ES2869957T3 - Procedimiento para combinar patrones de conectividad anatómica y estimulación cerebral navegada - Google Patents

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Abstract

Un procedimiento para combinar la navegación por estimulación transcraneal no invasiva con datos funcionales, comprendiendo dicho procedimiento las etapas de; - adquirir una imagen anatómica de un cerebro, - adquirir datos funcionales del cerebro, - registrar conjuntamente al menos una parte de los datos funcionales, estando dicha parte asociada con una parte de interés del cerebro, con la localización correspondiente de la imagen anatómica, y - alinear de forma estereotáctica la vista combinada del cerebro con el programa informático de navegación por estimulación magnética transcraneal (EMT).

Description

DESCRIPCIÓN
Procedimiento para combinar patrones de conectividad anatómica y estimulación cerebral navegada Campo de la invención
La presente invención se refiere al mapeo de funciones cerebrales y al tratamiento de trastornos usando un sistema de estimulación cerebral y, en particular, a la determinación de relaciones anatómicas y funcionales en el cerebro.
Antecedentes de la invención
El objetivo de hacer funcionar un dispositivo de estimulación cerebral en el cerebro de un paciente puede ser provocar una respuesta evocada con fines de diagnóstico o provocar un cambio transitorio o permanente en la función cerebral con fines terapéuticos. La eficacia de un procedimiento de estimulación cerebral depende de qué tan bien el dispositivo estimulante y la energía estimulante lleguen a la región anatómica que se selecciona.
Una solución es el uso de una disposición estereotáctica para lograr un posicionamiento del equipo de estimulación en relación con las partes anatómicas seleccionadas del cuerpo. Típicamente, los dispositivos de navegación estereotácticos usan imágenes anatómicas (imágenes estructurales de IRM o TC) para correlacionar los instrumentos estereotácticos con la anatomía individual. Sin embargo, muchas veces la anatomía del cerebro de un sujeto sometido a estimulación ha sido alterada o dañada por un trauma o un tumor. Como tal, una imagen anatómica del cerebro del sujeto puede no ser suficiente para determinar la funcionalidad de determinadas partes del cerebro.
La estimulación diagnóstica o terapéutica puede tener efectos locales o de largo alcance, dependiendo de la relación anatómica y funcional del área seleccionada. Como tal, existe la necesidad de un procedimiento y sistema para proporcionar al usuario un dispositivo de estimulación con una vista exacta de la anatomía subyacente, conexiones y funciones específicas del cerebro de un individuo.
De acuerdo con el documento WO 2008/031847, un error en el registro conjunto de un sistema de coordenadas usado para representar la cabeza de un sujeto en datos de imagen con un sistema de coordenadas usado para representar la localización de rastreadores fijados a la superficie del cuero cabelludo de la cabeza y un dispositivo rastreado, tal como un dispositivo de bobina de inducción de estimulación magnética transcraneal ("EMT"), se corrige usando información representativa de la distancia real entre el dispositivo rastreado y el cuero cabelludo del sujeto, de modo que las representaciones del dispositivo rastreado y la cabeza del sujeto se muestran con exactitud en una pantalla de un sistema de estimulación cerebral navegada ("ECN") que rastrea el movimiento del dispositivo rastreado en relación con la cabeza del sujeto. La corrección del error en el registro conjunto se realiza sin recopilar información de rastreo adicional de los rastreadores en un dispositivo de bobina de EMT rastreado y la cabeza, lo que evita interrumpir la ECN usando el dispositivo de bobina de EMT.
Resumen de la invención
El alcance de la protección se define por las reivindicaciones adjuntas. La materia objeto no cubierta por las reivindicaciones no está dentro del alcance de la protección.
Es un aspecto de determinados modos de realización de la presente invención proporcionar a un usuario un sistema de estimulación cerebral navegada con una vista más completa y realista de la red cerebral potencialmente afectada por la estimulación.
Otro aspecto de determinados modos de realización es proporcionar un procedimiento capaz de incrementar la exactitud de la información de diagnóstico.
No obstante, es un aspecto de determinados modos de realización combinar la estimulación cerebral navegada con los datos de conectividad cerebral de un individuo.
De acuerdo con determinados modos de realización de la presente invención, se describen en el presente documento procedimientos para combinar la navegación de estimulación con datos funcionales. Estos procedimientos se pueden implementar con estimulación cerebral invasiva o, preferentemente, con estimulación transcraneal no invasiva. Dichos procedimientos comprenden algunas de o todas las etapas siguientes: adquirir una o más imágenes anatómicas de un cerebro, adquirir datos funcionales del cerebro y combinar la imagen anatómica con los datos funcionales. Ejemplos de imágenes anatómicas son las imágenes de IRM y las imágenes de TC. Ejemplos de datos funcionales son datos de tomografía por emisión de positrones (TEP), datos de imágenes por resonancia magnética funcional (IRMf) y datos de imágenes con tensor de difusión (ITD).
De acuerdo con determinados modos de realización, es posible reducir la incertidumbre asociada con los procedimientos de mapeo cerebral existentes, en particular la de la estimulación magnética transcraneal guiada por imágenes (navegada) y el rastreo de fibras de materia blanca proporcionado por técnicas apropiadas. Adicionalmente, es posible ayudar en la planificación de la intervención terapéutica, por ejemplo, cirugía, colocación de un dispositivo estimulador cerebral profundo o cortical. No obstante, los modos de realización de la presente invención hacen que las resecciones sean más seguras integrando información de diferentes modalidades de formación de imágenes actualmente en uso. Además, los modos de realización de la presente invención ayudan a hacer objetiva la toma de decisiones quirúrgicas al ofrecer información cuantitativa de diferentes modalidades de diagnóstico.
Además, un sistema de acuerdo con determinados ejemplos descritos comprende un dispositivo estereotáctico que se puede usar para guiar un dispositivo estimulante con respecto a la anatomía del cerebro. Se puede usar un dispositivo de navegación para guiar el dispositivo estimulante a una localización anatómica apropiada donde el dispositivo estimulante se activa e induce un campo E sobre o en una parte del cerebro.
