WO2022100925A1 - Method and system for ascertaining the rotational orientation of an electrode implanted in a patient - Google Patents
Method and system for ascertaining the rotational orientation of an electrode implanted in a patient Download PDFInfo
- Publication number
- WO2022100925A1 WO2022100925A1 PCT/EP2021/077069 EP2021077069W WO2022100925A1 WO 2022100925 A1 WO2022100925 A1 WO 2022100925A1 EP 2021077069 W EP2021077069 W EP 2021077069W WO 2022100925 A1 WO2022100925 A1 WO 2022100925A1
- Authority
- WO
- WIPO (PCT)
- Prior art keywords
- electrode
- patient
- field distribution
- rotational orientation
- magnetic field
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Ceased
Links
Classifications
-
- A—HUMAN NECESSITIES
- A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
- A61N—ELECTROTHERAPY; MAGNETOTHERAPY; RADIATION THERAPY; ULTRASOUND THERAPY
- A61N1/00—Electrotherapy; Circuits therefor
- A61N1/18—Applying electric currents by contact electrodes
- A61N1/32—Applying electric currents by contact electrodes alternating or intermittent currents
- A61N1/36—Applying electric currents by contact electrodes alternating or intermittent currents for stimulation
- A61N1/3605—Implantable neurostimulators for stimulating central or peripheral nerve system
-
- A—HUMAN NECESSITIES
- A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
- A61B—DIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
- A61B5/00—Measuring for diagnostic purposes; Identification of persons
- A61B5/06—Devices, other than using radiation, for detecting or locating foreign bodies ; Determining position of diagnostic devices within or on the body of the patient
- A61B5/061—Determining position of a probe within the body employing means separate from the probe, e.g. sensing internal probe position employing impedance electrodes on the surface of the body
-
- A—HUMAN NECESSITIES
- A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
- A61B—DIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
- A61B5/00—Measuring for diagnostic purposes; Identification of persons
- A61B5/06—Devices, other than using radiation, for detecting or locating foreign bodies ; Determining position of diagnostic devices within or on the body of the patient
- A61B5/061—Determining position of a probe within the body employing means separate from the probe, e.g. sensing internal probe position employing impedance electrodes on the surface of the body
- A61B5/062—Determining position of a probe within the body employing means separate from the probe, e.g. sensing internal probe position employing impedance electrodes on the surface of the body using magnetic field
-
- A—HUMAN NECESSITIES
- A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
- A61B—DIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
- A61B5/00—Measuring for diagnostic purposes; Identification of persons
- A61B5/24—Detecting, measuring or recording bioelectric or biomagnetic signals of the body or parts thereof
- A61B5/25—Bioelectric electrodes therefor
- A61B5/279—Bioelectric electrodes therefor specially adapted for particular uses
- A61B5/291—Bioelectric electrodes therefor specially adapted for particular uses for electroencephalography [EEG]
- A61B5/293—Invasive
-
- A—HUMAN NECESSITIES
- A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
- A61B—DIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
- A61B5/00—Measuring for diagnostic purposes; Identification of persons
- A61B5/24—Detecting, measuring or recording bioelectric or biomagnetic signals of the body or parts thereof
- A61B5/316—Modalities, i.e. specific diagnostic methods
- A61B5/369—Electroencephalography [EEG]
- A61B5/37—Intracranial electroencephalography [IC-EEG], e.g. electrocorticography [ECoG]
-
- A—HUMAN NECESSITIES
- A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
- A61B—DIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
- A61B5/00—Measuring for diagnostic purposes; Identification of persons
- A61B5/68—Arrangements of detecting, measuring or recording means, e.g. sensors, in relation to patient
- A61B5/6846—Arrangements of detecting, measuring or recording means, e.g. sensors, in relation to patient specially adapted to be brought in contact with an internal body part, i.e. invasive
- A61B5/6867—Arrangements of detecting, measuring or recording means, e.g. sensors, in relation to patient specially adapted to be brought in contact with an internal body part, i.e. invasive specially adapted to be attached or implanted in a specific body part
- A61B5/6868—Brain
-
- A—HUMAN NECESSITIES
- A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
- A61N—ELECTROTHERAPY; MAGNETOTHERAPY; RADIATION THERAPY; ULTRASOUND THERAPY
- A61N1/00—Electrotherapy; Circuits therefor
- A61N1/02—Details
- A61N1/04—Electrodes
- A61N1/05—Electrodes for implantation or insertion into the body, e.g. heart electrode
- A61N1/0526—Head electrodes
- A61N1/0529—Electrodes for brain stimulation
- A61N1/0534—Electrodes for deep brain stimulation
Definitions
- the invention relates to a method for determining the rotational orientation of an electrode implanted in a patient's body according to the preamble of claim 1.
- the invention also relates to a system for determining the rotational orientation of an electrode implanted in a patient's body according to the preamble of claim 14.
- the Invention a use of the system to support diagnosis and / or therapy of movement disorders claim 16.
- Particular configurations are the subject of claims 2 to 13 and the subject of claim 15.
- Deep brain stimulation is a surgical procedure used to treat a variety of neurological movement disorders such as Parkinson's disease, tremor, or dystonia. Many new indications (including epilepsy, dementia, psychiatric disorders) are currently being researched. Currently, more than 200,000 patients worldwide are treated with DBS each year.
- the treatment technique involves the implantation of at least one electrode in a specific area of the patient's brain, where it emits electrical impulses in order to stimulate the relevant tissue.
- the stimulation is typically regulated via a likewise implanted stimulator, which is often inserted under the collarbone or the costal arch and in addition to the power supply, programming of the stimulation parameters is also possible.
- a rotational orientation is to be understood as meaning the spatial orientation of the electrode in the tissue, with the orientation describing in particular the spatial relationship of the direction of a directed stimulation to the surrounding tissue area.
- the rotational orientation of an otherwise rotationally symmetrical electrode can be defined by the direction in which a directional impulse can be emitted.
- the rotational orientation can be described more generally by the direction of a vector extending outward perpendicular to the long axis of the electrode.
- WO 2017/040573 A1 shows a method for determining a rotational orientation of a deep brain stimulation electrode. Accordingly, the rotational orientation of the electrode is determined using a comparison of image data of a marker connected to the electrode with image data of a template of the electrode.
- the image data of the marker also referred to as “CT marker”
- CT marker are usually obtained using X-ray-based methods or CT methods.
- EP 3 376 960 A1 shows a method for determining the rotational orientation of a deep brain stimulation electrode in a three-dimensional image.
- rotation image data describing two-dimensional medical images of an anatomical structure and the electrode, as well as tomographic image data describing a set of tomographic medical images of the anatomical structure are read into a processor.
- the processor determines and describes the rotational orientation of the electrode to the reference system of the tomographic image data. Both the rotational image data and the tomographic image data are obtained using X-rays.
- the first disadvantage of the current methods is that the imaging methods on which they are based deliver blurry and sometimes imprecise results, which makes it difficult to precisely determine the rotational orientation of the electrode.
- the procedures often have to be repeated several times in order to be able to make an exact statement about the rotational orientation.
- known methods use X-rays or CT or MRT methods, which leads to a high level of radiation exposure for the patient and can therefore result in some serious tissue damage in the patient.
- the number of possible measurements is already limited by the health risk associated with the measurement method. Long-term studies to analyze displacements or rotations of the electrodes, which can occur over time, cannot therefore be carried out using conventional measurement methods without considerable accompanying risks.
- the invention is therefore based on the object of providing a method with which the rotational orientation of an electrode implanted in a patient can be determined with greater accuracy than in the prior art.
- the procedure should also be gentle on the patient and, in particular, minimize exposure to radiation.
- the method should also be simple and uncomplicated to carry out.
- a further object is to provide a system for implementing the method.
- the object is achieved according to the invention with a method for determining a rotational orientation of at least one electrode implanted in the body of a patient according to patent claim 1 .
- the method according to the invention for determining a rotational orientation of at least one electrode implanted in the body of a patient, the electrode being set up for electrical stimulation of a tissue area of the patient comprises the steps:
- the terms “orientation”, “rotational orientation” and “rotational orientation” are used interchangeably unless the context dictates otherwise.
- the terms “user” and “personnel” within the meaning of this disclosure are also to be understood as synonymous and describe - unless otherwise stated - one or more technically and/or medically trained persons who are able to use the present method or the appropriate system to use.
- the terms “set up” and “configured” are also used synonymously within the meaning of this application and describe the suitability of a feature or a feature combination to fulfill a specific purpose.
- the rotational orientation is to be understood as meaning the spatial orientation of the electrode in the patient's tissue, the orientation describing in particular the spatial relationship of the direction of a directed stimulation by the electrode to the surrounding tissue area.
- position information of the electrode can also include a specific localization of the electrode in the body in relation to the surrounding tissue in the patient (without considering the direction of stimulation).
- it is also possible to determine the position of the electrode i.e. its spatial extent in an x/y/z system.
- a position determination that is as exact as possible i.e. position information that is as complete as possible therefore includes knowledge of the rotational orientation, the localization and the position of the electrode.
- the method according to the invention is particularly suitable for determining the rotational orientation of a directional electrode implanted in the patient's body.
- a directional electrode is an electrode that can be used to emit an electrical impulse in a specific direction instead of omnidirectionally.
- the directional electrodes, whose rotational orientation can be determined using the method according to the invention, are preferably rod electrodes or lead electrodes with at least one segmented contact.
- the electrode is neurosurgically implanted in the brain and is stimulated via a separate subcutaneously implanted impulse generator with control unit.
- the pulse generator is connected to the electrode via a cable laid under the skin.
- the control unit is controlled in turn, preferably wirelessly from outside, ie for example by a corresponding user, with settings being able to be made on the controller.
- Measuring a field distribution by means of a sensor is to be understood as a step in which the field strengths or field densities of a respective field - for example a magnetic field or an electric field - are determined at different locations or points in a three-dimensional space (also referred to as spatial points).
- a strength and a direction can be assigned to each point in space as a vector quantity.
- Part of the position information of the electrode is already known through the step of determining the rotational orientation of the at least one implanted electrode relative to the patient's body.
- conclusions can be drawn about the localization and the spatial position of the electrode based on the rotational orientation. This complete determination of the position of the electrode finally makes it possible to determine which tissue areas of the patient are actually being stimulated by the electrode.
- Such a method which can be used in particular as a measurement method to accompany independent therapeutic methods, has the advantageous effect that it does not require any external radiation supply (cf. X-ray or CT methods) or magnetic resonance steps (cf. MRT).
- the method according to the invention only provides electrical stimulation of the implanted electrode before the measurement of the field distribution.
- the stimulation differs insignificantly from the usual stimulation patterns provided for treatment purposes in terms of duration, strength and other properties of the selected impulses and is therefore hardly noticeable to the patient, but above all it is not harmful.
- the risks of long-term damage can be drastically reduced using the proposed method.
- the implanted (directional) electrode In order to determine at which location and in which directions the implanted (directional) electrode can stimulate, it is necessary to know not only its localization in the patient's tissue but also its spatial position and its rotational orientation.
- Current methods often use a physical marker of the electrode known as a CT marker or “radio-opaque marker”, which can be visualized using a CT. Based on the orientation of the marker, conclusions can be drawn about the orientation of the electrode.
- the method according to the invention eliminates the need for the CT marker because the rotational orientation of the electrode is based solely on its actual stimulation pattern can be determined. By doing without the CT marker, smaller electrodes, which are therefore more suitable for implantation in the brain, can be used in DBS.
- the field distribution is a distribution of a magnetic field generated by the at least one electrical pulse, the field distribution of the magnetic field being measured by means of a magnetic field sensor system.
- the magnetic field is measured in the SI unit Tesla (T), whereby the distribution of the magnetic field - which can also be described in the form of different magnetic field densities - of the magnetic field generated with the preferred method is usually in the pT to nT range.
- the field distribution can also be made for the field distribution to be a distribution of an electrical voltage field generated by the at least one electrical pulse, with the field distribution of the voltage field being measured using a voltage sensor system.
- the field known as the voltage field, is made up of various electrical signals (potential differences).
- the electric field strength (E) is used to determine the electric field.
- a magnetic field distribution is measured, with the magnetic field measurements preferably being carried out outside the patient's head.
- the field distribution of the magnetic field corresponds to the pulses emitted during the stimulation, so that the measured magnetic field distribution can be used to determine the direction in which the pulses were emitted by the electrode. From this, in turn, conclusions can be drawn about the position of the contacts and thus about the rotational orientation of the electrode.
- the field distribution of an electric field generated by the stimulation can also be measured instead of or in parallel to the field distribution of the magnetic field.
- the field distribution of the electrical field corresponds to the pulses emitted during the stimulation, so that the measured electrical field distribution can be used to determine the direction in which the pulses were emitted by the electrode. From this, conclusions can also be drawn about the position of the contacts and thus about the rotational orientation of the electrode.
- the method also includes the step: - Creation of an impulse program in advance of generating the at least one electrical impulse, the impulse program comprising a large number of variable impulse parameters selected from the group comprising electrode configuration, specifically activatable electrode contacts, electrode position, impulse amplitude, impulse duration and impulse frequency.
- a previously defined pulse program makes it possible to carry out the best possible stimulation for measuring the field distribution in a reliable and reproducible manner.
- the pulse program can be changed depending on various accompanying factors such as the patient's characteristics, the type of stimulation, the type of electrode, etc., which always ensures that the stimulation for generating the magnetic field or the electric field takes place under conditions which are optimal for the measurement or for the patient.
- an electrode configuration is preferably to be understood as meaning the configuration of the electrode with regard to its possible pulse pattern.
- the electrode configuration can include a monopolar pulse and a bipolar pulse, wherein the at least one electrical pulse according to the preferred method is in particular a bipolar pulse.
- Tests have shown that bipolar stimulation results in a more focused spatial distribution of the generated magnetic or electric field compared to monopolar stimulation, which in turn leads to a better resolution of the field distribution and thus allows a more accurate determination of the rotational orientation of the lead.
- monopolar stimulation has the advantage that stronger fields can be generated, which can be better detected.
- a combination of monopolar and bipolar stimulation can therefore lead to optimal measurement results, which in turn makes it considerably easier to evaluate the measurement results.
- the method can further include the steps:
- the two steps “changing at least one pulse parameter of the pulse program” and “re-measuring the field distribution” are carried out in the specified order after the step “measuring a field distribution using a sensor system”, but before the step “determining the rotational orientation of the at least an electrode relative to the patient's body based on the measured field distribution”.
- the two steps can be repeated as often as you like.
- a change in the field distribution is measured as a function of the change in the at least one pulse parameter.
- the accuracy of the measurement method can be additionally increased.
- Electrodes implanted in patient tissue usually have contacts through which they deliver their electrical impulses for stimulation.
