Waiting
Login processing...

Trial ends in Request Full Access Tell Your Colleague About Jove
Click here for the English version

Bioengineering

استهداف مساحات الألياف العصبية للعلاج تحفيز الدماغ العميق باستخدام نماذج تفاعلية، والخاصة بالمريض

doi: 10.3791/57292 Published: August 12, 2018

Summary

والهدف من هذا المشروع تطوير خط أنابيب نمذجة التفاعلية الخاصة بالمريض إلى محاكاة آثار تحفيز الدماغ العميق في قرب الوقت الحقيقي، وتوفير التغذية المرتدة ذات مغزى فيما يتعلق بالكيفية التي تؤثر بها هذه الأجهزة النشاط العصبي في الدماغ.

Abstract

تحفيز الدماغ العميق (DBS)، الذي ينطوي على الإدراج القطب لتسليم التحفيز إلى منطقة الدماغ مترجمة، هو علاج المتبعة لاضطرابات الحركة، ويتم تطبيقها على عدد متزايد من الاضطرابات. النمذجة الحاسوبية قد استخدمت بنجاح للتنبؤ بآثار سريرية DBS؛ ومع ذلك، هناك حاجة إلى تقنيات النمذجة رواية لمواكبة التعقيد المتزايد للأجهزة DBS. هذه النماذج تحتاج أيضا إلى توليد التنبؤات بسرعة ودقة. والهدف من هذا المشروع وضع أنبوب تجهيز صورة ﻹدراج نموذج محدد التفاعلية، والمريض لمحاكاة آثار DBS الهيكلية التصوير بالرنين المغناطيسي (التصوير بالرنين المغناطيسي)، ونشر مرجح التصوير (دوي). رائد DBS ظاهري يمكن وضعها داخل النموذج المريض، جنبا إلى جنب مع جهات الاتصال النشطة وإعدادات التحفيز، حيث إنشاء تغييرات في موقف الرصاص أو التوجه الجديد عنصر محدود مش وحل مشكلة الاحتمالات الميدانية في الوقت الحقيقي بالقرب، وهو زمنية لمدة 10 ثوان تقريبا. كما يتيح هذا النظام محاكاة للعملاء المتوقعين متعددة بالقرب من السماح التوجيهي الحالي الأنودات متفاوتة والزركونيم على مختلف العملاء المتوقعون. التقنيات المعروضة في هذه الورقة تقليل عبء توليد واستخدام النماذج الحسابية لحين توفير تغذية مرتدة مفيدة حول آثار موقف القطب والتصميم الكهربائي وتكوينات التحفيز للباحثين أو الأطباء الذين قد لا يكون الخبراء النمذجة.

Introduction

تحفيز الدماغ العميق (DBS) علاج المتبعة لاضطرابات الحركة مثل الهزة الأساسية1 و2من مرض باركنسون. كما يجري التحقيق في هذا العلاج كعلاج محتمل لعدد متزايد من الاضطرابات بما في ذلك الدماغ إصابة3ومتﻻزمة توريت4و5من الاكتئاب. تتطلب أنظمة DBS زرع جراحية الرصاص قطب كهربائي لتسليم التحفيز في منطقة الدماغ مترجمة لتعديل النشاط العصبي الجارية6. موقع أقطاب كهربائية والمعلمات التحفيز يكون لها تأثير على تحوير الدوائر العصبية التي تقدم فائدة علاجية. الاختلافات الصغيرة في الموقع يمكن أن تؤثر على الإطار العلاجي، ربما يزيد من احتمالات الآثار الجانبية الضارة قبل فائدة علاجية حققت7،،من89. في الواقع، غالباً ما يصعب التنبؤ بتحفيز الآثار سيكون على النشاط العصبي؛ ونتيجة لذلك، يتم تعريف هذا الإطار لفائدة علاجية على أساس مريض بحيث تتم برمجة الجهاز التحفيز قبل8،الطبيب9. هذه العملية أصبحت أكثر تعقيداً وأجيال جديدة من الأجهزة DBS تصبح متاحة. على سبيل المثال، يجري إدخال تصاميم قيادة جديدة مع جهات الاتصال أكثر10،،من1112، وفي بعض الحالات يؤدي متعددة يتم يتم زرعها بالقرب من بعضها البعض13. ومن ثم، هناك حاجة إلى أن تكون قادرة على استكشاف والتنبؤ بآثار DBS عبر مساحة معلمة الكبيرة والمتنامية.

