Early Deformation of Deep Brain Stimulation Electrodes Following Surgical Implantation: Intracranial, Brain, and Electrode Mechanics

IntroductionAlthough deep brain stimulation is nowadays performed worldwide, the biomechanical aspects of electrode implantation received little attention, mainly as physicians focused on the medical aspects, such as the optimal indication of the surgical procedure, the positive and adverse effects, and the long-term follow-up. We aimed to describe electrode deformations and brain shift immediately after implantation, as it may highlight our comprehension of intracranial and intracerebral mechanics.Materials and MethodsSixty electrodes of 30 patients suffering from severe symptoms of Parkinson’s disease and essential tremor were studied. They consisted of 30 non-directional electrodes and 30 directional electrodes, implanted 42 times in the subthalamus and 18 times in the ventrolateral thalamus. We computed the x (transversal), y (anteroposterior), z (depth), torsion, and curvature deformations, along the electrodes from the entrance point in the braincase. The electrodes were modelized from the immediate postoperative CT scan using automatic voxel thresholding segmentation, manual subtraction of artifacts, and automatic skeletonization. The deformation parameters were computed from the curve of electrodes using a third-order polynomial regression. We studied these deformations according to the type of electrodes, the clinical parameters, the surgical-related accuracy, the brain shift, the hemisphere and three tissue layers, the gyration layer, the white matter stem layer, and the deep brain layer (type I error set at 5%).ResultsWe found that the implanted first hemisphere coupled to the brain shift and the stiffness of the type of electrode impacted on the electrode deformations. The deformations were also different according to the tissue layers, to the electrode type, and to the first-hemisphere-brain-shift effect.ConclusionOur findings provide information on the intracranial and brain biomechanics and should help further developments on intracerebral electrode design and surgical issues

Conception d’un dispositif neurochirurgical robotisé à base de matériaux actifs pour le suivi de trajectoire courbe

The goal of this thesis is to answer the following problem: To follow curved trajectories in the brain, in order to perform various neurosurgical operations. To answer this question, it is necessary to develop a robotic device able to progress in the brain, while meeting the constraints of neurosurgery.The first step is to define the constraints related to neurosurgery, as well as the objectives to be achieved. This leads to the definition of a list of requirements. To complete this list, it is necessary to answer another problem, that of defining the notion of curved trajectory in neurosurgery and to characterize a desired typical trajectory.An algorithm of generation of curved trajectories for neurosurgery, based on the use of Bézier curves, by integrating the operator and his knowledge is developed. Once the typical trajectory is created and validated by the surgeon, it is defined, thanks to the presetend criteria that we have established. These criteria were then transferred to the list of requirements to complete it.A bibliographical study about the materials qualified as active or intelligent materials is presented. The reflection allowing to choose the material allowing to answer in the best to the problematic and to the requirements.A second bibliographical study concerning the manufacturing of IPMCs is exposed, and leads to the design and the implementation of the manufacturing process. This manufacturing process is divided into two main steps, the shaping of the polymer by 3D printing and the creation of electrodes by electroless plating method. This process has allowed the production of several actuators of cylindrical shape. Locks remain to be solved to allow the actuation of the IPMCs manufactured.Even if some locks are still present, the preliminary results obtained are promising. A collaboration with specialists, in particular in chemistry, should lead to the production of functional actuators and so of the designed prototype.L’objectif de ces travaux de thèse est de répondre à la problématique suivante : Suivre des trajectoires courbes dans le cerveau, dans l’objectif de réaliser diverses opérations de neurochirurgie. Pour répondre à cela il est nécessaire de développer un dispositif robotisé capable de progresser dans le cerveau, tout en respectant les contraintes de la neurochirurgie.La première étape consiste à définir les contraintes liées à la neurochirurgie, ainsi que les objectifs à atteindre. Cela amène à la définition d’une liste des exigences. Pour compléter cette liste, il est nécessaire de répondre à une autre problématique, celle de définir la notion de trajectoire courbe en neurochirurgie et de caractériser une trajectoire type désirée.Un algorithme de génération de trajectoire courbe pour la neurochirurgie, basé sur l’utilisation de courbes de Bézier, en intégrant l’opérateur et son savoir dans le tracé, est développé. Une fois la trajectoire type créée et validée par le chirurgien, elle est définie, grâce à des critères que nous avons établis. Ces critères ont ensuite été reportés dans la liste des exigences afin de la compléter.Une étude bibliographique sur les matériaux dits actifs ou intelligents est présentée. La réflexion permettant de choisir le matériau permettant de répondre au mieux à la problématique et aux exigences posées.Une deuxième étude bibliographique sur la fabrication des IPMCs est exposée, et aboutit à la création ainsi qu’à la mise en place du procédé de fabrication. Ce procédé de fabrication se divisent en deux grandes étapes, la mise en forme du polymère par impression 3D et la création des électrodes par electroless plating method. Ce procédé a permis la production de plusieurs actionneurs de formes cylindrique. Des verrous restent à résoudre pour débloquer l’actionnement des IPMCs produits.Même si des verrous sont encore présents, les résultats obtenus sont prometteurs. Une collaboration avec des spécialistes, notamment en chimie, devrait conduire à la production d’actionneurs fonctionnelles et donc du prototype conçu

