1) O documento discute técnicas avançadas de planejamento em neurocirurgia funcional utilizando o sistema MNPS, incluindo registro baseado em pontos anatômicos, identificação de estruturas cerebrais, representação de alvos e eletrodos. 2) É apresentado o sistema de coordenadas comissurais utilizado pelo MNPS para movimentar o cursor a locais específicos do cérebro e a simulação do campo elétrico gerado por eletrodos DBS. 3) Novos recursos são descritos como

1. Curso de Atualização e Técnicas Avançadas em
MNPS – 2019 (ver 10.36.07)
Planejamento de Neurocirurgia Funcional
Armando Alaminos Bouza.
Físico-Médico
Equipe de desenvolvimento do MNPS/CAT3D
Mevis Informática Médica LTDA. Brasil
São Paulo. 28-30, Agosto de 2018

2. -Registro baseado em pontos: AC, PC, IHP.
-Reformatar CT/MRI para ficar paralelo a mapas dos atlas.
-Sistema de coordenada comissural.
-Identificação da estrutura do atlas que contém o cursor do mouse.
-Alvos baseados em coordenadas das comissuras.
-Mapas sobre CT, atlas com MRI fundida a CT.
-Representação gráfica dos modelos mais comuns de eletrodos (DBS).
-Modelo de campo elétrico e VTA criado pelos DBS.
Tradicionalmente o pré-planejamento de procedimentos de
neurocirurgia funcional com alvo nos gânglios da base é feito dentro de
um espaço estereotáxico e com mapas criados para vincular núcleos e
estruturas com coordenadas cartesianas.
O MNPS tem diversos recursos orientados especificamente às
necessidades da neurocirurgia funcional e estereotáxica.
Com a introdução do modo “Virtual Fiducials” é importante entender e
poder utilizar o sistema de coordenadas comissurais, inclusive para
procedimentos fora da área de funcional.

3. O modelo de registro Atlas-cérebro é baseado em pontos de referência.
A literatura clássica de neurocirurgia funcional é unânime na utilização dos pontos :
AC – comissura anterior (anterior commissure )
PC – comissura posterior (posterior commissure)
Esta informação geométrica é insuficiente para um registro 3D completo.
Necessitamos um ponto a mais.
A linha AC-PC define a rotação em torno dos eixos Z e X. Falta definir a rotação em
torno do eixo Y.
Desde 1992 (na época o nome do sistema era NSPS) introduzimos o ponto IHP
(inter-hemispheric point). Ele marca um ponto no plano central sagital (mid sagittal
plane) que define um triângulo com vértices AC-PC-IHP .
Estes três pontos permitem registrar os mapas estereotáxicos no cérebro do paciente.
O MNPS somente habilita os mapas após a criação dos POIs AC, PC, IHP.
Note que o triângulo formado por AC-PC-IHP não pode ter área zero (0.0). Por isso
recomendamos que os lados AC-PC e PC-IHP formem ângulo próximo a 90 graus.

4. Atlas clássicos de neurocirurgia funcional.
Existem trabalhos recentes com novidades na histologia, largura dos cortes
e conservação da arquitetura, um deles está em desenvolvimento na USP.
Note que mapas de atlas diferentes apresentam discrepâncias entre eles,
pois foram criados a partir de modelos (cadáveres) diferentes. Mapas de
planos diferentes, dentro do mesmo atlas, também são diferentes! O Morel
tem correções neste sentido (atlas canônico), ainda assim cada plano é
diferente dos outros (Niemann et.al., Acta Neurochir. 1994)
Outra idéia moderna são os atlas funcionais probabilísticos. Um deles é o
LPBA40, que depois discutiremos.