يمكن استخدام النمذجة الحاسوبية، وتحليل للتنبؤ بآثار فسيولوجية والسريرية DBS بصفة خاصة بالمريض. استخدام هذه النماذج عنصر محدود النمذجة (FEM) لبناء تمثيلات الأبعاد الثلاثة لانسجة المخ والخصائص الفيزيائية لمسرى مزروع. نماذج الاحتمالات الميدانية فيم قد استخدمت بنجاح التنبؤ بآثار DBS14، ولكن حتى الآن هذه قد تستغرق وقتاً طويلاً ومكلفة حسابياً لتوليد. وهناك حاجة إلى تقنيات النمذجة رواية لمواكبة التعقيد المتزايد للأجهزة DBS. ينبغي أن توفر هذه النماذج الخاصة بالمريض قرب الملاحظات البصرية في الوقت الحقيقي عن آثار DBS كموقع للرصاص أو يتم تغيير معلمات التحفيز. المستخدم الحصول على ملاحظات حول موقع قيادة والإعداد التحفيز في بضع ثوان، مما يتيح استمرار صقل موضع الرصاص على مدى عدة دقائق. ويتحقق بدمج التشريح المريض والشكل الدماغ والحجم، عند بناء فيم وتطبيق الخصائص الفيزيائية للدماغ، مثل الأنسجة متباين الموصلية خصوصية المريض. موصلية متباين يصف كيف الحالية سوف تنتشر عبر مناطق مختلفة من الدماغ ويمكن قياس غير إينفاسيفيلي لكامل الدماغ مشابهة لصورة نموذجية رنين المغناطيسي (التصوير بالرنين المغناطيسي).

DBS النمذجة النهج التي لا تستخدم المعلومات الخاصة بالمريض يمكن توفير تنبؤات سريعة، ولكنها أقل دقة من آثار التحفيز, سبب الهندسات المعمم وقيم الموصلية لانسجة المخ. وفي هذا النهج، فيم واحد يستخدم لجميع المرضى ونشاط العصبية المتوقعة يمكن أن يحسب مقدما. لا يمكن تعميم نماذج خاصة بالمريض والمحسوبة مسبقاً منذ بنيت فيم جديدة لكل فرد. هذه النماذج تتطلب المزيد من الجهد لبناء ولكن يمكن أن يكون أكثر دقة. وهناك عدة عوامل تحد من السرعة التي يمكن بناء هذه النماذج واستخدامها: 1) يتطلب تعديل المعلمات في بداية خط الأنابيب بناء النموذج، مثل موقف القطب، الجهد اليدوي لتحديث كافة الخطوات اللاحقة؛ و 2) الخطوات في خط الأنابيب النمذجة لا بسهولة تتكامل مع بعضها البعض، التي تتطلب تمرير البيانات بين حزم برامج متعددة. وكثيراً ما نريد أن تقييم العديد من الحالات المختلفة مثل موقف القطب أو معلمات التحفيز الكهربائي التصاميم. لتوفير معلومات مفيدة حول تأثير هذه التغييرات على التأثير العلاجي سوف يتلقى المريض، هذه النتائج ينبغي أن تكون دقيقة ويتم إنشاؤه على حد سواء بسرعة.

وهدفنا هو أن يقدم تقنيات جديدة لبناء نماذج خاصة بالمريض أن الاستفادة من السرعة الحصول على نماذج معممة وأتمتة العديد من الخطوات خط أنابيب لخلق بيئة تفاعلية نمذجة يوفر قرب البصرية في الوقت الحقيقي ملاحظات حول آثار DBS. محاكاة تفاعلية تسمح لمستخدم لاختبار التنبؤات والحصول على النتائج بسرعة دون التركيز على التفاصيل لبناء نموذج. وهذا مفيد عندما يكون هناك مساحة كبيرة معلمة لاستكشاف وغير متأكد من كيفية تأثير هذه المعلمات المحاكاة. ونحن سوف تصف الخطوات في تجهيز خط الأنابيب لتوليد نماذج فيم التفاعلية الخاصة بالمريض من المقتنيات التصوير بالرنين المغناطيسي (التصوير بالرنين المغناطيسي). استخدام الأدوات والأساليب المبينة في هذه الورقة سيتم خفض تكلفة الوقت لخلق نماذج الاحتمالات الميدانية فيم وتوفر طريقة لجعل هذه النماذج متاحة للباحثين والأطباء الذين لم يتم النمذجة الخبراء.

ويصف هذا البروتوكول كيفية بناء نموذج عنصر محدود الخاصة بالمريض من وحدات التصوير بالرنين المغناطيسي المكتسبة، ومحاكاة ثم الحقل الكهربائي الناجم عن كهربائي DBS. الخطوات الرئيسية في خلق هذه النماذج: 1) بناء نموذج عناصر محدودة (FEM) تمثل الدماغ للمريض ومسرى مزروع و 2) إضافة الخصائص الفيزيائية الحيوية من المعلمات الدماغ وتحفيز الجهاز DBS فيم 3) حل الجهد المتولدة عن مسرى في النموذج. طرائق التصوير اثنين ضرورية لبناء نموذج محدد مريض لمحاكاة DBS. T1 التصوير بالرنين المغناطيسي يستخدم لبناء الانقسامات سطح الدماغ والبطينين، ونواة محددة. نشر مرجح التصوير (دوي)، تدبير المياه الانتشارية، يستخدم لتقدير تينسورس نشرها في جميع أنحاء أنسجة الدماغ15. يتم تحويل tensors نشر إلى tensors الموصلية والتحديد الكمي للخصائص الفيزيائية الحيوية متنافرة، متباين من الأنسجة في فوكسل فوكسل أساس16. توزيع التيار الكهربائي في جميع أنحاء الدماغ الناجم عن مسرى يتم حسابها عن طريق حل معادلة بواسون، الذي يبسط نظام المعادلات خطية من خلال تطبيق فيم Ax = b حيث مصفوفة صلابة التي يمثل الموصلية وهندسة الشبكة، x هو الحل الجهد في كل عقده في الشبكة، ويتم تعديل ب استناداً إلى شروط الحدود والمصادر الحالية.

