profiles from intra- and extradural electrode arrangements by finite element modelling

Spinal cord stimulation currently relies on extradural electrode arrays that are separated from the spinal cord surface by a highly conducting layer of cerebrospinal fluid. It has recently been suggested that intradural placement of the electrodes in direct contact with the pial surface could greatly enhance the specificity and efficiency of stimulation. The present computational study aims at quantifying and comparing the electrical current distributions as well as the spatial recruitment profiles resulting from extra- and intra-dural electrode arrangements. The electrical potential distribution is calculated using a 3D finite element model of the human thoracic spinal canal. The likely recruitment areas are then obtained using the potential as input to an equivalent circuit model of the pre-threshold axonal response. The results show that the current threshold to recruitment of axons in the dorsal column is more than an order of magnitude smaller for intradural than extradural stimulation. Intradural placement of the electrodes also leads to much higher contrast between the stimulation thresholds for the dorsal root entry zone and the dorsal column, allowing better focusing of the stimulus

Intradural Spinal Cord Stimulation: Performance Modeling of a New Modality

Introduction: Intradural spinal cord stimulation (SCS) may offer significant therapeutic benefits for those with intractable axial and extremity pain, visceral pain, spasticity, autonomic dysfunction and related disorders. A novel intradural electrical stimulation device, limited by the boundaries of the thecal sac, CSF and spinal cord was developed to test this hypothesis. In order to optimize device function, we have explored finite element modeling (FEM).Methods: COMSOL®Multiphysics Electrical Currents was used to solve for fields and currents over a geometric model of a spinal cord segment. Cathodic and anodic currents are applied to the center and tips of the T-cross component of the electrode array to shape the stimulation field and constrain charge-balanced cathodic pulses to the target area.Results: Currents from the electrode sites can move the effective stimulation zone horizontally across the cord by a linear step method, which can be diversified considerably to gain greater depth of penetration relative to standard epidural SCS. It is also possible to prevent spread of the target area with no off-target action potential.Conclusion: Finite element modeling of a T-shaped intradural spinal cord stimulator predicts significant gains in field depth and current shaping that are beyond the reach of epidural stimulators. Future studies with in vivo models will investigate how this approach should first be tested in humans

Computational Study of the Effect of Electrode Polarity on Neural Activation Related to Paresthesia Coverage in Spinal Cord Stimulation Therapy

[EN] Objective: Using computer simulation, we investigated the effect of electrode polarity on neural activation in spinal cord stimulation and propose a new strategy to maximize the activating area in the dorsal column (DC) and, thus, paresthesia coverage in clinical practice. Materials and Methods: A new three-dimensional spinal cord model at the T10 vertebral level was developed to simulate neural activation induced by the electric field distribution produced by different typical four-contact electrode polarities in single- and dual-lead stimulation. Our approach consisted of the combination of a finite element model of the spinal cord developed in COMSOL Multiphysics and a nerve fiber model implemented in MATLAB. Five evaluation parameters were evaluated, namely, the recruitment ratio, the perception and discomfort thresholds, and the activating area and depth. The results were compared quantitatively. Results: The dual-guarded cathode presents the maximum activating area and depth in single- and dual-lead stimulation. However, the lowest value of the ratio between the perception threshold in DC and the perception threshold in the dorsal root (DR) is achieved when the guarded cathode is programmed. Although the two versions of bipolar polarity (namely bipolar 1 and bipolar 2) produce higher activating area and depth than the guarded cathode, they are suitable for producing DR stimulation. Similarly, dual-lead stimulation is likely to activate DR fibers because the electrodes are closer to these fibers. Conclusions: The results suggest that the activating area in the DC is maximized by using the dual-guarded cathode both in single- and dual-lead stimulation modes. However, DC nerve fibers are preferentially stimulated when the guarded cathode is used. According to these results, the new electrode programming strategy that we propose for clinical practice first uses the dual-guarded cathode, but, if the DR nerve fibers are activated, it then uses guarded cathode polarity.The authors thank Virginie Callot for providing us with all the spinal cord measurements from her research group’s study. The authors would like also to thank Surgicen S.L. for providing financial assistanceDurá, JL.; Solanes, C.; De Andrés, J.; Saiz Rodríguez, FJ. (2019). Computational Study of the Effect of Electrode Polarity on Neural Activation Related to Paresthesia Coverage in Spinal Cord Stimulation Therapy. Neuromodulation: Technology at the Neural Interface. 22(3):269-279. https://doi.org/10.1111/ner.1290926927922

Patient-specific computational modeling for spinal cord stimulation therapy optimization