5. Como fixar AC, PC, IHP ( 1 )
IHP baixo

6. Como definir AC, PC, IHP (2)
IHP alto

7. z
X
Y
MCP = (0,0,0)Tomado de: “Neurofunctional Systems: 3D Reconstructions with
Correlated Neuroimaging”. By Hans-Joachim Kretschmann,
Wolfgang Weinrich, Wolfram Fiekert
Sistema de coordenadas comissurais.
Coordenadas comissurais são um sistema cartesiano que tem como base os
pontos AC e PC. No MNPS a origem do sistema está no ponto médio inter-
comissural.

8. Depois de criar os POIs AC, PC e IHP, o MNPS passa a
reportar as coordenadas comissurais da posição do
cursor.

9. Mapas registrados sobre a CT estereotáxica e a MRI fundida: O MNPS contém mapas
digitais baseados na arquitetura de atlas clássicos. Utilizamos uma representação
interna vetorial que permite escalar e deformar os mapas.
Schaltenbrand - Wahren

10. Atlas Menu : Onde está o cursor ?
Para abrir “Atlas Menu” <CTRL-F6> ou click em “?”
Até a versão 10.33.03 este era o único recurso para identificar um núcleo
no mapa ativo da janela principal.

11. Atlas Menu : Onde está o cursor ?
Mapa coronal
Até a versão 10.33.03 este era o único recurso para identificar um núcleo no
mapa ativo da janela principal.

12. Na versão 10.33.04 o MNPS passou a informar continuamente o núcleo sobre o
qual está o cursor. A informação está no título da janela (“caption of window”)

13. Ajuste fino dos mapas.
NOTA: Versões anteriores do MNPS não guardavam estes parámetros de ajuste.
Na versão 7.36.6 e posteriores os ajustes são salvos no plano.

14. Mapas de Morel registrados no “template” do LPBA40.
Os mapas laterais correspondem ao Morel brain Hb1.

15. Propostas de alvos comuns na neurocirurgia funcional.
Cinco alvos estão pré-configurados no MNPS

16. Além dos alvos pré-configurados o usuário pode criar outros, segundo as
suas preferências pessoais.
Para isso deve editar o arquivo MNPS.INI, pode ser com o editor ASCII
NotePad. Cada alvo no início de uma linha. A sintaxe é:
FUNCT_TARGET = Xc Yc Zc name_target
Onde “FUNCT_TARGET” é uma palavra chave, Xc, Yc, e Zc são as
coordenadas do alvo no sistema comissural. Por último “name_target” é
o nome do alvo.
Exemplo:
FUNCT_TARGET = 5.2 9.6 -7.5 Fx-hT
Representando a mediana das coordenadas utilizadas para estimular
região do fornix segundo: “Bilateral deep brain stimulation of the fornix
for Alzheimer’s disease: surgical safety in the Advance trial”, Journal of
Neurosurgery December 18, 2015.

17. Agora temos um novo alvo criado pelo usuário via o arquivo MNPS.INI:
Axial Coronal

18. O máximo número de alvos que o MNPS suporta são 64. Como ele já
vem préconfigurado com 5, o usuário pode definir somente 59 alvos no
arquivo MNPS.INI, usando a sintaxe:
FUNCT_TARGET = Xc Yc Zc name_target
Lembre que, embora o nome do alvo (name_target ) possa tolerar até
32 char, o POI que gera o MNPS para os alvos está limitado a 8 char. O
nome longo aparece no menu de seleção dos alvos, porém o POI criado
será truncado.

19. Existem críticas ao uso de targets guiados exclusivamente por atlas de
estereotaxia. Atlas são baseados na anatomia de um modelo, não devem
ser aplicado sem ajustes ao paciente. Os defensores do “target direto”
baseado apenas em imagens, geralmente MRI, devem também ser
cuidadosos. Tomemos como exemplo o STn.
AJNR Am J Neuroradiol25:1516–1523,
October 2004

20. Dormont Didier., et.al., AJNR Am J Neuroradiol 25:1516–1523, October 2004
Na lâmina Frontal, posterior 7 já a imagem T2 não apresenta hipodensidade, embora
ainda exista STn nessa região.
Considero que correlacionar os atlas clássicos de estereotaxia com as imagens do
paciente é uma boa prática para evitar erros criados por pecualiaridade das técnicas de
imagem ou desvios do paciente em relação ao atlas.