Protocol

1. معالجة الصور

  1. T1 تجزئة التصوير بالرنين المغناطيسي
    1. تنزيل وتثبيت فريسورفير17. من المفترض أن التصوير بالرنين المغناطيسي T1 قد اكتسبت وتنسيق DICOM أو نيفتي.
    2. اكتب الأمر التالي لإنشاء دليل مريض وإضافة حجمها T1 في فريسورفير: باتينتنامي ريكون-جميع-s-i/Full/Path/To/nii
    3. اكتب الأمر التالي لتشغيل في فريسورفير الآلي تجزئة: باتينتنامي ريكون-جميع-s-جميع
    4. استخدام mri_convert لتحويل "aseg.auto.mgz" من تنسيق.mgz الملكية في فريسورفير.
  2. نشر مرجح التصوير (دوي)
    1. تنزيل وتثبيت تقطيع18. فمن المفترض أن اقتناء دوي قد أنجز وهو متاح ككومة من ملفات DICOM.
      ملاحظة: هو أداة سطر أوامر جيدة لأداء هذا التعمير مكتبة برامج فمريب (FSL)19. واستخدمت خدمة ميدانية محلية في هذا البروتوكول لأداء صدى المستوية، الحركة، وتصحيح التشوه الحالي الدوامة قبل إعادة الإعمار. دوي البيانات المستخدمة في هذا التحليل عبارة عن سلسلة من ملفات DICOM ل 41 اتجاهات التدرج نشر توعية مختلفة.
    2. استخدم الوحدة النمطية دويكونفيرتير في تقطيع اللحم لإعادة الشراء منفصلة 41 في مجلد واحد. حدد Dicom مدخلات بيانات الدليل حيث توجد البيانات دوي. حدد الزر الراديو ديكومتونرد وتوفير اسم وحدة التخزين دوي الإخراج.
    3. إنشاء قناع موتر نشر مرجح إخفاء الحجم بوحدة للقضاء على الضوضاء الخلفية من تقدير وزارة التجارة والصناعة. ترك المعلمة عتبة في الإعداد الافتراضي 0.5.
    4. تحويل هذا الحجم دوي واحد إلى وحدة تخزين نشر موتر (وزارة التجارة والصناعة) مع دوي "تقدير وزارة التجارة والصناعة" باستخدام القناع بإنشائه في الخطوة السابقة قناع موتر نشر. تعيين المعلمات تقدير المربعات الصغرى، وتأكد من تحديد خيار التحول السلبي معامل التحول الخطي .
    5. حفظ وحدة التخزين التي تم إنشاؤها حديثا وزارة التجارة والصناعة في شكل نرد.