- Implanted rod or cable electrodes are characterized in that they have a cylindrical outer surface on which their contacts are arranged.
- the contacts can be segmented in such a way that they only partially enclose or run around the lateral surface.
- the electrodes can comprise at least three partially circumferential segmented contacts, each of which runs around less than 360°, preferably approximately 120°, of the circumference of the cylindrical outer surface of the electrode.
- the different segments of the electrode contacts can be resolved to different extents with a specific stimulation pattern.
- the optimal stimulation program can be selected and used for each electrode contact, which increases the spatial resolution of the field distribution.
- the step of changing a pulse parameter of the pulse program is carried out on a processor.
- the method also includes the steps:
- the data corresponding to the field distribution can be transmitted via a cable and/or wirelessly.
- the steps "transferring field distribution data to a processor”, “executing the computer-implemented algorithm by the processor” and “modeling the rotational orientation using the field distribution data” are carried out in the order given, but after the step “measuring a field distribution using a Sensors” and before the step “determination of the rotational orientation of the at least one electrode relative to the patient's body based on the measured field distribution”.
- the algorithm includes, among other things, a localization algorithm in which the origin of the magnetic or electric field, together with its localization and orientation within the patient's head, is calculated on the basis of the measured field distribution.
- Various localization algorithms can be used to localize the origin, such as the "dipole fitting approach” and MNE ("minimum norm estimates").
- MUSIC multiple signal classification
- LORETA low-resolution brain electromagnetic tomography
- Beamformer English, loosely translated as “beam shaper” designated methods, or other solution methods.
- the processor can calculate a mean square deviation, for example.
- the processor Based on the algorithmically calculated data points, the processor models a rotational orientation of the electrode. A user of the method can then display this modeled rotational orientation via a display device such as a screen or a monitor.
- the method is a computer-implemented method.
- the processor is preferably a logic unit which is designed to automatically execute or advance the algorithm after appropriate programming.
- the processor can include a CPU and in particular be part of a computer or a comparable computing system.
- the at least one electrode is implanted in the patient's brain, with the electrode being set up in particular for deep brain stimulation.
- Systems used in deep brain stimulation often include a battery powered control element that is placed in the chest muscles or upper abdomen.
- the stimulating electrode or electrodes are inserted through small holes in the skullcap into the target region of the left and/or right hemisphere basal ganglia and must be appropriately designed to remain in biological tissue for a long time.
- the at least one electrode is preferably a rod electrode or a cable electrode, with the electrode being set up or suitable in particular for directed stimulation. With the help of directed electrodes, desired tissue areas can be stimulated in a targeted and precise manner.
- a directed rod electrode or a directed cable electrode has a cylindrical outer surface.
- Such electrodes can, for example, comprise at least three partially circumferential segmented contacts, each of which surrounds less than 360°, preferably approximately 120°, of the circumference of the cylindrical outer surface of the electrode.
- an electrode can be provided which has eight contacts, with two of the eight contacts encircling the electrode as unidirectional ring contacts and six of the eight contacts being designed as partially encircling segmented contacts.
- the magnetic field sensor system comprises at least one magnetic field sensor, the magnetic field sensor system comprising cooled MEG sensors and/or uncooled MEG sensors, and the cooled MEG sensors preferably being cooled with liquid helium.
- the MEG sensors can be SQU ID sensors, for example. SQU ID sensors are suitable for measuring the magnetic field generated during deep brain stimulation because they have a noise spectral density of around 3 exhibit. In the disclosed method, however, preference is given to using sensors which can be used uncooled, ie at room temperatures, and which also do not require a magnetically or electrically shielded space.
- sensors are suitable for use in the disclosed method, with which the field distribution of a magnetic field can be measured, such as fluxgate magnetometers, OPM ("optically pumped magnetometers”, loosely translated as “optically loaded magnetometers”), “surface acoustic wave sensors” (English, loosely translated as “surface acoustic wave sensors”) etc.
- the magnetic field generated by the at least one electrical pulse is measured outside of the patient's head. Provision is also made in particular for the measurement of the electrical field generated by the at least one electrical pulse to take place outside of the patient's head. This allows the field distribution to be determined in a simple manner. An operative step is not necessary.
- the voltage sensor system for measuring the electric field can in particular include EEG sensors.
- the EEG sensors measure a field distribution in the form of brain waves.
- the method is a computer-implemented medical method, the method preferably being a computer-implemented one is a medical procedure to support the diagnosis and/or therapy of movement disorders. It is conceivable, for example, that long-term studies can be carried out using the disclosed method in order to examine displacements or rotations of electrodes implanted in the brain that occur over time without having to expose the patient to radiation. In addition, with the method there is the possibility, if necessary, to check in an inpatient setting whether the implanted electrodes are correctly implanted and aligned in a DBS patient. This can increase the efficiency of DBS -based treatment.
- a system for determining a rotational orientation of at least one electrode implanted in the body of a patient comprising:
- - a stimulator which is set up to generate an electrical pulse at the at least one electrode
- the processor is set up or suitable for creating a pulse program and which is set up or suitable for receiving field distribution data from the sensor system, the processor using a computer-implemented algorithm based on the field distribution data to model the rotational orientation of the at least one electrode.
- the sensor system of the system includes a magnetic field sensor system and/or a voltage sensor system.
- the magnetic field sensor system comprises at least one magnetic field sensor or that the voltage sensor system comprises at least one voltage sensor for measuring an electric field.
- the magnetic field sensors and/or the voltage sensors can be arranged on a sensor cap, which is designed such that the electrode can be placed at least partially on a patient's head during the method for determining the rotational orientation.
- the magnetic field sensors and/or the voltage sensors are arranged on an annular sensor band.
- the sensor band can be attached to the patient's head (similar to a headband) for use in the method for determining the rotational orientation of the electrode.
- the system can be used to support the diagnosis and/or therapy of movement disorders and others diseases treatable by deep brain stimulation.
- the disclosed method can be used, for example, to carry out long-term studies in order to examine displacements or rotations of electrodes implanted in the brain that occur over time. This is mainly possible because the procedure measures a field generated by stimulation - preferably magnetic or electric - and the patient therefore does not have to be exposed to radiation.
- the method there is the possibility, if necessary, to check on an inpatient basis whether the implanted electrodes are correctly implanted and aligned in a DBS patient. This can increase the efficiency of the DBS-based treatment.
- FIG. 1 shows a flow chart of the steps of a preferred method for determining a rotational orientation of at least one electrode implanted in the body of a patient, the electrode being set up for electrical stimulation of a tissue area of the patient; a flowchart of method steps according to a second
- Figure 6a is a perspective view of an electrode suitable for implantation in a patient.
- 6b shows a cross-section through an electrode suitable for implantation in a patient.
- 1 shows a flow chart of steps S1-S3 of the method according to the invention for determining a rotational orientation of at least one electrode 10 implanted in the body of a patient, the electrode 10 being set up for electrical stimulation of a tissue area of the patient.
- the method includes a first step S1: generating at least one electrical impulse using a stimulator, with the electrical impulse being emitted via the electrode 10.
- the electrode 10 is caused, via a separate control unit, to deliver an electrical pulse at the site in the patient's body where it is implanted.
- the control unit is usually also implanted and can be connected to the electrode 10 via a cable connection or wirelessly.
- the control unit is in turn controlled from outside, for example by appropriate specialist personnel, with settings on the control unit preferably being able to be made wirelessly.
- a field distribution is measured by means of a sensor system.
- a sensor system This is to be understood as a step in which the field strength or field density is determined at different points in space. For example, a strength and a direction are assigned to each measured point in space as a vector quantity.
- cooled MEG sensors and/or uncooled MEG sensors can be provided as sensors, the MEG sensors being in particular SQU ID sensors.
- this can include EEG sensors in particular, which measure the field distribution in the form of brain currents.
- step S3 takes place, after which a rotational orientation of the at least one electrode 10 is determined relative to the patient's body and based on the measured field distribution.
- the spatial rotational orientation of the electrode 10 in the patient's body is known.
- conclusions can be drawn as to which tissue areas of the patient are actually stimulated by the electrode 10 .
- the rotational orientation of an electrode 10 implanted in a patient can be determined without exposing the patient to radiation exposure, which would be associated with X-ray or CT-based methods.
- the risks associated with MRI procedures can also be reduced by the avoid methods according to the invention.
- the method according to the invention provides electrical stimulation of the implanted electrode 10 prior to the measurement of the field distribution.
- the stimulation differs at most insignificantly from the usual stimulation patterns provided for treatment purposes with regard to duration, strength and other properties of the selected impulses and is therefore hardly noticeable for the patient. Above all, the risks of long-term damage can be drastically reduced using the proposed method.
- FIG. 2 shows a flow chart of the method steps according to a second embodiment of the method.
- the method according to FIG. 2 differs from the method shown in FIG includes pulse parameters selected from the group comprising electrode configuration, specifically activatable electrode contacts, electrode position, pulse amplitude, pulse duration and pulse frequency.
- the stimulation required for the measurement can be carried out reliably through step S1.1.
- a definable impulse program enables repeated stimulation with known and constant impulse and thus stimulation properties.
- the pulse program can be changed depending on various accompanying factors such as the patient's characteristics, the type of stimulation, the type of electrode (10), etc., which always ensures that the stimulation is used to generate the magnetic field or the electric field under optimal conditions for the patient.
- the electrode configuration can include a monopolar pulse and a bipolar pulse, with the at least one electrical pulse being a bipolar pulse in particular according to the preferred method.
- Tests have shown that bipolar stimulation results in a focused spatial distribution of the generated magnetic or electric field compared to monopolar stimulation, which in turn leads to better resolution of the field distribution and thus enables a more precise determination of the rotational orientation of the lead.
- monopolar stimulation has the advantage that stronger fields are generated with it, which can be better detected. Accordingly, a combination of monopolar and bipolar stimulation leads to optimal measurement results, which in turn makes it considerably easier to evaluate the measurement results.
- the implanted directional electrode 10 In order to determine at which location and in which direction the implanted directional electrode 10 can stimulate, it is necessary to know not only its localization in the patient's tissue but also its exact position and its rotational orientation.
- Common Methods use a physical marker of the electrode 10 referred to as a CT marker or as a "radio-opaque marker", which can be visualized via a CT. Based on the orientation of the marker, conclusions can be drawn about the orientation of the electrode 10.
- the inventive This method eliminates the need for the CT marker because the orientation of the electrode 10 can be determined solely from its actual stimulation pattern. The elimination of the CT marker allows smaller electrodes 10, which are therefore more suitable for implantation in the brain, to be used in DBS.
- a step S1.2 can also be provided, after which at least one pulse parameter of the pulse program is changed after a first measurement of the field distribution S2.
- the field distribution is then measured at least once more S2.1.
- a change in the field distribution is measured as a function of the change in the at least one pulse parameter.
- Steps S1, S1.2 and S2.1 can be repeated as often as desired. According to the example from FIG. 3 , it can be provided that step 1.2 is executed on a processor 20 .
- the optimum stimulation program can be selected and used for the various electrode contacts, which increases the spatial resolution of the field distribution. As a result, the accuracy of the measurement method can be additionally increased.
- FIG. 4 shows a flowchart of method steps according to a fourth embodiment. Accordingly, the following steps can also be provided for the method: Transmission of field distribution data, which correspond to the measured field distribution, to a processor 20, wherein the processor 20 is set up to execute a computer-implemented algorithm that uses the field distribution data to determine the rotational orientation of the at least one electrode modeled (S3.1); executing the computer-implemented algorithm by the processor 20 (S3.2); Modeling of the rotational orientation using the field distribution data (S3.3). Subsequent to the modeling step S3.3, the rotational orientation of the one electrode 10 relative to the patient's body can be determined using the rotational orientation modeled by means of the computer-implemented algorithm.
- the data corresponding to the field distribution can be transmitted to the processor 20 according to step S3.1 via cable and/or wirelessly.
- the processor 20 is preferably a logic unit which is designed to automatically execute or advance the algorithm after appropriate programming. But he can Processor 20 include a CPU and in particular be a computer or a comparable computing system.
- Processor 20 include a CPU and in particular be a computer or a comparable computing system.
- steps S3.2 and S3.3 are executed by the processor 20.
- methods are also conceivable in which further or all method steps are executed by the processor 20. As a result, parts of the method or the entire method can be automated and thus accelerated.
- the algorithm of step S3.2 includes, among other things, a localization algorithm in which the origin of the magnetic or electric field, together with the localization and orientation within the patient's head, is calculated using the measured field distribution. It is also conceivable that a deviation from the determined localization and orientation data is specified in order to determine the accuracy of the measurement.
- This step can include various localization algorithms for the localization of the origin, such as "dipole fitting approach” (English, loosely translated as “approach to dipole approximation”), MNE ("minimum norm estimates”, English, loosely translated as “estimates of the minimum norm ’), MUSIC (‘multiple signal classification’), LORETA (Jow-resolution brain electromagnetic tomography), various as Methods referred to as “Beamformer” (freely translated as "ray shaper”), or other solution methods.
- various localization algorithms for the localization of the origin such as "dipole fitting approach” (English, loosely translated as “approach to dipole approximation"), MNE ("minimum norm estimates”, English, loosely translated as “estimates of the minimum norm ’), MUSIC (‘multiple signal classification’), LORETA (Jow-resolution brain electromagnetic tomography), various as Methods referred to as “Beamformer” (freely translated as “ray shaper”), or other solution methods.
- the processor 20 can calculate a mean square deviation, for example.
- the processor 20 uses the algorithmically calculated data points to model a rotational orientation, as shown in step 3.3 of FIG. This modeled rotational orientation can then be displayed via a display device such as a screen.
- FIG. 5 shows a flow chart of method steps according to a fifth embodiment.
- the method shown in FIG. 5 can be understood as a combination of the methods from FIGS. 3 and 4 and essentially includes all disclosed steps of the claimed method.
- the method according to the embodiment shown in FIG. 5, together with steps S1 to S3 and with all the preliminary, subsequent and intermediate steps, has proven to be particularly efficient because it links the steps described in detail with one another in such a way that the rotational orientation of the electrode implanted in the patient can be determined with particularly high accuracy. Even if all steps are used, the method is free of any radiation exposure for the patient.
- FIG. 6a shows a perspective view of an exemplary electrode 10 suitable for implantation in tissue (preferably the brain) of a patient.
- 6b shows the same electrode 10 in cross section.
- the electrode 10 shown is a directional electrode 10 and as such is capable of delivering electrical impulses in a specific direction rather than omnidirectionally.
- the electrode 10 is also a cable electrode 10 with a cylindrical and elongated body 12, on which eight contacts 10a, 10b and 11af are arranged in the present case.
- the contacts include two non-directional annular contacts 10a, 10b and six directional contacts 11af.
- the directional contacts 11 af are two groups (11a-c and 11df) each consisting of three partially circumferential segmented contacts, each segment of which extends approximately 120° of the circumference of the electrode 10 .