21. Como mover o cursor do MNPS a um ponto do
cérebro conhecidas suas coordenadas comissurais.
É possível achar na literatura referências de pontos de
interesse ou alvos da cirurgia funcional. Se o plano do
MNPS já tem definidos os POIs AC, PC e IHP o sistema
pode movimentar o cursor para as coordenadas Xc,Yc,Zc
de forma muito simples.
Com o comando do teclado <CTRL-X> ou pelo menu da
ajuda (F1) selecione “Goto Commissural XYZ”.

22. No exemplo mostrado, queremos
ir para 12.0 mm a direita, 1.5 mm
posterior a “mid commissural
point” e 2.5 mm caudal ao plano
horizontal AC-PC.
O MNPS fará pular o cursor até o
plano AC-PC horizontal Z=-2.5 e
para o pixels mais próximo do X,Y
solicitado.

23. Editor de POIs em modo comissural: Ativar com SHIFT +
Click no botão do editor de POIs

24. Mostrar núcleos de funcional na janela 3D

25. Click no botão < ? > (ajuda) da barra de ferramentas 3D ou, diretamente, tecla F6

26. Selecione os núcleos que deseja mostrar e o modo de apresentar, sólido ou arames

27. Resultados das apresentações dos núcleos em 3D
modo “wire-frame”
“solid”

28. Representação dos eletrodos DBS
No MNPS os DBS são vinculados a trajetórias. Vamos relembrar como criamos
trajetórias.
O botão indicado na barra de ferramentas inicia a criação de uma trajetória
entre um POI pré-existente e um novo POI que vamos criar. O novo POI é o
destino da trajetória.
(POI pré-existente)
Nome para novo POI destino

29. Caso o POI pré-existente seja “OUT” significa que vamos a criar a trajetória
baseada em ângulos alfa e beta. O novo POI sempre é o ponto distal ou mais
profundo.
beta
alfa

30. Ângulos alfa e beta da trajetória
Beta
Alfa

31. Outra forma de criar trajetórias. Com o editor de POIs.
Crie um POI para entrada e um POI para destino. Abra o editor de POIs. No campo
“FROM” do POI destino insira o nome do POI da entrada. No campo “Z-Bar”
seleciones a posição de fixar a barra Z para cada trajeto. Feche o editor com OK.

32. Como representar em forma precisa a localização dos
contatos ativos do DBS:
• O DBS tem que ser uma trajetória.
• A ponta do DBS tem que ser o destino da
trajetória.
• O nome do POI destino tem que incluir o carácter
* (asterísco). Ver exemplo

33. Como definir o modelo de DBS do plano.
Variante 1, Pelo menu da funcional:

34. Como definir o seu modelo de DBS (2).
No Menu inicial do MNPS ir a “Options” e selecionar “Set DBS Model”
Na janela que se abre selecione o modelo de DBS que irá implantar.
Na data desta aula o MNPS contém 9
modelos com geometria
implementada, dois de Medtronic, dois
da Saint Jude, dois da Boston e três
SceneRay. Outros serão adicionados na
medida que entrem no nosso mercado.