De acuerdo con determinados modos de realización, es posible reducir la incertidumbre asociada con los procedimientos de mapeo cerebral existentes, en particular la de la estimulación magnética transcraneal guiada por imágenes (navegada) y el rastreo de fibras de materia blanca proporcionado por técnicas apropiadas. Adicionalmente, es posible ayudar en la planificación de la intervención terapéutica, por ejemplo, cirugía, colocación de un dispositivo estimulador cerebral profundo o cortical. No obstante, los modos de realización de la presente invención hacen que las resecciones sean más seguras integrando información de diferentes modalidades de formación de imágenes actualmente en uso. Además, los modos de realización de la presente invención ayudan a hacer objetiva la toma de decisiones quirúrgicas al ofrecer información cuantitativa de diferentes modalidades de diagnóstico.
Los ejemplos técnicos divulgados describen un dispositivo estimulante conectado a un sistema de navegación que comprende un sistema de modelado físico en tiempo real y un sistema de rastreo de conectividad. El sistema combinado proporciona al usuario una vista en tiempo real de la red cerebral potencialmente afectada por la estimulación. Adicionalmente, no solo se puede modelar el dispositivo estimulante, sino que también se puede modelar y mostrar el efecto predicho del dispositivo estimulante. De acuerdo con un aspecto de determinados modos de realización, es ventajoso suministrar un sistema de posicionamiento estereotáctico con visualización de datos funcionales, tal como tomografía por emisión de positrones (TEP) o imágenes por resonancia magnética funcional (IRMf), para resaltar áreas funcionalmente activas relevantes para el procedimiento. Además, los avances en la técnica de IRM llamada imágenes con tensor de difusión (ITD) han hecho posible mapear las conexiones anatómicas locales y remotas formadas por la materia blanca cerebral. Añadir información de conectividad anatómica a una parte de posicionamiento de un dispositivo de estimulación cerebral para enriquecer la información disponible para el usuario da lugar a una mejor comprensión de la información de diagnóstico y una orientación más informada de, por ejemplo, la estimulación terapéutica.
Al hacer funcionar un dispositivo de estimulación cerebral, es fundamental comprender y controlar los efectos de la red asociados con el área que se desea seleccionar para su estimulación. El sistema combinado proporciona al usuario una vista en tiempo real de la red cerebral potencialmente afectada por la estimulación.
Breve descripción de los dibujos
La figura 1 muestra localizaciones de campo E estimulado registrado en una sesión de mapeo como se muestra en un sistema de ECN (izquierda). El programa informático de ECN calcula las localizaciones de campo E máximo dentro de la corteza y las codifica por colores de acuerdo con sus correspondientes amplitudes de PME pico a pico, creando un mapa térmico. Las localizaciones que obtienen los PME más grandes se codifican por colores en blanco en el mapa térmico (imagen ampliada, derecha).
La figura 2 muestra una exportación DICOM de una localización de estimulación de punto caliente visualizada en una pantalla de ECN. La respuesta máxima de PME para el músculo más grande de la mano, el abductor corto del pulgar (ACP), se define como el "punto caliente" que se va a usar como región de semilla para la tractografía del tracto piramidal. El punto caliente del ACP se encuentra en la proximidad inmediata del tumor. La figura 3 muestra un conjunto de datos de MIR de un paciente, imagen de mapeo de ECN y datos de formación de imágenes de TD combinados. Después de la fusión de imágenes, los mapas de PME de la sesión de mapeo motor de ECN se muestran en la imagen de navegación 3D y se pueden usar como regiones de semilla para aplicar los algoritmos de tractografía para visualizar los tractos de materia blanca de la corteza motora primaria. La localización de la mayor respuesta de PME para el músculo del ACP usado para las regiones de semilla se codifica por colores en verde.
La figura 4 muestra una visualización de fibras que se originan en el punto caliente del ACP de la figura 2 después de convertir los resultados de la tractografía, sin ningún procesamiento posterior, en un objeto 3D para su exportación a un sistema de navegación. El tumor se marca en rojo y el punto caliente del ACP se visualiza como una esfera amarilla.
La figura 5 muestra ejemplos de componentes de un sistema para combinar datos de ITD y ECN (u otra estimulación).
La figura 6 muestra ejemplos adicionales de componentes para un sistema para combinar datos de ITD y ECN.
La figura 7 muestra un ejemplo del concepto de conexiones entre una localización de semillas y dianas profundas y distantes dentro del cerebro.
La figura 8 muestra un ejemplo del concepto de fibras de materia blanca transcallosa que vinculan los dos hemisferios del cerebro.
Descripción detallada de modos de realización ejemplares
Se puede usar un sistema de posicionamiento estereotáctico asistido por ordenador asociado con un dispositivo estimulante para determinar partes del sistema nervioso central a las que se dirige la estimulación, ya sea para guiar la colocación de una sonda de estimulación o para explicar la información de diagnóstico o los efectos causados por el dispositivo estimulante.
Se aplican diferentes restricciones técnicas a los dispositivos de estimulación invasivos y no invasivos. Los dispositivos de estimulación invasivos se pueden colocar en contacto directo con el tejido que se está estimulando. Se supone que los dispositivos invasivos activan directamente el tejido que está en contacto directo con la sonda estimulante.
Los dispositivos de estimulación no invasivos típicamente se deben basar en aproximaciones generales de los efectos de estimulación o se deben basar en modelado en tiempo real o fuera de línea de efectos de estimulación. Las técnicas invasivas pueden usar modelado y aproximaciones en tiempo real o fuera de línea de los efectos de estimulación, en particular para la planificación de la instalación de dispositivos implantables y los ajustes de los parámetros de estimulación después de la instalación y/o un período de prueba.
Los siguientes son varios ejemplos no limitantes de modelado en tiempo real y/o fuera de línea. Por ejemplo, se puede determinar una función de activación (FA) para aproximar el volumen de activación alrededor de una sonda de estimulación cerebral profunda (ECP). Una función de activación describe el campo eléctrico inducido por la sonda de estimulación, en el que el volumen y la forma del campo eléctrico que da lugar a la activación depende de muchos parámetros del dispositivo. Dependiendo de los efectos observados o predichos causados por la activación del dispositivo de estimulación, el usuario puede desear cambiar los parámetros de estimulación para que coincidan con un patrón de campo de estimulación deseado que se adapte mejor a las estructuras anatómicas subyacentes.
