Desarrollo y validación de un modelo 3D cerebral para la simulación de la terapia de estimulación cerebral profunda (DBS)

Abstract

[ES] La estimulación cerebral profunda (DBS) es una terapia utilizada para el tratamiento de enfermedades neurológicas como Parkinson, distonía y temblor esencial. Es una técnica cada vez más utilizada en neurocirugía, pese a que sus mecanismos de acción todavía no están completamente asentados. En el tratamiento de la enfermedad de Parkinson (EP), la estructura diana es el núcleo subtalámico (STN), el cual puede ser estimulado mediante diferentes modelos de electrodos. El objetivo del trabajo es desarrollar un modelo 3D del cerebro con el fin de determinar de forma objetiva el efecto del diseño del electrodo sobre el Volumen de tejido activado (VTA) en las estructuras anatómicas estimuladas, con el fin de dar soporte al clínico y seleccionar el modelo de electrodo y la polaridad que podría optimizar el efecto de la estimulación en la terapia de DBS en la enfermedad de Parkinson. La metodología empleada en este trabajo se basa en el desarrollo de un modelo cerebral que incluye los diferentes tejidos del cerebro, así como las principales estructuras anatómicas que se estimulan en DBS, haciendo hincapié en las áreas de los ganglios basales que se relacionan con la EP, como es la zona incerta y los campos de Forel (H, H1 y H2). Además, se han introducido las principales conectividades del STN que han sido extraídas de la tractografía, a partir de imágenes de tensor de difusión. También se incluye dos diseños distintos de electrodos usados en DBS: el electrodo cuadripolar y el electrodo direccional. Modificando la amplitud de la estimulación, la polaridad y la posición del electrodo respecto del STN, se obtiene el VTA para cada uno de los casos considerados, con el fin de establecer aquellos parámetros que maximizan la estimulación cerebral profunda en Parkinson.

[CA] L’estimulació cerebral profunda (DBS) és una teràpia utilitzada per al tractament de malalties neurològiques com el Parkinson, distonia i tremolor essencial. És una tècnica cada vegada més utilitzada en neurocirurgia, a pesar que els seus mecanismes d’acció encara no estan completament assentats. En el tractament de l’EP, l’estructura diana és el nucli subtalámic (STN), el qual pot ser per estimulat per mitjà de diferents models d’elèctrodes. L’objectiu del treball és desenvolupar un model 3D del cervell a fi de determinar de forma objectiva l’efecte del disseny de l’elèctrode sobre el volum de teixit activat (VTA) en les estructures anatòmiques estimulades, per a donar suport al clínic i seleccionar el model d’elèctrode i la polaritat que podria optimitzar l’efecte de l’estimulació en la teràpia de DBS en la malaltia de Parkinson. La metodologia empleada en este treball es basa en el desenvolupament d’un model cerebral que inclou els diferents teixits del cervell, així com les principals estructures anatòmiques que s’estimulen en DBS, fent insistència en les àrees dels ganglis basals que es relacionen amb l’EP, com és la zona incerta i els camps de forel (H, H1 i H2) . A més s’han introduït les principals connectivitats del STN que han sigut extretes de la tractografía a partir d’ imatges de tensor de difusió. D’altra banda, també s’inclou dos dissenys diferents d’elèctrodes usats en DBS: l’elèctrode quadripolar i l’elèctrode direccional. Modificant l’amplitud de l’estimulació, la polaritat i la posició de l’elèctrode respecte del STN, s’obté el VTA per a cada un dels casos considerats, a fi d’establir aquells paràmetres que maximitzen l’estimulació cerebral profunda en Parkinson.

[EN] Deep brain stimulation (DBS) is a therapy used to treat neurological diseases such as Parkinson’s, dystonia, and essential tremor. It is a technique increasingly used in neurosurgery, even though its mechanisms of action are not yet fully established. For the PD treatment, the target structure is the subthalamic nucleus (STN), which can be stimulated by different electrode models. The main objective of this work is to develop a 3D model of the brain in order to objectively determine the effect of the electrode design on the Activated Tissue Volume (VTA) in the stimulated anatomical structures, in order to support the clinician and select the electrode model and polarity that could optimize the effect of stimulation in DBS therapy for Parkinson’s disease treatment. The methodology used in this work is based on the development of a brain model that includes the different tissues of the brain, as well as the main anatomical structures that are stimulated in DBS, emphasizing the areas of the basal ganglia that are related to PD, as is the zona incerta and the forel fields (H, H1 and H2). In addition, the main connectivities of the STN have been introduced that have been extracted from the tractography, from diffusion tensor images. Also included are two different electrode designs used in DBS: the quadripolar electrode and the directional electrode. By modifying the amplitude of the stimulation, the polarity and the position of the electrode with respect to the STN, the VTA is obtained for each of the cases considered, in order to establish then those parameters that maximize deep brain stimulation in Parkinson’s.