Luận văn: Mô hình 3D Hiệu quả DBS & Phát triển Công cụ Phân tích STN
Luận án: 3d functional modeling of dbs efficacy and development of analyti. Xem tóm tắt và tải về tại LuanAn.net
Biomedical Engineering and Bioengineering
Luan An
Luận văn thạc sĩ
Năm xuất bản
Số trang
79
Thời gian đọc
12 phút
Lượt xem
0
Lượt tải
0
Phí lưu trữ
40 Point
Tổng quan nhanh
- Chủ đề:
- 1. Mô hình hóa 3D hiệu quả DBS và công cụ phân tích
- Số trang:
- 79 trang
- Trường:
- Virginia Commonwealth University
- Chuyên ngành:
- Biomedical Engineering and Bioengineering
- Tác giả:
- Deepak Kumbhare
- Năm:
- 2011
Tóm tắt nội dung luận án
I. Mô hình hóa 3D hiệu quả DBS và công cụ phân tích
Nghiên cứu tập trung vào việc phát triển mô hình 3D chức năng cho Deep Brain Stimulation (DBS). Mục tiêu là nâng cao sự hiểu biết về hiệu quả điều trị DBS. Công trình này cũng tạo ra các công cụ phân tích để khám phá chức năng của Subthalamic Nucleus (STN). Mô hình 3D hiệu suất cao rất cần thiết trong lĩnh vực y sinh. Chúng cung cấp cái nhìn sâu sắc về tương tác giữa điện cực DBS và mô não. Các công cụ phân tích dữ liệu 3D giúp xử lý thông tin phức tạp. Điều này cải thiện khả năng diễn giải dữ liệu lâm sàng. Mô hình hóa 3D hỗ trợ tối ưu hóa quy trình điều trị. Nó cũng góp phần vào việc thiết kế phẫu thuật chính xác hơn. Phương pháp này đóng vai trò quan trọng trong việc cải thiện kết quả cho bệnh nhân. Nó giúp các nhà nghiên cứu và bác sĩ lâm sàng đưa ra quyết định tốt hơn.
1.1. Mục tiêu và ý nghĩa của mô hình 3D DBS
Mô hình hóa 3D được phát triển để mô tả hiệu quả DBS. Mục tiêu chính là tạo ra một biểu diễn không gian của các vùng não bị ảnh hưởng. Điều này cho phép phân tích mối quan hệ giữa vị trí kích thích và kết quả lâm sàng. Ý nghĩa của mô hình rất lớn. Nó cung cấp một cách trực quan để hiểu cơ chế hoạt động của DBS. Mô hình hóa 3D hiệu suất cao giúp xác định các vùng 'điểm nóng'. Những điểm nóng này mang lại hiệu quả điều trị tối đa. Việc này đặc biệt quan trọng trong các bệnh lý thần kinh như Parkinson. Mô hình 3D cũng hỗ trợ giảng dạy và đào tạo. Nó cung cấp một công cụ học tập tương tác cho sinh viên và chuyên gia. Công nghệ này thúc đẩy sự đổi mới trong y học thần kinh.
1.2. Nền tảng Deep Brain Stimulation DBS
Deep Brain Stimulation là một phương pháp điều trị phẫu thuật. Nó được sử dụng cho các rối loạn thần kinh, như bệnh Parkinson. Phương pháp này liên quan đến việc cấy ghép điện cực vào các vùng não cụ thể. Điện cực tạo ra các xung điện để điều chỉnh hoạt động não bộ bất thường. Hiệu quả của DBS phụ thuộc vào vị trí chính xác của điện cực. Nó cũng phụ thuộc vào các thông số kích thích. Nghiên cứu này cải thiện sự hiểu biết về cách DBS tác động lên não. Nó sử dụng mô hình 3D để trực quan hóa quá trình này. Việc này giúp tối ưu hóa kết quả điều trị. Công cụ phân tích 3D đóng vai trò cốt lõi. Chúng cung cấp cái nhìn chi tiết về cơ chế DBS. Sự hiểu biết sâu sắc này dẫn đến các chiến lược điều trị tốt hơn. Bệnh nhân có thể hưởng lợi từ các phương pháp tiếp cận chính xác hơn.
