Measurement and time frequency analysis of intraoperative head restraint stress in awake neurosurgical procedures

This work is part of the European funded project ‘Active Constraints Technologies for Ill-defined or Volatile Environments’ (ACTIVE, FP7-ICT 270460). The aim of this project is the design and development of an integrated redundant robotic platform for open skull awake neurosurgery. This a technique that involves some periods during the intervention in which the patient is awake. Awake craniotomies are increasingly used for neuro-oncological operations for tumors involving eloquent regions, since it allows overcoming limitations of classical brain mapping techniques. In fact, for patients who are conscious during the procedure, somatosensory function and cognitive functions, such as language (spontaneous speech, object naming, comprehension, etc), calculation, memory, reading, or writing, can be investigated. The idea is to generate transient disturbances by applying direct electrical stimulation to the cerebral tissue at the level of a functional epicenter; a speech therapist must be present in order to accurately interpret the kind of disorders induced by the cortical and subcortical stimulations. In this kind of interventions, if we want to use a robot for assistance, one of the major issues is the motion compensation since the target is not fixed because of possible epileptic seizures or patient’s movements during the awake phase; moreover the target of the intervention is a soft tissue undergoing deformations due to many possible causes (tool interaction, orientation with respect to gravity, presence of gas and liquid around it, hydration, pulsing flows, breathing etc.). To address this problem, one of the main parts that will compose the ACTIVE’s hardware platform is the Active Headframe (AH). This will be a parallel kinematic machine in charge of actively controlling the skull movements and directly attached to the patient’s cranium trough an headring, like the one used today for most of neurosurgical operations. Thanks to the AH, the force/displacements exerted by the head will be variably limited, filtered and compensated, thus increasing the safety of the surgical procedure. The main goal of this master thesis work was the estimation through on-field measurements of forces and moments applied on a pinion head-holder (the Mayfield® skull clamp) by the patient’s head during an awake intracranial operation. In particular we aimed to provide quantitative requirements for the AH design and implementation. The strains on the Mayfield® positioning system were estimated attaching six double strain gauges (SG) and loads applied on the structure were calculated through a calibration procedure. In order to identify SG’s positions we realized a CAD model of the positioning system and performed simulation analyses based on Finite Elements Method (FEM). We identified six SG’s positions on the structure that are sufficient to determine forces’ and moments’ components. The experimental calibration procedure was carried out using a system of weights and pulleys and applying known loads directly on the positioning system (the configuration of its arms was the same used during the intervention). On field measurements of forces and moments were acquired during surgical removal of a left frontal lobe ganglioglioma (type III) intervention that lasted about 6 hours; the patient was a 41 years old and his weight was 84 kg. The static components of forces given by the head’s and the c-clamp’s weight were measured and evalueated in relation to the patient’s position with respect to the headring. The SG’s output signals were processed through low-pass filters and detrending procedures. All the events occurred during the intervention were divided in four different types. This classification was done in order to understand if forces’ and moments’ values depend on who is exerting loads (patient or surgeon) or on the type of patient’s movement (unexpected or induced by stimulation). The obtained results shows that maximum forces and moments are exerted by the medical staff; they shows also that forces and moments due to unexpected movements of the patient are higher with respect to those due to movements induced by stimulation or requested by the surgeon. Maximum values of forces and moments during the intervention (105 N for force along x direction and 42 Nm for moment around y axis) were found during the phase of the surgical operation in which the surgeon uses the surgical drill in order to open the skull and in the last phase of the intervention during suturing. Observing maximum values of moments and forces exerted by the patient, we found that they are lower than those found in literature for studies that aimed to measure maximum force and torques exerted by neck muscles (155.4N for isometric force and 69.42Nm for torque). Results of analyses in frequencies domain showed that for all the types of events the frequency content of all the force’s and moment’s components is in the range 0-5 Hz with a great prevalence of components between 0 and 0.5 Hz. We measured also head displacements using an optical tracking system and head’s velocities and accelerations were calculated. The results obtained confirmed what we found in forces’ and moments’ analyses since the maximum values were found during surgeon’s actions (9 mm for displacements, 0.06 m/s for velocity and 0.8 m/s2 for acceleration). These data represent a starting point for AH sizing and design. Future developments of this work could be other on-field measurements in order to find possible relationships between values of forces and moments and patients’ characteristics such as age, sex or weight. An improvement in data interpretation could be expected by integrating the evaluation of the load’s signals with analysis of vital parameters monitoring signals (ECG, EEG or blood pressure), EMG or electrical stimulation signals (e.g. MEP). Finally, in order to have more useful data for AH design, other intra-operative measurements are desirable in order to collect data during other accidental events, such as epileptic seizures.

