Computer aided subthalamic nucleus (STN) localization during deep brain stimulation (DBS) surgery in Parkinsons patients

INTRODUCTION During deep brain stimulation (DBS) treatment of Parkinson’s disease, the anatomical target of the surgery is a small (9 x 7 x 4 mm) deeply located structure called the Subthalamic Nucleus (STN). It is similar morphologically to the surrounding tissue and as such, not easily distinguished in CT or MRI. The goal of the surgery is precise placement of a permanent stimulating electrode within the target nucleus. Precision is extremely important as incorrect placement of the stimulating electrode may lead to serious adverse effects such as mood disturbances. MATERIALS AND METHODS To obtain the exact location of the STN nucleus, intraoperative stereotactic supportive navigation is used. A set of 3 ~ 5 parallel microelectrodes is inserted into the brain and advanced towards the expected location of the nucleus. From a depth of 10 mm above the estimated STN, the electrodes advance at 1 mm steps. At each step, the activity of the surrounding neural tissue is recorded. Typically, the electrodes are further advanced until the ventral STN border is passed and the Substantia Nigra pars reticulata (SNr) is reached. Because the STN has distinct physiological properties, signals recorded in the vicinity of the STN display specific features. Therefore it was possible to provide an analytical method to detect specific STN characteristics. This paper presents a computer-based approach in order to discriminate between microelectrode signals coming from the STN and those outside it. R E S U L TS A N D C O N C L US I O N S When our method was used on-line during DBS neurosurgical procedure, it helped in precise identification of STN borders and shorted the surgery. Since the fall of 2013, we have developed an on-line computer-aided application for STN border localization that is used during PD DBS surgeries performed in the Institute of Psychiatry and Neurology in Warsaw, POLAND.

WSTĘP Podczas zabiegu głębokiej stymulacji mózgu (deep brain stimulation – DBS) stosowanego w leczeniu choroby Parkinsona celem operacji jest mała (9 x 7 x 4 mm) głęboko położona struktura mózgu nazywana jądrem niskowzgórzowym (subthalamic nucleus – STN). Struktura ta jest morfologicznie podobna do otaczających ją tkaneki jako taka niezbyt dobrze rozróżnialna w obrazowaniu tomografem komputerowym (CT) lub rezonansem magnetycznym (MRI). Celem zabiegu operacyjnego jest precyzyjna implantacja stymulującej elektrody w docelowym jądrze. Precyzja jest niesłychanie istotna, ponieważ niewłaściwe umiejscowienie stymulującej elektrody może doprowadzić do wystąpienia poważnych efektów ubocznych, takich jak zaburzenia nastroju. MATERIAŁ I METODY Aby uzyskać dokładne położenie STN w trakcie operacji, używana jest wspomagająca nawigacja stereotaktyczna. Zestaw 3~5 równoległych elektrod jest wprowadzany do mózgu pacjenta i zagłębiany w kierunku spodziewanej lokalizacji STN. Od głębokości około 10 mm ponad spodziewanym STN elektrody są zagłębiane z krokiem 1 mm. Po każdym takim kroku rejestrowana jest aktywność tkanki nerwowej otaczającej elektrody. Najczęściej elektrody są dalej zagłębiane, aż przekroczą dolną granicę STN i osiągną istotę czarną część siatkowatą (substantia nigra pars reticulata – SNr). Ponieważ STN przejawia specyficzne właściwości fizjologiczne, sygnały zarejestrowane w jego okolicy również mają wyróżniające właściwości. Można przez to stworzyć analityczne metody wykrywające te specyficzne dla STN właściwości. W niniejszej publikacji zaprezentowano podejście informatyczne, pozwalające na wykrywanie zarejestrowanych sygnałów pochodzących z wewnątrz oraz spoza STN. WYNIKI I WNIOSKI Zastosowanie naszej metody w trakcie zabiegów operacyjnych pomogło w precyzyjnej lokalizacji granic STN oraz pozwoliło skrócić czas zabiegu. Od jesieni 2013 opracowujemy aplikację do wspomagania lokalizacji STN, która jest używana w trakcie zabiegów DBS przeprowadzanych w leczeniu choroby Parkinsona w Instytucie Psychiatrii i Neurologii w Warszawie.