1.3. Khám phá chức năng Subthalamic Nucleus STN
Subthalamic Nucleus (STN) là một mục tiêu chính cho DBS trong điều trị Parkinson. Việc hiểu rõ chức năng và phản ứng của STN với kích thích là rất quan trọng. Nghiên cứu sử dụng mô hình hóa 3D để khám phá STN. Nó phân tích cách các điểm kích thích khác nhau ảnh hưởng đến hiệu quả. Các công cụ phân tích 3D giúp xác định các vùng trong STN. Những vùng này có thể tạo ra phản ứng điều trị tốt nhất. Phân tích dữ liệu 3D từ các ca lâm sàng hỗ trợ việc này. Điều này cung cấp thông tin quý giá cho các ca phẫu thuật DBS trong tương lai. Nó cũng giúp tinh chỉnh các cài đặt kích thích. Mục tiêu cuối cùng là tối đa hóa lợi ích cho bệnh nhân. Công trình này đóng góp vào kiến thức về STN. Nó tăng cường khả năng dự đoán kết quả điều trị.
II. Tối ưu hóa mô hình 3D Phân tích hiệu quả DBS STN
Nghiên cứu tập trung vào việc tối ưu hóa mô hình 3D để phân tích hiệu quả DBS trong Subthalamic Nucleus (STN). Quá trình này bao gồm thu thập dữ liệu lâm sàng chính xác. Sau đó, dữ liệu được xử lý bằng các kỹ thuật nội suy và mô hình hóa. Mục tiêu là tạo ra một biểu diễn 3D đáng tin cậy. Biểu diễn này phản ánh mối quan hệ giữa vị trí điện cực và sự thay đổi điểm số lâm sàng. Việc tối ưu hóa mô hình 3D hiệu suất cao đòi hỏi sự cân nhắc kỹ lưỡng. Các yếu tố như độ chính xác của dữ liệu và phương pháp tính toán cần được xem xét. Công việc này cải thiện khả năng dự đoán kết quả DBS. Nó cũng hỗ trợ việc tinh chỉnh các chiến lược điều trị cá nhân. Hiệu quả xử lý 3D là yếu tố then chốt. Nó đảm bảo các mô hình hoạt động trơn tru và chính xác. Tối ưu hóa liên tục các mô hình là cần thiết. Điều này đảm bảo tính cập nhật và liên quan của chúng. Đây là một bước tiến quan trọng trong nghiên cứu DBS.
2.1. Phương pháp thu thập dữ liệu bệnh nhân lâm sàng
Dữ liệu được thu thập từ các bệnh nhân điều trị DBS. Thông tin lâm sàng bao gồm điểm số UPDRS (Unified Parkinson's Disease Rating Scale). Các điểm số này được ghi lại trước và sau phẫu thuật. Dữ liệu cũng bao gồm tọa độ vị trí điện cực DBS. Tọa độ này được xác định bằng hình ảnh CT và MRI. Dữ liệu bệnh nhân được phân loại cẩn thận. Điều này đảm bảo tính nhất quán và độ tin cậy. Quá trình thu thập dữ liệu tuân thủ các quy định đạo đức. Nó cũng đảm bảo quyền riêng tư của bệnh nhân. Sự chính xác của dữ liệu là tối quan trọng. Nó ảnh hưởng trực tiếp đến độ tin cậy của mô hình 3D. Phương pháp thu thập dữ liệu được chuẩn hóa. Điều này cho phép so sánh và phân tích hiệu quả. Dữ liệu chất lượng cao là nền tảng cho mô hình hóa 3D hiệu suất cao.
2.2. Các kỹ thuật mô hình hóa 3D và nội suy dữ liệu
Nghiên cứu sử dụng nhiều kỹ thuật nội suy và mô hình hóa 3D. Các phương pháp như Monopolar Inverse Weighted Distance Interpolation (MIDWI) và Bipolar Simulation Interpolation (BSI) được áp dụng. Những kỹ thuật này giúp ước tính hiệu quả tại các điểm không được đo lường trực tiếp. Dữ liệu lâm sàng thô được chuyển đổi thành bản đồ 3D liên tục. Bản đồ này thể hiện phân bố hiệu quả của DBS. Dựng hình 3D tối ưu hóa cho phép hình ảnh hóa rõ ràng. Nó hiển thị các vùng có phản ứng điều trị cao. Các thuật toán nội suy được đánh giá về độ chính xác. Điều này đảm bảo tính hợp lệ của mô hình. Các kỹ thuật này tạo ra cơ sở cho phân tích dữ liệu 3D. Chúng cung cấp một cái nhìn toàn diện về tác động của DBS. Việc lựa chọn phương pháp nội suy phù hợp là rất quan trọng.
