Desarrollo y validación de un modelo de estimulación cerebral profunda (DBS) para la optimización de la posición del electrodo con respecto a la orientación de las fibras

Abstract

[ES] La estimulación cerebral profunda (DBS, por sus siglas en inglés) es una terapia empleada en el tratamiento de enfermedades neurológicas con trastorno motor, como la enfermedad de Parkinson (EP). La estimulación del núcleo subtalámico (STN) es el procedimiento más común para el tratamiento de la EP y los resultados terapéuticos dependen fundamentalmente en la ubicación quirúrgica precisa de los electrodos en el STN. Aunque la planificación quirúrgica de la posición de los electrodos se realiza en base a imágenes de resonancia magnética del cerebro del paciente, actualmente no se tiene en cuenta la dirección de las fibras en el STN para posicionar el electrodo. Por tanto, el objetivo principal de este trabajo es estudiar cómo la distribución espacial de las fibras influye en la activación neuronal de los tractos adyacentes del STN, con el fin de determinar la orientación idónea del electrodo que permitan activar el número máximo de fibras nerviosas en el área objetivo del STN. La metodología empleada en este trabajo se basa en el desarrollo de un modelo 3D de DBS en COMSOL Multiphysics para simular la distribución del campo eléctrico al estimular con un electrodo. Para calcular los umbrales de estimulación de las neuronas, se usa el modelo de fibra B de Richardson, McIntyre y Grill (RMG), desarrollado en MATLAB. Posteriormente, se calcula la activación neuronal en fibras posicionadas a 0, 30, 60 y 90° respecto al electrodo. Finalmente, a partir de imágenes de tensor de difusión (DTI), se incluye la tractografía de un paciente real en el modelo 3D de DBS para visualizar tridimensionalmente las fibras residentes y cercanas al STN y se calcula las fibras activadas a diferentes orientaciones del electrodo.

[CA] L'estimulació cerebral profunda (DBS, per les seues sigles en anglés) és una teràpia emprada en el tractament de malalties neurològiques amb trastorn motor, com la malaltia de Parkinson (EP). L'estimulació del nucli subtalàmic (STN) és el procediment més comú per al tractament de la EP i els resultats terapèutics depenen fonamentalment en la ubicació quirúrgica precisa dels elèctrodes en el STN. Encara que la planificació quirúrgica de la posició dels elèctrodes es realitza sobre la base d'imatges de ressonància magnètica del cervell del pacient, actualment no es té en compte la direcció de les fibres en el STN per a posicionar l'elèctrode. Per tant, l'objectiu principal d'aquest treball és estudiar com la distribució espacial de les fibres influeix en l'activació neuronal dels tractes adjacents del STN, amb la finalitat de determinar l'orientació idònia de l'elèctrode que permeten activar el nombre màxim de fibres nervioses en l'àrea objectiu del STN. La metodologia ocupada en aquest treball es basa en el desenvolupament d'un model 3D de DBS en COMSOL Multiphysics per a simular la distribució del camp elèctric en estimular amb un elèctrode. Per a calcular els llindars d'estimulació de les neurones, s'usa el model de fibra B de Richardson, McIntyre i Grill (RMG), desenvolupat en MATLAB. Posteriorment, es calcula l'activació neuronal en fibres posicionades a 0, 30, 60 i 90° respecte a l'elèctrode. Finalment, a partir d'imatges de tensor de difusió (DTI), s'inclou la tractografía d'un pacient real en el model 3D de DBS per a visualitzar tridimensionalment les fibres residents i pròximes al STN i es calcula les fibres activades a diferents orientacions de l'elèctrode.

[EN] Deep brain stimulation (DBS) is a therapy used in the treatment of neurological diseases with motor disorders, such as Parkinson's disease (PD). Stimulation of the subthalamic nucleus (STN) is the most common procedure for the treatment of PD and the therapeutic results depend primarily on the precise surgical placement of the electrodes in the STN. Although surgical planning of the electrode position is performed based on magnetic resonance imaging of the patient's brain, the direction of the fibers in the STN is currently not taken into account for electrode positioning. Therefore, the main objective of this work is to study how the spatial distribution of the fibers influences the neuronal activation of the adjacent tracts of the STN, in order to determine the ideal orientation of the electrode to activate the maximum number of nerve fibers in the target area of the STN. The methodology used in this work is based on the development of a 3D DBS model in COMSOL Multiphysics to simulate the electric field distribution when stimulating with an electrode. To calculate the stimulation thresholds of neurons, the Richardson, McIntyre and Grill (RMG) B-fiber model, developed in MATLAB, is used. Subsequently, neuronal activation is calculated in fibers positioned at 0, 30, 60 and 90° with respect to the electrode. Finally, from diffusion tensor imaging (DTI), the tractography of a real patient is included in the 3D DBS model to three-dimensionally visualize the resident and near STN fibers and the activated fibers at different electrode orientations are calculated.