Design of a robotic neurosurgical device based on active materials for curved trajectory tracking

L’objectif de ces travaux de thèse est de répondre à la problématique suivante : Suivre des trajectoires courbes dans le cerveau, dans l’objectif de réaliser diverses opérations de neurochirurgie. Pour répondre à cela il est nécessaire de développer un dispositif robotisé capable de progresser dans le cerveau, tout en respectant les contraintes de la neurochirurgie.La première étape consiste à définir les contraintes liées à la neurochirurgie, ainsi que les objectifs à atteindre. Cela amène à la définition d’une liste des exigences. Pour compléter cette liste, il est nécessaire de répondre à une autre problématique, celle de définir la notion de trajectoire courbe en neurochirurgie et de caractériser une trajectoire type désirée.Un algorithme de génération de trajectoire courbe pour la neurochirurgie, basé sur l’utilisation de courbes de Bézier, en intégrant l’opérateur et son savoir dans le tracé, est développé. Une fois la trajectoire type créée et validée par le chirurgien, elle est définie, grâce à des critères que nous avons établis. Ces critères ont ensuite été reportés dans la liste des exigences afin de la compléter.Une étude bibliographique sur les matériaux dits actifs ou intelligents est présentée. La réflexion permettant de choisir le matériau permettant de répondre au mieux à la problématique et aux exigences posées.Une deuxième étude bibliographique sur la fabrication des IPMCs est exposée, et aboutit à la création ainsi qu’à la mise en place du procédé de fabrication. Ce procédé de fabrication se divisent en deux grandes étapes, la mise en forme du polymère par impression 3D et la création des électrodes par electroless plating method. Ce procédé a permis la production de plusieurs actionneurs de formes cylindrique. Des verrous restent à résoudre pour débloquer l’actionnement des IPMCs produits.Même si des verrous sont encore présents, les résultats obtenus sont prometteurs. Une collaboration avec des spécialistes, notamment en chimie, devrait conduire à la production d’actionneurs fonctionnelles et donc du prototype conçu.The goal of this thesis is to answer the following problem: To follow curved trajectories in the brain, in order to perform various neurosurgical operations. To answer this question, it is necessary to develop a robotic device able to progress in the brain, while meeting the constraints of neurosurgery.The first step is to define the constraints related to neurosurgery, as well as the objectives to be achieved. This leads to the definition of a list of requirements. To complete this list, it is necessary to answer another problem, that of defining the notion of curved trajectory in neurosurgery and to characterize a desired typical trajectory.An algorithm of generation of curved trajectories for neurosurgery, based on the use of Bézier curves, by integrating the operator and his knowledge is developed. Once the typical trajectory is created and validated by the surgeon, it is defined, thanks to the presetend criteria that we have established. These criteria were then transferred to the list of requirements to complete it.A bibliographical study about the materials qualified as active or intelligent materials is presented. The reflection allowing to choose the material allowing to answer in the best to the problematic and to the requirements.A second bibliographical study concerning the manufacturing of IPMCs is exposed, and leads to the design and the implementation of the manufacturing process. This manufacturing process is divided into two main steps, the shaping of the polymer by 3D printing and the creation of electrodes by electroless plating method. This process has allowed the production of several actuators of cylindrical shape. Locks remain to be solved to allow the actuation of the IPMCs manufactured.Even if some locks are still present, the preliminary results obtained are promising. A collaboration with specialists, in particular in chemistry, should lead to the production of functional actuators and so of the designed prototype