2.3. Đánh giá và tối ưu hóa hiệu suất mô hình
Hiệu suất của mô hình 3D được đánh giá thông qua các chỉ số thống kê. Các chỉ số như Root Mean Square Error (RMSE) và Cross Validation (CV) được sử dụng. Mục tiêu là xác định mức độ chính xác của mô hình trong việc dự đoán hiệu quả DBS. Các tham số mô hình được tinh chỉnh để giảm thiểu sai số. Ví dụ, bán kính và lũy thừa trong MIDWI được điều chỉnh. Việc này nhằm đạt được độ chính xác tối đa. Quá trình tối ưu hóa mô hình 3D là lặp đi lặp lại. Nó liên tục cải thiện khả năng dự đoán. Kết quả đánh giá cung cấp thông tin về độ tin cậy của mô hình. Chúng giúp các nhà nghiên cứu hiểu rõ hơn về những hạn chế. Tối ưu hóa hiệu suất đồ họa 3D cũng được xem xét. Điều này đảm bảo trải nghiệm trực quan mượt mà. Đánh giá hiệu suất là bước quan trọng. Nó khẳng định giá trị của công cụ phân tích.
III. Công cụ phân tích 3D Nâng cao hiệu suất xử lý dữ liệu
Nghiên cứu phát triển các công cụ phân tích 3D chuyên biệt. Các công cụ này được thiết kế để nâng cao hiệu suất xử lý dữ liệu DBS. Chúng cung cấp một nền tảng mạnh mẽ cho việc khám phá và diễn giải thông tin phức tạp. Mục tiêu là biến dữ liệu lâm sàng thành những hiểu biết có giá trị. Các công cụ này hỗ trợ phân tích định lượng và định tính. Chúng giúp các nhà nghiên cứu xác định xu hướng và mối quan hệ. Công cụ phân tích 3D cải thiện đáng kể hiệu quả xử lý 3D. Điều này cho phép các phân tích nhanh chóng và chính xác. Chúng tạo điều kiện thuận lợi cho việc tích hợp các mô hình khác nhau. Nền tảng này hỗ trợ các phương pháp tiếp cận đa chiều. Nó giúp đưa ra quyết định dựa trên bằng chứng. Công nghệ DBS trong bối cảnh hệ thống dữ liệu đóng vai trò then chốt. Nó đảm bảo quản lý và truy cập dữ liệu hiệu quả.
3.1. Phát triển công cụ phân tích độc lập
Các công cụ phân tích độc lập đã được phát triển. Chúng cung cấp khả năng xử lý và phân tích dữ liệu 3D linh hoạt. Các công cụ này cho phép người dùng thực hiện các phân tích tùy chỉnh. Chúng có thể khám phá các tập dữ liệu lớn một cách hiệu quả. Mục tiêu là tạo ra một môi trường phân tích mạnh mẽ. Nó hỗ trợ cả nghiên cứu và ứng dụng lâm sàng. Các công cụ này tích hợp các thuật toán nội suy và mô hình hóa. Chúng cũng bao gồm các chức năng visual hóa. Việc phát triển công cụ phân tích 3D này là một phần quan trọng. Nó giúp mở rộng khả năng nghiên cứu về DBS. Các công cụ được thiết kế để dễ sử dụng. Chúng cung cấp các tùy chọn nâng cao cho người dùng có kinh nghiệm. Hiệu suất xử lý 3D được tối ưu hóa. Điều này đảm bảo tốc độ và độ chính xác của phân tích.
3.2. Giao diện người dùng đồ họa GUI
Một Giao diện Người dùng Đồ họa (GUI) trực quan đã được tạo ra. GUI này đơn giản hóa quá trình tương tác với các công cụ phân tích. Nó cho phép người dùng dễ dàng tải dữ liệu, chạy các mô phỏng và visual hóa kết quả. GUI cung cấp các điều khiển rõ ràng và phản hồi tức thì. Điều này giúp giảm bớt gánh nặng kỹ thuật cho người dùng. Nó làm cho công cụ phân tích 3D dễ tiếp cận hơn đối với nhiều đối tượng. Các bác sĩ lâm sàng và nhà nghiên cứu có thể sử dụng nó mà không cần kiến thức lập trình sâu. Giao diện người dùng thân thiện nâng cao hiệu quả làm việc. Nó tạo điều kiện thuận lợi cho việc khám phá dữ liệu. GUI đóng vai trò quan trọng trong việc thúc đẩy ứng dụng. Nó giúp áp dụng mô hình hóa 3D hiệu suất cao trong thực hành.