- Non-contact areas or portions of the electrode 10 may be made of an electrically non-conductive material.
- Such an electrode usually also includes an orientation marker (often a CT marker) in order to be able to understand the rotational orientation of the electrode in the respective tissue of a patient using conventional methods.
- an orientation marker often a CT marker
- FIGS. 6a, b no marker is shown, with such a structure or a structure comparable thereto no longer being required anyway for the method according to the invention.
- the rotational orientation will generally be described by the direction of a vector V pointing outward perpendicular to a longitudinal axis A of the electrode 10 .
- the right angle at which the vector V runs to the longitudinal direction A of the electrode 10 is denoted as angle a in FIG.
Landscapes
- Health & Medical Sciences (AREA)
- Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Veterinary Medicine (AREA)
- Public Health (AREA)
- General Health & Medical Sciences (AREA)
- Animal Behavior & Ethology (AREA)
- Biomedical Technology (AREA)
- Molecular Biology (AREA)
- Pathology (AREA)
- Heart & Thoracic Surgery (AREA)
- Medical Informatics (AREA)
- Biophysics (AREA)
- Surgery (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- Human Computer Interaction (AREA)
- Neurosurgery (AREA)
- Neurology (AREA)
- Psychiatry (AREA)
- Psychology (AREA)
- Nuclear Medicine, Radiotherapy & Molecular Imaging (AREA)
- Radiology & Medical Imaging (AREA)
- Measurement And Recording Of Electrical Phenomena And Electrical Characteristics Of The Living Body (AREA)
- Electrotherapy Devices (AREA)
Abstract
Description
Verfahren und System zur Ermittlung der Rotationsorientierung einer in einem Patienten implantierten Elektrode Method and system for determining the rotational orientation of an electrode implanted in a patient
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung der Rotationsorientierung einer im Körper eines Patienten implantierten Elektrode gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1. Die Erfindung betrifft außerdem ein System zur Bestimmung der Rotationsorientierung einer im Körper eines Patienten implantierten Elektrode gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 14. Schließlich betrifft die Erfindung eine Verwendung des Systems zur Unterstützung von Diagnosen und/oder Therapien von Bewegungsstörungen Anspruch 16. Besondere Ausgestaltungen sind Gegenstand der Ansprüche 2 bis 13 beziehungsweise Gegenstand des Anspruchs 15. The invention relates to a method for determining the rotational orientation of an electrode implanted in a patient's body according to the preamble of claim 1. The invention also relates to a system for determining the rotational orientation of an electrode implanted in a patient's body according to the preamble of claim 14. Finally, the Invention a use of the system to support diagnosis and / or therapy of movement disorders claim 16. Particular configurations are the subject of claims 2 to 13 and the subject of claim 15.
Tiefe Hirnstimulation (THS oder DBS für engl. Deep Brain Stimulation) bezeichnet einen chirurgischen Eingriff zur Behandlung einer Vielzahl von neurologischen Bewegungsstörungen wie zum Beispiel die Parkinson-Krankheit, Tremor, oder Dystonien. Viele neue Indikationen (u.a. Epilepsie, Demenz, Psychiatrische Erkrankungen) werden gegenwärtig erforscht. Derzeit wurden weltweit mehr als 200.000 Patienten pro Jahr mithilfe von THS behandelt. Die Behandlungstechnik umfasst dabei die Implantation mindestens einer Elektrode in ein bestimmtes Hirnareal des Patienten, wo sie elektrische Impulse abgibt, um das jeweilige Gewebe zu stimulieren. Die Stimulation wird dabei typischerweise über einen ebenfalls implantierten Stimulator reguliert, welcher häufig unter das Schlüsselbein oder den Rippenbogen eingesetzt wird und neben der Stromversorgung auch eine Programmierung der Stimulationsparameter ermöglicht. Deep brain stimulation (DBS or DBS) is a surgical procedure used to treat a variety of neurological movement disorders such as Parkinson's disease, tremor, or dystonia. Many new indications (including epilepsy, dementia, psychiatric disorders) are currently being researched. Currently, more than 200,000 patients worldwide are treated with DBS each year. The treatment technique involves the implantation of at least one electrode in a specific area of the patient's brain, where it emits electrical impulses in order to stimulate the relevant tissue. The stimulation is typically regulated via a likewise implanted stimulator, which is often inserted under the collarbone or the costal arch and in addition to the power supply, programming of the stimulation parameters is also possible.
Durch die Größe der Elektroden sowie durch Abweichungen bei ihrer Implantation kann es dazu kommen, dass die abgegebenen Impulse nicht nur die gewünschte Zielregion stimulieren, sondern auch umliegendes Gewebe, wodurch es zu unerwünschten Nebenwirkungen kommen kann. Um dieses Problem zu beheben, wurden in den letzten Jahren Systeme entwickelt, die eine präzisere Stimulation des Zielareals erlauben. So wurden beispielsweise sogenannten direktionale Systeme entwickelt, bei denen einzelne, individuell ansteuerbare Kontakten verwendet werden, welche Impulse nur in eine definierte Richtung abgeben. Dies ermöglicht es einerseits, die örtliche Präzision der Stimulation zu verbessern sowie andererseits, eine im Vergleich zu ungerichteten Stimulationssystemen niedrige Impulsstärke zu verwenden, weil die Elektrode ihre Impulse nicht länger in alle Richtungen abgibt, sondern auf das gewünschte Areal beschränkt. Due to the size of the electrodes and deviations in their implantation, it can happen that the pulses emitted not only stimulate the desired target region, but also the surrounding tissue, which can lead to undesirable side effects. In order to solve this problem, systems have been developed in recent years that allow more precise stimulation of the target area. For example, so-called directional systems have been developed in which individual, individually controllable contacts are used, which only emit impulses in a defined direction. On the one hand, this makes it possible to improve the local precision of the stimulation and, on the other hand, to use a low impulse strength compared to non-directional stimulation systems, because the electrode no longer emits its impulses in all directions, but confines them to the desired area.
Um nun sicherstellen zu können, dass eine Elektrode korrekt implantiert worden ist, beziehungsweise um zu prüfen, ob sich ihre Lage im Gehirn im Laufe der Zeit vielleicht verändert haben könnte, ist es wichtig, möglichst viele Positionsinformationen der Elektrode der implantierten Elektroden zu kennen, also sowohl die Lokalisation als auch die Rotationsorientierung, um im Zweifel korrigierende Eingriffe vorzunehmen. Dabei ist unter einer Rotationsorientierung die räumliche Orientierung der Elektrode im Gewebe zu verstehen, wobei die Orientierung insbesondere das räumliche Verhältnis der Richtung einer gerichteten Stimulation zu dem umgebenden Gewebeareal beschreibt. So lässt sich die Rotationsorientierung einer ansonsten rotationssymmetrischen Elektrode beispielsweise durch die Richtung definieren, in die ein direktionaler Impuls abgegeben werden kann. Im Falle einer Stab- oder Kabelelektrode kann die Rotationsorientierung etwas allgemeiner durch die Richtung eines Vektors beschrieben werden, der senkrecht zur Längsachse der Elektrode nach außen verläuft. In order to be able to ensure that an electrode has been implanted correctly, or to check whether its position in the brain might have changed over time, it is important to know as much information as possible about the position of the electrode of the implanted electrodes, i.e both the localization and the rotational orientation in order to carry out corrective interventions in case of doubt. A rotational orientation is to be understood as meaning the spatial orientation of the electrode in the tissue, with the orientation describing in particular the spatial relationship of the direction of a directed stimulation to the surrounding tissue area. For example, the rotational orientation of an otherwise rotationally symmetrical electrode can be defined by the direction in which a directional impulse can be emitted. In the case of a rod or cable electrode, the rotational orientation can be described more generally by the direction of a vector extending outward perpendicular to the long axis of the electrode.
Aus dem Stand der Technik sind verschiedene Verfahren bekannt, mit deren Hilfe sich die Position einer im Gehirn implantierten Elektrode bestimmen lässt. So zeigt beispielsweise die WO 2017/040573 A1 ein Verfahren zur Bestimmung einer Rotationsorientierung einer tiefen Hirnstimulationselektrode. Demnach wird die Drehorientierung der Elektrode mithilfe eines Vergleichs von Bilddaten eines mit der Elektrode verbundenen Markers mit Bilddaten eines Templates der Elektrode ermittelt. Die Bilddaten des auch als „CT-Marker“ bezeichneten Markers werden dabei üblicherweise über röntgenstrahlenbasierte Verfahren beziehungsweise über CT- Verfahren erhalten. Die EP 3 376 960 A1 zeigt ein Verfahren zur Bestimmung der Drehorientierung einer tiefen Hirnstimulationselektrode in einem dreidimensionalen Bild. Dabei werden gemäß dem dort gelehrten Verfahren Rotationsbilddaten, die zweidimensionale medizinische Bilder einer anatomischen Struktur sowie der Elektrode beschreiben, sowie tomographischen Bilddaten, die einen Satz tomographischer medizinischer Bilder der anatomischen Struktur beschreiben, in einen Prozessor eingelesen. Anhand der so erhaltenen Bilddaten ermittelt und beschreibt der Prozessor die Drehorientierung der Elektrode dem Referenzsystem der tomographischen Bilddaten. Sowohl die Rotationsbilddaten als auch die tomographischen Bilddaten werden dabei mittels Röntgenstrahlen erhalten. Various methods are known from the prior art, with the aid of which the position of an electrode implanted in the brain can be determined. For example, WO 2017/040573 A1 shows a method for determining a rotational orientation of a deep brain stimulation electrode. Accordingly, the rotational orientation of the electrode is determined using a comparison of image data of a marker connected to the electrode with image data of a template of the electrode. The image data of the marker, also referred to as “CT marker”, are usually obtained using X-ray-based methods or CT methods. EP 3 376 960 A1 shows a method for determining the rotational orientation of a deep brain stimulation electrode in a three-dimensional image. According to the method taught there, rotation image data describing two-dimensional medical images of an anatomical structure and the electrode, as well as tomographic image data describing a set of tomographic medical images of the anatomical structure, are read into a processor. Using the image data obtained in this way, the processor determines and describes the rotational orientation of the electrode to the reference system of the tomographic image data. Both the rotational image data and the tomographic image data are obtained using X-rays.
Nachteilhaft an den gängigen Verfahren ist zunächst, dass die zugrundeliegenden bildgebenden Methoden unscharfe und teilweise ungenaue Ergebnisse liefern, wodurch eine genaue Bestimmung der Drehorientierung der Elektrode erschwert wird. Oftmals müssen die Verfahren mehrfach wiederholt werden, um eine genaue Aussage über die Drehorientierung machen zu können. Darüber hinaus werden bei bekannten Methoden Röntgenstrahlen oder CT- oder MRT- Verfahren genutzt, was zu einer hohen Strahlenbelastung für die Patienten führt und somit bei den Patienten teilweise gravierende Gewebsschädigungen zur Folge haben kann. Die Anzahl der möglichen Messungen ist dadurch bereits durch das mit den Messverfahren verbundene Gesundheitsrisiko limitiert. Langzeitstudien zur Analyse von Verlagerungen oder Rotationen der Elektroden, die mit der Zeit auftreten können, lassen sich demnach mit den konventionellen Messmethoden nicht ohne erhebliche Begleitrisiken durchführen. The first disadvantage of the current methods is that the imaging methods on which they are based deliver blurry and sometimes imprecise results, which makes it difficult to precisely determine the rotational orientation of the electrode. The procedures often have to be repeated several times in order to be able to make an exact statement about the rotational orientation. In addition, known methods use X-rays or CT or MRT methods, which leads to a high level of radiation exposure for the patient and can therefore result in some serious tissue damage in the patient. The number of possible measurements is already limited by the health risk associated with the measurement method. Long-term studies to analyze displacements or rotations of the electrodes, which can occur over time, cannot therefore be carried out using conventional measurement methods without considerable accompanying risks.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren bereitzustellen, mit dem sich die Rotationsorientierung einer in einem Patienten implantierten Elektrode mit gegenüber dem Stand der Technik erhöhter Genauigkeit bestimmen lässt. Das Verfahren soll außerdem für die Patienten schonend sein und insbesondere die Strahlungsbelastung minimieren. Ferner soll das Verfahren außerdem einfach und unkompliziert in der Durchführung sein. Eine weitere Aufgabe besteht in der Bereitstellung eines Systems zur Umsetzung des Verfahrens. The invention is therefore based on the object of providing a method with which the rotational orientation of an electrode implanted in a patient can be determined with greater accuracy than in the prior art. The procedure should also be gentle on the patient and, in particular, minimize exposure to radiation. Furthermore, the method should also be simple and uncomplicated to carry out. A further object is to provide a system for implementing the method.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß mit einem Verfahren zur Ermittlung einer Rotationsorientierung mindestens einer im Körper eines Patienten implantierten Elektrode gemäß Patentanspruch 1 gelöst. The object is achieved according to the invention with a method for determining a rotational orientation of at least one electrode implanted in the body of a patient according to patent claim 1 .
Das erfindungsgemäße Verfahren zur Ermittlung einer Rotationsorientierung mindestens einer im Körper eines Patienten implantierten Elektrode, wobei die Elektrode zur elektrischen Stimulation eines Gewebeareals des Patienten eingerichtet ist, umfasst die Schritte: The method according to the invention for determining a rotational orientation of at least one electrode implanted in the body of a patient, the electrode being set up for electrical stimulation of a tissue area of the patient, comprises the steps:
- Erzeugen mindestens eines elektrischen Impulses durch einen Stimulator, wobei der elektrische Impuls über die Elektrode abgegeben wird; Messen mindestens einer Feldverteilung mittels einer Sensorik; und - generating at least one electrical impulse by a stimulator, the electrical impulse being delivered via the electrode; measuring at least one field distribution by means of a sensor system; and
Bestimmung der Rotationsorientierung der mindestens einen Elektrode relativ zum Körper des Patienten anhand der mindestens einen gemessenen Feldverteilung. Determining the rotational orientation of the at least one electrode relative to the patient's body using the at least one measured field distribution.