Otro ejemplo se da en el campo de la estimulación magnética transcraneal (EMT). Se puede usar un sistema estereotáctico asistido por ordenador para posicionar una bobina sobre un área anatómica apropiada. A continuación, se puede usar un sistema o programa de modelado físico para modelar los efectos de una bobina de EMT, que muestra el patrón de activación de bobina en la superficie del cerebro o en una o más profundidades dentro del cerebro. Típicamente, un patrón de activación de bobina de EMT tiene un foco de estimulación, es decir, un área que tiene una mayor concentración de campo eléctrico que las áreas circundantes. El tamaño del área que experimenta estimulación supraumbral varía de acuerdo con la salida del estimulador. Esta región es el área de activación (AA) o el volumen de activación (VA).
Se da un ejemplo técnico de un sistema de rastreo de conectividad. Las conexiones anatómicas entre las áreas del cerebro se pueden estudiar usando una técnica llamada imágenes con tensor de difusión (ITD). Las ITD se basan en la formación de imágenes de difusión de agua usando resonancia magnética nuclear. Usando varias imágenes sensibles a la difusión de agua y el procesamiento matemático posterior de las imágenes, es posible mostrar la dirección preferente de difusión de agua en uno o más elementos de volumen de imagen (por ejemplo, vóxel(es)).
Se ha demostrado que los axones de la materia blanca cerebral que atraviesan un vóxel se alinean con una dirección de difusión preferente. Además, es posible construir visualizaciones de haces o fibras de axones virtuales usando uno o más medios matemáticos. Esta técnica se conoce como rastreo de fibra (materia blanca) en la literatura.
Un algoritmo de rastreo de fibra típico, por ejemplo, un algoritmo de tractografía, utiliza en primer lugar datos de RM sensibles a la difusión y algunos parámetros que definen las condiciones delimitadoras del algoritmo, por ejemplo, criterios de inicio y parada, longitud de etapa, límite superior de la longitud de fibra, posibles límites de curvatura de fibra, etc. El objetivo es ayudar al algoritmo a encontrar fibras fisiológicamente significativas. Los expertos en la técnica conocen la lista de posibles parámetros y sus valores.
Un algoritmo de rastreo de fibra puede generar cualquier número de fibras a partir de datos determinados, pero a menudo solo se desea la visualización de haces de fibra anatómicamente relevantes. Típicamente, el usuario establece un punto de inicio (A) y un punto de parada (B) para el sistema de rastreo o visualización. Como resultado, solo se visualizan aquellas fibras que conectan A con B (o viceversa) y que cumplen las condiciones delimitadoras. Establecer una región diana puede ser simple o tedioso. En base a la anatomía subcortical conocida, es posible identificar algunas estructuras importantes, dicho miembro posterior de cápsula interna (MPCI) o protuberancia, a través de los cuales descienden las fibras de la corteza motora. Sin embargo, establecer regiones diana corticales es mucho más difícil y menos obvio. Además, en presencia de lesiones corticales o subcorticales, el establecimiento de regiones diana significativas (A o B) puede resultar difícil.
Los ejemplos técnicos del presente documento describen un dispositivo estimulante conectado a un sistema de navegación que comprende un sistema de modelado físico (en tiempo real o fuera de línea) y un sistema de rastreo de conectividad. El efecto de determinados modos de realización es que el volumen de la función de activación (FA) como se describe en la literatura para ECP se puede usar para definir la región diana (A o B). De forma similar, para EMT u otros procedimientos de estimulación no invasivos, el volumen de activación o el área de activación se puede usar para definir la región diana (A o B). Los ejemplos y modos de realización se describen con más detalle a continuación.
En el presente documento se proporciona un ejemplo de la presente invención relacionado con la tractografía de la materia blanca en base a resultados de la estimulación cerebral navegada.
La integración de estudios anatómicos y funcionales permite, por ejemplo, una resección más segura de tumores cerebrales localizados muy cerca de áreas elocuentes. Una solución de programa informático multimodal, por ejemplo, el programa informático craneal iPlan, de Brainlab AG, Feldkirchen, Alemania, permite la integración y correlación entre los datos anatómicos y funcionales preoperatorios e intraoperatorios para la planificación integral de procedimientos neuroquirúrgicos. El valor clínico del programa informático de planificación depende de la exactitud y fiabilidad de los datos del paciente introducidos.
Las imágenes con tensor de difusión (ITD) y la tractografía de fibra de materia blanca son técnicas aceptadas de imágenes por RM que utilizan el concepto de difusión de agua anisotrópica en fibras mielinizadas. La tractografía permite la reconstrucción y visualización en 3D de los tractos de materia blanca y proporciona información sobre la relación de estos tractos con, por ejemplo, las áreas elocuentes y cualquier lesión. Un desafío importante para la reconstrucción de fibras de materia blanca es la definición de un área de semilla funcionalmente significativa para iniciar el proceso de rastreo. En pacientes con tumores cerebrales, la neuroanatomía funcional del paciente se puede ver significativamente afectada por la lesión, lo que dificulta la definición de áreas de semilla en base únicamente a referentes anatómicos.
La estimulación cerebral navegada (ECN), también conocida como estimulación magnética transcraneal (EMT) navegada, se puede usar para realizar un mapeo exacto y no invasivo de partes del cerebro, tal como la corteza motora. Los datos de mapeo funcional de ECN se pueden ingresar directamente en programas informáticos de planificación quirúrgica o de tratamiento, tal como la solución de programa informático iPlan. Adicionalmente, los datos de ECN se pueden usar como ayuda para seleccionar las áreas de semilla de origen para la tractografía de materia blanca.
La ECN es una técnica no invasiva para la estimulación electrocortical. En lugar de generar un campo eléctrico a partir de electrodos colocados en la corteza expuesta, como en la estimulación electrocortical directa (ECD) intraoperatoria, con la ECN el campo eléctrico (campo E) se induce intracranealmente activando una bobina de estimulación magnética transcraneal (EMT) colocada externamente a la cabeza. Al determinar las funciones motoras, la medición simultánea de los potenciales motores evocados (PME) por electromiografía (EMG) se puede usar para identificar y verificar las áreas de representación motora en la corteza, de la misma manera que con la ECD. Se puede lograr una resolución excelente de las áreas de representación motora usando una bobina en forma de ocho construida a tal efecto y ajustando la intensidad de campo al umbral motor del paciente individual.