3.3. Ứng dụng công nghệ DBS trong xử lý
Công nghệ DBS (Deep Brain Stimulation) không chỉ là phương pháp điều trị. Nó còn là nguồn dữ liệu phức tạp cần được xử lý. Nghiên cứu này áp dụng các nguyên tắc của 'Công nghệ DBS' (theo nghĩa của hệ thống quản lý/xử lý dữ liệu) để xử lý dữ liệu từ DBS lâm sàng. Các công cụ phân tích sử dụng các kỹ thuật tính toán tiên tiến. Chúng giúp tổ chức, phân loại và diễn giải dữ liệu. Điều này đảm bảo hiệu quả xử lý 3D tối ưu. Nền tảng công nghệ hỗ trợ việc tích hợp dữ liệu từ nhiều nguồn. Nó bao gồm hình ảnh MRI, CT và điểm số lâm sàng. Việc này tạo ra một khung làm việc toàn diện. Nó giúp phân tích tác động của DBS. Công nghệ này đóng vai trò quan trọng trong việc quản lý dữ liệu 3D. Nó cung cấp sự nhất quán và truy xuất dễ dàng.
IV. Visual hóa dữ liệu 3D Hiệu suất đồ họa chân thực
Visual hóa dữ liệu 3D là một phần thiết yếu của nghiên cứu này. Nó cho phép người dùng nhìn thấy và tương tác với các mô hình phức tạp. Khả năng hiển thị dữ liệu chân thực giúp hiểu rõ hơn về mối quan hệ không gian. Nó đặc biệt quan trọng trong việc xác định các vùng hiệu quả của DBS. Các công cụ visual hóa được phát triển để cung cấp cái nhìn chi tiết. Chúng hiển thị vị trí điện cực, vùng kích thích và phản ứng lâm sàng. Hiệu suất đồ họa 3D mạnh mẽ đảm bảo các mô hình được hiển thị mượt mà. Nó giúp người dùng tương tác trong thời gian thực. Việc này cải thiện khả năng phân tích dữ liệu 3D. Nó biến các con số và tọa độ thành hình ảnh có ý nghĩa. Visual hóa dữ liệu 3D cũng hỗ trợ quản lý dữ liệu 3D. Nó cung cấp một cái nhìn tổng quan trực quan về toàn bộ tập dữ liệu. Điều này rất có giá trị trong nghiên cứu y sinh.
4.1. Biểu diễn trực quan điểm dữ liệu lâm sàng
Các công cụ visual hóa cho phép biểu diễn trực quan các điểm dữ liệu lâm sàng. Các điểm số thay đổi của bệnh nhân được ánh xạ vào không gian 3D. Điều này giúp dễ dàng xác định các mẫu và xu hướng. Người dùng có thể xem xét cách hiệu quả điều trị phân bố. Họ cũng có thể xem mối quan hệ với cấu trúc giải phẫu não. Biểu diễn trực quan làm cho dữ liệu phức tạp trở nên dễ hiểu hơn. Nó cung cấp một cách nhanh chóng để đánh giá thông tin. Hiệu suất đồ họa 3D được tối ưu hóa cho mục đích này. Nó đảm bảo các điểm dữ liệu được hiển thị rõ ràng. Khả năng tùy chỉnh màu sắc và kích thước điểm. Điều này giúp làm nổi bật các thông tin quan trọng. Biểu diễn trực quan là bước đầu tiên trong phân tích sâu hơn. Nó cung cấp cái nhìn ban đầu về dữ liệu.