Conception d’un dispositif neurochirurgical robotisé à base de matériaux actifs pour le suivi de trajectoire courbe

The goal of this thesis is to answer the following problem: To follow curved trajectories in the brain, in order to perform various neurosurgical operations. To answer this question, it is necessary to develop a robotic device able to progress in the brain, while meeting the constraints of neurosurgery.The first step is to define the constraints related to neurosurgery, as well as the objectives to be achieved. This leads to the definition of a list of requirements. To complete this list, it is necessary to answer another problem, that of defining the notion of curved trajectory in neurosurgery and to characterize a desired typical trajectory.An algorithm of generation of curved trajectories for neurosurgery, based on the use of Bézier curves, by integrating the operator and his knowledge is developed. Once the typical trajectory is created and validated by the surgeon, it is defined, thanks to the presetend criteria that we have established. These criteria were then transferred to the list of requirements to complete it.A bibliographical study about the materials qualified as active or intelligent materials is presented. The reflection allowing to choose the material allowing to answer in the best to the problematic and to the requirements.A second bibliographical study concerning the manufacturing of IPMCs is exposed, and leads to the design and the implementation of the manufacturing process. This manufacturing process is divided into two main steps, the shaping of the polymer by 3D printing and the creation of electrodes by electroless plating method. This process has allowed the production of several actuators of cylindrical shape. Locks remain to be solved to allow the actuation of the IPMCs manufactured.Even if some locks are still present, the preliminary results obtained are promising. A collaboration with specialists, in particular in chemistry, should lead to the production of functional actuators and so of the designed prototype.L’objectif de ces travaux de thèse est de répondre à la problématique suivante : Suivre des trajectoires courbes dans le cerveau, dans l’objectif de réaliser diverses opérations de neurochirurgie. Pour répondre à cela il est nécessaire de développer un dispositif robotisé capable de progresser dans le cerveau, tout en respectant les contraintes de la neurochirurgie.La première étape consiste à définir les contraintes liées à la neurochirurgie, ainsi que les objectifs à atteindre. Cela amène à la définition d’une liste des exigences. Pour compléter cette liste, il est nécessaire de répondre à une autre problématique, celle de définir la notion de trajectoire courbe en neurochirurgie et de caractériser une trajectoire type désirée.Un algorithme de génération de trajectoire courbe pour la neurochirurgie, basé sur l’utilisation de courbes de Bézier, en intégrant l’opérateur et son savoir dans le tracé, est développé. Une fois la trajectoire type créée et validée par le chirurgien, elle est définie, grâce à des critères que nous avons établis. Ces critères ont ensuite été reportés dans la liste des exigences afin de la compléter.Une étude bibliographique sur les matériaux dits actifs ou intelligents est présentée. La réflexion permettant de choisir le matériau permettant de répondre au mieux à la problématique et aux exigences posées.Une deuxième étude bibliographique sur la fabrication des IPMCs est exposée, et aboutit à la création ainsi qu’à la mise en place du procédé de fabrication. Ce procédé de fabrication se divisent en deux grandes étapes, la mise en forme du polymère par impression 3D et la création des électrodes par electroless plating method. Ce procédé a permis la production de plusieurs actionneurs de formes cylindrique. Des verrous restent à résoudre pour débloquer l’actionnement des IPMCs produits.Même si des verrous sont encore présents, les résultats obtenus sont prometteurs. Une collaboration avec des spécialistes, notamment en chimie, devrait conduire à la production d’actionneurs fonctionnelles et donc du prototype conçu

A Minireview on Brain Models Simulating Geometrical, Physical, and Biochemical Properties of the Human Brain

International audienceThere is a growing body of evidences that brain surrogates will be of great interest for researchers and physicians in the medical field. They are currently mainly used for education and training purposes or to verify the appropriate functionality of medical devices. Depending on the purpose, a variety of materials have been used with specific and accurate mechanical and biophysical properties, More recently they have been used to assess the biocompatibility of implantable devices, but they are still not validated to study the migration of leaching components from devices. This minireview shows the large diversity of approaches and uses of brain phantoms, which converge punctually. All these phantoms are complementary to numeric models, which benefit, reciprocally, of their respective advances. It also suggests avenues of research for the analysis of leaching components from implantable devices