[EN] Chronic pain disease has 35-50% of prevalence worldwide. When drugs stop working, spinal cord stimulation (SCS) therapy is a non-drug alternative treatment for several conditions of chronic pain, such as neuropathic pain. In the last 40 years, SCS computational modeling has been the key tool to analyze and understand the effect of the stimulation parameters on neural response. However, the lack of realistic models limits the model-based predictions accuracy for SCS therapy optimization concerning the stimulation parameters management and the development of clinical applications. This thesis presents three improvements in SCS modeling from cellular to organic levels: · Cellular level: a human A -beta sensory myelinated nerve fiber model is shown. The model simulates the action potential creation and propagation of human sensory fibers produced by electrical stimulation. Moreover, to consider the current losses produced at the internodal compartments, a realistic myelin model is included. · Organic level: two spinal cord volume conductor models are presented. The first one is a generalized SCS model, which is based on in vivo 3T high-resolution magnetic resonance images from the human spinal cord, solving then one of the main limitations of previous SCS models, which is the inclusion of cadaveric measurements. The second one is a 3D patient-specific SCS model, which includes the entire spinal cord geometry variation of three different vertebral levels (T8, T9, and T10) from patients undergoing SCS treatment. This novel approach is validated clinically, showing that patient-specific modeling improves model-based predictions accuracy compared to generalized SCS models. In addition to this, this thesis presents three studies related to SCS therapy by using the three computational models developed previously: - Role of stimulation frequency: it is performed using the human A-beta sensory myelinated nerve fiber model. The outcome of this study showed that frequency could have a significant influence on the reduction or increase of the neuron activity, participating thus in the selection of the targeted neural elements in SCS therapy, in tonic stimulation. - Effect of electrode polarity: using the 3D generalized SCS model, the effect of the most used and known polarities (bipolar, guarded cathode, and dual-guarded cathode) is shown. The results showed that, unlike guarded cathode, dual-guarded cathode maximized the activating area and depth in dorsal columns, also increasing the probability of activating dorsal roots fibers. - Clinical applications: the pre-implantation selection of the electrode polarity was performed with the 3D patient-specific model. The findings showed that this clinical application could determine the electrode configurations that best overlapped paresthesia coverage to the painful dermatomes of the patient before the SCS device implant. On the other hand, the effect of offset electrodes was also investigated. In this case, the results revealed that staggered offset placement canceled the left- or right-activation displacement in the dorsal columns, suggesting that offset electrodes placement should be avoided in tonic stimulation.[ES] El dolor crónico es una enfermedad que tiene una prevalencia de entre el 35% y el 50% de la población mundial. Cuando los fármacos dejan de hacer efecto, la terapia de estimulación de médula espinal (EME) es una alternativa no farmacológica que se usa para el tratamiento de diversas condiciones de dolor crónico, como el dolor neuropático. En los últimos 40 años, el modelado computacional de la EME ha sido la herramienta clave para analizar y entender el efecto de los parámetros de estimulación eléctrica en la respuesta neuronal. Sin embargo, la falta de modelos realistas limita la precisión de las predicciones de los modelos para la optimización de la terapia de EME, en referencia a la programación de los parámetros de estimulación y el desarrollo de aplicaciones clínicas. Esta tesis presenta tres mejoras en el modelado computacional de la terapia de EME, desde el nivel celular hasta el nivel orgánico: · Nivel celular: se presenta un modelo de fibra mielínica A-beta sensitiva humana. El modelo simula la creación y propagación del potencial de acción de fibras humanas sensitivas que se produce bajo el efecto de un estímulo eléctrico. Además, con el fin de considerar las pérdidas de corriente producidas en los compartimentos internodales, la mielina se modeliza de forma realista. · Nivel orgánico: se presentan dos modelos de conductor volumétrico de médula espinal. El primero se trata de un modelo de EME generalizado, el cual está basado en imágenes de resonancia magnética de 3T de alta resolución de médula espinal humana obtenidas in vivo. Esta propuesta resuelve una de las principales limitaciones presente en modelos de EME anteriores, que es la inclusión de medidas geométricas obtenidas de cadáveres. El segundo modelo es un modelo tridimensional personalizado al paciente, el cual incluye la variación de la geometría de la médula espinal en tres niveles vertebrales diferentes (T8, T9 y T10) a partir de pacientes sometidos al tratamiento de EME. Esta novedosa propuesta es validada clínicamente, mostrando además que el modelado computacional personalizado mejora la precisión de las predicciones del modelo en comparación a un modelo generalizado. Además, esta tesis presenta tres estudios relacionados con la terapia de EME usando los tres modelos desarrollados previamente: - El papel de la frecuencia de