35. MNPS mostrando três modelos de DBS na janela 3D
Medtronic, 1.5 mm spacing - Boston Vercise, Directional - St. Jude 1.5 mm spacing

36. Representação do contato ativo em 2D. O corte que intercepta um contato tem todo
o diâmetro preenchido da cor cinza. Os cortes que não interceptam contatos
apresentam o diâmetro do DBS sem cor sólida.
Seguem dois exemplos em axial.
Região ativa Região passiva

37. Representação dos DBS sobre cortes 2D paralelos aos mesmos
Note que os contatos podem ser observados sobrepostos aos mapas.
(esta situação é extremamente inusual pois os DBS em geral são oblíquos em
relação aos planos segmentados nos atlas)

38. O “Probe-View” é a forma mais natural de apresentar os contatos sobre anatomia.
Mas para isso tem que ocultar os mapas, pois os atlas não paralelos aos planos do
Probe-View. (Atlas oculta ou mostra com F6)

39. Um novo módulo do MNPS permite simular a
distribuição do campo elétrico associado aos
parâmetros de programação dos DBS, dentro de certos
limites. Utiliza o método de elementos finitos (FEM),
quase-estático, considera tecido isotrópico.
Abrir o menu da funcional, <CTRL-F6>, e selecione “VTA
Switch” . Este switch liga e desliga o campo elétrico.

40. Caso já esteja com os eletrodos ativados e
pretenda mudar os parâmetros de programação
selecione “DBS: Parameters”
O tempo de cálculo varia com o número de
contatos ativos, o nível de zoom, a região que está
sendo mostrada e o poder da CPU instalada no PC.

41. Apresentação do campo elétrico sobre imagens 2D. Representa curvas de igual
módulo do vetor campo elétrico, ou seja |E|. As curvas dentro da área com
sombra vermelha estão dentro do “Volume Tissue Activation” (VTA).
A relação entre |E| e VTA está
baseada na literatura. Ver
referências no final.

42. Para apresentar o VTA em 3D, basta ter o campo elétrico
ativado e invocar a renderização 3D

43. Pode-se apresentar o VTA sobreposto a núcleos dos atlas, a tratos,
ROIs, etc. Neste caso mostramos o VTA sobreposto ao STn e
também mostramos o núcleo rubro.

44. Na versão presente do MNPS ainda não temos suporte para o DBS direcional da
Saint Jude. Mas podemos contornar o problema utilizando a geometria do DBS
direcional de Boston (praticamente idêntica) e utilizando uma tabela de cálculo
que criamos e podemos distribuir para todos. Esta tabela calcula corrente em cada
contato, entrando com corrente (mA) total e impedância (Z em Ohms) para cada
contato. Próxima versão do MNPS deve trazer suporte para Abbott Infinity.

45. Proposta e implementação de métricas para otimizar estimulação com DBS.
Algoritmo GACPC©.
Relacionar o VTA com o volume do núcleo ou subnúcleo alvo da estimulação.
Utilizar índices de similaridade tais como Paddick Conformity index (PC), Jaccard
index (JI) e Sørensen index (SI).

46. “Proposition of the GACPC© Algorithm for DBS to Optimize Nucleus Targeting and Postoperative
Programming”. Gallani, Nevair(1); Alaminos-Bouza, Armando(2); Carrondo-Cottin, Sylvine(3);
Prud’homme, Michel(3); Cantin, Léo(3); Aguiar, Paulo-Henrique(1). (2018)
(1) Hospital Santa Paula, São Paulo SP, Brazil. (2) Mevis Informatica, São Paulo SP, Brazil
(3) Laval University, Quebec QC, Canada.
GACPC Algorithm has authorship copyright.
Implementação do GACPC©
no Sistema MNPS

47. Registro e utilização de pontos kinestéticos no MNPS:
A ideia original deste recurso foi proposta pelo Dr. Mark Sedrak (Associate Clinical
Professor, Stanford University. Kaiser Permanente, Redwood City, CA). Mark também
forneceu os três conjuntos de pontos kinestéticos que podemos testar agora com o
MNPS.
Pontos kinestéticos coletados
pelo Dr. Mark Secrak em
trajetórias a STn e projetados
sobre o LPBA40.