De forma similar, otras funciones se pueden determinar y mapear por medio de procedimientos apropiados. Por ejemplo, al determinar las funciones cognitivas y/o del habla, se puede presentar una tarea al sujeto y se puede medir/determinar la respuesta del sujeto a la tarea antes, durante y/o después de la estimulación EMT navegada. Se pueden encontrar ejemplos de mapeo cognitivo por medio de la ECN en el documento WO 2012117166 presentado el 5 de marzo de 2012.
En comparación con la ECD, el mapeo de ECN tiene la ventaja de que no es invasivo y, por lo tanto, se puede usar de forma preoperatoria como ayuda en la planificación quirúrgica y la revisión de la selección de pacientes para cirugía u otras opciones terapéuticas.
El mapeo con ECN es totalmente compatible con el paradigma de navegación quirúrgica, ya que el mismo conjunto de datos de IRM se puede usar como una imagen anatómica como base tanto para la planificación prequirúrgica como para la guía intraoperatoria. En el mapeo de ECN, el conjunto de datos de IRM se puede usar para vincular la localización del campo E generado por EMT con la anatomía cortical del paciente individual.
Usando técnicas de navegación estereotáctica conocidas, el movimiento de la bobina por EMT guía la localización del campo E a través de las estructuras intracraneales. El conjunto de datos de IRM se puede representar en tres dimensiones mediante el sistema de ECN, que puede ser un rasgo característico útil para la orientación y localización de la somatotopía cortical con respecto a las estructuras anatómicas intracraneales.
La exportación DICOM de mapas de respuesta motora se puede exportar desde el sistema de ECN, lo que permite la integración de datos de mapas de ECN con otras modalidades dentro, por ejemplo, del programa informático iPlan.
El mapeo funcional de la corteza motora se realizó con el sistema de ECN. El archivo de datos de la sesión de mapeo se recuperó del sistema de ECN por medio de una estación de planificación de ECN para su posterior procesamiento. Las localizaciones de campo E máximo se seleccionaron y verificaron antes de que la imagen de mapeo motor, generada a partir de las respuestas de PME correspondientes, se exportara en formato DICOM a un dispositivo de memoria portátil.
La figura 1 muestra un ejemplo de localizaciones de campo E estimulado registrado en una sesión de mapeo como se muestra en un sistema de ECN. El programa informático de ECN calcula las localizaciones de campo E máximo dentro de la corteza y las codifica por colores de acuerdo con sus correspondientes amplitudes de PME pico a pico, creando un mapa térmico. Las localizaciones que obtienen los PME mayores se codifican por colores en blanco en el mapa térmico. A la derecha de la figura se muestra una vista ampliada del área que rodea un tumor, incluyendo las localizaciones de campo E máximo codificadas por colores.
Desde la sesión de mapeo se puede generar una exportación DICOM de las localizaciones de estimulación visualizadas en la pantalla de ECN. En el presente ejemplo, la respuesta máxima de PME para el músculo más grande de la mano, el abductor corto del pulgar (ACP), se define como el "punto caliente" que se va a usar en el programa informático de planificación como región de semilla para la tractografía del tracto piramidal. El punto caliente del ACP en el presente ejemplo se encuentra en la proximidad inmediata del tumor, que se muestra y resalta en la figura 2.
El conjunto de datos de IRM del paciente, la imagen de mapeo de ECN y los datos de imágenes de TD se cargaron a continuación en el programa informático de planificación iPlan. Después de la fusión de imágenes, los mapas de PME de la sesión de mapeo motor de ECN se visualizan en la imagen de navegación 3D, como se muestra en la figura 3. Las localizaciones indicadas de la actividad motora se pueden usar como regiones de semilla para aplicar algoritmos de tractografía para visualizar los tractos de materia blanca de la corteza motora primaria. La localización de la mayor respuesta de PME para el músculo del ACP usado para las regiones de semilla se codifica por colores en verde en las figuras.
La figura 4 muestra la visualización de fibras que se originan en el punto caliente del ACP después de convertir los resultados de la tractografía, sin ningún procesamiento posterior, en un objeto 3D. A continuación, el objeto 3D se puede exportar a, por ejemplo, un sistema de navegación Brainlab. Adicionalmente, la planificación puede tener lugar en tiempo real dentro de un sistema de ECN. En la figura, el tumor se marca en rojo y el punto caliente del ACP se visualiza como una esfera amarilla.
Las áreas de semilla funcionalmente significativas se determinan de manera confiable a partir de los datos de mapeo motor de ECN no invasiva y permiten un proceso de construcción de fibra de materia blanca más específico.
El estudio ilustró que los datos de mapeo motor no invasivo exactos y confiables pueden facilitar considerablemente la tractografía. La exportación DICOM de datos de mapeo motor de ECN se puede enviar a un sistema de planificación para seleccionar áreas de semilla. Adicionalmente, el programa informático de planificación se puede integrar dentro del sistema de ECN para producir una visualización en tiempo real de las fibras de materia blanca para el usuario en base a las semillas seleccionadas. Estos procedimientos pueden eliminar un obstáculo clave para la aplicación clínica más amplia de las imágenes de TD y la tractografía al permitir, por ejemplo, una selección de semillas rápida, exacta, significativa y confiable.
La tractografía de fibra guiada por ECN se puede realizar como una técnica multimodal para generar de forma preoperatoria redes de materia blanca funcionalmente relevantes y validar las fibras reconstruidas, como se describe en el ejemplo anterior. Adicionalmente, la ECN puede añadir funcionalidad a los sistemas de planificación nuevos y existentes para planificar trayectorias quirúrgicas que pueden ayudar a preservar las vías motoras subcorticales críticas, así como las áreas motoras corticales, por ejemplo, durante la resección de un tumor.
De acuerdo con determinados modos de realización de la presente invención, es deseable asociar una función o funciones de activación, un volumen o volúmenes de activación y/o un área o áreas de activación con un algoritmo de rastreo de fibra.
Un procedimiento de acuerdo con dichos modos de realización puede comprender algunas de o todas las etapas siguientes; iniciar el rastreo estereotáctico de una o más herramientas, preparar datos de RM ponderados por difusión para el rastreo de fibras, hacer coincidir los datos de difusión con un marco estereotáctico, identificar una función de activación (FA), área de activación (AA) o volumen de activación (VA) en el espacio estereotáctico, usando la FA, el AA o el VA para determinar una región diana (A o B), y visualizar las fibras resultantes.