estimulación: se realiza mediante el uso del modelo de fibra mielínica A -beta sensitiva humana. Los resultados de este estudio muestran que la frecuencia podría tener una influencia significante en la reducción o aumento de la actividad de la neurona, participando de este modo en la selección de los elementos neurales objetivo en la terapia de EME, en estimulación tónica. - Efecto de la polaridad del electrodo: usando el modelo 3D generalizado de EME, se muestra el efecto de las polaridades más conocidas y usadas: bipolar, cátodo guardado y doble-cátodo guardado. Los resultados muestran que, a diferencia del cátodo guardado, la polaridad de doble-cátodo guardado maximiza el área y profundidad de activación en los cordones posteriores, aumentando también la probabilidad de activar las fibras de las raíces dorsales. - Aplicaciones clínicas: usando el modelo 3D personalizado al paciente, se ha realizado la selección pre-implante de la polaridad del electrodo. Los resultados muestran que esta aplicación clínica podría determinar las configuraciones de electrodos que mejor solapan la cobertura de parestesia con los dermatomas dolorosos del paciente antes del implante del dispositivo de EME. Por otro lado, también se ha estudiado el efecto de la posición escalonada de los electrodos en el paciente. En este caso, los resultados revelan que el posicionamiento escalonado cancela el desplazamiento izquierdo o derecho de la activación neuronal en los cordones posteriores, sugiriendo así que el posicionamiento escalonado debería evitarse cuando se aplica la estimu[CAT] El dolor crònic es una enfermetat amb una prevalència d'entre el 35% i el 50% de la població mundial. Quan els fàrmacs deixen de fer efecte, la teràpia d'estimulació de mèdul·la espinal (EME) és una alternativa no farmacològica que s'usa per al tractament de diverses condicions de dolor crònic, com el dolor neuropàtic. En els últims 40 anys, el modelatge computacional de l'EME ha sigut la ferramenta clau per a analitzar i entendre l'efecte dels paràmetres d'estimulació elèctrica en la resposta neuronal. No obstant això, la falta de models realistes limita la precisió de les prediccions dels models per a l'optimizació de la teràpia d'EME, en referència a la programació dels paràmetres d'estimulació i el desenvolupament d'aplicacions clíniques. Esta tesi presenta tres millores en el modelatge computacional de la teràpia d'EME, des del nivell cel·lular fins al nivell orgànic: · Nivell cel·lular: es presenta un model de fibra mielínica A-beta sensitiva humana. El model simula la creació i propagació del potencial d'acció de fibres humanes sensitives que es produeix baix l'efecte d'un estímul elèctric. A més a més, amb la finalitat de considerar les pèrdues de corrent produïdes als compartiments internodals, la mielina es modela de forma realista. · Nivell orgànic: es presenten dos models de conductor volumètric de mèdul·la espinal. El primer es tracta d'un model d'EME generalitzat, el qual es basa en imatges de ressonància magnètica de 3T d'alta resolució de mèdul·la espinal humana obtingudes in vivo. Esta proposta resol una de les principals limitacions present en models d'EME anteriors, que és la inclusió de mesures geomètriques obtingudes de cadàvers. El segon model és un model tridimensional personalitzat al pacient, el qual inclou la variació de la geometria de la mèdul·la espinal en tres nivells vertebrals diferentes (T8, T9 i T10) a partir de pacients sotmesos al tractament d'EME. Aquesta innovadora proposta és validada clínicament, demostrant també que el modelatge computacional personalitzat millora la precisió de les prediccions del model en comparació a un model generalitzat. A més, esta tesi presenta tres estudis relacionats amb la teràpia d'EME utilitzant els tres models desenvolupats prèviament: - El paper de la freqüència d'estimulació: es realitza mitjançant l'ús del model de fibra mielínica A-beta sensitiva humana. Els resultats d'este estudi mostren que la freqüència podria tindre una influència significant en la reducció o augment de l'activitat de la neurona, participant així en la selecció dels elements neurals objectiu en la teràpia d'EME, en estimulació tònica. - Efecte de la polaritat de l'elèctrode: usant el model 3D generalitzat d'EME, es mostra l'efecte de les polaritats més conegudes i utilitzades: bipolar, càtode guardat i doble-càtode guardat. Els resultats mostren que, a diferència del càtode guardat, la polaritat de doble-càtode guardat maximitza l'àrea i profunditat d'activació en els cordons posteriors, augmentant també la probabilitat d'activar les fibres de les arrels dorsals. - Aplicacions clíniques: usant el model 3D personalitzat al pacient, s'ha realitzat la selecció pre-implant de la polaritat de l'elèctrode. Els resultats mostren que esta aplicació clínica podria determinar les configuracions d'elèctrodes que millor solapen la cobertura de parestèsia amb els dermatomes dolorosos del pacient abans de l'implant del dispositiu d'EME. D'altra banda, també s'ha estudiat l'efecte de la posició esglaonada dels elèctrodes en el pacient. En este cas, els resultats revelen que el posicionament esglaonat cancel·la el desplaçament esquerre o dret de l'activació neuronal en els cordons posteriors, sugerint així que el posicionament esglaonat deuria evitar-se quan s'aplica l'estimulació tònica.Solanes Galbis, C. (2021). Patient-specific computational modeling for spinal cord stimulation therapy optimization [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/176007TESI