Im Sinne dieser Offenbarung werden die Begriffe „Orientierung“, „Rotationsorientierung“ und „Drehorientierung“ synonym verwendet, solange sich aus dem jeweiligen Kontext nichts Gegenteiliges ergibt. Darüber hinaus sind die Begriffe „Nutzer“ und „Personal“ im Sinne dieser Offenbarung ebenfalls synonym zu verstehen und beschreiben - soweit nicht anders angegeben - eine oder mehrere technisch und/oder medizinisch geschulte Personen, die in der Lage sind, dass vorliegende Verfahren beziehungsweise das entsprechende System zu verwenden. Schließlich werden auch die Begriffe „eingerichtet“ und „konfiguriert“ im Sinne dieser Anmeldung synonym verwendet und beschreiben die Eignung eines Merkmals oder einer Merkmalskombination, einen bestimmten Zweck zu erfüllen. For the purposes of this disclosure, the terms “orientation”, “rotational orientation” and “rotational orientation” are used interchangeably unless the context dictates otherwise. In addition, the terms "user" and "personnel" within the meaning of this disclosure are also to be understood as synonymous and describe - unless otherwise stated - one or more technically and/or medically trained persons who are able to use the present method or the appropriate system to use. Finally, the terms “set up” and “configured” are also used synonymously within the meaning of this application and describe the suitability of a feature or a feature combination to fulfill a specific purpose.
Konkret ist unter der Rotationsorientierung die räumliche Orientierung der Elektrode im Gewebe des Patienten zu verstehen, wobei die Orientierung insbesondere das räumliche Verhältnis der Richtung einer gerichteten Stimulation durch die Elektrode zu dem umgebenden Gewebeareal beschreibt. Neben der Rotationsorientierung können Positionsinformationen der Elektrode außerdem noch eine konkrete Lokalisation der Elektrode im Körper bezogen auf das umgebende Gewebe im Patienten umfassen (ohne Beachtung der Stimulationsrichtung). Schließlich ist es möglich, neben ihrer Rotationsorientierung und ihrer Lokalisation auch die Lage der Elektrode zu bestimmen, d.h. ihre räumliche Ausdehnung in einem x-/y-/z-System. Eine möglichst exakte Positionsbestimmung (d.h. möglichst vollständige Positionsinformationen) umfasst demnach Kenntnisse der Rotationsorientierung, der Lokalisation sowie der Lage Elektrode. Specifically, the rotational orientation is to be understood as meaning the spatial orientation of the electrode in the patient's tissue, the orientation describing in particular the spatial relationship of the direction of a directed stimulation by the electrode to the surrounding tissue area. In addition to the rotational orientation, position information of the electrode can also include a specific localization of the electrode in the body in relation to the surrounding tissue in the patient (without considering the direction of stimulation). Finally, in addition to its rotational orientation and localization, it is also possible to determine the position of the electrode, i.e. its spatial extent in an x/y/z system. A position determination that is as exact as possible (i.e. position information that is as complete as possible) therefore includes knowledge of the rotational orientation, the localization and the position of the electrode.
Das erfindungsgemäße Verfahren eignet sich insbesondere zur Ermittlung der Rotationsorientierung einer im Körper des Patienten implantierten direktionalen Elektrode. Dabei ist unter einer direktionalen Elektrode eine Elektrode zu verstehen, über die sich ein elektrischer Impuls in eine bestimmte Richtung abgeben lässt, anstatt ungerichtet in alle Richtungen. Bevorzugt handelt es sich bei den direktionalen Elektroden, deren Rotationsorientierung sich mithilfe des erfindungsgemäßen Verfahrens ermitteln lässt, um Stabelektroden oder Kabelelektroden (engl. lead electrodes) mit mindestens einem segmentierten Kontakt. The method according to the invention is particularly suitable for determining the rotational orientation of a directional electrode implanted in the patient's body. A directional electrode is an electrode that can be used to emit an electrical impulse in a specific direction instead of omnidirectionally. The directional electrodes, whose rotational orientation can be determined using the method according to the invention, are preferably rod electrodes or lead electrodes with at least one segmented contact.
Bei dem Schritt der Erzeugung des mindestens einen elektrischen Impulses durch den Stimulator ist die Elektrode im Gehirn neurochirurgisch implantiert und wird über einen separaten subkutan implantierten Impulsgeber mit Steuereinheit stimuliert. Der Impulsgeber ist dabei über ein unter der Haut verlegtes Kabel mit der Elektrode verbunden . Die Steuerung der Steuereinheit erfolgt wiederum bevorzugt kabellos von außerhalb, d.h. zum Beispiel durch einen entsprechenden Nutzer, wobei Einstellungen an der Steuerung vorgenommen werden können. In the step of generating the at least one electrical impulse by the stimulator, the electrode is neurosurgically implanted in the brain and is stimulated via a separate subcutaneously implanted impulse generator with control unit. The pulse generator is connected to the electrode via a cable laid under the skin. The control unit is controlled in turn, preferably wirelessly from outside, ie for example by a corresponding user, with settings being able to be made on the controller.
Unter Messung einer Feldverteilung mittels einer Sensorik ist ein Schritt zu verstehen, bei dem die Feldstärken oder Felddichten eines jeweiligen Felds - beispielsweise eines Magnetfelds oder eines elektrischen Felds - an unterschiedlichen Stellen oder Punkten in einem dreidimensionalen Raum (auch als Raumpunkte bezeichnet) bestimmt werden. Konkret können dabei jedem Raumpunkt als vektorielle Größe eine Stärke und eine Richtung zugeordnet werden. Measuring a field distribution by means of a sensor is to be understood as a step in which the field strengths or field densities of a respective field - for example a magnetic field or an electric field - are determined at different locations or points in a three-dimensional space (also referred to as spatial points). In concrete terms, a strength and a direction can be assigned to each point in space as a vector quantity.
Durch den Schritt der Bestimmung der Rotationsorientierung der mindestens einen implantierten Elektrode relativ zum Körper des Patienten ist bereits ein Teil der Positionsinformationen der Elektrode bekannt. Darüber hinaus kann anhand der Rotationsorientierung auf die Lokalisation sowie auf die räumliche Lage der Elektrode geschlossen werden. Durch diese vollständige Positionsbestimmung der Elektrode kann schließlich festgestellt werden, welche Gewebeareale des Patienten tatsächlich von der Elektrode stimuliert werden. Diese Rückschlüsse sind allein auf Grundlage einer bekannten Lokalisation der Elektrode nicht möglich, weil noch daraus nicht eindeutig hervorgeht, an welcher Stelle der Elektrode die Stimulation erfolgt, d.h. elektrische Impulse abgegeben werden. Part of the position information of the electrode is already known through the step of determining the rotational orientation of the at least one implanted electrode relative to the patient's body. In addition, conclusions can be drawn about the localization and the spatial position of the electrode based on the rotational orientation. This complete determination of the position of the electrode finally makes it possible to determine which tissue areas of the patient are actually being stimulated by the electrode. These conclusions are not possible solely on the basis of a known location of the electrode, because this does not yet clearly indicate at which point on the electrode the stimulation takes place, i.e. where electrical impulses are emitted.
Ein derartiges Verfahren, welches insbesondere als Messverfahren zur Begleitung von davon unabhängigen therapeutischen Verfahren zum Einsatz kommen kann, hat den vorteilhaften Effekt, dass es keiner externen Strahlungszufuhr (vgl. Röntgen- oder CT-Verfahren) oder Kernspinschritte (vgl. MRT) bedarf. Stattdessen sieht die erfindungsgemäße Methode lediglich eine elektrische Stimulation der implantierten Elektrode im Vorfeld der Messung der Feldverteilung vor. Die Stimulation unterscheidet sich dabei hinsichtlich Dauer, Stärke und sonstigen Eigenschaften der gewählten Impulse unwesentlich von den üblichen, zu Behandlungszwecken vorgesehenen Stimulationsmustern und ist daher für den Patienten kaum spürbar, vor allem jedoch nicht schädlich. Somit können die Risiken von Langzeitschäden mithilfe der vorgesehenen Methode drastisch verringert werden. Such a method, which can be used in particular as a measurement method to accompany independent therapeutic methods, has the advantageous effect that it does not require any external radiation supply (cf. X-ray or CT methods) or magnetic resonance steps (cf. MRT). Instead, the method according to the invention only provides electrical stimulation of the implanted electrode before the measurement of the field distribution. The stimulation differs insignificantly from the usual stimulation patterns provided for treatment purposes in terms of duration, strength and other properties of the selected impulses and is therefore hardly noticeable to the patient, but above all it is not harmful. Thus, the risks of long-term damage can be drastically reduced using the proposed method.
Um nun festzustellen, an welchem Ort und in welche Richtungen die implantierte (direktionale) Elektrode stimulieren kann, ist es nötig, neben ihrer Lokalisation im Gewebe des Patienten auch ihre räumliche Lage als auch ihre Rotationsorientierung zu kennen. Gängige Methoden verwenden dazu häufig einen als CT-Marker oder als „radio-opaque marker“ bezeichneten physischen Marker der Elektrode, welcher sich über eine CT bildlich darstellen lässt. Anhand der Orientierung des Markers können Rückschlüsse auf die Orientierung der Elektrode getroffen werden. Durch das erfindungsgemäße Verfahren entfällt die Notwendigkeit des CT-Markers, weil die Rotationsorientierung der Elektrode allein anhand ihres tatsächlichen Stimulationsmusters ermittelt werden kann. Durch den Verzicht des CT-Markers können kleinere und somit für die Implantation ins Gehirn besser geeignete Elektroden bei der DBS verwendet werden. In order to determine at which location and in which directions the implanted (directional) electrode can stimulate, it is necessary to know not only its localization in the patient's tissue but also its spatial position and its rotational orientation. Current methods often use a physical marker of the electrode known as a CT marker or “radio-opaque marker”, which can be visualized using a CT. Based on the orientation of the marker, conclusions can be drawn about the orientation of the electrode. The method according to the invention eliminates the need for the CT marker because the rotational orientation of the electrode is based solely on its actual stimulation pattern can be determined. By doing without the CT marker, smaller electrodes, which are therefore more suitable for implantation in the brain, can be used in DBS.
Bei dem Verfahren kann vorgesehen sein, dass die Feldverteilung eine Verteilung eines durch den mindestens einen elektrischen Impuls generierten Magnetfelds ist, wobei die Feldverteilung des Magnetfelds mittels einer Magnetfeldsensorik gemessen wird. Das Magnetfeld wird in der SI- Einheit Tesla (T) gemessen, wobei sich die Verteilung des Magnetfelds - welche auch in Form unterschiedlicher Magnetfelddichten beschrieben werden kann - des mit dem bevorzugten Verfahren generierten Magnetfelds in der Regel im pT- bis nT-Bereich aufhalten. In the method it can be provided that the field distribution is a distribution of a magnetic field generated by the at least one electrical pulse, the field distribution of the magnetic field being measured by means of a magnetic field sensor system. The magnetic field is measured in the SI unit Tesla (T), whereby the distribution of the magnetic field - which can also be described in the form of different magnetic field densities - of the magnetic field generated with the preferred method is usually in the pT to nT range.
Es kann ferner vorgesehen sein, dass die Feldverteilung eine Verteilung eines durch den mindestens einen elektrischen Impuls generierten elektrischen Spannungsfelds ist, wobei die Feldverteilung des Spannungsfelds mittels einer Spannungssensorik gemessen wird. Das als Spannungsfeld bezeichnete Feld setzt sich dabei aus verschiedenen elektrischen Signalen (Potenzialdifferenzen) zusammen. Zur Bestimmung des elektrischen Felds wird die elektrische Feldstärke (E) verwendet. Im Sinne dieser Offenbarung werden die Begriffe „Spannungsfeld“ und „elektrisches Feld“ synonym verwendet, solange sich aus dem konkreten Kontext nichts Gegenteiliges ergibt. Provision can also be made for the field distribution to be a distribution of an electrical voltage field generated by the at least one electrical pulse, with the field distribution of the voltage field being measured using a voltage sensor system. The field, known as the voltage field, is made up of various electrical signals (potential differences). The electric field strength (E) is used to determine the electric field. For the purpose of this disclosure, the terms “voltage field” and “electrical field” are used synonymously, as long as nothing to the contrary results from the specific context.
Vorteilhafterweise ist insbesondere vorgesehen, dass eine Magnetfeldverteilung gemessen wird, wobei die Magnetfeldmessungen bevorzugt außerhalb des Kopfs des Patienten erfolgen. Hierdurch kann auf einfache Art und Weise die Rotationsorientierung der Elektrode bestimmt werden, wenn die Elektrode infolge einer Stimulation ein Magnetfeld generiert. Dabei korrespondiert die Feldverteilung des Magnetfelds mit den während der Stimulation abgegebenen Impulsen, sodass sich über die gemessene Magnetfeldverteilung ableiten lässt, in welche Richtung die Impulse durch die Elektrode abgegeben worden sind. Hieraus kann wiederum auf die Lage der Kontakte und somit auf die Drehorientierung der Elektrode rückgeschlossen werden. In particular, it is advantageously provided that a magnetic field distribution is measured, with the magnetic field measurements preferably being carried out outside the patient's head. This allows the rotational orientation of the electrode to be determined in a simple manner when the electrode generates a magnetic field as a result of stimulation. The field distribution of the magnetic field corresponds to the pulses emitted during the stimulation, so that the measured magnetic field distribution can be used to determine the direction in which the pulses were emitted by the electrode. From this, in turn, conclusions can be drawn about the position of the contacts and thus about the rotational orientation of the electrode.
Analog dazu lässt sich anstelle oder parallel zu der Feldverteilung des Magnetfelds auch die Feldverteilung eines durch die Stimulation generierten elektrischen Felds messen. Dabei korrespondiert die Feldverteilung des elektrischen Felds mit den während der Stimulation abgegebenen Impulsen, sodass sich über die gemessene elektrische Feldverteilung ableiten lässt, in welche Richtung die Impulse durch die Elektrode abgegeben worden sind. Hieraus kann ebenfalls auf die Lage der Kontakte und somit auf die Rotationsorientierung der Elektrode rückgeschlossen werden. Analogously to this, the field distribution of an electric field generated by the stimulation can also be measured instead of or in parallel to the field distribution of the magnetic field. The field distribution of the electrical field corresponds to the pulses emitted during the stimulation, so that the measured electrical field distribution can be used to determine the direction in which the pulses were emitted by the electrode. From this, conclusions can also be drawn about the position of the contacts and thus about the rotational orientation of the electrode.
Es ist ferner denkbar, dass das Verfahren außerdem den Schritt umfasst: - Erstellen eines Impulsprogramms im Vorfeld der Erzeugung des mindestens einen elektrischen Impulses, wobei das Impulsprogramm eine Vielzahl von variablen Impulsparametern umfasst, ausgewählt aus der Gruppe umfassend Elektrodenkonfiguration, spezifisch aktivierbare Elektrodenkontakte, Elektrodenposition, Impulsamplitude, Impulsdauer und Impulsfrequenz. It is also conceivable that the method also includes the step: - Creation of an impulse program in advance of generating the at least one electrical impulse, the impulse program comprising a large number of variable impulse parameters selected from the group comprising electrode configuration, specifically activatable electrode contacts, electrode position, impulse amplitude, impulse duration and impulse frequency.