La preparación de datos de RM ponderados por difusión para el rastreo de fibras puede incluir, por ejemplo, correspondencia de imágenes, corrección de corrientes parásitas, estimación con tensor de difusión o una combinación de los mismos.
Para hacer coincidir los datos de difusión con un marco estereotáctico, el sistema puede usar el registro conjunto de una IRM anatómica y la IRM de difusión. La coincidencia de imágenes y el registro conjunto se pueden lograr identificando referentes anatómicos a partir de múltiples imágenes y/o conjuntos de datos y alineando referentes similares/idénticos. Adicionalmente, para identificar la FA, el a A o el VA en tiempo real, el sistema puede incluir un modelado físico del dispositivo de estimulación.
En el presente documento se proporcionan procedimientos para combinar la navegación de estimulación con datos funcionales. Estos procedimientos se pueden implementar con estimulación cerebral invasiva o, preferentemente, con estimulación transcraneal no invasiva. Dichos procedimientos comprenden algunas de o todas las etapas siguientes: adquirir una o más imágenes anatómicas de un cerebro, adquirir datos funcionales del cerebro y combinar la imagen anatómica con los datos funcionales. Ejemplos de imágenes anatómicas son las imágenes de IRM y las imágenes de TC. Ejemplos de datos funcionales son datos de tomografía por emisión de positrones (TEP), datos de imágenes por resonancia magnética funcional (IRMf) y datos de imágenes con tensor de difusión (ITD).
Para combinar los datos funcionales del cerebro y la imagen anatómica, puede ser deseable identificar referentes comunes entre la imagen anatómica y los datos funcionales. La imagen anatómica y los datos funcionales se pueden combinar registrando conjuntamente al menos una parte de los datos funcionales, asociándose dicha parte con una parte de interés del cerebro, con la localización correspondiente de la imagen anatómica con la ayuda de los referentes comunes. Además, la vista combinada del cerebro se puede alinear de forma estereotáctica con el programa informático de navegación de estimulación magnética transcraneal (EMT).
El orden en el que la imagen anatómica, los datos funcionales y los datos de EMT se combinan y/o se registran conjuntamente puede variar. Adicionalmente, puede ser deseable que todos los datos se combinen entre sí o puede ser suficiente que algunos datos solo se combinen o se registren conjuntamente con otro tipo de datos. Por ejemplo, la imagen anatómica, los datos funcionales y los datos de EMT se pueden registrar conjuntamente solo con un marco estereotáctico utilizado por el programa informático de navegación por EMT. Por lo tanto, individualmente los datos funcionales no se combinan directamente con la imagen anatómica, sino que los datos se combinan indirectamente por medio del marco estereotáctico.
Adicionalmente, es deseable mostrar una vista combinada del cerebro que tiene datos funcionales para al menos una parte de interés del cerebro asociada con la localización correspondiente en la imagen anatómica y los datos de EMT. La imagen anatómica del cerebro también se puede alinear de forma estereotáctica con la cabeza de un sujeto usando el programa informático de navegación por EMT.
Al hacer funcionar un dispositivo de estimulación cerebral, es fundamental comprender y controlar los efectos de la red asociados con el área que se desea seleccionar para su estimulación. La información combinada puede proporcionar al usuario una vista en tiempo real de la red cerebral potencialmente afectada por la estimulación. Por lo tanto, con una vista más completa y realista de la red cerebral potencialmente afectada por la estimulación, es posible que el usuario seleccione mejor una localización del cerebro a la que se va a dirigir con un pulso de EMT basado en la vista combinada.
Como se analiza anteriormente, la localización sobre o dentro de la vista combinada se puede marcar con una función cerebral determinada a partir de EMT navegada. La localización puede ser un punto o área en una superficie del cerebro o puede ser un volumen tridimensional sobre o dentro del cerebro. Al estimular una pluralidad de puntos particulares dentro de un área de interés, por ejemplo, mediante una cuadrícula u otra disposición, y marcar esas áreas con una respuesta o función deseada, es posible mapear una parte del cerebro usando EMT navegada basado en la vista combinada. Adicionalmente, al menos parte del mapeo para una región particular se puede realizar en una vista regular, por ejemplo, una imagen anatómica, un modelo de cabeza estándar, etc. y los datos se pueden añadir o incorporar con la imagen anatómica al crear la vista combinada. El área que se va a mapear se puede determinar en base a los datos de función.
La incorporación de los datos funcionales con la imagen anatómica permite una selección de semillas superior, como se analiza anteriormente. Por lo tanto, puede ser deseable seleccionar una región de semilla, dentro de una región mapeada por EMT navegada, a partir de la vista combinada para aplicar un algoritmo de tractografía. El algoritmo de tractografía se puede usar a continuación para determinar tractos de materia blanca. A continuación, los tractos de materia blanca se pueden añadir a la vista combinada, como se muestra en la figura 4.
Una ventaja de determinados modos de realización de la presente invención es proporcionar el cálculo del algoritmo de tractografía en tiempo real y mostrar los resultados a un usuario de EMT navegada durante la estimulación. Sin embargo, los presentes procedimientos también se pueden usar para aplicar el algoritmo de tractografía en un modo fuera de línea. Dichos modos de realización se pueden usar para la planificación quirúrgica o de tratamiento, por ejemplo.
Como se analiza anteriormente, usando una localización de semilla y un algoritmo de tractografía es posible determinar tractos de materia blanca que se extienden desde la localización de semilla hasta un extremo o extremos distales o terminales. Los extremos terminales pueden incluir una diana profunda y/o una diana distante como se muestra en la figura 7.
La figura 7 muestra una representación del presente concepto. Se usa una bobina de EMT 710 para producir un punto de acceso de campo E 730 en una localización inicial sobre o dentro del cerebro del paciente 720. La localización del punto caliente de campo E 730 se puede representar en un modelo de cabeza para un usuario a partir del modelado físico. La figura muestra de forma representativa cómo las fibras de materia blanca 740 vinculan la localización del punto caliente de campo E, que está en o cerca de la superficie del cerebro, con una diana profunda 750 dentro del cerebro. De forma similar, las fibras de materia blanca 770 vinculan la localización del punto caliente de campo E con una diana distante en otra localización, a menudo en o cerca de la superficie del cerebro. Los módulos de rastreo por ITD y fibra son capaces de generar representaciones de las conexiones de materia blanca y localizaciones de las dianas para mostrar al usuario. Una diana distante, como se muestra en la figura 8, puede incluso estar en el hemisferio opuesto a la semilla. Como se muestra de forma representativa en la figura, una bobina de EMT 840 estimula una localización 850, por ejemplo, en o cerca de la superficie del cerebro 810 en el hemisferio izquierdo 820. El modelado físico puede representar la localización del punto caliente de campo E 850. En el presente ejemplo, la presencia de un tumor o lesión 880 puede hacer que la estimulación de áreas alrededor del área sea difícil, poco confiable o indeseable. Por lo tanto, a través del rastreo por ITD y fibra es posible localizar fibras de materia blanca transcallosa que vinculan localizaciones distantes en un hemisferio 820, con el hemisferio opuesto 830. Como tal, es posible estimular indirectamente un área diana 860 en el hemisferio 830 estimulando directamente la localización 850, que no está obstruida, en el hemisferio 820.