2. جيل نموذج عنصر محدود

  1. سسيرون
    1. تحميل وتثبيت الإصدار 5 (http://www.sci.utah.edu/software/scirun.html) سسيرون. سسيرون بيئة المشاكل للنمذجة، والمحاكاة، والتصور للمشاكل العلمية. وهذا منضدة الحسابية المستخدمة لإنشاء حل، والتفاعل مع النموذج الذي وضع في هذا المشروع.
      ملاحظة: شبكات سسيرون تم إنشاؤها بواسطة ربط تسلسل الوحدات الفردية التي تؤدي مهام محددة. تمرير البيانات من خلال شبكة من وحدات بسيطة تسمح للمعالجة والمحاكاة أكثر تعقيداً.
  2. بناء الهندسة الكهربائي
    ملاحظة: مسرى على غرار في هذا المشروع هو الرصاص مدترونيك 3387 DBS20. وقيادي أسطواني مع أربع جهات الاتصال 1.5 مم في الارتفاع، 1.27 ملم في القطر، ومم 1.5 متباعدة عن بعضها البعض. المواد غير موصل يفصل بين أربع جهات الاتصال.
    1. إنشاء شبكة سطحية مغلقة لكل مكون في الصدارة DBS مطابقة الأبعاد المذكورة. إنشاء قيادة كاملة باستخدام اثنين الهندسات البدائية واسطوانات والمجالات.
      ملاحظة: يمكن إنشاء الهندسة الرائدة في مجموعة متنوعة من برامج النمذجة 3D.
    2. إنشاء شبكة سطح طبقة تغليف 0.5 مم المحيطة بقيادة كاملة.
  3. إنشاء شبكة الجامعة الدماغ
    1. تحميل سطح الدماغ التي تم إنشاؤها في الجزء 1 لتكون بمثابة خط الحدود الخارجي لحركة
    2. إنشاء اثنين مربع متحدة المركز الأسطح المحيطة بالرصاص DBS للتحكم في كثافة شبكة حول مسرى.
      ملاحظة: يؤدي DBS ومربع ينبغي مواءمة السطحية على طول محور ع الإيجابية مع الحافة السفلي رمح الكهربائي الموجود في الأصل. هذا أمر مهم للتناوب في وقت لاحق وترجمة القطب.
    3. إنشاء سحابة نقطة بنقطة واحدة تقع في كل منطقة متميزة من الشبكة. مناطق الشبكة: شرائح رمح وأربع جهات الاتصال والمربع وسطح الدماغ. القيم التي تعلق على هذه النقاط تمثل القيود الحجم الأقصى لكل عنصر هرمي ثلاثي في الشبكة لتلك المنطقة. يتم ضبط هذه القيود للتحكم في كثافة شبكة في وحول مسرى.
    4. استخدام الوحدة النمطية "إينتيرفاسيويثتيتجين" لإنشاء شبكة الدماغ كله. تعيين منافذ الإدخال كما يلي:
      المنفذ 1: سطح الدماغ (من 1.1)
      المنفذ 2: السمة الإقليمية سحابة نقطة، قيود حجم (من 2.3.3)
      المنفذ 3: لا شيء
      المنفذ 4: أسطح النموذج الكهربائي (من 2.2)
  4. موضع القطب التفاعلية
    ملاحظة: الهدف من هذه الخطوة هو لتمكين سهولة حركة القطب في أي مكان داخل المخ، والنظام تلقائياً بتحديث شبكة جديدة والمحاكاة.
    1. استخدام اثنين من وحدات كريتيجيوميتريكترانسفورم المتتالية لتدوير مسرى في الطائرة X و Y. انقر فوق استدارة وتعيين أول وحدة إلى 1.00 الثانية إلى 1.00 على المحور Xو المحور Y . يتم تعيين زاوية الاستدارة مع شريط التمرير أسفل، تدوير ثيتا (درجات).
    2. قم بتوصيل وحدة نمطية ترانسفورميشويثترانسفورم لكل تحويل والكائن الذي يحتاج إلى أن تتحول.
    3. إنشاء وحدة نمطية جينيراتيسينجليبوينتبروبيفرومفيلد والاتصال بالمنفذ الهندسة إلى الوحدة النمطية فيوسسيني . نقل المجال في إطار فيوسسيني بالضغط على المفتاح shift ورهانك. وحدة التحقيق نقطة تحديثات الموقع المجال عند الإفراج عنهم.
      ملاحظة: يتم استخدام هذا الموقع لتحديد تحويل ترجمة تطبيق الهندسة الكهربائي.
    4. استخدام وحدة نمطية ترانسفورميشويثترانسفورم بترجمة كل جزء من الهندسة الكهربائي مع موقع المسبار نقطة.
    5. تطبيق التحويلات هما التناوب والترجمة من القطعة مسبار نقطة لكل كائن استثناء سطح الدماغ.
      ملاحظة: ينبغي إجراء كل ثلاثة من هذه التحولات في كل كائن قبل أن يتم إيصاله إلى الوحدة النمطية إينتيرفاسيويثتيتجين حتى يعرف خوارزمية تستطيعه مش الهندسة الكهربائي داخل الدماغ في الموقع الجديد والتوجه. في كل مرة يتم نقل الكهربائي داخل الدماغ سيتم بناء شبكة جديدة.

