Simulace a měření tepelných účinků během mapování motorické oblasti pomocí elektrické stimulace

Abstract

Mapování za pomoci přímé elektrické stimulace je využíváno k lokalizaci epileptického ložiska a jeho odlišení od zdravé a funkční mozkové tkáně. K mapování je využíváno subdurálních elektrod, které jsou v praxi buzeny buď monopolárně či bipolárně. Bakalářská práce se zabývá bezpečností intraoperačního mapování epileptického ložiska v motorické oblasti u pediatrických pacientů trpících epilepsií, kde je nutné využít větších proudových amplitud, než u pacientů dospělých. Účelem práce je podpora úsilí lékařů z Motolské nemocnice, kteří v této době využívají zcela unikátní stimulační paradigma pro pediatrické pacienty. Pro zjištění rozložení elektrického a teplotního pole byly vytvořeny zjednodušené numerické modely v simulátoru COMSOL Multiphysics 5.1 a numerický model s reálnou geometrií v programu Sim4Life v2.2.3. Stimulace zde probíhala bipolárně s proudovým buzením o amplitudě až 100 mA. V práci byla stanovena prahová hodnota teploty, pro kterou byly výsledky stimulací hodnoceny, jako 39 °C. K ověření numerických simulací byl proveden experiment snímání tepelných účinků za pomoci termokamery FLIR E60. Na základě výsledků simulací bylo zjištěno, že z hlediska prošlého náboje nehrozí nebezpečí poškození stimulované tkáně. Dále bylo pozorováno, že přítomnost cévního řečiště a aplikace fyziologického roztoku poblíž stimulačních elektrod výrazně snižují hodnotu maximálního ohřevu. Nejmenších ohřevů bylo dosahováno u modelu s reálnou geometrií v simulátoru Sim4Life, kde maximální teplota po ukončení stimulace činila 39,2 °C, a ochlazení pod hranici 39 °C bylo pozorováno za 0,008 s. Díky tomu lze usuzovat, že ani z hlediska tepelného poškození při elektrickém mapování nehrozí žádné nebezpečí poškození mozkové tkáně. Provedený experiment částečně poukázal na správnost provedených simulací. Na druhou stranu ovšem bylo zjištěno, že měření tepelných účinků při přímé elektrické stimulaci není zcela vhodné provádět pomocí infrazobrazovacích systémů. Cíl bakalářské práce, tedy určit rozsah tepelných účinků a možnost poškození mozkové tkáně při mapování za pomoci přímé elektrické stimulace považuje autor za splněný.

Electrical Stimulation Mapping (ESM) is used to localize an epileptogenic zone and distinguish it apart of healthy and functional brain tissue. For ESM are used subdural electrodes in monopolar or bipolar regime. In this bachelor?s thesis is described safety verification of intraoperative electric stimulation mapping in pedestrian patients who suffer from epilepsy, where higher amplitudes of current are used in comparison with the adult patients. Purpose of this thesis is to support study of medical doctors from Nemocnice Motol, who are currently using unique stimulation paradigm. To define electric and thermal field simplified numerical models in software COMSOL Multiphysics 5.1 and numerical model with realistic geometry in software Sim4Life v2.2.3 were created. Stimulation was bipolar, with current amplitude up to 100 mA. In this thesis the temperature threshold was set as 39 °C and evaluation of simulations was based on this value. To verify simulation results an experiment of measuring rating effects with thermocamera FLIR E60 was performed. Based on the simulation can be stated that there is no damage of tissue caused by inserted charge. Further could be observed, that presence of vascular system and application of saline near to stimulating electrodes causes decrease of maximal temperature. The smallest temperatures were reached in case of realistic geometry in numerical simulator Sim4Life, where the maximal temperature reached 39,2 °C at the end of stimulation and the temperature decreased below 39 °C after 0,008 s, so it can be claimed, that the damage of tissue is not observed also in case of thermal effects. The experiment partly confirmed correctness of simulation, but on the other hand it was found, that measuring heat effects during direct electrical stimulation with IR camera is not entirely suitable. Main goal of bachelor?s thesis, which was to describe heat effects and the possibility of brain tissue damage during electrical stimulation mapping, is considered by author of thesis as accomplished.