Design of a wearable device for conditional neuromodulation of the pudendal nerve

After spinal cord injury, the normal functions of the lower urinary tract may be disrupted. Namely, incontinence and concurrent voiding problems may ensue. The troublesome side effects of the drugs, infection due to catheterisation, and the costs and risks associated with more invasive treatments indicate the need for alternative forms of treatment. The pudendal nerve neuromodulation may provide such an alternative. The unique aspect of this technique is that depending on the stimulus frequency it may result in micturition-like or continence-like reflexes. Also, the stimulus current can be applied trans-rectally, meaning that a minimally-invasive wearable solution may be developed. The major limitation of such a solution is the high level of the required stimulus current to activate the nerve trans-rectally. The efficacy of the trans-rectal neuromodulation of the pudendal may be increased by only applying the stimulus when needed, when employed to tackle incontinence. The electromyogram signal from the external anal sphincter may be used to detect the onset of hyper-reflexive contractions of the bladder. The ability of recording this signal can be readily incorporated in the neuromodulation device due to the proximity of the structures. However, the recording electrodes should be designed for an efficacious and chronic recording. Thus, the main objective of this thesis was to design and optimise the neuromodulation and recording electrodes on the said device. A volume conductor model of such a device in situ was developed and used in tandem with a double layer cable model of nerve fibres to minimise the stimulus current. It was demonstrated that a considerable reduction in the stimulus current may be achieved even when the variations of the nerve trajectory in different individuals are considered. Using computational models and experimental measurements, a recording assembly was identified for an efficacious recording of the electromyogram from the external anal sphincter

Influence of transdermal current flow in tDCS-induced cutaneous adverse events

Significant contributors to the broad application of transcranial direct current stimulation (tDCS) are portability, ease-of-use, and tolerability; with adverse events limited to transient and mild cutaneous sensations (e.g. perception of burning, itching, and tingling) and erythema. However, the fundamental questions remain about the mechanism of transdermal current flow during transcranial electrical stimulation, including tDCS. Example of previously unexplained questions in tDCS include: 1) the relationship between tDCS-induced skin reddening (erythema) profile and local current density profile predicted by the model; 2) the source of burning sensation during tDCS and whether it is related to an actual skin heating; 3) the role of skin multi-layers and ultrastructures (blood vessels, sweat glands, and hair follicles) in current flow. The finite element modeling (FEM) of current flow using simplified tissue geometries predict higher current density at the electrode edge, but the experimental evidences for the cutaneous effects of tDCS (skin heating or skin reddening) are unclear. Prior skin models of cutaneous current flow lacked anatomical details that will a priori be expected to govern current flow patterns. In this dissertation we address the aforementioned questions by: first quantifying tDCS-induced skin erythema profile alongside FEM predicting local current density profile; then assess the extent of skin heating during tDCS, including the role of joule heating, and relate temperature increase (if any) to burning sensation; and finally develop a realistic skin model to address the role of complex skin tissue layers and ultrastructures in current flow. In the first study, we conclude that the tDCS-induced skin reddening profile is diffuse, higher in active stimulation than sham stimulation, and does not occur at the electrode edges suggesting two alternate hypothesis: 1) skin reddening profile is not related to local current density; and 2) skin current density is relatively uniform, so prior FEM models are incorrect. Next, we conduct phantom measurement suggesting no significant temperature increase due to joule heat as expected at the skin during tDCS. The in vitro human skin temperature measurement suggests that independent of tDCS polarity, temperature increases by about 1oC; an increase during tDCS that is less than the cooling produced following a room-temperature sponge application during the set-up. We conclude that any incremental temperature increase by tDCS may reflect vascular flare response due to current flow, cannot exceed the core body temperature, and is more than the offset by sponge-material coolness, thus, the sensation of skin “burning” during tDCS is not related to an actual increase in temperature. In the final study, we develop a detailed multi-layer skin model including sweat glands, hair follicles, and vasculature, and assess the role of multi-layers and ultrastructures in current flow. The FEM analysis predict that sweat glands eliminates localized current density around the electrode edges, and blood vessels uniformly distribution current across the modeled vasculature under the electrode. We expect that a current flow and bioheat model of such a detailed skin would increase the uniformity of current density and temperature predicted at the skin - consistent with the experimental measurement of skin reddening and skin heating

Modelización de los efectos de la neuroestimulación medular

[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.Durá Cantero, JL. (2022). Modelización de los efectos de la neuroestimulación medular [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/19024