4.2. Khám phá phân bố vùng hiệu quả trong không gian 3D
Mô hình 3D cho phép khám phá phân bố của các vùng hiệu quả. Các khu vực trong STN có phản ứng tốt nhất với DBS được xác định. Điều này được gọi là 'điểm nóng' (hot spots). Các công cụ visual hóa giúp hiển thị những vùng này. Nó cho thấy cách chúng nằm trong mối quan hệ với các cấu trúc não khác. Khám phá không gian 3D là rất quan trọng. Nó giúp hiểu cơ chế hoạt động của DBS. Nó cũng hỗ trợ lập kế hoạch phẫu thuật chính xác hơn. Hiệu suất đồ họa 3D đảm bảo khả năng xoay và phóng to mô hình mượt mà. Người dùng có thể xem xét các vùng hiệu quả từ mọi góc độ. Quản lý dữ liệu 3D hiệu quả là cần thiết. Nó đảm bảo các lớp dữ liệu khác nhau được hiển thị chính xác. Điều này giúp các bác sĩ lâm sàng và nhà nghiên cứu đưa ra quyết định sáng suốt.
4.3. Quản lý dữ liệu 3D và đánh giá tương tác
Các công cụ được thiết kế để quản lý dữ liệu 3D một cách hiệu quả. Người dùng có thể tải, lưu trữ và truy cập nhiều tập dữ liệu khác nhau. Điều này bao gồm dữ liệu bệnh nhân, hình ảnh não và mô hình điện cực. Khả năng tương tác với mô hình 3D là một tính năng quan trọng. Người dùng có thể điều chỉnh các tham số visual hóa. Họ có thể thêm hoặc loại bỏ các lớp dữ liệu. Việc này giúp phân tích các kịch bản khác nhau. Đánh giá tương tác giúp xác định các mối quan hệ phức tạp. Nó cho thấy cách các yếu tố khác nhau ảnh hưởng đến hiệu quả DBS. Hiệu suất đồ họa 3D cao hỗ trợ các tương tác mượt mà. Nó mang lại trải nghiệm người dùng tối ưu. Quản lý dữ liệu 3D tốt là nền tảng. Nó cho phép nghiên cứu và phát triển liên tục.
V. Phân tích dữ liệu 3D chuyên sâu Đánh giá hiệu quả lâm sàng
Phân tích dữ liệu 3D chuyên sâu là cần thiết để đánh giá hiệu quả lâm sàng của DBS. Nghiên cứu này cung cấp một khuôn khổ để thực hiện các phân tích thống kê nâng cao. Mục tiêu là xác định các yếu tố ảnh hưởng đến kết quả điều trị. Nó cũng nhằm hiểu rõ hơn về sự biến thiên trong phản ứng của bệnh nhân. Các công cụ phân tích 3D cho phép các nhà nghiên cứu đi sâu vào dữ liệu. Chúng giúp phát hiện các mối tương quan và mô hình tiềm ẩn. Phân tích này là tối quan trọng cho việc tối ưu hóa mô hình 3D. Nó đảm bảo các mô hình phản ánh chính xác thực tế lâm sàng. Hiệu quả xử lý 3D được nhấn mạnh trong quá trình này. Nó cho phép thực hiện các phép tính phức tạp nhanh chóng. Các phát hiện từ phân tích chuyên sâu có thể thông báo. Nó giúp cải thiện các giao thức phẫu thuật DBS trong tương lai. Nền tảng này góp phần vào y học cá nhân hóa.
5.1. Phân tích sự biến thiên và tối ưu thống kê
Nghiên cứu tiến hành phân tích sự biến thiên trong dữ liệu hiệu quả DBS. Các phương pháp thống kê được sử dụng để định lượng sự không đồng nhất. Điều này giúp hiểu tại sao một số bệnh nhân phản ứng tốt hơn. Nó cũng giải thích tại sao một số bệnh nhân khác lại kém hơn. Tối ưu thống kê được áp dụng để xác định các tham số lý tưởng. Các tham số này bao gồm vị trí điện cực và cài đặt kích thích. Các mô hình được điều chỉnh dựa trên phân tích này. Điều này nhằm đạt được độ chính xác dự đoán cao nhất. Phân tích dữ liệu 3D giúp xác định các yếu tố ảnh hưởng. Nó bao gồm tuổi, giới tính hoặc đặc điểm bệnh. Hiệu suất xử lý 3D của các công cụ cho phép các phân tích phức tạp. Điều này dẫn đến những hiểu biết sâu sắc hơn. Tối ưu hóa thống kê là một bước quan trọng. Nó cải thiện độ tin cậy của các mô hình chức năng.
