Ověření možnosti teplotního ohřevu během přímé kortikální stimulace

Abstract

Při intraoperačním mapování epileptického ložiska u pediatrických pacientů za pomoci přímé elektrické stimulace je nutné využít vyšších proudových amplitud než v případě dospělých pacientů. Elektrická stimulace je ovšem doprovázena lokálními teplotními změnami ve tkáni. Cílem této práce bylo ověřit teplotní změny zapříčiněné elektrickým mapování dle paradigma využívaného ve Fakultní nemocnici v Motole, které ke stimulaci využívá proudové amplitudy o hodnotě až 100 mA. Na základě naměřených dat získaných při provádění chirurgického zákroku byly v numerickém simulátoru COMSOL Multihpysics v. 5.1 vytvořeny numerické modely s kuličkovými a subdurálními, stimulačními elektrodami. Tyto modely zohledňují teplotní závislost materiálových konstant a reálný průběh stimulačního paradigma. Buněčné poškození bylo kvantifikováno za pomoci Arrheniova integrálního modelu. Ověření numerických výpočtů proběhlo formou porovnání termografického měření a výsledků numerického modelu pro jednoho vybraného pacienta. Z výsledků simulací vyplývá, že při stimulacích o nejvyšší proudové amplitudě dochází v šedé hmotě mozkové k překročení hranice 39 °C (což je nejpřísnější práh, kdy dochází k ovlivnění mozkových funkcí) pouze v modelu s kuličkovými elektrodami. Tyto teploty v mozkové tkáni přetrvávají po krátký časový okamžik (45 ms), zaujímají objemy v řádu 10-3 mm3 a jsou lokalizovány ve svrchních vrstvách tkáně. Nejvýraznější teplotní změny se odehrávají v prostředí fyziologického roztoku, který se v době stimulace nacházel v blízkosti elektrod. Hodnoty buněčného poškození se pohybují na úrovni maximálně 10-5, což značí, že v šedé hmotě mozkové nedochází k úmrtí nervových buněk. K chladnutí dochází okamžitě po ukončení stimulace a úplné ustálení teploty bylo ve většině modelů pozorováno do 20 s. Mezi modely s kuličkovými a subdurálními elektrodami byly pozorovány odlišnosti v průběhu ohřevu fyziologického roztoku a chladnutí šedé hmoty mozkové, které pravděpodobně vyplývají z odlišné geometrie a materiálových vlastností modelovaných struktur. Práce potvrzuje bezpečnost zkoumaného paradigma při vysokých amplitudách stimulačního impulzu. Pro minimalizaci teplotních účinků je doporučeno aplikovat dostatečné množství fyziologického roztoku v okolí stimulovaného místa a opakovat stimulaci s intervalem nejméně 10 (kuličkové elektrody) až 20 (subdurální elektrody) vteřin.

During the intraoperative electrical stimulation mapping of epileptogenic zone by direct current stimulation, it is neccessary to utilize higher current amplitudes to stimulate pediatric patients in comparison to adult patients. Hovewer, electrical stimulation is accompained by local thermal changes of the tissue. Aim of this thesis was to verify temperature changes caused by electrical stimulation mapping following paradigm used by Motol University Hospital, performed with current amplitudes of up to 100 mA. On the basis of the measured data obtained during the surgical procedure, numerical models with ball and subdural stimulation electrodes were created in COMSOL Multiphysics v. 5.1 software. These models respect the temperature dependence of material properties and actual shape of stimulation pulse. Cellular damage analysis was quantified by Arrhenius damage integral. Verification of the numerical calculations was performed by comparison of thermographic measuremets with the results of numerical simulations for one selected patient. Results obtained from simulator show that after stimulation with highest current amplitude the temperatures above 39 °C (the most strickes threshold when brain functions are affected) occurs in the gray matter only in the model with ball electrodes. These temperatures in the brain tissue persist short time (45 ms), involving volumes in the range 10-3 mm3 and are located in the upper layers of the tissue. The most significant temperature changes occur in the saline solution, which was situated near electrodes at the time of stimulation. Value of Arrhenius damage integral reached the maximum of 10-5, which indicate no cell death in gray matter. Cooling is immediate and complete temperature stabilization occurs in the most models within 20 s. Differences were observed between the models with ball and subdural electrodes, during the process of heating of the saline solution and the cooling of the gray matter, which is probably due to the different geometry and material properties of the modeled structures. The thesis confirms safety of the examined paradigm at high amplitudes of stimulation pulse. To minimize thermal effects, it is recommended to apply a sufficient amount of saline solution at the stimulated site, and repeat the stimulation with an interval of at least 10 (ball electrodes) to 20 (subdural electrodes) seconds.