3-حساب الحقل الاحتمالات

  1. تعيين معلمات الموصلية
    1. تحميل وحدة التخزين التي تم إنشاؤها في الخطوة 1 وزارة التجارة والصناعة، وتعيين البيانات إلى الإخراج مش هرمي ثلاثي من إينتيرفاسيويثتيتجين التي تم إنشاؤها في الخطوة 2 باستخدام مابفيلداتافرومسورسيتوديستينيشن مع خيار linear('weighted').
      ملاحظة: يمكن تنفيذ أي تقدير الموصلية متباين في هذه الخطوة.
    2. تعيين الموصلية المنطقة رمح 1e-6 ومنطقة الاتصال إلى 1e6 باستخدام كالكولاتيفيلداتا. حالما يتم تعيين كافة القيم الموصلية، أنابيب الحقل إلى بويلدفيماتريكس.
  2. الإعداد الحالي/الجهد مصادر وشروط الحدود
    1. الأنابيب على سطح الدماغ المستخدمة في عملية تستطيعه من الخطوة 2 إلى سيتفيلداتاتوكونستانتفالوي وتعيين القيمة إلى 0. وهذا سيخلق بالوعة جهد على سطح الدماغ كامل. ثم استخدم إينسيرتفولتاجيسورسي لوضع قيم الجهد في إخراج مش هرمي ثلاثي إينتيرفاسيويثتيتجين.
    2. لتحفيز أحادي القطب، إنشاء نقطة واحدة في المركز من أحد مواقع الاتصال بحساب قيمة فيلدسينتير من وحدة ريبورتفيلدينفو على واحد من الاتصال السطوح. تعيين البيانات الميدانية على هذه النقطة-1 فولت. ثم استخدم إينسيرتفولتاجيسورسي لوضع مصدر نقطة في الشبكة هرمي ثلاثي.
      ملاحظة: هناك الآن نسختين من مش هرمي ثلاثي. واحد مع الجهد القيم المحددة على سطح الدماغ وواحدة مع مصدر نقطة داخل جهة اتصال.
    3. الانضمام إلى إخراج اثنين من وحدات إينسيرتفولتاجيسورسي وتوجيه الإخراج إلى أبليفيمفولتاجيسورسي جنبا إلى جنب مع إخراج بويلدفيماتريكس.
  3. حل مشكلة إلى الأمام
    ملاحظة: إخراج أبليفيمفولتاجيسورسي يعطي صلابة المصفوفة على المنفذ 1 ومصفوفة الجانب الأيمن على المنفذ 2. هذه هي مكونات اثنين بحاجة إلى حل نظام المعادلات.
    1. الأنابيب اثنين من النواتج من أبليفيمفولتاجيسورسي إلى سولفيلينيرسيستيم. حدد "التدرج متزاوجة" حل جاكوبي بريكونديتيونير والأسلوب. الناتج من هذه الوحدة هو مصفوفة الحل، قيمة الجهد في كل عقده في الشبكة هرمي ثلاثي.
    2. استخدام سيتفيلداتا لوضع مصفوفة حل الجهد على شبكة هرمي ثلاثي لتمثيل ثلاثي الأبعاد لتوزيع التيار الكهربائي.
  4. التصور إيسوسورفيس
    1. الأنابيب نتيجة سيتفيلداتا في اكستراكتسيمبليسوسورفيس. فتح واجهة المستخدم إلى علامة التبويب الكمية وتعيين عدد إشعاعات متباعدة بشكل متساو إلى 10.
    2. استخدام وحدة نمطية شوفيلد وتوصيله إلى وحدة فيوسسيني لعرض إيسوسورفاسيس أنها شفافة مع خريطة ألوان قوس قزح المحجمة لدقيقة والحد الأقصى من الجهد الحل.

Representative Results

في نهاية هذا البروتوكول يتم توفير جميع المدخلات اللازمة لإنشاء نموذج الخاصة بالمريض: سطح الدماغ والهندسة الكهربائي tensors الموصلية. سسيرون وينبغي أيضا قد أنشئت شبكة يدمج جميع المدخلات لبناء نموذج عنصر محدود، ومحاكاة حقل الاحتمالات المستحث. يسمح نموذج محاكاة لحركة القطب داخل المخ وتعديل المعلمات مثل جهات الاتصال النشطة أو السعة التحفيز.

يوضح الشكل 1 القدرة على محاكاة ومقارنة التنبؤات تنشيط الألياف عبر مواقف متعددة القطب. توليد مساحات الألياف من تصوير نشرها لا تجلى في هذا البروتوكول، ولكن يمكن إجراء هذا التحليل بأي طريقة تراكتوجرافي القطعية. موقف 2 تتنبأ تنشيط أكثر قوة من حزمة الألياف المستهدفة في انخفاض التحفيز ستريك عبر كافة جهات الاتصال مقارنة بالموضع 1. ويستخدم هذا التحليل خلال مراحل التخطيط لعملية جراحية DBS لتحديد مسار القطب التي سوف تحفز فعالية في مسار الألياف المستهدفة.

ميزة جديدة من هذا النظام هو القدرة على التحول بسرعة الهندسة الكهربائي في النموذج، والقدرة على محاكاة متعددة يؤدي بالقرب من بعضها البعض. وتستخدم كل من هذه النهج لتوفير قدر أكبر من التحكم في الشكل وتوجيه للمجال الكهربائي حول مسرى. ويبين الشكل 2 مقارنة الألياف التنشيط التوقعات بين أكسيسيميتريك والاتجاه DBS تؤدي أثناء التحقيق في المواقع الرائدة لتحفيز مسارات الألياف ثالاميك الوسطى وتجنب المناطق مثل نويات الحسية القريبة . لمسار القطب نفسه، يمكننا أن نرى أن يؤدي الاتجاه يكون قادراً على توجيه تنشيط الألياف نحو المنطقة المستهدفة مع تجنب تحفيز ألياف غير مرغوب فيها. يمكن استخدام هذا التحليل لتحديد متى سيكون من الضروري تغيير الجهاز سوف تلقي المريض للعلاج DBS لتجنب التحفيز للمناطق القريبة من شأنه أن يحفز الآثار الجانبية غير المرغوب فيها. هذا النهج مفيد لاستهداف نواة سوبثالاميك لعلاج أعراض مرض باركنسون، مع تجنب الكبسولة الداخلية القريبة.

