Εξατομίκευση του σχεδιασμού θεραπείας στο διακρανιακό μαγνητικό ερεθισμό του εγκεφάλου με τη χρήση υπολογιστικών τεχνικών

Abstract

Transcranial magnetic stimulation (TMS) is a non-invasive brain stimulation technique, during which a coil placed above a human head creates a magnetic field that induces intracranial electric currents, through electromagnetic induction. The method is well-established and currently applied for the diagnosis and treatment of neuropsychiatric diseases. However, the differences in tissue geometry among patients along with the diversity in regions of interest require a personalized treatment plan for each patient. The present thesis evaluates the impact of human anatomy and coil design in TMS, through numerically calculating the induced electric field distribution in multiple head models, implementing electromagnetic simulations. Initially, it assesses how individual anatomical features affect the induced EF, by simulating deep TMS (dTMS) with the model of a Hesed coil (H-coil) on models of healthy volunteers. At the same time, it explores the implementation of personalized models in a clinical study, since the above head models were specifically segmented based on the magnetic resonance imaging (MRI) of the volunteers. In addition, the study examines how different coils stimulate different parts of the frontal lobe by comparing the EF induced by the models of three commercial coils on spherical models and human head models widely accepted in literature. At last, it reevaluates part of the coil comparison outcomes in the context of obsessive compulsive disorder (OCD) treatment. Results indicate that personalized models provide complementary information and should be preferably employed in TMS studies, while substantial differences between the coils are also found. Thus, the conducted analysis suggests a computational procedure to allow the quantification of the induced electric field in the brain, based on individual medical imaging data, in order to adapt TMS to the specific needs of each patient, while maintaining the balance between computational speed and accuracy, so the process could be applied in clinical studies with multiple participants.

Ο διακρανιακός μαγνητικός ερεθισμός (transcranial magnetic stimulation, TMS) αποτελεί μια μη επεμβατική μέθοδο διέγερσης του νευρικού συστήματος, η οποία στηρίζεται στο φαινόμενο της ηλεκτρομαγνητικής επαγωγής και χρησιμοποιείται είτε για διαγνωστικούς είτε για θεραπευτικούς σκοπούς σε διάφορες νευροψυχιατρικές παθήσεις. Κατά την εφαρμογή της, ένα ηλεκτρομαγνητικό πηνίο τοποθετείται εξωτερικά στο κεφάλι. Καθώς διαρρέεται από ηλεκτρικό ρεύμα, το μαγνητικό πεδίο που δημιουργείται προκαλεί με τη σειρά του δευτερεύοντα ρεύματα σε περιοχές του εγκεφάλου. Η ανάγκη εξατομίκευσης του διακρανιακού μαγνητικού ερεθισμού προκύπτει από την ποικιλομορφία στη γεωμετρία των ιστών και την ανάγκη προσέγγισης διαφορετικών περιοχών ενδιαφέροντος. Η παρούσα διδακτορική διατριβή μελετά το ρόλο της ανθρώπινης ανατομίας στο TMS και εξετάζει τη χρήση διαφορετικών πηνίων, υπολογίζοντας αριθμητικά την επαγόμενη κατανομή του ηλεκτρικού πεδίου στον εγκέφαλο ποικίλων τρισδιάστατων μοντέλων, μέσα από ηλεκτρομαγνητικές προσομοιώσεις. Αρχικά, διερευνά το πώς τα προσωπικά ανατομικά χαρακτηριστικά δύνανται να επηρεάσουν το επαγόμενο πεδίο, προσομοιώνοντας ένα πηνίο ειδικά σχεδιασμένο για εν τω βάθει διακρανιακό μαγνητικό ερεθισμό σε μοντέλα υγιών εθελοντών. Ταυτόχρονα, εξετάζει τη δυνατότητα εδραίωσης μιας διαδικασίας παραγωγής προσωποποιημένων μοντέλων, καθώς στην προκειμένη περίπτωση τα αναφερόμενα μοντέλα κατασκευάστηκαν μέσω μιας ημιαυτόματης διαδικασίας διαχωρισμού των ιστών, με βάση τις μαγνητικές τομογραφίες των εθελοντών. Στη συνέχεια, ελέγχει την αποτελεσματικότητα διαφορετικών πηνίων στη διέγερση του μετωπιαίου λοβού, συγκρίνοντας τις επαγόμενες κατανομές από τρία μοντέλα εγκεκριμένων εμπορικών πηνίων. Έπειτα, αξιολογεί τα αποτελέσματα της παραπάνω σύγκρισης στο πλαίσιο θεραπείας της ιδεοψυχαναγκαστικής διαταραχής. Τέλος, καταλήγει στην ανάγκη ένταξης των προσωποποιημένων μοντέλων σε κλινικές μελέτες και προτείνει μια διαδικασίας βασισμένη σε υπολογιστικά εργαλεία, που επιτρέπει την ποσοτικοποίηση της κατανομής του επαγόμενου ηλεκτρικού πεδίου στον εγκέφαλο του κάθε ασθενούς με αφετηρία τα δεδομένα ιατρικής απεικόνισης του, ώστε να μπορεί να προσαρμόσει το TMS και να αυξήσει την αποτελεσματικότητά του πριν την πραγματική εφαρμογή˙ διατηρώντας ταυτόχρονα την ισορροπία μεταξύ ταχύτητας και ακρίβειας, προκειμένου να μπορεί να εφαρμοστεί σε μελέτες με σημαντικό πλήθος συμμετεχόντων.