48. Os pontos são coletados em arquivos de texto (ASCII), sempre com extensão
“.KPTS”.
Não podemos detalhar aqui a sintaxe destes arquivos. Apena mostramos
como exemplo as primeiras linhas do arquivo com trajetórias a STn:
YXZ,1, "Dr. Mark Sedrak"
0.065,-12.111,-0.135, 15, 50, 0, 0 ,255, Arm Adduction
-1.629,-11.053,-2.615,15, 50, 0, 0, 255, Arm Adduction
-1.890,-10.890,-2.997,15, 50, 0, 0, 255, Arm Adduction
-1.535,-13.210,-0.685,1, 50, 0, 0,255, Deltoid
....
Na primeira linha temos a ordem das coordenadas (no caso do Dr. Mark Sedrak,
usando CRW, o Y vem antes que o X). O número 1 indica que vamos ler uma
propriedade apenas.
Toda linha depois da primeira contém as três coordenadas comissurais do ponto e um
número que relaciona sua propriedade, neste caso a localização da resposta.

49. Para selecionar um arquivo de pontos kinestéticos (o ponto de interesse em
geral) utilizamos o comando de teclado <CTRL-K>
Isso abre uma janela de seleção de arquivos .kpts
O comando <CTRL-K> utiliza-se tanto na janela de planejamento 2D como na
janela 3D.
Note que os arquivos kpts somente podem se carregar após a definição dos POIs
AC, PC, IHP.
Para esconder ou mostrar os pontos simplesmente usamos a tecla <K> .

50. Embora a ferramenta de KPTS seja nova já temos algumas opções acessíveis via menu
de pontos kinestéticos: <ALT-K>
Point Cloud somente Linha por mínimos quadrados Elipsoide probabilístico

51. Podemos apresentar os KPTS junto com trajetórias, atlas, renderização 3D e 2D.
Trajetórias que percorrem próximas a linha média por regressão dos KPTS tem
altas chances de modular regiões representadas na exploração kinestética.
A plotagem dos
KPTS segue a
mesma
transformação
espacial ativa
para o atlas de
funcional em
uso, o que
significa que os
pontos
aparecem
normalizados
para cérebro do
paciente.

52. Estimando a extensão de lesões criada por
Radiofrequência.
Esta ideia foi proposta pelo Engenheiro de
Aplicação Daniel Cosme (Ciência da
Computação), quem está participando
deste desenvolvimento.
Por enquanto os resultados são baseados
em tabelas publicadas (ver ref.[12]).
Futuros desenvolvimentos apresentarão
resultados gráficos superpostos na
anatomia 2D e 3D.

53. Modelos teóricos para estimar extensão de uma lesão por RF com método híbrido
de FEM pode tomar 3 horas de cálculo em uma estação com duplo Xeon de 3.04 GHz
[11]. Este grau de complexidade nos obriga a basear o projeto em resultados
experimentais in vivo e in vitro [12].

54. Como utilizar o LONI LPBA40 (eventualmente outros com a
mesma metodologia).
- Importar o LPBA40, com o nosso importador Dicom, que
também suporta NIFTI. (já foi feito). Fazer isto para o volume
“template” e “label”.
- Criar novo plano para ambos volumes.
- Criar POIs para registro por POIs no volume template.
- Exportar ambos para fusão.
- Para registrar um cérebro real, marque os mesmos POIs que
utilizou na template (devem ser mais do que 4 POIs).
- Inicie a fusão, que será feita por POIs. É muito provável que
não seja uma boa fusão, pois são cérebros totalmente
diferentes.
- Volte ao menu da fusão (ALT-F5) e modifique o módulo de
rigidez para 256, para poder deformar o LPBA40.

55. • Feche e volte a abrir a fusão (F5 seguido de outro F5). Agora o registro
foi feito com o LPBA40 deformado para aproximar ao cérebro real.
• Se está satisfeito com o resultado do registro / fusão, vá até o menu da
fusão e selecione: “Load Sequence with Same Registration”. Escolha o
volume de “LABEL”.
• Click no botão de brilho e contraste.
Pulse a Tecla P até aparecer no título da janela do windows (caption) o
texto “LPBA40-Colors”. Com isto o MNPS ativa a identificação de estruturas
pelo código de identificação de estruturas do LPBA40.

