Brain Thermal and Electrical Properties Estimation Using Experimental Data From Deep Brain Stimulation Lead

Abstract

Deep Brain Stimulation (DBS) is a well-established neurosurgery that alleviates the symptoms of several movement disorders and other brain related conditions. It works by placing a small lead containing electrodes inside the patient's brain and using them to electrically stimulate that area. Although this procedure is very common, little is known about its physiological effects on the brain and, on top of that, injuries caused from burning have been reported. The present work intends to formulate and solve a bioheat transfer model of the brain containing a DBS lead and, furthermore, to use this solution for solving an inverse problem of determining the thermal and electrical conductivities of the brain tissue using measurements supposedly obtained with a sensor inside the DBS lead.The results revealed that it is possible to estimate the both parameters especially when the measurements uncertainties are relatively small.

Filtro de partículas aplicado a estimativa do campo de temperaturas no interior de um cérebro sujeito a um tratamento com eletrodo DBS

“…A estimulação cerebral profunda (do inglês, Deep Brain Stimulation -DBS) é uma terapia estabelecida que consiste no envio de pulsos elétricos a áreas cerebrais específicas por meio de eletrodos implantados no interior do cérebro [3][4][5][6]16]. O procedimento é realizado com o objetivo de estimular o funcionamento do órgão e melhorar o desempenho e qualidade de vida de pessoas que possuem doenças neurológicas como a doença de parkinson, a epilepsia, a distonia, entre outras [3,6,16]. No entanto, apesar do uso do DBS ser amplamente difundido em todo o mundo e ter um procedimento cirúrgico bem tolerado, pouco se sabe sobre seus efeitos fisiológicos no cérebro.…”

“…No entanto, apesar do uso do DBS ser amplamente difundido em todo o mundo e ter um procedimento cirúrgico bem tolerado, pouco se sabe sobre seus efeitos fisiológicos no cérebro. Algumas das lesões mais comuns estão relacionadas a possíveis queimaduras internas por acoplamento térmico com outros equipamentos, como a ressonância magnética [4][5][6]. Desta forma, mudanças de temperatura induzidas por DBS são de amplo interesse e precisam ser controladas para minimizar o risco de lesões.…”

“…Ademais, podem ser empregadas técnicas de solução de problemas inversos que levam em consideração medidas experimentais para estimar algumas propriedades físicas presentes no modelo matemático DBS [6]. A utilização de problemas inversos para a estimativa de parâmetros e obtenção do campo de temperatura mostra-se bastante relevante, pois permite que sejam inseridas no problema incertezas associadas ao modelo matemático e as propriedades, além de levar em consideração as medidas experimentais.…”

“…Além disso, é considerado que existe um sensor, localizado no centro do eletrodo, utilizado para obter medidas experimentais de temperatura. O aumento de temperatura será descrito com o modelo proposto por Pennes [2,[4][5][6][7]14]:…”

“…Esses modelos são eletrodos cilíndricos com 1, 27 mm de diâmetro e, em cada um, há quatro eletrodos com 1, 5 mm de comprimento. A diferença entre eles é o espaçamento dos eletrodos, com distâncias de 0, 5 mm no modelo 3389 e 1, 5 mm no modelo 3387, conforme apresentado na Figura 1(b) [6,10].…”