Figure 1
الشكل 1 : مقارنة بين موقف القطب والتنبؤات المتعلقة بهدف تنشيط الألياف. التنبؤ بإجمالي الألياف حزمة التنشيط لتحفيز ستريك (-0.5 V إلى-5.0 الخامس) وجميع الاتصالات الأربعة للموقفين القطب مختلفة. الرجاء انقر هنا لمشاهدة نسخة أكبر من هذا الرقم-

Figure 2
الشكل 2 : مقارنة التنبؤات التنشيط حزمة الألياف ثالاميك المركزية مع DBS أكسيسيميتريك والاتجاه يؤدي. (أ) تؤدي DBS أسطواني 3387 مدترونيك التصور على حد سواء و DBS اتجاهي العاقل يؤدي مع تفعيل حسابات الدالة على حزمة الألياف ثالاميك المركزية المستهدفة سعة تحفيز أحادي القطب وحيد. (ب) (ط) مستعرضة شريحة من خلال حزم DBS الرصاص والألياف. (ثانيا) إسقاط ثنائي الأبعاد لمنطقة مستعرضة مع تحديد DBS تؤدي، واستهداف الألياف، والألياف لتجنب. (ج) يزيد من انتشار التنشيط عبر الألياف الغذائية المستهدفة والألياف للإبطال كالسعة التحفيز لكل أكسيسيميتريك والاتجاه يؤدي DBS. تنشيط ألياف سعة تحفيز معين تظهر باللون الأحمر، بينما لم يتم تنشيط ألياف تظهر باللون الأزرق. (د) تجميع لجميع عمليات المحاكاة يظهر في لوحة ج، عرض السعة عتبة التحفيز المتنبأ بها في جميع المناطق لحزم الألياف. الرجاء انقر هنا لمشاهدة نسخة أكبر من هذا الرقم-

Discussion

هذا البروتوكول قد أثبتت تقنيات للحد من عبء الوقت والتكلفة الحسابية لبناء نماذج محددة المريض ل DBS إلى درجة أن يسمح القرب من التغذية المرتدة في الوقت الحقيقي لنتائج المحاكاة. تغذية مرتدة سريعة يمكن استكشاف الفضاء معلمة كبيرة لفهم أفضل لكيفية تأثير التغييرات المعلمة على نتائج النموذج. وتشمل هذه المعلمات الموقع الرائدة واختيار جهات الاتصال النشطة، والسعة، وعرض النبض والتردد الموجي التحفيز على تلك الاتصالات. السمات الرئيسية للأداة المقترحة: 1) بواجهة مستخدم بسيطة لضبط المعلمات النموذجي بالقرب من التصور في الوقت الحقيقي لكيفية تأثير هذه المعلمات المحاكاة، والتشغيل الآلي 2) لإنشاء نموذج من مجموعة صغيرة من المدخلات: سطح الدماغ، tensors الموصلية أنسجة المخ، وتمثيل سطحية للهندسة الكهربائي. أتمتة هذا يعجل إنشاء النماذج الخاصة بالمريض للعديد من الأفراد الذين لديهم الدماغ مختلف الهندسات والأنسجة كوندوكتيفيتيس، فضلا عن تقييم آثار إدراج تصميمات مختلفة القطب في النماذج القائمة. خطوات ما قبل المعالجة الصورة المبينة في هذا البروتوكول كانت غير مؤتمتة بالكامل، ويمكن أن إلى يوم الوقت اللازم للتجهيز. ومع ذلك، وبمجرد الانتهاء من البيانات التي تم إنشاؤها من هذه الخطوات تعتبر ثابتة، بمعنى لا يتم تعديل هذه البيانات أثناء عمليات المحاكاة. التشغيل الآلي لإنشاء نموذج ينبع من قدرة النظام على تطبيق هذه البيانات على فيم الخاصة بالمريض دون الجهد اليدوي. شبكة سسيرون تنفيذ كل جيل نموذجية، والمحاكاة، خطوات التصور يحتاج فقط إلى أن يبني مرة واحدة. ولذلك ينبغي إلا خطوات قبل تجهيز الصورة التي يتعين القيام بها مرة أخرى لإنشاء نموذج الخاصة بالمريض لمريض واردة.

ويرجع كسب الأداء في توليد النتائج من خط الأنابيب النمذجة إدماج توليد شبكة وحسابات الحقل الاحتمالات، والتصور للحل في بيئة برمجية واحدة. تقنيات النمذجة القائمة مثل توليد شبكة التكيف المستخدمة لإنشاء أعلى مش أقل كثافة أبعد عن مسرى مما يقلل من الوقت لبناء وحل حركة وكثافة حول مسرى كما يتيح البرنامج، سسيرون، التشغيل الآلي لتوليد شبكة وحسابات الحقل الاحتمالات. حركة المعرفة من قبل المستخدم من مسرى الحاجيات التفاعلية باستخدام مشغلات بناء شبكة جديدة مع موقف القطب المحدثة. وهذا يشمل تعديل شروط الحدود وقيم الموصلية للموضع الجديد لقطب كهربائي.

