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Valutazione del campo elettrico indotto in applicazioni di Deep Brain Stimulation (DBS): ruolo dei contatti attivi

CONTESTO: La Deep Brain Stimulation (DBS) è una tecnica chirurgica efficace e relativamente sicura per il trattamento, ma non la cura, di sintomi relativi ad alcuni disordini del movimento, come il morbo di Parkinson, il tremore essenziale e la distonia. La DBS consiste nella stimolazione elettrica continua di alcune strutture cerebrali profonde: il nucleo ventrale intermedio del talamo, la parte interna del globo pallido ed il nucleo subtalamico di Luys (STN). Tale stimolazione viene effettuata tramite un dispositivo impiantabile costituito da due conduttori isolati (detti lead ed extension) ed un neurostimolatore (IPG). L’introduzione di tale tecnica, per quanto ritenuta una valida alternativa alla terapia chirurgica lesionale, è relativamente recente e ulteriormente ingegnerizzabile; così come i meccanismi che regolano la risposta positiva nei pazienti necessitano di indagini più approfondite. La ricerca punta attualmente ad una loro comprensione tramite studi clinici, sperimentali e modellistico-computazionali.

OBIETTIVO: Il presente lavoro si pone l’obiettivo di sviluppare un modello computazionale dosimetrico di un sistema DBS applicato in clinica, utile per la valutazione delle grandezze elettriche indotte nel tessuto cerebrale, al fine di verificare l’influenza dei contatti attivi, in termini della loro locazione e attivazione. Tale modello viene poi applicato al caso pratico della stimolazione subtalamica, di notevole rilevanza clinica per il morbo di Parkinson.

METODI: Il modello computazionale si riferisce al dispositivo clinico ACTIVA® THERAPY della Medtronic, approvato dalla Food and Drug Administration, ed è stato sviluppato tramite software commerciale FEMLAB della Comsol, che utilizza il metodo degli elementi finiti. I materiali dell’elettrodo e del tessuto sono stati caratterizzati tramite la loro conducibilità elettrica; l’analisi è stata di tipo statico. Si è messo a punto un modello antropomorfo che descrive la risposta elettrica di tutti i principali tessuti coinvolti nella stimolazione. In particolare, il dominio attorno all’elettrodo è eterogeneo, costituito da materia grigia e bianca: si è assunto un comportamento isotropo per la materia grigia e anisotropo per quella bianca. La geometria realistica dell’area subtalamica è stata ottenuta attraverso importazione, con un programma CAD, di un’immagine dall’atlante anatomico
Schaltenbrand e Wahren, ampiamente riconosciuto ed utilizzato in ambito clinico. La stimolazione è stata monopolare con singolo contatto attivo. Particolare cura è stata posta nella scelta del dominio e del ground, tali da permettere un’adeguata discretizzazione del dominio di interesse (densità del mesh).

RISULTATI: L’analisi dosimetrica del problema consente di visualizzare la distribuzione spaziale nel tessuto cerebrale di grandezze quali il potenziale elettrico, il campo elettrico e la funzione di attivazione, la quale risulta impiegata per valutare l’attivazione degli elementi neurali circostanti. La funzione di attivazione è il primo passo per la comprensione di quali elementi neurali sono coinvolti nel beneficio clinico procurato dalla DBS. Si è verificata l’adeguatezza delle ipotesi effettuate nella descrizione del problema elettromagnetico e il metodo numerico adottato per risolverlo, validando i risultati con un lavoro di riferimento di letteratura. Successivamente lo sviluppo e l’implementazione del modello hanno posto in luce la rilevanza, ai fini dei risultati nel caso della stimolazione unipolare, dell’effetto della porzione di corpo umano ospitante il sistema impiantabile (tipicamente dalla spalla in su), aspetto attualmente poco rimarcato in letteratura. Sulla base di tali considerazioni, in domini opportunamente calcolati, è stata valutata la distribuzione delle grandezze elettriche per la regione subtalamica, mettendo in evidenza, per ogni contatto, l’area che risulta maggiormente stimolata, proponendo una possibile correlazione anatomica tra posizione dell’elettrodo e taluni effetti, sulla base di risultati reperiti in letteratura.

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Introduzione La Deep Brain Stimulation (DBS) è una tecnica chirurgica efficace e relativamente sicura per il trattamento, ma non la cura, di sintomi relativi ad alcuni disordini del movimento, come il morbo di Parkinson, il tremore essenziale e la distonia. La DBS consiste nella stimolazione elettrica continua di alcune strutture cerebrali profonde: il nucleo ventrale intermedio del talamo, la parte interna del globo pallido ed il nucleo subtalamico di Luys (STN). Tale stimolazione viene effettuata tramite un dispositivo impiantabile, costituito da due conduttori isolati (detti lead ed extension) ed un neurostimolatore (IPG). L’introduzione di tale tecnica, per quanto ritenuta una valida alternativa alla terapia chirurgica lesionale, è relativamente recente e ulteriormente ingegnerizzabile; così come i meccanismi che regolano la risposta positiva nei pazienti necessitano di indagini più approfondite. La ricerca punta attualmente ad una loro comprensione tramite studi clinici, sperimentali e modellistico- computazionali. Il presente lavoro si pone l’obiettivo di sviluppare un modello computazionale dosimetrico di un sistema DBS applicato in clinica, utile per la valutazione delle grandezze elettriche indotte nel tessuto cerebrale, al fine di verificare l’influenza dei contatti attivi, in termini della loro locazione ed attivazione. Tale modello viene poi applicato al caso pratico della stimolazione subtalamica, di notevole rilevanza clinica per il morbo di Parkinson. Il modello computazionale si riferisce al dispositivo clinico ACTIVA® THERAPY della Medtronic, approvato dalla Food and Drug Administration, ed è stato sviluppato tramite software commerciale FEMLAB della Comsol, che utilizza il metodo degli elementi finiti. I materiali dell’elettrodo e del tessuto sono stati caratterizzati tramite la loro conducibilità elettrica; l’analisi è stata di tipo statico. Si è messo a punto un modello antropomorfo che descrive la risposta elettrica di tutti i principali tessuti coinvolti nella stimolazione. In particolare, il dominio attorno all’elettrodo è eterogeneo, costituito da materia grigia e bianca: si è assunto un comportamento isotropo per la materia grigia e anisotropo per quella

Laurea liv.II (specialistica)

Facoltà: Ingegneria

Autore: Tommaso Novellino Contatta »

Composta da 127 pagine.

 

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