Ein vorher definiertes Impulsprogramm ermöglicht es, zuverlässig und reproduzierbar eine für die Messung der Feldverteilung bestmögliche Stimulation durchzuführen. Außerdem kann das Impulsprogramm in Abhängigkeit von verschiedenen Begleitfaktoren wie z.B. den Eigenschaften des Patienten, der Art der Stimulation, der Art der Elektrode etc. geändert werden, wodurch stets gewährleistet ist, dass die Stimulation zur Erzeugung des Magnetfelds oder des elektrischen Felds unter Bedingungen abläuft, die für die Messung beziehungsweise für den Patienten optimal sind. A previously defined pulse program makes it possible to carry out the best possible stimulation for measuring the field distribution in a reliable and reproducible manner. In addition, the pulse program can be changed depending on various accompanying factors such as the patient's characteristics, the type of stimulation, the type of electrode, etc., which always ensures that the stimulation for generating the magnetic field or the electric field takes place under conditions which are optimal for the measurement or for the patient.
Unter einer Elektrodenkonfiguration ist vorzugsweise die Konfiguration der Elektrode hinsichtlich ihrer möglichen Impulsmuster zu verstehen. So kann die Elektrodenkonfiguration einen monopolaren Impuls und einen bipolaren Impuls umfassen, wobei der mindestens eine elektrische Impuls gemäß dem bevorzugtem Verfahren insbesondere ein bipolarer Impuls ist. Tests haben ergeben, dass eine bipolare Stimulation eine im Vergleich zur monopolaren Stimulation klarer fokussierte räumliche Verteilung des erzeugen magnetischen oder elektrischen Felds zur Folge hat, was wiederum zu einer besseren Auflösung der Feldverteilung führt und somit eine exaktere Bestimmung der Rotationsorientierung der Elektrode ermöglicht. Im Gegensatz dazu hat die monopolare Stimulation den Vorteil, dass sich stärkere Felder erzeugen lassen, welche besser detektiert werden können. Eine Kombination von monopolarer und bipolarer Stimulation kann daher zu optimalen Messergebnissen führen, was wiederum die Auswertbarkeit der Messergebnisse erheblich erleichtert. An electrode configuration is preferably to be understood as meaning the configuration of the electrode with regard to its possible pulse pattern. Thus, the electrode configuration can include a monopolar pulse and a bipolar pulse, wherein the at least one electrical pulse according to the preferred method is in particular a bipolar pulse. Tests have shown that bipolar stimulation results in a more focused spatial distribution of the generated magnetic or electric field compared to monopolar stimulation, which in turn leads to a better resolution of the field distribution and thus allows a more accurate determination of the rotational orientation of the lead. In contrast, monopolar stimulation has the advantage that stronger fields can be generated, which can be better detected. A combination of monopolar and bipolar stimulation can therefore lead to optimal measurement results, which in turn makes it considerably easier to evaluate the measurement results.
Vorteilhafterweise kann das Verfahren weiterhin die Schritte umfassen: Advantageously, the method can further include the steps:
- Ändern mindestens eines Impulsparameter des Impulsprogramms; - changing at least one pulse parameter of the pulse program;
- Erneutes Messen der Feldverteilung. - Re-measure the field distribution.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform werden die beiden Schritte „Ändern mindestens eines Impulsparameter des Impulsprogramms“ und „erneutes Messen der Feldverteilung“ nach dem Schritt „Messen einer Feldverteilung mittels einer Sensorik“ in der angegebenen Reihenfolgen ausgeführt, jedoch vor dem Schritt „Bestimmung der Rotationsorientierung der mindestens einen Elektrode relativ zum Körper des Patienten anhand der gemessenen Feldverteilung“ durchgeführt. Die beiden Schritte können dabei beliebig oft wiederholt werden. Dabei wird eine Änderung der Feldverteilung in Abhängigkeit der Änderung des mindestens einen Impulsparameters gemessen. Hierdurch kann die Genauigkeit des Messverfahrens zusätzlich erhöht werden. In Patientengewebe implantierte Elektroden weisen üblicherweise Kontakte auf, über die sie ihre elektrischen Impulse zur Stimulation abgeben. Dabei zeichnen sich implantierte Stab- oder Kabelelektroden dadurch aus, dass sie eine zylindrische Mantelfläche aufweisen, auf denen ihre Kontakte angeordnet sind. Dabei können im Falle von Stabelektroden oder Kabelelektroden, die zur gerichteten Stimulation eingerichtet sind, die Kontakte derart segmentiert sein, dass sie die Mantelfläche nur teilweise umschließen bzw. umlaufen. Beispielsweise können die Elektroden mindestens drei teilumlaufende segmentierte Kontakte umfassen, die je weniger als 360°, bevorzugt ca. 120° des Kreisumfangs der zylindrischen Mantelfläche der Elektrode umlaufen. Die unterschiedlichen Segmente der Elektrodenkontakte lassen sich jedoch unter Umständen mit einem bestimmten Stimulationsmuster unterschiedlich gut auflösen. Durch Änderungen der Impulsparameter kann für jeden Elektrodenkontakt das optimale Stimulationsprogramm ausgewählt und verwendet werden, wodurch die räumliche Auflösung der Feldverteilung erhöht wird. Gemäß einer bevorzugten Ausführung des Verfahrens kann vorgesehen sein, dass der Schritt des Änderns eines Impulsparameters des Impulsprogramms auf einem Prozessor ausgeführt werden. According to a preferred embodiment, the two steps “changing at least one pulse parameter of the pulse program” and “re-measuring the field distribution” are carried out in the specified order after the step “measuring a field distribution using a sensor system”, but before the step “determining the rotational orientation of the at least an electrode relative to the patient's body based on the measured field distribution". The two steps can be repeated as often as you like. A change in the field distribution is measured as a function of the change in the at least one pulse parameter. As a result, the accuracy of the measurement method can be additionally increased. Electrodes implanted in patient tissue usually have contacts through which they deliver their electrical impulses for stimulation. Implanted rod or cable electrodes are characterized in that they have a cylindrical outer surface on which their contacts are arranged. In the case of rod electrodes or cable electrodes that are set up for directed stimulation, the contacts can be segmented in such a way that they only partially enclose or run around the lateral surface. For example, the electrodes can comprise at least three partially circumferential segmented contacts, each of which runs around less than 360°, preferably approximately 120°, of the circumference of the cylindrical outer surface of the electrode. However, under certain circumstances, the different segments of the electrode contacts can be resolved to different extents with a specific stimulation pattern. By changing the pulse parameters, the optimal stimulation program can be selected and used for each electrode contact, which increases the spatial resolution of the field distribution. According to a preferred embodiment of the method, it can be provided that the step of changing a pulse parameter of the pulse program is carried out on a processor.
Entsprechend einer weiteren Ausführung kann vorgesehen sein, dass das Verfahren außerdem die Schritte umfasst: According to a further embodiment, it can be provided that the method also includes the steps:
- Übertragen von Feldverteilungsdaten, die mit der gemessenen Feldverteilung korrespondieren, auf einen Prozessor, wobei der Prozessor dazu eingerichtet oder geeignet ist, einen computerimplementierten Algorithmus auszuführen, der anhand der Feldverteilungsdaten die Rotationsorientierung der mindestens einen Elektrode modelliert;- Transmission of field distribution data, which correspond to the measured field distribution, to a processor, the processor being set up or suitable for executing a computer-implemented algorithm which models the rotational orientation of the at least one electrode on the basis of the field distribution data;
- Ausführen des computerimplementierten Algorithmus durch den Prozessor; - executing the computer-implemented algorithm by the processor;
- Modellieren der Rotationsorientierung anhand der Feldverteilungsdaten. wobei die Bestimmung der Rotationsorientierung der mindestens einen Elektrode relativ zum Körper des Patienten anhand der mittels des computerimplementierten Algorithmus modellierten Rotationsorientierung erfolgt. Die Übertragung der mit der Feldverteilung korrespondierenden Daten kann dabei über ein Kabel und/oder kabellos erfolgen. - Modeling of the rotational orientation based on the field distribution data. wherein the determination of the rotational orientation of the at least one electrode relative to the patient's body is based on the rotational orientation modeled by the computer-implemented algorithm. The data corresponding to the field distribution can be transmitted via a cable and/or wirelessly.
Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform werden die Schritte „Übertragen von Feldverteilungsdaten auf einen Prozessor“, „Ausführen des computerimplementierten Algorithmus durch den Prozessor“ und „Modellieren der Rotationsorientierung anhand der Feldverteilungsdaten“ in der angegebenen Reihenfolgen ausgeführt, jedoch nach dem Schritt „Messen einer Feldverteilung mittels einer Sensorik“ und vor dem Schritt „Bestimmung der Rotationsorientierung der mindestens einen Elektrode relativ zum Körper des Patienten anhand der gemessenen Feldverteilung“ durchgeführt. Der Algorithmus umfasst unter anderem einen Lokalisationsalgorithmus, bei dem anhand der gemessenen Feldverteilung der Ursprung des magnetischen beziehungsweise elektrischen Felds mitsamt seiner Lokalisation und Orientierung innerhalb des Kopfs des Patienten errechnet wird. Dabei können verschiedene Lokalisationsalgorithmen zur Ursprungslokalisation verwendet werden, wie z.B. „dipole fitting approach” (engl., frei übersetzt als „Ansatz zur Dipolnäherung“), MNE („minimum norm estimates“, engl., frei übersetzt als „Schätzungen der minimalen Norm“), MUSIC („multiple signal classification“ engl., frei übersetzt als „Klassifikation multipler Signale“), LORETA („low-resolution brain electromagnetic tomography“, engl., frei übersetzt als „niedrigauflösende elektromagnetische Tomografie des Gehirns“), verschiedene als „Beamformer“ engl., frei übersetzt als „Strahlenformer“) bezeichnete Methoden, oder andere Lösungsmethodiken. Es ist außerdem denkbar, dass zu den ermittelten Lokalisations- und Orientierungsdaten eine Abweichung angegeben wird, um die Genauigkeit der Messung zu bestimmen. Hierzu kann der Prozessor beispielsweise eine mittlere quadratische Abweichung errechnen. According to an advantageous embodiment, the steps "transferring field distribution data to a processor", "executing the computer-implemented algorithm by the processor" and "modeling the rotational orientation using the field distribution data" are carried out in the order given, but after the step "measuring a field distribution using a Sensors” and before the step “determination of the rotational orientation of the at least one electrode relative to the patient's body based on the measured field distribution”. The algorithm includes, among other things, a localization algorithm in which the origin of the magnetic or electric field, together with its localization and orientation within the patient's head, is calculated on the basis of the measured field distribution. Various localization algorithms can be used to localize the origin, such as the "dipole fitting approach" and MNE ("minimum norm estimates"). ), MUSIC (multiple signal classification), LORETA (low-resolution brain electromagnetic tomography), various as "Beamformer" English, loosely translated as "beam shaper") designated methods, or other solution methods. It is also conceivable that a deviation from the determined localization and orientation data is specified in order to determine the accuracy of the measurement. For this purpose, the processor can calculate a mean square deviation, for example.
Anhand der algorithmisch errechneten Datenpunkte modelliert der Prozessor eine Rotationsorientierung der Elektrode. Diese modellierte Rotationsorientierung kann sich ein Verwender des Verfahrens anschließend über ein Anzeigegerät wie z.B. einen Bildschirm oder einen Monitor anzeigen lassen. Based on the algorithmically calculated data points, the processor models a rotational orientation of the electrode. A user of the method can then display this modeled rotational orientation via a display device such as a screen or a monitor.
Es ist insbesondere vorgesehen, dass das Verfahren ein computerimplementiertes Verfahren ist. Es ist darüber hinaus denkbar, dass sich nicht nur Teilschritte des Verfahrens, sondern das gesamte Verfahren über den Prozessor steuern lassen. Der Prozessor ist dabei vorzugsweise eine Logik-Einheit, die dazu ausgebildet ist, den Algorithmus nach entsprechender Programmierung automatisch auszuführen beziehungsweise voranzutreiben. Dabei kann der Prozessor eine CPU umfassen und insbesondere Teil eines Computers oder eines vergleichbaren Rechensystems sein. In particular, it is provided that the method is a computer-implemented method. In addition, it is conceivable that not only partial steps of the method, but the entire method can be controlled via the processor. In this case, the processor is preferably a logic unit which is designed to automatically execute or advance the algorithm after appropriate programming. The processor can include a CPU and in particular be part of a computer or a comparable computing system.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung ist vorgesehen, dass die mindestens eine Elektrode im Gehirn des Patienten implantiert ist, wobei die Elektrode insbesondere zur tiefen Hirnstimulation eingerichtet ist. Systeme, die bei der tiefen Hirnstimulation eingesetzt werden, umfassen häufig ein batteriebetriebenes Steuerelement, das in der Brustmuskulatur oder am Oberbauch eingesetzt wird. Die stimulierende Elektrode beziehungsweise die stimulierenden Elektroden werden durch kleine Löcher in der Schädeldecke in die Zielregion der Basalganglien der linken und/oder rechten Hirnhälfte eingesetzt und müssen entsprechend dazu ausgebildet sein, lange Zeit in biologischem Gewebe zu bleiben. Vorzugsweise ist die mindestens eine Elektrode eine Stabelektrode oder eine Kabelelektrode, wobei die Elektrode insbesondere zur gerichteten Stimulation eingerichtet oder geeignet ist. Mithilfe von gerichteten Elektroden lassen sich gewünschte Gewebeareale gezielt und präzise stimulieren. Eine gerichtete Stabelektrode oder eine gerichtete Kabelelektrode weist dabei eine zylindrische Mantelfläche auf. Derartige Elektroden können beispielsweise mindestens drei teilumlaufende segmentierte Kontakte umfassen, die je weniger als 360°, bevorzugt ca. 120° des Kreisumfangs der zylindrischen Mantelfläche der Elektrode umlaufen. Vorzugsweise kann eine Elektrode vorgesehen sein, die acht Kontakte aufweist, wobei zwei der acht Kontakte als unidirektionale Ringkontakte die Elektrode umlaufen und wobei sechs der acht Kontakte als teilumlaufende segmentierte Kontakte ausgebildet sind. According to an advantageous development, it is provided that the at least one electrode is implanted in the patient's brain, with the electrode being set up in particular for deep brain stimulation. Systems used in deep brain stimulation often include a battery powered control element that is placed in the chest muscles or upper abdomen. The stimulating electrode or electrodes are inserted through small holes in the skullcap into the target region of the left and/or right hemisphere basal ganglia and must be appropriately designed to remain in biological tissue for a long time. The at least one electrode is preferably a rod electrode or a cable electrode, with the electrode being set up or suitable in particular for directed stimulation. With the help of directed electrodes, desired tissue areas can be stimulated in a targeted and precise manner. A directed rod electrode or a directed cable electrode has a cylindrical outer surface. Such electrodes can, for example, comprise at least three partially circumferential segmented contacts, each of which surrounds less than 360°, preferably approximately 120°, of the circumference of the cylindrical outer surface of the electrode. Preferably, an electrode can be provided which has eight contacts, with two of the eight contacts encircling the electrode as unidirectional ring contacts and six of the eight contacts being designed as partially encircling segmented contacts.
