Deep Brain Stimulation Electrode Localization and Orientation Detection Using Magnetic Field Measurements

The dissertation presents a clinically promising method for localization and orientation detection of directional deep brain stimulation electrodes that overcomes the fundamental drawbacks of current postoperative imaging techniques without exposing the patient to any radiation. The approach of this method is based on measurements of stimulation-induced magnetic fields and is, therefore, completely harmless to the patient. The basic idea is to exploit the spatial distribution of the high number of stimulation contacts of the electrode. Various contacts are activated against each other to generate a defined stimulation current with a known direction of current flow. The electric current, in turn, induces a known magnetic field. The distribution of the magnetic field can be measured around the head and, with precise electromagnetic models and detection algorithms, can be used to derive electrode position and orientation. Magnetic field measurements with bipolar omnidirectional and directional electrode configurations were used for electrode localization and electrode orientation detection, respectively. Using the clinically applied state-of-the-art magnetoencephalography (MEG) system and a head-torso phantom with realistic dimensions, localization accuracy of approximately 2 mm and orientation detection accuracy of approximately 4° were achieved. These accuracies were limited mainly by the spatial resolution of the MEG system. Although clinicians state that these detection accuracies are acceptable when considering the benefits of a radiation-free approach, the accuracy can be further increased by improving the spatial resolution of existing MEG systems or by using emerging flexible measurement systems. Should even higher detection accuracy be achieved in clinical applications, the proposed method for magnetic detection of electrode position and orientation will undoubtedly represent a major advance in neurology.

Die Dissertation präsentiert eine klinisch vielversprechende Methode zur Lokalisierung und Orientierungserkennung von direktionalen Elektroden zur Tiefen Hirnstimulation, die die grundlegenden Nachteile der derzeitigen postoperativen Bildgebungsverfahren überwindet, ohne den Patienten jeglicher Strahlung auszusetzen. Der Ansatz dieser Methode basiert auf der Messung von stimulationsinduzierten Magnetfeldern und ist daher für den Patienten völlig ungefährlich. Die Grundidee besteht darin, die räumliche Verteilung der hohen Anzahl von Stimulationskontakten der Elektrode auszunutzen. Verschiedene Kontakte werden gegeneinander aktiviert, um einen definierten Stimulationsstrom mit bekannter Stromflussrichtung zu erzeugen. Der elektrische Strom induziert wiederum ein bekanntes Magnetfeld. Die Verteilung des Magnetfelds kann um den Kopf herum gemessen und mit präzisen elektromagnetischen Modellen und Detektionsalgorithmen zur Ableitung der Elektrodenposition und -orientierung verwendet werden. Unter Verwendung des klinisch eingesetzten state-of-the-art Magnetoenzephalographie (MEG)-Systems und eines Kopf-Torso-Phantoms mit realistischen Abmessungen wurde eine Lokalisierungsgenauigkeit von etwa 2 mm und eine Orientierungserkennungsgenauigkeit von etwa 4° erreicht. Diese Genauigkeiten wurden hauptsächlich durch die räumliche Auflösung des MEG-Systems begrenzt. Obwohl Kliniker diese Werte in Anbetracht der Vorteile eines strahlungsfreien Ansatzes für akzeptabel halten, kann die Genauigkeit durch die Verbesserung der räumlichen Auflösung bestehender MEG-Systeme oder durch den Einsatz neuer flexibler Messsysteme weiter erhöht werden. Sollte in klinischen Anwendungen eine noch höhere Detektionsgenauigkeit erreicht werden, wird die vorgeschlagene Methode zur magnetischen Erkennung der Elektrodenposition und -orientierung zweifellos einen großen Fortschritt in der Neurologie darstellen.

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