Un procedimiento para verificar que una semilla es una semilla deseada es estimular un área del cerebro correspondiente a un extremo terminal de tractos de materia blanca determinados por el algoritmo de tractografía. Si la estimulación del (de los) extremo(s) terminal(es) produce una respuesta deseada, es posible verificar la semilla, la diana distante/profunda y los tractos/fibras de materia blanca que conectan los dos. De forma similar, si la estimulación del (de los) extremo(s) terminal(es) no produce la respuesta deseada, existe la posibilidad de que la semilla, determinados tractos/fibras de materia blanca y/o dianas no sean los adecuados. En dichas situaciones, puede ser deseable estimular el extremo terminal varias veces con parámetros de estimulación variables. Adicionalmente o de forma alternativa, algunas de o todas las etapas de procedimiento para determinar el extremo terminal se pueden repetir con una semilla diferente y/o algoritmo de tractografía/parámetros de algoritmo de tractografía.
También se presenta en el presente documento un procedimiento para proporcionar estimulación a una localización deseada en el cerebro de un sujeto indirectamente estimulando una localización diferente conectada intracranealmente a la primera. Dichos procedimientos pueden incluir algunas de o todas las etapas de procedimiento enumeradas anteriormente con respecto a la combinación de navegación de estimulación con datos funcionales. Adicionalmente, dichos procedimientos descritos anteriormente con respecto a la combinación de navegación de estimulación con datos funcionales pueden incluir algunas de o todas las etapas siguientes. Dichos procedimientos comprenden las etapas de; identificar una primera región de interés del cerebro, estando dicha primera región típicamente asociada con una función particular, identificar una segunda región de interés del cerebro conectada intracranealmente a dicha primera región, en el que la identificación de la segunda región de interés se puede basar al menos en la vista combinada, los datos de mapeo por EMT navegada o parte de los procedimientos descritos anteriormente, y estimular indirectamente la primera región de interés del cerebro aplicando estimulación a la segunda región de interés del cerebro. A los efectos de los presentes procedimientos, la primera y la segunda región deberían estar distantes y conectadas por medio de tractos de materia blanca como se describe anteriormente.
De acuerdo con dichos procedimientos, el procedimiento puede ser para y/o incluir la aplicación de una estimulación directa y/o indirecta. Por ejemplo, la estimulación aplicada puede ser al menos un pulso de EMT, una pluralidad de pulsos de EMT de una bobina de EMT o una estimulación cerebral profunda, por ejemplo, una sonda de ECP.
En particular, para un procedimiento para su uso en la planificación quirúrgica o de tratamiento utilizando una sonda de ECP, el procedimiento puede comprender además la etapa de determinar una función de activación que se aproxima al volumen de activación alrededor de un extremo terminal de uno o más tractos de materia blanca. En base a esto, se puede determinar al menos un parámetro de estimulación de sonda de estimulación cerebral profunda en base a la función de activación.
Los procedimientos descritos anteriormente pueden ser para determinar y mostrar tractos de materia blanca antes o después de la estimulación. Por ejemplo, la EMT navegada se puede usar para mapear una región del cerebro para determinar una localización particular del cerebro que provoca una respuesta deseada o la mayor respuesta a la estimulación. Una vez que la localización que se va a usar como semilla se ha localizado a través de este mapeo, la semilla en particular se puede seleccionar y usar en el algoritmo de tractografía. Dicho procedimiento puede tener la intención de asegurar que la semilla usada para determinar los tractos de materia blanca sea realmente responsable de una función particular. Sin embargo, el presente procedimiento también se puede utilizar para predecir respuestas y tractos de materia blanca para proporcionar al usuario de un sistema de estimulación cerebral navegada una mejor comprensión visual de la anatomía subyacente y las relaciones funcionales del cerebro del sujeto.
Como tal, en el presente documento se describen procedimientos para mostrar conexiones intracraneales predichas para la estimulación cerebral navegada. Dichos procedimientos pueden incluir algunas de o todas las etapas de procedimiento enumeradas anteriormente con respecto a la combinación de navegación de estimulación con datos funcionales y para proporcionar estimulación a una localización deseada en el cerebro de un sujeto indirectamente estimulando una localización diferente conectada intracranealmente con la primera. Adicionalmente, dichos procedimientos descritos anteriormente con respecto a la combinación de navegación de estimulación con datos funcionales y para proporcionar estimulación a una localización deseada en el cerebro de un sujeto indirectamente mediante la estimulación de una localización diferente conectada intracranealmente a la primera pueden incluir algunas de o todas las etapas siguientes. Dichos procedimientos comprenden las etapas de; rastrear una bobina de EMT navegada en relación con la cabeza de un sujeto, en el que la localización y orientación de la cabeza del sujeto se registran conjuntamente con al menos una parte de la vista combinada, por ejemplo, con la imagen anatómica o vista combinada en su conjunto, determinar una estimulación predicha que se aplicaría al sujeto por la bobina en una localización particular, asignar la localización de dicha estimulación predicha como semilla para un algoritmo de tractografía, determinar tractos de materia blanca a partir del algoritmo de tractografía utilizando la semilla predicha y mostrar los tractos de materia blanca predicha tratados sobre y/o dentro de la vista combinada. De acuerdo con determinados modos de realización, los tractos de materia blanca predichos se calculan en tiempo real y se muestran antes de la estimulación de la localización.