Nach einer bevorzugten Ausführung des Verfahrens ist vorgesehen, dass die Magnetfeldsensorik mindestens einen Magnetfeldsensor umfasst, wobei die Magnetfeldsensorik gekühlte MEG- Sensoren und/oder ungekühlte MEG-Sensoren umfasst, und wobei die gekühlten MEG-Sensoren vorzugsweise mit flüssigem Helium gekühlt werden. Die MEG-Sensoren können dabei zum Beispiel SQU ID-Sensoren sein. SQU ID-Sensoren eignen sich zur Messung des bei tiefen Hirnstimulation erzeugten Magnetfelds, da sie eine Hintergrundspektraldichte (engl. noise spectral density) von etwa 3 aufweisen. Bevorzugt kommen bei dem offenbarten Verfahren jedoch Sensoren zum Einsatz, die ungekühlt, d.h. bei Raumtemperaturen, einsetzbar sind und die außerdem keinen magnetisch oder elektrisch abgeschirmten Raum benötigen. Generell sind fast alle Sensoren zur Verwendung bei dem offenbarten Verfahren geeignet, mit denen sich die Feldverteilung eines Magnetfelds messen lässt, wie z.B. Fluxgate- Magnetometer, OPM („Optically pumped magnetometers", engl., frei übersetzt als „optisch beladene Magnetometer“), „surface acoustic wave sensors" (engl., frei übersetzt als „Akustische Oberflächenwellensensoren“) etc. According to a preferred embodiment of the method, it is provided that the magnetic field sensor system comprises at least one magnetic field sensor, the magnetic field sensor system comprising cooled MEG sensors and/or uncooled MEG sensors, and the cooled MEG sensors preferably being cooled with liquid helium. The MEG sensors can be SQU ID sensors, for example. SQU ID sensors are suitable for measuring the magnetic field generated during deep brain stimulation because they have a noise spectral density of around 3 exhibit. In the disclosed method, however, preference is given to using sensors which can be used uncooled, ie at room temperatures, and which also do not require a magnetically or electrically shielded space. In general, almost all sensors are suitable for use in the disclosed method, with which the field distribution of a magnetic field can be measured, such as fluxgate magnetometers, OPM ("optically pumped magnetometers", loosely translated as "optically loaded magnetometers"), "surface acoustic wave sensors" (English, loosely translated as "surface acoustic wave sensors") etc.
Es kann vorgesehen sein, dass die Messung des durch den mindestens einen elektrischen Impuls generierten Magnetfelds außerhalb des Kopfs des Patienten erfolgt. Ebenso ist es insbesondere vorgesehen, dass die Messung des durch den mindestens einen elektrischen Impuls generierten elektrischen Felds außerhalb des Kopfs des Patienten erfolgt. Hierdurch kann die Feldverteilung auf einfache Art und Weise bestimmt werden. Ein operativer Schritt ist nicht nötig. It can be provided that the magnetic field generated by the at least one electrical pulse is measured outside of the patient's head. Provision is also made in particular for the measurement of the electrical field generated by the at least one electrical pulse to take place outside of the patient's head. This allows the field distribution to be determined in a simple manner. An operative step is not necessary.
Die Spannungssensorik zur Messung des elektrischen Felds kann insbesondere EEG-Sensoren umfassen. Gemäß einer bevorzugten Ausführung des Verfahrens ist angedacht, dass die EEG- Sensoren eine Feldverteilung in Form von Hirnströmen messen. The voltage sensor system for measuring the electric field can in particular include EEG sensors. According to a preferred embodiment of the method, the EEG sensors measure a field distribution in the form of brain waves.
Es kann insbesondere vorgesehen sein, dass das Verfahren ein computerimplementiertes medizinisches Verfahren ist, wobei das Verfahren bevorzugt ein computerimplementiertes medizinisches Verfahren zur Unterstützung von Diagnosen und/oder Therapien von Bewegungsstörungen ist. Denkbar ist zum Beispiel, dass mithilfe des offenbarten Verfahrens Langzeitstudien durchgeführt werden können, um mit der Zeit auftretende Verschiebungen oder Rotationen von im Gehirn implantierten Elektroden zu untersuchen, ohne den Patienten dabei einer Strahlenbelastung aussetzen zu müssen. Darüber hinaus besteht mit dem Verfahren die Möglichkeit, gegebenenfalls stationär zu überprüfen, ob bei einem THS-Patienten die implantierten Elektroden korrekt implantiert und ausgerichtet sind. Hierdurch kann die Effizienz der THS -basierten Behandlung erhöht werden. In particular, it can be provided that the method is a computer-implemented medical method, the method preferably being a computer-implemented one is a medical procedure to support the diagnosis and/or therapy of movement disorders. It is conceivable, for example, that long-term studies can be carried out using the disclosed method in order to examine displacements or rotations of electrodes implanted in the brain that occur over time without having to expose the patient to radiation. In addition, with the method there is the possibility, if necessary, to check in an inpatient setting whether the implanted electrodes are correctly implanted and aligned in a DBS patient. This can increase the efficiency of DBS -based treatment.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung ist ein System zur Bestimmung einer Rotationsorientierung mindestens einer im Körper eines Patienten implantierten Elektrode vorgesehen, wobei die Elektrode zur elektrischen Stimulation eines Gewebeareals des Patienten eingerichtet ist, umfassend: According to a further aspect of the invention, a system for determining a rotational orientation of at least one electrode implanted in the body of a patient is provided, the electrode being set up for electrical stimulation of a tissue area of the patient, comprising:
- einen Stimulator, der dazu eingerichtet ist, einen elektrischen Impuls an der mindestens einen Elektrode zu generieren; - a stimulator which is set up to generate an electrical pulse at the at least one electrode;
- eine Sensorik zur Messung einer Feldverteilung; und - A sensor for measuring a field distribution; and
- einen Prozessor, der Prozessor dazu eingerichtet oder geeignet ist, ein Impulsprogramm zu erstellen und der dazu eingerichtet oder geeignet ist, Feldverteilungsdaten von der Sensorik zu empfangen, wobei der Prozessor mittels eines computerimplementierten Algorithmus anhand der Feldverteilungsdaten die Rotationsorientierung der mindestens einen Elektrode modellieren. - A processor, the processor is set up or suitable for creating a pulse program and which is set up or suitable for receiving field distribution data from the sensor system, the processor using a computer-implemented algorithm based on the field distribution data to model the rotational orientation of the at least one electrode.
Dabei kann außerdem vorgesehen sein, dass die Sensorik des Systems eine Magnetfeldsensorik und/oder eine Spannungssensorik umfasst. Dabei ist insbesondere vorgesehen, dass die Magnetfeldsensorik mindestens einen Magnetfeldsensor umfasst bzw. dass die Spannungssensorik mindestens einen Spannungssensor zur Messung eines elektrischen Felds umfasst. Im Sinne einer vorteilhaften Weiterbildung des Systems können die Magnetfeldsensoren und/oder die Spannungssensoren an einer Sensorkappe angeordnet sein, welche derart ausgestaltet ist, dass einem Patienten während des Verfahrens zur Bestimmung der Rotationsorientierung der Elektrode zumindest teilweise auf den Kopf aufgesetzt werden kann. Gemäß einer weiteren Ausführung kann stattdessen vorgesehen sein, dass die Magnetfeldsensoren und/oder die Spannungssensoren an einem ringförmigen Sensorband angeordnet sind. Dabei kann das Sensorband zur Verwendung bei dem Verfahren zur Bestimmung der Rotationsorientierung der Elektrode am Kopf des Patienten angebracht werden (etwa ähnlich einem Stirnband). It can also be provided that the sensor system of the system includes a magnetic field sensor system and/or a voltage sensor system. It is provided in particular that the magnetic field sensor system comprises at least one magnetic field sensor or that the voltage sensor system comprises at least one voltage sensor for measuring an electric field. According to an advantageous development of the system, the magnetic field sensors and/or the voltage sensors can be arranged on a sensor cap, which is designed such that the electrode can be placed at least partially on a patient's head during the method for determining the rotational orientation. According to a further embodiment, it can instead be provided that the magnetic field sensors and/or the voltage sensors are arranged on an annular sensor band. The sensor band can be attached to the patient's head (similar to a headband) for use in the method for determining the rotational orientation of the electrode.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung ist eine Verwendung des Systems zur Unterstützung von Diagnosen und/oder Therapien von Bewegungsstörungen und anderen mit tiefer Hirnstimulation behandelbaren Erkrankungen vorgesehen. Das offenbarte Verfahren kann beispielsweise dazu genutzt werden, Langzeitstudien durchzuführen, um mit der Zeit auftretende Verschiebungen oder Rotationen von im Gehirn implantierten Elektroden zu untersuchen. Das ist vor allem möglich, weil das Verfahren ein durch Stimulation erzeugtes - vorzugsweise magnetisches oder elektrisches - Feld misst und der Patient somit keiner Strahlenbelastung ausgesetzt werden muss. Darüber hinaus besteht mit dem Verfahren die Möglichkeit, gegebenenfalls stationär zu überprüfen, ob bei einem DBS-Patienten die implantierten Elektroden korrekt implantiert und ausgerichtet sind. Hierdurch kann die Effizienz der DBS-basierten Behandlung erhöht werden. According to a further aspect of the invention, the system can be used to support the diagnosis and/or therapy of movement disorders and others diseases treatable by deep brain stimulation. The disclosed method can be used, for example, to carry out long-term studies in order to examine displacements or rotations of electrodes implanted in the brain that occur over time. This is mainly possible because the procedure measures a field generated by stimulation - preferably magnetic or electric - and the patient therefore does not have to be exposed to radiation. In addition, with the method there is the possibility, if necessary, to check on an inpatient basis whether the implanted electrodes are correctly implanted and aligned in a DBS patient. This can increase the efficiency of the DBS-based treatment.
Weitere Merkmale, Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus dem Wortlaut der Ansprüche sowie aus der folgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der Zeichnungen. Further features, details and advantages of the invention result from the wording of the claims and from the following description of exemplary embodiments with reference to the drawings.
Es zeigen: Show it:
Fig. 1 ein Flussdiagramm der Schritte eines bevorzugten Verfahrens zur Ermittlung einer Rotationsorientierung mindestens einer im Körper eines Patienten implantierten Elektrode, wobei die Elektrode zur elektrischen Stimulation eines Gewebeareals des Patienten eingerichtet ist; ein Flussdiagramm von Verfahrensschritten gemäß einer zweiten1 shows a flow chart of the steps of a preferred method for determining a rotational orientation of at least one electrode implanted in the body of a patient, the electrode being set up for electrical stimulation of a tissue area of the patient; a flowchart of method steps according to a second
Ausführungsform; ein Flussdiagramm von Verfahrensschritten gemäß einer drittenembodiment; a flowchart of method steps according to a third
Ausführungsform; embodiment;
Fig. 4 ein Flussdiagramm von Verfahrensschritten gemäß einer vierten4 shows a flowchart of method steps according to a fourth
Ausführungsform; embodiment;
Fig. 5 ein Flussdiagramm von Verfahrensschritten gemäß einer fünften5 shows a flowchart of method steps according to a fifth
Ausführungsform; embodiment;
Fig. 6a in perspektivischer Ansicht eine Elektrode, die zur Implantation in einen Patienten geeignet ist; und Figure 6a is a perspective view of an electrode suitable for implantation in a patient; and
Fig. 6b einen Querschnitt durch eine Elektrode, die zur Implantation in einen Patienten geeignet ist. Fig. 1 zeigt ein Flussdiagramm der Schritte S1-S3 des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Ermittlung einer Rotationsorientierung mindestens einer im Körper eines Patienten implantierten Elektrode 10, wobei die Elektrode 10 zur elektrischen Stimulation eines Gewebeareals des Patienten eingerichtet ist. 6b shows a cross-section through an electrode suitable for implantation in a patient. 1 shows a flow chart of steps S1-S3 of the method according to the invention for determining a rotational orientation of at least one electrode 10 implanted in the body of a patient, the electrode 10 being set up for electrical stimulation of a tissue area of the patient.
In einer bevorzugten Ausführung umfasst das Verfahren dabei einen ersten Schritt S1 : Erzeugen mindestens eines elektrischen Impulses durch einen Stimulator, wobei der elektrische Impuls über die Elektrode 10 abgegeben wird. Bei diesem Schritt wird die Elektrode 10 über eine separate Steuereinheit dazu gebracht, einen elektrischen Impuls an der Stelle im Körper des Patienten abzugeben, an der sie implantiert ist. Die Steuereinheit ist dabei in der Regel ebenfalls implantiert und kann über eine Kabelverbindung oder kabellos mit der Elektrode 10 verbunden sein. Die Steuerung der Steuereinheit erfolgt wiederum von außerhalb, zum Beispiel durch entsprechendes Fachpersonal, wobei Einstellungen an der Steuerung bevorzugt kabellos erfolgen können. In a preferred embodiment, the method includes a first step S1: generating at least one electrical impulse using a stimulator, with the electrical impulse being emitted via the electrode 10. In this step, the electrode 10 is caused, via a separate control unit, to deliver an electrical pulse at the site in the patient's body where it is implanted. The control unit is usually also implanted and can be connected to the electrode 10 via a cable connection or wirelessly. The control unit is in turn controlled from outside, for example by appropriate specialist personnel, with settings on the control unit preferably being able to be made wirelessly.
Als nächster Schritt S2 ist vorgesehen, dass eine Feldverteilung mittels einer Sensorik gemessen wird. Darunter ist ein Schritt zu verstehen, bei dem die Feldstärke oder Felddichte an unterschiedlichen Raumpunkten bestimmt werden. Beispielsweise werden jedem gemessenen Raumpunkt als vektorielle Größe eine Stärke und eine Richtung zugeordnet. Als Sensorik können dabei im Falle der Messung eines Magnetfelds gekühlte MEG-Sensoren und/oder ungekühlte M EG-Sensoren vorgesehen sein, wobei die MEG-Sensoren insbesondere SQU ID-Sensoren sind. Im Falle der Messung eines elektrischen Felds können insbesondere EEG-Sensoren umfassen, welche die Feldverteilung in Form von Hirnströmen messen. As the next step S2 it is provided that a field distribution is measured by means of a sensor system. This is to be understood as a step in which the field strength or field density is determined at different points in space. For example, a strength and a direction are assigned to each measured point in space as a vector quantity. When measuring a magnetic field, cooled MEG sensors and/or uncooled MEG sensors can be provided as sensors, the MEG sensors being in particular SQU ID sensors. In the case of measuring an electric field, this can include EEG sensors in particular, which measure the field distribution in the form of brain currents.
