Multimodal navigation in deep brain stimulation surgery

Abstract

Multiple modalities and resources can be informative for deciding deep brain stimulation electrode implant location. We developed and validated a software platform that integrates these resources together; creates a real time representation of the ongoing state of the surgery; and incorporates novel biomarkes derived from multimodal data aggregation.

Die Position der implantierten Elektrode zur tiefen Hirnstimulation (THS) wird anhand mehrerer Informationsquellen bestimmt: Bildgebung des Gehirns für die Planung, elektrophysiologische Aufzeichnungen für die Charakterisierung der Basalganglienkerne und Teststimulationen für die intraoperative Bewertung der physiologischen Auswirkungen und Nebenwirkungen. Während jeder dieser Schritte für sich genommen ein etabliertes Verfahren darstellt, fehlen Methoden, welche auf die Integration und Zusammenführung der Informationsquellen hinarbeiten. Wir haben uns mit diesem Thema in einer veröffentlichten Proof-of-Concept-Toolbox auseinandergesetzt, welche die multimodale Datenverarbeitung während der THS-Operation untersucht. In der vorliegenden Arbeit greifen wir dieses Thema erneut auf, indem wir es in einen breiteren Kontext stellen und neue Implementierungen vorstellen, die auf ein robustes und zuverlässiges Softwareprogramm hinarbeiten. Wir haben eine Plattform für die multimodale Datenaggregation während einer THS-Operation entwickelt und sie mit einer Kohorte von 52 Parkinson-Patienten aus unserem Zentrum validiert. Außerdem haben wir die Verwendung eines Moduls der Plattform anhand einer Kohorte von 118 Patienten aus der Neuroimaging-Initiative für die Alzheimer-Krankheit exemplifiziert. Die neuartige Plattform erweitert die zuvor veröffentlichte Toolbox um eine hochmoderne Software für die elektrophysiologische Erfassung und Verarbeitung. Wir zeigen eine allgemeine Korrelation zwischen bildgebenden und elektrophysiologischen Merkmalen, welche aus der THS-Operation extrahiert wurden. Darüber hinaus stellen wir neue Biomarker vor, die sich aus der Integration der verschiedenen Datenquellen ergeben. Die entwickelte Plattform für die Echtzeit-Navigation bei THS-Operationen integriert verschiedene Informationsquellen in 3D-Darstellungen der Daten, die zukünftig ein wichtiges Element für die Entscheidungsfindung bei THS-Operationen sein könnten.