56. Utilizando a Tecla <M> ou <CTRL-M> modifique o nível de transparência do
LPBA 40 para observar a anatomia do cérebro real.
sem MIX com MIX

57. Exemplo com cursor sobre Giro do cíngulo

58. Observe que para
qualquer local onde
situe o cursor do
MNPS (com click) o
sistema indica o nome
da estrutura segundo
o LPBA40. O nome fica
no “caption”da janela.

59. Bibliografia:
1. Niemann K., et.al. “Verification of Schaltenbrand and Wahren Stereotactic Atlas”, Acta Neurochir (Wien) 1994
2. Dormont Didier., et.al., “Is the Subthalamic Nucleus Hypointense on T2-Weighted Images? A Correlation Study
Using MR Imaging and Stereotactic Atlas Data”, AJNR Am J Neuroradiol 25:1516–1523, October 2004.
3. Haus, Hermann A., and James R. Melcher, “Introduction to Electroquasistatic and Magnetoquasistatic”.
Electromagnetic Fields and Energy. (Massachusetts Institute of Technology: MIT OpenCourseWare). Prentice-
Hall, 1989.
4. Gabriel C., et. Al., “The dielectric properties of biological tissues: I. Literature survey” .Phys. Med. Biol. 41
(1996) 2231–2249.
5. Mädler B., et. al., “Explaining Clinical Effects of Deep Brain Stimulation through Simplified Target-Specific
Modeling of the Volume of Activated Tissue”. AJNR Am J Neuroradiol 33:1072– 80. Jun-Jul 2012.
6. Choi C.T.M., et.al., “Modeling Deep Brain Stimulation Based on Current Steering Scheme”. IEEE TRANSACTIONS
ON MAGNETICS, VOL. 47, NO. 5, MAY 2011 .
7. Schmidt C., “Influence of Uncertainties in the Material Properties of Brain Tissue on the Probabilistic Volume of
Tissue Activated”. IEEE Trans. Biol Eng. Vol 60., No.5 2013.
8. Butson C.R., et.al., “Sources and effects of electrode impedance during deep brain stimulation”. Clinical
Neurophysiology, 117 (2006).
9. Butson C.R., et.al.,“Patient-Specific Analysis of the Volume of Tissue Activated During Deep Brain Stimulation”.
Neuroimage, 34(2):661-670 (2007).
10. Frankemole A.M.M, et.al. “Reversing cognitive–motor impairments in Parkinson’s disease patients using a
computational modelling approach to deep brain stimulation programming”.Brain 2010: 133; 746–761.
11. David W. Shattuck, “Construction of a 3D probabilistic atlas of human cortical structures”. Neuroimage vol.39,
Issue 3 (2008).
12. Laboratory of Neuro Imageging. «LONI Probabilistic Brain Atlas (LPBA40)»
http://loni.usc.edu/atlases/Atlas_Detail.php?atlas_id=12
13. Thermal modeling of lesion growth with radiofrequency ablation devices. Isaac A. Chang, et.al. BioMedical
Eng. Online, 2004.
14. In vivo and in vitro study of lesions produced with a computarized radiofrequency system. Vina F.C, Zamorano
L., et.al. Stereo. Funct. Neurosur. 1992.

60. Resumo:
O planejamento de alvos para neurocirurgia funcional depende da
localização dos POIs: AC, PC e IHP. Estes pontos são a base do registro
atlas-cérebro e do registro coordenadas comissurais-cérebro.
É responsabilidade do operador criar os POIs: AC, PC e IHP. Não existe
modo automático para criar estes POIs em forma segura.
Após criar os POIs antes mencionados, o MNPS disponibiliza ao usuário
grande número de recursos para funcional: diversos atlas vetorizados,
representação de DBS, coordenadas comissurais, KPTS.