5.2. Đánh giá mối tương quan giữa điểm số và vị trí
Một mục tiêu chính là đánh giá mối tương quan giữa điểm số lâm sàng. Nó là sự thay đổi trong điểm UPDRS và vị trí kích thích 3D. Các công cụ phân tích 3D cho phép ánh xạ trực tiếp. Nó ánh xạ các cải thiện lâm sàng vào các vùng giải phẫu cụ thể. Điều này giúp xác định các 'vùng có hiệu quả' trong STN. Các vùng này liên quan đến kết quả điều trị tốt nhất. Phân tích dữ liệu 3D cũng tìm kiếm các mối tương quan tiêu cực. Nó xác định các vùng có thể gây ra tác dụng phụ. Hiệu quả xử lý 3D đảm bảo phân tích nhanh chóng. Điều này giúp khám phá các mối quan hệ phức tạp. Đánh giá này cung cấp bằng chứng dựa trên dữ liệu. Nó định hướng cho việc lập kế hoạch phẫu thuật DBS. Nó cũng hỗ trợ việc tinh chỉnh các cài đặt kích thích sau phẫu thuật.
5.3. Ứng dụng tiềm năng trong phẫu thuật DBS
Các mô hình 3D và công cụ phân tích có ứng dụng tiềm năng lớn. Chúng được sử dụng trong lập kế hoạch và thực hiện phẫu thuật DBS. Thông tin về các vùng hiệu quả có thể hướng dẫn vị trí điện cực. Nó giúp tối ưu hóa hiệu quả điều trị và giảm thiểu rủi ro. Các công cụ này cũng có thể được sử dụng để mô phỏng kết quả. Điều này dựa trên các cài đặt kích thích khác nhau. Điều này hỗ trợ các bác sĩ lâm sàng đưa ra quyết định sáng suốt hơn. Tối ưu hóa mô hình 3D liên tục sẽ cải thiện độ chính xác. Nó mở ra cánh cửa cho các phương pháp điều trị cá nhân hóa. Công nghệ này có thể làm thay đổi cách tiếp cận phẫu thuật DBS. Nó mang lại kết quả tốt hơn cho bệnh nhân. Hiệu suất đồ họa 3D mạnh mẽ giúp visual hóa kế hoạch phẫu thuật. Nó đảm bảo sự hiểu biết rõ ràng trước khi thực hiện.
Mục lục chi tiết luận án
Tải xuống file đầy đủ để xem toàn bộ nội dung
Tải đầy đủ (79 trang)Trích đoạn nội dung luận án
Tải xuống để đọc toàn bộVirginia Commonwealth University VCU Scholars Compass Theses and Dissertations Graduate School 2011 3D FUNCTIONAL MODELING OF DBS EFFICACY AND DEVELOPMENT OF ANALYTICAL TOOLS TO EXPLORE FUNCTIONAL STN Deepak Kumbhare Virginia Commonwealth University Follow this and additional works at: https://scholarscompass.edu/etd Part of the Biomedical Engineering and Bioengineering Commons © The Author Downloaded from https://scholarscompass.edu/etd/2531 This Thesis is brought to you for free and open access by the Graduate School at VCU Scholars Compass. It has been accepted for inclusion in Theses and Dissertations by an authorized administrator of VCU Scholars Compass. For more information, please contact libcompass@vcu.com © Deepak Kumbhare, 2011 All Rights Reserved i www.com 3D FUNCTIONAL MODELING OF DBS EFFICACY AND DEVELOPMENT OF ANALYTICAL TOOLS TO EXPLORE FUNCTIONAL STN A thesis submitted in partial fulfillment of the requirements for the degree of Master of Science at Virginia Commonwealth University. by DEEPAK KUMBHARE Bachelor of Engineering, Rajiv Gandhi Technical University, Bhopal, India, 2007 Director: OU BAI, PH.
Assistant Professor, Department of Biomedical Engineering Virginia Commonwealth University Richmond, Virginia May, 2011 ii www.com Acknowledgments I would like to express my gratitude to my adviser, Dr. Ou Bai for his continuous support throughout in my study and research. His guidance and encouragement have helped me pursuing this exciting line of research. Throughout the entire project he has encouraged me to develop independent thinking and research skills.