Il lavoro qui presentato si inserisce nel progetto finanziato dall’ Unione europea ‘Active Constraints Technologies for Ill-defined or Volatile Environments’ (ACTIVE, FP7-ICT 270460). Lo scopo di questo progetto è lo sviluppo di una piattaforma robotica integrata e ridondante per la neurochirurgia a cranio aperto con paziente sveglio. Questa tecnica prevede periodi durante l’intervento chirurgico in cui il paziente è in stato di veglia. Le craniotomie a paziente sveglio sono sempre più utilizzate per interventi neuro-oncologici in aree eloquenti della corteccia, poiché permettono di superare i limiti che contraddistinguono tecniche classiche di brain mapping. Infatti, con pazienti coscienti durante la procedura chirurgica, è possibile testare funzioni somatosensoriali e cognitive come linguaggio (linguaggio spontaneo, associazione di nomi e oggetti, comprensione,..) calcolo, memoria, lettura o scrittura. L’idea è di generare disturbi transitori tramite stimolazione elettrica diretta sul tessuto cerebrale a livello degli epicentri funzionali; in sala è presente un logopedista che ha il compito di interpretare correttamente il tipo di disturbi indotti dalla stimolazione corticale e subcorticale. In questo tipo di interventi, se si ricorre all’assistenza da parte di un robot, uno dei maggiori problemi è la compensazione del movimento poiché l’organo target non ha una posizione fissa a causa della possibile insorgenza di crisi epilettiche o di movimenti del paziente durante la fase di veglia; inoltre l’organo su cui si interviene è un tessuto molle che può deformarsi per molteplici cause (interazione con lo strumento chirurgico, orientamento rispetto alla direzione d’azione della forza di gravità, presenza di gas o liquidi intorno ad esso, flussi pulsatili, respiro, etc...). Per affrontare questo problema, una delle parti più rilevanti che comporranno la piattaforma HW del sistema realizzato in ACTIVE è l’Active Headframe (AH). Esso sarà costituito da una macchina a cinematica parallela con il compito di controllare i movimenti della testa e direttamente connessa al cranio del paziente attraverso un headring, simile a quello utilizzato oggi per la maggior parte delle operazioni neurochirurgiche. Grazie all’AH, le forze esercitate dalla testa ed i suoi spostamenti saranno limitati, filtrati e compensati, aumentando così la sicurezza della procedura chirurgica. L’obiettivo principale di questo lavoro era la stima tramite misure in sala operatoria di forze e momenti eserciti dalla testa del paziente su una testiera (Mayfield® skull clamp) durante un’operazione intracranica a paziente sveglio. In particolare lo scopo era quello di fornire dati quantitativi utili alla definizione delle specifiche di progettazione e implementazione dell’AH. Le deformazioni locali del dispositivo di posizionamento Mayfield sono state misurate utilizzando un sistema di sei estensimetri doppi, mentre i carichi esercitati sulla struttura sono stati calcolati attraverso una procedura di calibrazione. Con lo scopo di identificare le posizioni in cui incollare gli estensimetri abbiamo realizzato un modello CAD del dispositivo di posizionamento ed effettuato simulazioni basate su metodo a elementi finiti. Abbiamo identificato sei posizioni sulla struttura, sufficienti per determinare le tre componenti di forza e momento, in cui collocare gli estensimetri. La procedura di calibrazione sperimentale è stata effettuata utilizzando un sistema di pesi e pulegge e applicando carichi noti direttamente sul dispositivo di posizionamento (la configurazione dei bracci che lo compongono è rimasta invariata rispetto a quella utilizzata nel corso dell’intervento). Le misure in sala di forze e momenti sono state acquisite durante un intervento di rimozione chirurgica di un ganglioglioma di tipo III situato nel lobo frontale sinistro della durata di circa 6 ore; il paziente aveva 41 anni e il suo peso era di 84 kg. E’ stata misurata la componente di forza statica dovuta al peso della testa e del Mayfield® skull clamp e i risultati sono stati analizzati in relazione alla posizione della testa del paziente rispetto alla testiera. Il segnale di output degli estensimetri è stato processato utilizzando un filtro passa basso e una procedura di detrending. Tutti gli eventi accaduti durante l’intervento sono stati suddivisi in 4 tipi differenti. Questa classificazione è stata fatta con lo scopo di capire se i valori di forze e momenti dipendono da chi esercita i carichi (il paziente o il chirurgo) e dal tipo di movimento del paziente (inatteso o indotto tramite stimolazione). I risultati ottenuti mostrano che i massimi valori di forza e momenti sono esercitati dallo staff medico; si evince anche che forze e momenti dovuti a movimenti inattesi del paziente sono maggiori rispetto a quelli dovuti a movimenti indotti da stimolazione o richiesti dal chirurgo. I valori massimi di forze e momenti durante l’intervento (105 N per la forza in direzione x e 42Nm per il momento intorno all’asse y) sono stati misurati durante la fase dell’operazione in cui il chirurgo utilizza il trapano chirurgico per l’apertura del cranio e nell’ultima fase dell’intervento durante l’operazione di sutura. Osservando i valori massimi di forze e momenti esercitati dal paziente, abbiamo rilevato che essi sono minori rispetto a quelli trovati in letteratura proposti da studi che si ponevano l’obiettivo di misurare le forze e i momenti massimi esercitati dai muscoli del collo (155.4N per la forza isometrica and 69.42Nm per il momento). I risultati dell’analisi nel dominio delle frequenze hanno mostrato che per tutti i tipi di eventi il contenuto in frequenza di tutte le componenti di forza e momento è racchiuso nel range 0-5Hz, con una netta prevalenza delle componenti tra 0 e 0.5Hz. Abbiamo anche misurato gli spostamenti del cranio utilizzando un sistema di localizzazione ottico ed abbiamo calcolato velocità ed accelerazione della testa. Il risultato ottenuto ha confermato ciò che avevamo dedotto dall’analisi di forze e momenti poiché i massimi valori sono stati trovati in corrispondenza delle azioni del chirurgo (9 mm per gli spostamenti, velocità massima di 0.06 m/s e accelerazioni massime di 0.8 m/s2). Tali dati sono da considerare come un punto di partenza per la progettazione e il dimensionamento dell’AH. Sviluppi futuri di questo lavoro potrebbero essere ulteriori misurazioni in sala operatoria con l’obiettivo di trovare possibili relazioni tra valori di forze e momenti e caratteristiche del paziente quali l’età, il sesso o il peso. Si può ipotizzare un miglioramento nell’interpretazione dei dati integrando l’interpretazione dei segnali dei carichi agenti sulla testiera con lo studio dei segnali di monitoraggio dei parametri vitali (ECG, EEG o pressione sanguigna), EMG o segnali relativi alla stimolazione elettrica (e.g MEP). Infine, con lo scopo di ottenere ulteriori dati utili per la progettazione dell’AH, altre misurazioni potrebbero consentire di avere a disposizione dati relativi ad altri tipi di eventi accidentali, come ad esempio l’insorgenza di crisi epilettiche.