Schließlich erfolgt der Schritt S3, wonach eine Rotationsorientierung der mindestens einen Elektrode 10 relativ zum Körper des Patienten und anhand der gemessenen Feldverteilung bestimmt wird. Ist dieser Schritt erfolgt, so ist die räumliche Rotationsorientierung der Elektrode 10 im Körper des Patienten bekannt. Hierdurch können Rückschlüsse darauf gezogen werden, welche Gewebeareale des Patienten tatsächlich durch die Elektrode 10 stimuliert werden. Diese Rückschlüsse sind allein auf Grundlage einer bekannten Lokalisation der Elektrode 10 nicht möglich, weil daraus nicht eindeutig hervorgeht, an welcher Stelle der Elektrode 10 die Stimulation erfolgt, d.h. elektrische Impulse abgegeben werden. Finally, step S3 takes place, after which a rotational orientation of the at least one electrode 10 is determined relative to the patient's body and based on the measured field distribution. Once this step has taken place, the spatial rotational orientation of the electrode 10 in the patient's body is known. In this way, conclusions can be drawn as to which tissue areas of the patient are actually stimulated by the electrode 10 . These conclusions are not possible solely on the basis of a known localization of the electrode 10, because this does not clearly indicate at which point on the electrode 10 the stimulation takes place, i.e. electrical impulses are emitted.
Mithilfe eines Verfahrens, wie es in Fig. 1 gezeigt ist, kann die Rotationsorientierung einer in einem Patienten implantierten Elektrode 10 bestimmt werden, ohne den Patienten einer Strahlenbelastung auszusetzen, welche mit Röntgen- oder CT-basierten Methoden verbunden wäre. Auch die Risiken, die mit MRT-Verfahren assoziiert werden, lassen sich durch das erfindungsgemäße Verfahren vermeiden. Stattdessen sieht die erfindungsgemäße Methode eine elektrische Stimulation der implantierten Elektrode 10 im Vorfeld der Messung der Feldverteilung vor. Die Stimulation unterscheidet sich dabei hinsichtlich Dauer, Stärke und sonstigen Eigenschaften der gewählten Impulse allenfalls unwesentlich von den üblichen, zu Behandlungszwecken vorgesehenen Stimulationsmustern und ist daher für den Patienten kaum spürbar. Vor allem können die Risiken von Langzeitschäden mithilfe der vorgesehenen Methode drastisch verringert werden. Using a method as shown in FIG. 1, the rotational orientation of an electrode 10 implanted in a patient can be determined without exposing the patient to radiation exposure, which would be associated with X-ray or CT-based methods. The risks associated with MRI procedures can also be reduced by the avoid methods according to the invention. Instead, the method according to the invention provides electrical stimulation of the implanted electrode 10 prior to the measurement of the field distribution. The stimulation differs at most insignificantly from the usual stimulation patterns provided for treatment purposes with regard to duration, strength and other properties of the selected impulses and is therefore hardly noticeable for the patient. Above all, the risks of long-term damage can be drastically reduced using the proposed method.
In Fig. 2 ist ein Flussdiagramm der Verfahrensschritte gemäß einer zweiten Ausführungsform des Verfahrens gezeigt. Das Verfahren gemäß Fig. 2 unterscheidet sich von dem in Fig. 1 gezeigten Verfahren dadurch, dass im Vorfeld der Erzeugung des mindestens eines elektrischen Impulses S1 ein Schritt S1.1 stattfindet, bei dem ein Impulsprogramm erstellt wird, wobei das Impulsprogramm eine Vielzahl von variablen Impulsparametern umfasst, ausgewählt aus der Gruppe umfassend Elektrodenkonfiguration, spezifisch aktivierbare Elektrodenkontakte, Elektrodenposition, Impulsamplitude, Impulsdauer und Impulsfrequenz. FIG. 2 shows a flow chart of the method steps according to a second embodiment of the method. The method according to FIG. 2 differs from the method shown in FIG includes pulse parameters selected from the group comprising electrode configuration, specifically activatable electrode contacts, electrode position, pulse amplitude, pulse duration and pulse frequency.
Durch den Schritt S1.1 lässt sich die für die Messung benötigte Stimulation zuverlässig durchzuführen. Schließlich ermöglicht ein definierbares Impulsprogramm eine wiederholte Stimulation bei bekannten und gleichbleiben Impuls- und somit Stimulationseigenschaften. Darüber hinaus kann das Impulsprogramm in Abhängigkeit von verschiedenen Begleitfaktoren wie z.B. den Eigenschaften des Patienten, der Art der Stimulation, der Art der Elektrode (10) etc. geändert werden, wodurch stets gewährleistet ist, dass die Stimulation zur Erzeugung des Magnetfelds oder des elektrischen Felds für den Patienten unter optimalen Bedingungen abläuft. The stimulation required for the measurement can be carried out reliably through step S1.1. Finally, a definable impulse program enables repeated stimulation with known and constant impulse and thus stimulation properties. In addition, the pulse program can be changed depending on various accompanying factors such as the patient's characteristics, the type of stimulation, the type of electrode (10), etc., which always ensures that the stimulation is used to generate the magnetic field or the electric field under optimal conditions for the patient.
Die Elektrodenkonfiguration kann dabei einen monopolaren Impuls und einen bipolaren Impuls umfassen, wobei der mindestens eine elektrische Impuls gemäß dem bevorzugten Verfahren insbesondere ein bipolarer Impuls ist. Tests haben ergeben, dass eine bipolare Stimulation eine im Vergleich zur monopolaren Stimulation eine fokussierte räumliche Verteilung des erzeugen magnetischen oder elektrischen Felds zur Folge hat, was wiederum zu einer besseren Auflösung der Feldverteilung führt und somit eine exaktere Bestimmung der Rotationsorientierung der Elektrode ermöglicht. Im Gegensatz dazu hat die monopolare Stimulation den Vorteil, dass mit ihr stärkere Felder erzeugt werden, welche sich besser detektieren lassen. Demnach führ eine Kombination von monopolarer und bipolarer Stimulation zu optimalen Messergebnissen, was wiederum die Auswertbarkeit der Messergebnisse erheblich erleichtert. The electrode configuration can include a monopolar pulse and a bipolar pulse, with the at least one electrical pulse being a bipolar pulse in particular according to the preferred method. Tests have shown that bipolar stimulation results in a focused spatial distribution of the generated magnetic or electric field compared to monopolar stimulation, which in turn leads to better resolution of the field distribution and thus enables a more precise determination of the rotational orientation of the lead. In contrast, monopolar stimulation has the advantage that stronger fields are generated with it, which can be better detected. Accordingly, a combination of monopolar and bipolar stimulation leads to optimal measurement results, which in turn makes it considerably easier to evaluate the measurement results.
Um nun festzustellen, an welchem Ort und in welche Richtungen die implantierte direktionale Elektrode 10 stimulieren kann, ist es nötig, neben ihrer Lokalisation im Gewebe des Patienten auch ihre exakte Lage sowie ihre Rotationsorientierung zu kennen. Gängige Methoden verwenden dazu einen als CT-Marker oder als „radio-opaque marker" bezeichneten physischen Marker der Elektrode 10, welcher sich über eine CT bildlich darstellen lässt. Anhand der Orientierung des Markers können Rückschlüsse auf die Orientierung der Elektrode 10 getroffen werden. Durch das erfindungsgemäße Verfahren entfällt die Notwendigkeit des CT-Markers, weil die Orientierung der Elektrode 10 allein anhand ihres tatsächlichen Stimulationsmusters ermittelt werden kann. Durch den Verzicht des CT-Markers können kleinere und somit für die Implantation ins Gehirn besser geeignete Elektroden 10 bei der DBS verwendet werden. In order to determine at which location and in which direction the implanted directional electrode 10 can stimulate, it is necessary to know not only its localization in the patient's tissue but also its exact position and its rotational orientation. Common Methods use a physical marker of the electrode 10 referred to as a CT marker or as a "radio-opaque marker", which can be visualized via a CT. Based on the orientation of the marker, conclusions can be drawn about the orientation of the electrode 10. The inventive This method eliminates the need for the CT marker because the orientation of the electrode 10 can be determined solely from its actual stimulation pattern.The elimination of the CT marker allows smaller electrodes 10, which are therefore more suitable for implantation in the brain, to be used in DBS.
Gemäß dem in Fig. 3 gezeigten Verfahren kann außerdem ein Schritt S1.2 vorgesehen sein, wonach nach einer ersten Messung der Feldverteilung S2 mindestens ein Impulsparameter des Impulsprogramms geändert wird. Im Anschluss daran wird die Feldverteilung mindestens ein weiteres Mal gemessen S2.1. Dabei wird eine Änderung der Feldverteilung in Abhängigkeit der Änderung des mindestens einen Impulsparameters gemessen. Die Schritte S1 , S1.2 und S2.1 können beliebig oft wiederholt werden. Gemäß dem Beispiel aus Fig. 3 kann vorgesehen sein, dass Schritt 1.2 auf einem Prozessor 20 ausgeführt wird. According to the method shown in FIG. 3, a step S1.2 can also be provided, after which at least one pulse parameter of the pulse program is changed after a first measurement of the field distribution S2. The field distribution is then measured at least once more S2.1. A change in the field distribution is measured as a function of the change in the at least one pulse parameter. Steps S1, S1.2 and S2.1 can be repeated as often as desired. According to the example from FIG. 3 , it can be provided that step 1.2 is executed on a processor 20 .
Unter Umständen lassen sich manche Bereiche oder Kontakte der Elektrode mit einem bestimmten Stimulationsmuster nicht gut auflösen. Durch Änderungen der Impulsparameter kann für die verschiedenen Elektrodenkontakte das jeweils optimale Stimulationsprogramm ausgewählt und verwendet werden, wodurch die räumliche Auflösung der Feldverteilung erhöht wird. Hierdurch kann die Genauigkeit des Messverfahrens zusätzlich erhöht werden. Some areas or contacts of the lead may not resolve well with a particular stimulation pattern. By changing the pulse parameters, the optimum stimulation program can be selected and used for the various electrode contacts, which increases the spatial resolution of the field distribution. As a result, the accuracy of the measurement method can be additionally increased.
Fig. 4 zeigt ein Flussdiagramm von Verfahrensschritten gemäß einer vierten Ausführungsform. Demnach können für das Verfahren außerdem die folgenden Schritte vorgesehen sein: Übertragen von Feldverteilungsdaten, die mit der gemessenen Feldverteilung korrespondieren, auf einen Prozessor 20, wobei der Prozessor 20 dazu eingerichtet ist, einen computerimplementierten Algorithmus auszuführen, der anhand der Feldverteilungsdaten die Rotationsorientierung der mindestens einen Elektrode modelliert (S3.1); Ausführen des computerimplementierten Algorithmus durch den Prozessor 20 (S3.2); Modellieren der Rotationsorientierung anhand der Feldverteilungsdaten (S3.3). Im Anschluss an den Modellierungsschritt S3.3 kann die Bestimmung der Rotationsorientierung der einen Elektrode 10 relativ zum Körper des Patienten anhand der mittels des computerimplementierten Algorithmus modellierten Rotationsorientierung erfolgen. 4 shows a flowchart of method steps according to a fourth embodiment. Accordingly, the following steps can also be provided for the method: Transmission of field distribution data, which correspond to the measured field distribution, to a processor 20, wherein the processor 20 is set up to execute a computer-implemented algorithm that uses the field distribution data to determine the rotational orientation of the at least one electrode modeled (S3.1); executing the computer-implemented algorithm by the processor 20 (S3.2); Modeling of the rotational orientation using the field distribution data (S3.3). Subsequent to the modeling step S3.3, the rotational orientation of the one electrode 10 relative to the patient's body can be determined using the rotational orientation modeled by means of the computer-implemented algorithm.
Die Übertragung der mit der Feldverteilung korrespondierenden Daten auf den Prozessor 20 gemäß Schritt S3.1 kann über Kabel und/oder kabellos erfolgen. Der Prozessor 20 ist vorzugsweise eine Logik-Einheit, die dazu ausgebildet ist, den Algorithmus nach entsprechender Programmierung automatisch auszuführen beziehungsweise voranzutreiben. Dabei kann der Prozessor 20 eine CPU umfassen und insbesondere ein Computer oder ein vergleichbares Rechensystem sein. Neben der in Fig. 4 gezeigten Variante, wonach nur die Schritte S3.2 und S3.3 durch den Prozessor 20 ausgeführt werden, sind außerdem Verfahren denkbar, bei denen weitere oder alle Verfahrensschritte durch den Prozessor 20 ausgeführt werden. Hierdurch können Teile des Verfahrens beziehungsweise das gesamte Verfahren automatisiert und somit beschleunigt werden. The data corresponding to the field distribution can be transmitted to the processor 20 according to step S3.1 via cable and/or wirelessly. The processor 20 is preferably a logic unit which is designed to automatically execute or advance the algorithm after appropriate programming. But he can Processor 20 include a CPU and in particular be a computer or a comparable computing system. In addition to the variant shown in FIG. 4, according to which only steps S3.2 and S3.3 are executed by the processor 20, methods are also conceivable in which further or all method steps are executed by the processor 20. As a result, parts of the method or the entire method can be automated and thus accelerated.
Der Algorithmus des Schritts S3.2 umfasst unter anderem Lokalisationsalgorithmus, bei dem anhand der gemessenen Feldverteilung der Ursprung des magnetischen beziehungsweise des elektrischen Felds mitsamt Lokalisation und Orientierung innerhalb des Kopfs des Patienten errechnet wird. Es ist außerdem denkbar, dass zu den ermittelten Lokalisations- und Orientierungsdaten eine Abweichung angegeben wird, um die Genauigkeit der Messung zu bestimmen. Dieser Schritt kann dabei verschiedene Lokalisationsalgorithmen zur Ursprungslokalisation umfassen, wie z.B. „dipole fitting approach” (engl., frei übersetzt als „Ansatz zur Dipolnäherung“), MNE („minimum norm estimates“, engl., frei übersetzt als „Schätzungen der minimalen Norm“), MUSIC („multiple signal classification“ engl., frei übersetzt als „Klassifikation multipler Signale“), LORETA (Jow-resolution brain electromagnetic tomography“, engl., frei übersetzt als „niedrigauflösende elektromagnetische Tomografie des Gehirns“), verschiedene als „Beamformer“ (engl., frei übersetzt als „Strahlenformer“)bezeichnete Methoden, oder andere Lösungsmethodiken. The algorithm of step S3.2 includes, among other things, a localization algorithm in which the origin of the magnetic or electric field, together with the localization and orientation within the patient's head, is calculated using the measured field distribution. It is also conceivable that a deviation from the determined localization and orientation data is specified in order to determine the accuracy of the measurement. This step can include various localization algorithms for the localization of the origin, such as "dipole fitting approach" (English, loosely translated as "approach to dipole approximation"), MNE ("minimum norm estimates", English, loosely translated as "estimates of the minimum norm ’), MUSIC (‘multiple signal classification’), LORETA (Jow-resolution brain electromagnetic tomography), various as Methods referred to as "Beamformer" (freely translated as "ray shaper"), or other solution methods.
