Real-time tracking of electrode during deep-brain surgery

The system developed in this thesis is part of a research project that aims to define and characterize a new model of subcortical stroke relative to primate brain. In particular it has been decided to reproduce a subcortical stroke, by using a thermocoagulation electrode to generate a lesion of the posterior limb of the internal capsule. Before the surgery, a surgical plan is used to evaluate how the electrode must be introduced in the brain to reach the desired brain part. The surgical plan is based on a structural Magnetic Resonance Imaging (MRI) acquired before the surgery, having as reference a stereotactic frame in which the monkey’s head is fixed. The stereotactic frame is a neuronavigation guidance that helps the surgeon during the surgery giving him a reference. However, despite this, the surgeon is completely blind during the surgery. The system developed in thesis aims to help the surgeon confirming in real-time the trajectory of the electrode inside the brain. To do that, an optical tracker device, the Vicon Motion Capture System, has been used to obtain, in real time, the 3D position of the electrode. In particular the Vicon System tracks the metallic stick that has on one end the electrode. The estimated electrode position is sent to the 3D Slicer software, which is usually used to visualize the inner part of the brain during the surgical intervention by means of the available primate’s MRI. The system has been tested in a series of simulated surgery interventions and, thanks to the information provided by the developed system, the internal capsule has been every time reached with a significant precision. The system has shown to have an overall latency in the order of 15 ms that does not create problems to the surgeon during the intervention.

Il sistema sviluppato per questa tesi è parte di un progetto di ricerca che mira a definire e caratterizzare un nuovo modello di ictus subcorticale relativo al cervello nei primati. In particolare è stato deciso di riprodurre l’ictus subcorticale, usando un elettrodo termocoagulatore per generare una lesione del braccio posteriore della capsula interna. Prima della chirurgia, viene ideato un piano chirurgico per valutare come l’elettrodo debba essere introdotto all’interno del cervello, in modo da raggiungere correttamente la parte desiderata. Il piano chirurgico è basato su un Imaging a Risonanza Magnetica strutturale (MRI) acquisito prima della chirurgia, avendo come referenza un casco stereotassico nel quale è fissata la testa del primate. Tuttavia, nonostante questo, il chirurgo non può vedere la posizione dell’elettrodo all’interno del cervello durante l’intervento. Il sistema sviluppato in questa tesi ha l’obiettivo di aiutare il chirurgo, confermando in tempo reale la traiettoria dell’elettrodo all’interno del cervello. Per fare questo, è stato usato un dispositivo di tracciamento ottico, il Vicon Motion Capture System, per ottenere in tempo reale la posizione 3D dell’elettrodo tracciando la sua punta metallica. La stima della posizione dell’elettrodo è inviata al software 3D Slicer, che è usualmente usato per visualizzare la parte interna del cervello durante gli interventi chirurgici, attraverso la risonanza magnetica del primate. Il sistema è stato provato in una serie di interventi chirurgici simulati e, grazie alle informazioni ottenute dal sistema sviluppato, la capsula interna è stata raggiunta ogni volta con precisione millimetrica. Il sistema ha mostrato di avere una latenza complessiva nell’ordine dei 15 ms, che non creano problema alcuno al chirurgo durante l’intervento.