هندسة القطب تعامل ككائن حرية التحرك داخل حجم الدماغ قبل أن يتم دمج موقفه حركة آثار رئيسية لهذا النهج لبناء شبكة من أن أقطاب متعددة يمكن إدراجها بسهولة في النموذج. على سبيل المثال، يمكن وضع نسخة ثانية من الهندسة الكهربائي عدة ملليمترات بعيداً وكلاهما ستدرج في حركة في البحوث التي أجريت مؤخرا، قد تم زرعها قطبين بالقرب من علاج التصلب المتعدد الهزة13 وقد استخدمت في تجارب الرئيسيات غير البشرية لاستكشاف أهداف التحفيز الفعال21. الفائدة من استخدام أقطاب متعددة توفير مراقبة أفضل للمجال الكهربائي التي تم إنشاؤها في الأنسجة على مساحة أكبر. يمكن توجيه حفز مع جهات الاتصال النشطة في كل أقطاب الحالية تجاه المنطقة المستهدفة، وبعيدا عن المناطق التي تؤدي إلى آثار جانبية سلبية. تحكم أدق للتحفيز على مساحة أكبر مفيد أيضا استكشاف مواقع مختلفة من التحفيز عند الموقع الدقيق للهدف المقصود غير معروف، وكما الحال بالنسبة للعديد من تطبيقات العلاج الناشئة DBS. ومع ذلك، تحديد المعلمات لتحقيق التحفيز العلاجي أكثر صعوبة من قطب واحد بسبب الزيادة في مساحة معلمة كبيرة بالفعل.

ونحن نتصور أن فائدة هذه الأداة نماذج تفاعلية أثناء تخطيط قبل العملية لغرس DBS. ملاحظات حول مدى التحفيز في أنسجة المخ يمكن السماح للجراحين تعديل موقع القطب في خطتهم الجراحية لتوفير التحفيز العلاجي للمنطقة المستهدفة. بينما كان العلاج DBS تحفيز العامل الأساسي لتطوير هذه الأداة، يمكن تطبيق التقنيات المعروضة في هذه الورقة إلى أي نموذج الحقل الاحتمالات فيم مع التحفيز المختلفة أو نماذج التسجيل. العلاجات التحفيز مثل transcranial التحفيز التيار المباشر للاكتئاب22 أو استخدام أقطاب عمق لعلاج الصرع23 مشاركة نفس التحديات التي تواجهها DBS في تحديد أفضل موقع للتحفيز على تحقيق النتائج العلاجية. وقد اليكتروكورتيكوجرافي، أسلوب تسجيل مع صفائف أقطاب على سطح الدماغ لتحديد المناطق بداية الاستيلاء، التحدي المتمثل في تحديد مكان وضع أقطاب كهربائية لتسجيل من المناطق المستهدفة في الدماغ24. كل من هذه التطبيقات تعتمد على موقف قطب كهربائي أثناء التعامل مع حالة عدم اليقين كيف التدفقات الحالية من خلال أنسجة المخ. التقنيات المعروضة في هذه الورقة تقليل عبء توليد واستخدام النماذج الحسابية لحين توفير تغذية مرتدة مفيدة للباحثين والأطباء استخدام هذه الأجهزة الذين ليسوا خبراء النمذجة.

Disclosures

كريستوفر ر. Butson، دكتوراه عملت كمستشار ل NeuroPace، بيونيك متقدمة، بوسطن العلمية والطبية إينتيليكت، سانت جود الطبية، ونيورومودوليشن الفنية.

Acknowledgments

وأيد هذا المشروع بالوطني معهد للصحة منح UH3، NS095554. قدم المركز "الحوسبة الطبية المتكاملة" في معهد التصوير والحوسبة العلمية الدعم التقني وتسنى جزئيا بالبرمجيات المتقدمة من المعاهد الوطنية للصحة P41-GM103545، مركز "التكاملية الطب الحيوي الحوسبة".

يتم توسيع امتنانه للكلمة Lexie وجالي ناثان في معهد التصوير لإنتاج وتحرير لتقديم الفيديو والحوسبة العلمية، وأيضا لينس تيريزا للمساعدة في إعداد مخطوطة.

Materials

Name Company Catalog Number Comments
FreeSurfer Athinoula A. Martinos Center for Biomedical Imaging https://surfer.nmr.mgh.harvard.edu/
3D Slicer BWH, Harvard University https://www.slicer.org/
SCIRun  University of Utah Center for Integrative Biomedical Computing http://www.sci.utah.edu/cibc-software/scirun.html