Методологія вибору розумного матеріалу як привода в нейрохірургічній робототехніці

Так звані інвазивні нейрохірургічні роботи, тобто ті, що проникають всередину мозку пацієнта, розроблені, щоб допомогти хірургу дістатися до оброблених ділянок, просуваючись по шляхах, які не обов’язково прямолінійні. Специфіка втручань у мозок порівняно із більш загальною медичною робототехнікою полягає в тому, що розроблені системи повинні рухатись у речовині гетерогенного органу, мінімізуючи тиск та пошкодження, що здійснюються для збереження органічних функцій пацієнта. Використання розумних матеріалів, активно реагуючи на зовнішні подразники, є перспективним способом активізації цих систем. Однак існує велика різноманітність матеріалів, які апріорі можуть бути використані. Визначення методології оцінювання цих матеріалів на основі клінічного досвіду нейрохірурга є важливим кроком до проектування інвазивних нейрохірургічних роботів. Метою роботи є аналіз і обґрунтування на основі методології досвіду застосування розумних матеріалів. У цій статті формалізовано вимоги, що випливають з нейрохірургічного клінічного досвіду. Потім ці вимоги використовують для вибору розумних матеріалів з високим потенціалом. Встановлено критерії вибору розумного матеріалу, з якого в майбутньому можна буде розробляти роботизовану систему. За технічними характеристиками багато матеріалів відпали, зокрема такі, що використовують тепло, оскільки більшість з них працюють при температурі 70°C або більше. Матеріали, що активуються світлом, також були виключені через час реагування, що складав більше кількох секунд. Приводи пневматичного типу, коливання об’єму та витік яких можуть спричинити пошкодження мозку, теж не підходять для такого застосування. Ті, що базуються на рідких матеріалах або діють за допомогою кислотно-основних або окисно-відновних реакцій, не можуть бути використані для цієї мети через ризик витоку та взаємодії з речовиною мозку. Для матеріалів з магнітним приводом проблема полягає в необхідному високому значенні величини магнітного поля, від 0,5 до 1,5 Тл. Для привода запропоновано застосовувати матеріали, що використовують різницю потенціалів, серед яких перспективним кандидатом є іонні полімерно-металеві композитиIn this article we define the criteria and present the methodology to choose a smart material in order to actuate a soft neurosurgery robot. These criteria are defined with the experience of a neurosurgeo

Early Deformation of Deep Brain Stimulation Electrodes Following Surgical Implantation: Intracranial, Brain, and Electrode Mechanics: Electrodes and Brain Biomechanics

The Supplementary Material for this article can be found online at: https://www.frontiersin.org/articles/10.3389/fbioe.2021.657875/full#supplementary-materialInternational audienceIntroduction: Although deep brain stimulation is nowadays performed worldwide, the biomechanical aspects of electrode implantation received little attention, mainly as physicians focused on the medical aspects, such as the optimal indication of the surgical procedure, the positive and adverse effects, and the long-term follow-up. We aimed to describe electrode deformations and brain shift immediately after implantation, as it may highlight our comprehension of intracranial and intracerebral mechanics.Materials and Methods: Sixty electrodes of 30 patients suffering from severe symptoms of Parkinson’s disease and essential tremor were studied. They consisted of 30 non-directional electrodes and 30 directional electrodes, implanted 42 times in the subthalamus and 18 times in the ventrolateral thalamus. We computed the x (transversal), y (anteroposterior), z (depth), torsion, and curvature deformations, along the electrodes from the entrance point in the braincase. The electrodes were modelized from the immediate postoperative CT scan using automatic voxel thresholding segmentation, manual subtraction of artifacts, and automatic skeletonization. The deformation parameters were computed from the curve of electrodes using a thirdorder polynomial regression. We studied these deformations according to the type of electrodes, the clinical parameters, the surgical-related accuracy, the brain shift, the hemisphere and three tissue layers, the gyration layer, the white matter stem layer, andthe deep brain layer (type I error set at 5%).Results: We found that the implanted first hemisphere coupled to the brain shift and the stiffness of the type of electrode impacted on the electrode deformations. The deformations were also different according to the tissue layers, to the electrode type, and to the first-hemisphere-brain-shift effect.Conclusion: Our findings provide information on the intracranial and brain biomechanics and should help further developments on intracerebral electrode design and surgical issues