I am extremely thankful to Dr. Kathryn Holloway for giving me the opportunity to work on this research and providing the clinical data for analysis. Her in-depth knowledge and logical way of thinking has been of great help to me. Her extensive discussions around my work and constructive comments have been very helpful throughout this project.
I would like to thank Dr. Ramakrishnan, whose help, suggestions, patience and encouragement has helped me at all times during this research project. I would also like to thank all my committee members, Dr. Ou Bai, Dr.
Kathryn Holloway and Dr. Din-Yu Fei for all the guidance and support throughout this project. Their detailed review, constructive criticism and excellent advice have helped me immensely in completion of my thesis project and improving my skills for technical writing. I would also like to thank my lab mates Dandan Huang, Kai Qian, Vaishnavi Karnad and Mason Montgomery for your help and support in my study.
Also, I would like to thank my friends who have been a constant source of encouragement throughout my graduate study. Last and most importantly, I would like to thank my parents for their enduring love and support throughout my life in achieving my dreams.com Contents Acknowledgments. iv List of Abbreviations. vii List of Tables.
viii List of Figures. xi CHAPTER 1 : Introduction and Background .2 Deep Brain Stimulation .3 Brain Atlas [13]: Schaltenbrand-Wahren/Talairach-Tournoux brain atlas registration .4 Visual Representation of Clinical Scores and Description of Problem:. 8 CHAPTER 2: Patients and Data. Surgical Methodology and Data Collection.
Score Coordinates and Change Score Values: .3 Data Description and Categorization. 15 CHAPTER 3: Interpolations and Computational Modeling. 32 CHAPTER 4: Monopolar and Bipolar DBS Modeling. 41 CHAPTER 5: Variability and Statistical Optimization.
49 CHAPTER 6: Additional Tools for Visualization and Analysis. 51 GRAPHIC USER INTERFACE. 53 CONCLUSION AND FUTURE WORKS. 54 LIST OF REFERENCES.
55 APPENDIX 1: DBS Intra-operative Rating. 58 APPENDIX 2: GRAPHIC USER INTERFACE (GUI): USER MANUAL .com List of Abbreviations PD - Parkinson’s Disease DBS - Deep Brain Stimulation UPDRS - Unified Parkinson's Disease Rating Scale STN - Subthalamic Nucleus GPi - Globus Pallidus AC - Anterior Commissure PC - Posterior Commissure ME - Microelectrode MER - Microelectrode Recording MSI - MacroStim Interface CT - Computed Tomography MRI - Magnetic Resonance Imaging MIDW - Monopolar Inverse Weighted Distance IDW - Inverse Distance Weighted Method RWI - Roving Window Interpolation BSI - Bipolar Simulation Interpolation ROI - Region of Interest RMSE - Root Mean Square Error CV - Cross Validation GUI - Graphic User Interface vii www.com List of Tables Table 1: Interpolation Errors……………………………………………………………………31 Table 2: Effect of varying radius in MIDWI: Normalized RMSE………………………………32 Table 3: Effect of varying power of inverse distance weight in MIDWI: Normalized RMSE….32 Table 4: Cross Validation: Degree of Prediction ………………………………………………33 Table 5: Simulation results……………………………………………………………………. Table 6: DBS Intra-operative Rating…………………………………………………………….com List of Figures Figure 1: The distribution observation points and percentage change scores values ……….18 Figure 2: The 3 D distribution of the hot spots for DBS in the R.18 Figure 3: Shows interpolation applied in 1D space……………………………………………20 Figure 4: Shows interpolation applied in 2D and 3D space……………………………………21 Figure 5: The contour plots comparing the three interpolation techniques …………………. Figure 6: (a) Predictability and RMSE versus Power of IDW; (b) Predictability and RMSE Versus radius of search window…………………….34 Figure 7: Monopolar and bipolar electrode leads…………………………………………….38 Figure8: Monopolar VS Bipolar electric field……………………………………………….39 Figure 9: Medtronic DBS lead 3387 and 3389……………………………………………….39 Figure 10: mono VS bipolar interpolation………………………………………………….42 Figure 11: Contours comparing efficacy distribution of PD symptoms……………………….45 Figure 12: Direct data interpolation (left); Result of bootstrapping: Mean (middle) and standard deviation contours (right)………………………………………………………………….50 Figure13: 3D realization of high and low yield locations…………………………………….56 Figure 14: MATLAB GUI comparing PD symptoms……………………………………….56 Figure 15: Guide Quick start window……………………………………………………….59 Figure 16: Snapshot of the matlab figure for screen set…………………………………….59 Figure 17: GUI: selecting, accepting and loading data……………………………………….60 Figure 18: GUI: Comparison of different data categories………………………………….com Figure 19: Load new data set……………………………………………………………….