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. Benabid, A. L., et al. Chronic electrical stimulation of the ventralis intermedius nucleus of the thalamus as a treatment of movement disorders. Journal of Neurosurgery. 84, (2), 203-214 (1996).
  2. Limousin, P., et al. Effect of parkinsonian signs and symptoms of bilateral subthalamic nucleus stimulation. The Lancet. 345, (8942), 91-95 (1995).
  3. Schiff, N. D., et al. Behavioural improvements with thalamic stimulation after severe traumatic brain injury. Nature. 448, (7153), 600-603 (2007).
  4. Vandewalle, V., et al. Stereotactic treatment of Gilles de la Tourette syndrome by high frequency stimulation of thalamus. Lancet. 353, (9154), 724 (1999).
  5. Mayberg, H. S., et al. Deep brain stimulation for treatment-resistant depression. Neuron. 45, (5), 651-660 (2005).
  6. Hashimoto, T., Elder, C. M., Okun, M. S., Patrick, S. K., Vitek, J. L. Stimulation of the subthalamic nucleus changes the firing pattern of pallidal neurons. Journal of Neuroscience. 23, (5), 1916-1923 (2003).
  7. York, M. K., Wilde, E. A., Simpson, R., Jankovic, J. Relationship between Neuropsychological Outcome and DBS Surgical Trajectory and Electrode Location. J. Neurol. Sci. 287, (1-2), 159-171 (2009).
  8. Machado, A., et al. Deep brain stimulation for Parkinson's disease: surgical technique and perioperative management. Movement Disorders. 21, S247-S258 (2006).
  9. Volkmann, J., Moro, E., Pahwa, R. Basic algorithms for the programming of deep brain stimulation in Parkinson's disease. Movement Disorders. 21, (S14), S284-S289 (2006).
  10. Contarino, M. F., et al. Directional steering: A novel approach to deep brain stimulation. Neurology. 83, (13), 1163-1169 (2014).
  11. Pollo, C., et al. Directional deep brain stimulation: An intraoperative double-blind pilot study. Brain. 137, (7), 2015-2026 (2014).
  12. Willsie, A. C., Dorval, A. D. Fabrication and initial testing of the µDBS: a novel deep brain stimulation electrode with thousands of individually controllable contacts. Biomedical Microdevices. 17, (56), 9961 (2015).
  13. Oliveria, S. F., et al. Safety and efficacy of dual-lead thalamic deep brain stimulation for patients with treatment-refractory multiple sclerosis tremor: a single-centre, randomised, single-blind, pilot trial. The Lancet Neurology. 16, (9), 691-700 (2017).
  14. Butson, C. R., Cooper, S. E., Henderson, J. M., Wolgamuth, B., Mcintyre, C. C. Probabilistic Analysis of Activation Volumes Generated During Deep Brain Stimulation. Neuroimage. 54, (3), 2096-2104 (2011).
  15. Basser, P. J., Mattiello, J., LeBihan, D. MR diffusion tensor spectroscopy and imaging. Biophys. J. 66, (1), 259-267 (1994).
  16. Gullmar, D., Haueisen, J., Reichenbach, J. R. Influence of anisotropic electrical conductivity in white matter tissue on the EEG/MEG forward and inverse solution. A high-resolution whole head simulation study. NeuroImage. 51, (1), 145-163 (2010).
  17. Fischl, B. FreeSurfer. Neuroimage. 62, (2), 774-781 (2012).
  18. Fedorov, A., et al. 3D Slicer as an Image Computing Platform for the Quantitative Imaging Network. Magn. Reson. Imaging. 30, (9), 1323-1341 (2012).
  19. Jenkinson, M., Beckmann, C. F., Behrens, T. E., Woolrich, M. W., Smith, S. M. FSL. Neuroimage. 62, (2), 782-790 (2012).
  20. Medtronic DBS 3387/3389 Lead Kit Manual. (2018).
  21. Baker, J. L., et al. Robust modulation of arousal regulation, performance and frontostriatal activity through central thalamic deep brain stimulation in healthy non-human primates. Journal of Neurophysiology. 116, (5), 2383-2404 (2016).
  22. Fregni, F., et al. Treatment of major depression with transcranial direct current stimulation. Bipolar Disorders. 8, (2), 203-204 (2006).
  23. Hodaie, M., Wennberg, R. A., Dostrovsky, J. O., Lozano, A. M. Chronic anterior thalamus stimulation for intractable epilepsy. Epilepsia. 43, (6), 603-608 (2002).
  24. Rosenow, F., Lüders, H. Presurgical evaluation of epilepsy. Brain. 124, (9), 1683-1700 (2001).
استهداف مساحات الألياف العصبية للعلاج تحفيز الدماغ العميق باستخدام نماذج تفاعلية، والخاصة بالمريض
Play Video
PDF DOI DOWNLOAD MATERIALS LIST

Cite this Article

Janson, A. P., Butson, C. R. Targeting Neuronal Fiber Tracts for Deep Brain Stimulation Therapy Using Interactive, Patient-Specific Models. J. Vis. Exp. (138), e57292, doi:10.3791/57292 (2018).More

Janson, A. P., Butson, C. R. Targeting Neuronal Fiber Tracts for Deep Brain Stimulation Therapy Using Interactive, Patient-Specific Models. J. Vis. Exp. (138), e57292, doi:10.3791/57292 (2018).

Less
Copy Citation Download Citation Reprints and Permissions
View Video

Get cutting-edge science videos from JoVE sent straight to your inbox every month.

Waiting X
Simple Hit Counter