Dependiendo de la potencia de procesamiento del sistema que implementa el (los) presente(s) procedimiento(s) y/o la complejidad del algoritmo de tractografía, el cálculo de tractos de materia blanca predichos puede ser sustancialmente en tiempo real o puede incluir un retraso de cierta duración. Si se predice o se espera un retraso en el cálculo, entonces puede ser conveniente que el usuario marque manualmente la localización en la que le gustaría que el sistema prediga los tractos de materia blanca. Esto se puede hacer mediante un mecanismo de entrada conocido, por ejemplo, cuando la bobina está en una posición deseada. También se puede registrar la posición y la orientación de la bobina. Una vez que los cálculos están completos y los tractos de materia blanca predichos se muestran al usuario, si el usuario decide que los tractos son aceptables, puede realinear la bobina de EMT y el sistema puede notificar o estimular automáticamente al sujeto cuando la bobina está en la posición y, opcionalmente, en la orientación adecuada.
De forma similar, los tractos de materia blanca predichos pueden indicar extremos terminales predichos y pueden permitir al usuario estimular los extremos terminales predichos, en lugar de o además del área de semilla, notificando o estimulando automáticamente al sujeto cuando la bobina está en la posición y, opcionalmente, en la orientación adecuada. Estimulando el (los) extremo(s) terminal(es) y midiendo o registrando la respuesta, puede ser posible determinar la exactitud o validez/no validez de la semilla con o sin estimular realmente la localización de la semilla.
Un sistema de acuerdo con determinados ejemplos técnicos presentados en el presente documento comprende un dispositivo estereotáctico que se puede usar para guiar un dispositivo estimulante con respecto a la anatomía del cerebro. Se puede usar un dispositivo de navegación para guiar el dispositivo estimulante a una localización anatómica apropiada donde el dispositivo estimulante se activa e induce un campo E sobre o en una parte del cerebro.
Un dispositivo de neuronavegación estereotáctica puede guiar una bobina de EMT u otro dispositivo de estimulación, tal como electrodos de estimulación cortical, electrodos de ETCD o cables de ECD. Adicionalmente, puede haber un módulo de procesamiento de imágenes que procesa datos de IRM por difusión que dan lugar a mapas de conectividad anatómica.
Los ejemplos de sistemas de acuerdo con los ejemplos técnicos presentados en el presente documento incluyen una combinación de los siguientes elementos; (i) un dispositivo de navegación estereotáctico (que puede ser óptico, magnético, etc.), (ii) un dispositivo estimulante que tiene como objetivo crear efectos agudos o de largo plazo en el área estimulada (EMT, transcraneal eléctrico, epidural eléctrico, óptico, basado en ultrasonidos), (iii) un sistema de radioterapia, incluyendo dicho sistema de radioterapia opcionalmente un sistema de cálculo de dosis, (iv) un sistema de modelado físico en tiempo real (por ejemplo, calculadora de campo E) para modelar las propiedades de un dispositivo estimulante, (v) un sistema IO de imagen que lee los datos de imagen, (vi) un sistema de procesamiento de imágenes para correlacionar los datos anatómicos con los datos de ITD (por ejemplo, registro conjunto, superposición de diferentes conjuntos de datos), (vii) un sistema de procesamiento de iTd , siendo dicho sistema de procesamiento opcionalmente capaz de procesar otros datos basados en RM por difusión, por ejemplo, DSI, datos de Q-Ball, datos de Q-space u otros datos de conectividad obtenidos de, por ejemplo, IRMf de estado de reposo, EEG espontánea/estimulada o MEG espontánea/estimulada o NIRS funcional, (viii) un sistema que correlaciona la conectividad anatómica (ITD) o información de conectividad funcional (rs-FMRI) e información estereotáctica, por ejemplo, como se muestra en la figura 6, (ix) un sistema que correlaciona la conectividad anatómica (ITD) o información de conectividad funcional, tal como rs-FMRI, MEG o EEG e información estereotáctica asociada con un sistema de modelado físico en tiempo real. Un ejemplo de los componentes del sistema se muestra en la figura 5. Dichos sistemas son capaces de llevar a cabo los procedimientos descritos anteriormente.
La figura 5 muestra un ejemplo técnico de un sistema 500 para llevar a cabo un procedimiento de acuerdo con la descripción anterior. El sistema 500 tiene un módulo de ITD que se comunica, preferentemente de dos formas, con el componente de modelado de campo E de un módulo de ECN. La comunicación bidireccional 530 incluye semillas del modelado de campo E que se envían al módulo de ITD para calcular el procesamiento de fibras y tensores. El módulo de ITD es capaz de enviar información y solicitudes al módulo de modelado de campo E para, por ejemplo, validar fibras.
Una vez que el módulo de ITD ha calculado, y opcionalmente verificado, una o más fibras, entonces puede transmitir los hallazgos al modelo de cabeza del módulo de ECN para su visualización 520, en el que el modelo de cabeza está en comunicación con el módulo de modelado de campo E 580. El sistema de eMt se comunica con el módulo de ECN para controlar la estimulación 530. Los marcadores, por ejemplo, en la bobina de EMT y el paciente indican la posición de la bobina y la cabeza al sistema de rastreo 560 y 550, respectivamente. El sistema de rastreo, que rastrea las posiciones de la bobina y la cabeza, comunica los datos de posición con el módulo de ECN 570.
Los sistemas y procedimientos descritos anteriormente tienen una pluralidad de usos. Uno de los usos ejemplares es ayudar a determinar semillas para algoritmos de tractografía. La selección de semillas en particular se puede basar en o incluir algunos de los siguientes:
La siembra desde diferentes profundidades, ya que la ECN puede estimular el cerebro a diferentes profundidades. Adicionalmente, la selección del mejor número de tractos para asegurar que la semilla esté sobre materia blanca.
Selección de semillas basada en un umbral de excitabilidad, por ejemplo, se selecciona una semilla de un área que excede los 60 V/m, cuando el umbral motor del sujeto a 20 mm de profundidad es de 55 V/m.
Selección de semillas basada en la respuesta motora normalizada. La siembra se puede iniciar cuando la relación de EMG normalizada (mV)/(V/m) excede un valor predefinido.
Selección de semillas basada en la respuesta cerebral normalizada. La siembra se puede iniciar cuando la respuesta de EEG normalizada (pV)/(V/m) excede un valor predefinido.
Selección de semillas basada en las propiedades de datos de imagen. Por ejemplo, cuando la intensidad de la señal de materia blanca (T1 o FA) y el valor de umbral de campo E se superponen.