Hierzu kann der Prozessor 20 beispielsweise eine mittlere quadratische Abweichung errechnen. Anhand der algorithmisch errechneten Datenpunkte modelliert der Prozessor 20 eine Rotationsorientierung, wie in Schritt 3.3 der Fig. 4 dargestellt. Diese modellierte Rotationsorientierung kann anschließend über ein Anzeigegerät wie z.B. einen Bildschirm angezeigt werden. For this purpose, the processor 20 can calculate a mean square deviation, for example. The processor 20 uses the algorithmically calculated data points to model a rotational orientation, as shown in step 3.3 of FIG. This modeled rotational orientation can then be displayed via a display device such as a screen.
In Fig. 5 ist ein Flussdiagramm von Verfahrensschritten gemäß einer fünften Ausführungsform gezeigt. Das in Fig. 5 dargestellte Verfahren kann dabei als Kombination der Verfahren aus den Figuren 3 und 4 verstanden werden und umfasst im Wesentlichen alle offenbarten Schritte des beanspruchten Verfahrens. Das Verfahren gemäß der in Fig. 5 gezeigten Ausführungsform mitsamt den Schritten S1 bis S3 sowie mit allen Vor-, Anschluss- und Zwischenschritten hat sich als besonders effizient erwiesen, weil es die im Einzelnen beschriebenen Schritte auf derartige Weise miteinander verknüpft, dass sich die Rotationsorientierung der im Patienten implantierten Elektrode mit besonders hoher Genauigkeit bestimmen lässt. Das Verfahren ist dabei selbst unter Verwendung aller Schritte frei von jeglicher Strahlungsbelastung für den Patienten. In Fig. 6a ist in perspektivischer Ansicht eine beispielhafte Elektrode 10, die zur Implantation in ein Gewebe (vorzugsweise ins Gehirn) eines Patienten geeignet ist. Fig. 6b zeigt dieselbe Elektrode 10 im Querschnitt. Die gezeigte Elektrode 10 ist eine direktionale Elektrode 10 und als solche in der Lage elektrische Impulse in eine bestimmte Richtung abzugeben, anstatt ungerichtet in alle Richtungen. Gemäß dem in Fig. 6a, b gezeigten Beispiel ist die Elektrode 10 außerdem eine Kabelelektrode 10 mit einem zylindrischen und elongierten Körper 12, auf welchem im vorliegenden Fall acht Kontakte 10a, 10b und 11 a-f angeordnet sind. Die Kontakte umfassen zwei nicht-direktionale ringförmige Kontakte 10a, 10b sowie sechs direktionale Kontakte 11 a-f. Dabei handelt es sich bei den direktionalen Kontakten 11 a-f um zwei Gruppen (11a-c und 11 d-f) aus je drei teilumlaufende segmentierte Kontakte, von denen jedes Segment ca. 120° des Kreisumfangs der Elektrode 10 umläuft. Kontaktfreie Stellen oder Abschnitte der Elektrode 10 können aus einem elektrisch nichtleitfähigen Material hergestellt sein. Üblicherweise umfasst eine derartige Elektrode auch einen Orientierungsmarker (häufig ein CT-Marker), um die Rotationsorientierung der Elektrode im jeweiligen Gewebe eines Patienten mit herkömmlichen Verfahren nachvollziehen zu können. Gemäß dem in Fig. 6a, b gezeigten Beispiel ist kein Marker abgebildet, wobei eine derartige oder damit vergleichbare Struktur für das erfindungsgemäße Verfahren ohnehin nicht länger benötigt wird. FIG. 5 shows a flow chart of method steps according to a fifth embodiment. The method shown in FIG. 5 can be understood as a combination of the methods from FIGS. 3 and 4 and essentially includes all disclosed steps of the claimed method. The method according to the embodiment shown in FIG. 5, together with steps S1 to S3 and with all the preliminary, subsequent and intermediate steps, has proven to be particularly efficient because it links the steps described in detail with one another in such a way that the rotational orientation of the electrode implanted in the patient can be determined with particularly high accuracy. Even if all steps are used, the method is free of any radiation exposure for the patient. FIG. 6a shows a perspective view of an exemplary electrode 10 suitable for implantation in tissue (preferably the brain) of a patient. 6b shows the same electrode 10 in cross section. The electrode 10 shown is a directional electrode 10 and as such is capable of delivering electrical impulses in a specific direction rather than omnidirectionally. According to the example shown in FIGS. 6a, b, the electrode 10 is also a cable electrode 10 with a cylindrical and elongated body 12, on which eight contacts 10a, 10b and 11af are arranged in the present case. The contacts include two non-directional annular contacts 10a, 10b and six directional contacts 11af. The directional contacts 11 af are two groups (11a-c and 11df) each consisting of three partially circumferential segmented contacts, each segment of which extends approximately 120° of the circumference of the electrode 10 . Non-contact areas or portions of the electrode 10 may be made of an electrically non-conductive material. Such an electrode usually also includes an orientation marker (often a CT marker) in order to be able to understand the rotational orientation of the electrode in the respective tissue of a patient using conventional methods. According to the example shown in FIGS. 6a, b, no marker is shown, with such a structure or a structure comparable thereto no longer being required anyway for the method according to the invention.
Im Falle der beispielhaft gezeigten Kabelelektrode 10 wird die Rotationsorientierung allgemein durch die Richtung eines Vektors V beschrieben werden, der senkrecht zu einer Längsachse A der Elektrode 10 nach außen zeigt. Der rechte Winkel, in dem der Vektor V zur Längsrichtung A der Elektrode 10 verläuft, ist in Fig. 6 als Winkel a bezeichnet. In the case of the cable electrode 10 shown by way of example, the rotational orientation will generally be described by the direction of a vector V pointing outward perpendicular to a longitudinal axis A of the electrode 10 . The right angle at which the vector V runs to the longitudinal direction A of the electrode 10 is denoted as angle a in FIG.
Die Erfindung ist nicht auf eine der vorbeschriebenen Ausführungsformen beschränkt, sondern in vielfältiger Weise abwandelbar. The invention is not limited to one of the embodiments described above, but can be modified in many ways.
Sämtliche aus den Ansprüchen, der Beschreibung und der Zeichnung hervorgehenden Merkmale und Vorteile, einschließlich konstruktiver Einzelheiten und Verfahrensschritte, können sowohl für sich als auch in den verschiedensten Kombinationen erfindungswesentlich sein. Insbesondere sind die möglichen Kombinationen der einzelnen Verfahrensschritte nicht auf die beispielhaft gezeigten Verfahrensschritte beschränkt. Bezugszeichen liste All of the features and advantages resulting from the claims, the description and the drawing, including structural details and method steps, can be essential to the invention both on their own and in a wide variety of combinations. In particular, the possible combinations of the individual method steps are not limited to the method steps shown as examples. reference list
S Schritt S step
10 Elektrode 10 electrode
10a erster ringförmiger Kontakt 10a first annular contact
10b zweiter ringförmiger Kontakt 10b second annular contact
11 a-f segmentierte Kontakte 11 a-f segmented contacts
12 Körper 12 bodies
13 Elektrodenspitze 13 electrode tip
20 Prozessor 20 processor
A Längsachse A longitudinal axis
V Vektor a Winkel V vector a angle
Claims
Applications Claiming Priority (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| DE102020130079.4 | 2020-11-13 | ||
| DE102020130079.4A DE102020130079A1 (en) | 2020-11-13 | 2020-11-13 | Method and system for determining the rotational orientation of an electrode implanted in a patient |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| WO2022100925A1 true WO2022100925A1 (en) | 2022-05-19 |
Family
ID=78078242
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| PCT/EP2021/077069 Ceased WO2022100925A1 (en) | 2020-11-13 | 2021-10-01 | Method and system for ascertaining the rotational orientation of an electrode implanted in a patient |
Country Status (2)
| Country | Link |
|---|---|
| DE (1) | DE102020130079A1 (en) |
| WO (1) | WO2022100925A1 (en) |
Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2017040573A1 (en) | 2015-09-01 | 2017-03-09 | Boston Scientific Neuromodulation Corporation | Detection of lead orientation |
| WO2017158604A1 (en) * | 2016-03-14 | 2017-09-21 | Alpha Omega Neuro Technologies Ltd. | Brain navigation lead |
| EP3376960A1 (en) | 2017-01-24 | 2018-09-26 | Brainlab AG | Determining rotational orientation of a deep brain stimulation electrode in a three-dimensional image |
| US20190069797A1 (en) * | 2015-05-10 | 2019-03-07 | Alpha Omega Neuro Technologies Ltd. | Brain navigation lead |
Family Cites Families (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US20040049121A1 (en) | 2002-09-06 | 2004-03-11 | Uri Yaron | Positioning system for neurological procedures in the brain |
| CN101836862B (en) | 2009-03-16 | 2014-03-26 | 上海微创医疗器械(集团)有限公司 | Three-dimensional mapping method of human chamber inner wall and equipment and system thereof |
| DE102014110457A1 (en) | 2014-07-24 | 2016-01-28 | Biotronik Ag | Catheter system for implantation of a body part replacement and method for determining the position thereof |
-
2020
- 2020-11-13 DE DE102020130079.4A patent/DE102020130079A1/en active Pending
-
2021
- 2021-10-01 WO PCT/EP2021/077069 patent/WO2022100925A1/en not_active Ceased
Patent Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US20190069797A1 (en) * | 2015-05-10 | 2019-03-07 | Alpha Omega Neuro Technologies Ltd. | Brain navigation lead |
| WO2017040573A1 (en) | 2015-09-01 | 2017-03-09 | Boston Scientific Neuromodulation Corporation | Detection of lead orientation |
| WO2017158604A1 (en) * | 2016-03-14 | 2017-09-21 | Alpha Omega Neuro Technologies Ltd. | Brain navigation lead |
| EP3376960A1 (en) | 2017-01-24 | 2018-09-26 | Brainlab AG | Determining rotational orientation of a deep brain stimulation electrode in a three-dimensional image |
Non-Patent Citations (3)
| Title |
|---|
| MEVLÜT YALAZ ET AL: "DBS electrode localization and rotational orientation detection using SQUID-based magnetoencephalography", JOURNAL OF NEURAL ENGINEERING, INSTITUTE OF PHYSICS PUBLISHING, BRISTOL, GB, vol. 18, no. 2, 2 March 2021 (2021-03-02), pages 26021, XP020365364, ISSN: 1741-2552, [retrieved on 20210302], DOI: 10.1088/1741-2552/ABE099 * |
| OSWAL ASHWINI ET AL: "Analysis of simultaneous MEG and intracranial LFP recordings during Deep Brain Stimulation: a protocol and experimental validation", JOURNAL OF NEUROSCIENCE METHODS, ELSEVIER SCIENCE PUBLISHER B.V., AMSTERDAM, NL, vol. 261, 14 December 2015 (2015-12-14), pages 29 - 46, XP029410711, ISSN: 0165-0270, DOI: 10.1016/J.JNEUMETH.2015.11.029 * |
| YALAZ MEVLUT ET AL: "The Magnetic Properties of Electrical Pulses Delivered by Deep-Brain Stimulation Systems", IEEE TRANSACTIONS ON INSTRUMENTATION AND MEASUREMENT, IEEE, USA, vol. 69, no. 7, 10 October 2019 (2019-10-10), pages 4303 - 4313, XP011791882, ISSN: 0018-9456, [retrieved on 20200609], DOI: 10.1109/TIM.2019.2945744 * |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| DE102020130079A1 (en) | 2022-05-19 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US10067659B2 (en) | Systems and methods for determining orientation of an implanted lead | |
| EP1269913B1 (en) | Device for transcranial magnetic stimulation and cortical cartography | |
| US9307925B2 (en) | Methods and systems for generating electrical property maps of biological structures | |
| JP6932835B2 (en) | Systems and methods for estimating the clinical effects of electrical stimulation | |
| EP1273320B1 (en) | Apparatus for transcranial magnetic stimulation | |
| DE102011076885B4 (en) | Method for controlling a medical device, device with a medical device and data carrier | |
| DE69736811T2 (en) | METHOD AND DEVICE FOR LOCATING CORTICAL LINKS | |
| DE10248316A1 (en) | Method and device for calculating the dose of a magnetic stimulation | |
| US12471831B2 (en) | Systems and methods for generating and using response maps for electrical stimulation | |
| DE102007037103A1 (en) | Method and apparatus for visualizing functional and electrical activities of the brain | |
| Gomez-Tames et al. | Intraoperative direct subcortical stimulation: comparison of monopolar and bipolar stimulation | |
| DE112019006289T5 (en) | DEVICE AND METHOD FOR CONTROLLING THE EMISSION OF RADIATION BASED ON CAPACITIVE MONITORING OF RESPIRATORY MOVEMENT | |
| DE112021006766T5 (en) | TRACKING THE POSITION OF AN INTERVENTION DEVICE | |
| EP1270043B1 (en) | Method and device for transcranial magnetic stimulation and cortical cartography | |
| WO2022100925A1 (en) | Method and system for ascertaining the rotational orientation of an electrode implanted in a patient | |
| Canna et al. | Brain fMRI during orientation selective epidural spinal cord stimulation | |
| EP1620179B1 (en) | Detection and influencing of physiological and/or pathological states | |
| DE10340002B3 (en) | Positioning device for positioning a patient | |
| DE112021003236T5 (en) | MRI-INDUCED NERVE STIMULATION AS A MEANS OF COMMUNICATION WITH PATIENTS | |
| DE112021006710T5 (en) | QUALITY MEASURE FOR A MAPPING FUNCTION | |
| Yalaz et al. | Determining the rotational orientation of directional deep brain stimulation electrodes using magnetoencephalography | |
| EP1504790B1 (en) | Apparatus for calculating an energy amount for brain stimulation | |
| EP1563870B1 (en) | Method for planning the stimulation of hyper/hypometabolic cortex areas | |
| DE102015206450A1 (en) | Method for the computer-aided processing of action potentials of the human or animal body measured with a plurality of electrodes | |
| DE102023104761B3 (en) | Non-invasive neurostimulation device and surgical device |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| 121 | Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application |
Ref document number: 21786439 Country of ref document: EP Kind code of ref document: A1 |
|
| NENP | Non-entry into the national phase |
Ref country code: DE |
|
| 122 | Ep: pct application non-entry in european phase |
Ref document number: 21786439 Country of ref document: EP Kind code of ref document: A1 |