Selección de semillas basada en la exclusión o inclusión, por ejemplo, cualquier operación booleana, entre las dianas de ITD y las respuestas de ECN. Por ejemplo, se pueden definir y/o elegir semillas subcorticales y se mapean las fibras en conexión con las áreas estimuladas responsivas.
Selección de semillas basada en respuesta y no respuesta, visualización simultánea de fibras que se originan en un área responsiva y no responsiva.
Los presentes procedimientos también se pueden usar en particular para el mapeo motor y la identificación del tracto corticoespinal. Por ejemplo, se pueden usar para la segmentación de la materia blanca subcortical en base a la información combinada de iTd y el dispositivo de estimulación cerebral navegada. También se pueden usar para la validación de respuestas de ECN en base a tractos existentes, en base a la proximidad de las vías.
Otros usos incluyen la selección de un área o áreas de estimulación o cuadrículas, en base a información superpuesta de la respuesta de ECN y ITD. La validación cruzada de ITD y ECN, por ejemplo, operaciones booleanas entre fibras y respuestas de ECN, y la selección de un número de semillas/tractos en base a la excitabilidad cortical se pueden lograr por medio de modos de realización de los presentes procedimientos. La siembra también se puede basar en el centro de gravedad o en un mapa de respuesta acumulada, cuyo resultado puede potenciar la confiabilidad de tractos de fibra resultantes. No obstante, se puede lograr el direccionamiento de ITD basado en respuestas de ECN, por ejemplo, la semilla colocada en el miembro posterior de la cápsula interna (MPCI), los puntos finales o dianas son dianas corticales obtenidas con el dispositivo estimulante.
Más específicamente, los presentes procedimientos se pueden usar en el tratamiento de la depresión, el mapeo de la corteza visual, el mapeo del habla y el tratamiento de la apoplejía, por nombrar algunos. Cuando se trata la depresión, por ejemplo, los presentes procedimientos se pueden usar para identificar semillas colocadas en estructuras límbicas, por ejemplo, cíngulo o áreas asociadas con resultados de neuroimagen funcional, por ejemplo, circunvolución del cíngulo anterior. Adicionalmente, la colocación de semillas se puede identificar en estructuras asociadas con la identificación de BA46/BA9, tal como el fascículo longitudinal superior II (SLFII). No obstante, la colocación de la semilla se puede identificar dentro de estructuras asociadas con las regiones asociadas con los síntomas, el habla, el sistema sensorial, etc.
Para su uso en el mapeo de la corteza visual, los presentes procedimientos se pueden usar para identificar la colocación de semillas en el tracto óptico o en el quiasma óptico, por ejemplo. Para su uso en el mapeo del habla, los presentes procedimientos se pueden usar para identificar los tractos desde Broca hasta Wernicke, por ejemplo, el fascículo arqueado, antes o durante el mapeo.
Cuando se usa en el tratamiento de la apoplejía, por ejemplo, los presentes procedimientos se pueden utilizar para identificar áreas de estimulación motora contralateral localizadas y dirigidas a la reducción de la inhibición del hemisferio intacto. Adicionalmente, para tratar la afasia, las áreas de procesamiento del habla contralateral, por ejemplo, Broca, Wernicke, representación cortical cricotiroidea, se pueden identificar para dirigirse a la reducción de la inhibición hemisférica cruzada del hemisferio intacto.
Aunque se han descrito modos de realización y ejemplos de la invención en un lenguaje específico para rasgos característicos y/o procedimientos, un experto en la técnica reconocerá innumerables variaciones y modificaciones de rasgos característicos de modos de realización, combinaciones de modos de realización descritos y ejemplos que no se apartarían del alcance de la presente invención. Más bien, los rasgos característicos y procedimientos específicos se divulgan como implementaciones de ejemplo de la presente invención.

Claims (8)

REIVINDICACIONES
1. Un procedimiento para combinar la navegación por estimulación transcraneal no invasiva con datos funcionales, comprendiendo dicho procedimiento las etapas de;
- adquirir una imagen anatómica de un cerebro,
- adquirir datos funcionales del cerebro,
- registrar conjuntamente al menos una parte de los datos funcionales, estando dicha parte asociada con una parte de interés del cerebro, con la localización correspondiente de la imagen anatómica, y - alinear de forma estereotáctica la vista combinada del cerebro con el programa informático de navegación por estimulación magnética transcraneal (EMT).
2. Un procedimiento de acuerdo con la reivindicación 1, que comprende además la etapa de mostrar la vista combinada del cerebro que tiene datos funcionales para al menos una parte de interés del cerebro asociada con la localización correspondiente en la imagen anatómica.
3. Un procedimiento de acuerdo con la reivindicación 1 o 2, en el que la imagen anatómica del cerebro se alinea de forma estereotáctica con la cabeza de un sujeto con el programa informático de navegación por EMT.
4. Un procedimiento de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones precedentes, que comprende además la etapa de mapear una parte del cerebro usando EMT navegada basado en la vista combinada.
5. Un procedimiento de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones precedentes, que comprende además la etapa de combinar además datos de mapeo por EMT navegada con la vista combinada y seleccionar una región de semilla, dentro de una región mapeada por EMT navegada, para aplicar un algoritmo de tractografía.
6. Un procedimiento de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones precedentes, que comprende además las etapas de;
- rastrear una bobina de EMT navegada en relación con la cabeza de un sujeto, en el que la localización y orientación de la cabeza del sujeto se registra conjuntamente con al menos una parte de la vista combinada,
- determinar una estimulación predicha que se aplicaría al sujeto mediante la bobina en una localización particular,
- asignar la localización de dicha estimulación predicha como semilla para un algoritmo de tractografía,
- determinar tractos de materia blanca a partir del algoritmo de tractografía utilizando la semilla predicha, y
- mostrar los tractos de materia blanca predichos sobre y/o dentro de la vista combinada.
7. Un procedimiento de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones precedentes, que comprende además la etapa de validación cruzada de datos funcionales y datos de estimulación cerebral navegada por medio de operaciones booleanas entre tractos de materia blanca determinados y respuestas de estimulación cerebral navegada.
8. Un procedimiento de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en el que los datos funcionales son datos de tomografía por emisión de positrones (TEP), datos de imágenes de resonancia magnética funcional (IRMf) o datos de imágenes con tensor de difusión (ITD).
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