20: Selects plane and coordinates……………………………………………………62 Fig.64 Fig 24: Visualize hot region…….com ABSTRACT: Introduction: Exploring the brain for optimal locations for deep brain stimulation (DBS) therapy is a challenging task, which can be facilitated by analysis of DBS efficacy in a large number of patients with Parkinson’s disease (PD). The Unified Parkinson's Disease Rating Scale (UPDRS) scores indicate the DBS efficacy of the corresponding stimulation location in a particular patient. The spatial distribution of these clinical scores can be used to construct a functional model which closely models the expected efficacy of stimulation in the region. Designs and Methods: In this study, different interpolation techniques were investigated that can appropriately model the DBS efficacy for Parkinson’s disease patients.
These techniques are linear triangulation based interpolation, ‘roving window’ interpolation and ‘Monopolar inverse weighted distance’ (MIDW) interpolation. The MIDW interpolation technique is developed on the basis of electric field geometry of the monopolar DBS stimulation electrodes, based on the DBS model of monopolar cathodic stimulation of brain tissues. Each of these models was evaluated for their predictability, interpolation accuracy, as well as other benefits and limitations. The bootstrapping based optimization method was proposed to minimize the observational and patient variability in the collected database.
A simulation study was performed to validate that the statistically optimized interpolated models were capable to produce reliable efficacy contour plots and reduced false effect due to outliers. Some additional visualization and analysis tools including a graphic user interface (GUI) were also developed for better understanding of the scenario. Results: The interpolation performance of the MIDW interpolation, the linear triangulation method and Roving window method was evaluated as interpolation error as 0.1219 and xi www. Degree of prediction for the above methods was found to be 0.
The simulation study demonstrate that the mean improvement in outlier handling and increased reliability after bootstrapping based optimization (performed on Linear triangulation interpolation method) is 6. The different interpolation techniques used to model monopolar and bipolar stimulation data is found to be useful to study the corresponding efficacy distribution. A user friendly GUI (PDRP_GUI) and other utility tools are developed. Conclusion: Our investigation demonstrated that the MIDW and linear triangulation methods provided better degree of prediction, whereas the MIDW interpolation with appropriate configuration provided better interpolation accuracy.
The simulation study suggests that the bootstrapping-based optimization can be used as an efficient tool to reduce outlier effects and increase interpolated reliability of the functional model of DBS efficacy. Additionally, the differential interpolation techniques used for monopolar and bipolar stimulation modeling facilitate study of overall DBS efficacy using the entire dataset.com CHAPTER 1 : Introduction and Background 1.1 Parkinson’s Diseases Parkinson's disease (PD) [1] [2, 3]is a neurodegenerative disorder characterized by progressive loss of muscle control and coordination. This leads to variety of movement problems such as shaking of the limbs and head (tremors), muscle stiffness (rigidity), slowness in movement execution (Bradykinesia), difficulty with walking and impaired balance. Later in the course of the disease, cognitive and behavioral problems may arise.
As symptoms worsen, it may become difficult to walk, talk, and complete simple tasks[1]. PD is more common in the elderly with most cases occurring after the age of 50 years. Sometimes PD occurs in younger adults. It affects both men and women.
Causes: PD occurs when by some unknown causes, dopamine-producing nerve cells are slowly destroyed, which reduces dopamine levels in the parts of the brain. Dopamine acts as a chemical messenger between two brain areas - the substantia nigra and the corpus striatum - to produce smooth, controlled movements. When the amount of dopamine is too low, communication between them becomes ineffective impairing the movement. This leads to the loss of muscle function.
The damage gets worse with time. Other cells in the brain also degenerate to some degree and may contribute to non-movement related symptoms of Parkinson's disease. The cause[4] of PD or dopamine destruction is still unknown but many researchers suspect it may be caused by a combination of genetic factors and environmental factors.com The 3 key symptoms of Parkinsonism are tremor, bradykinesia and rigidity[5]. The disorder may affect one or both sides of the body.
How much function is lost can vary. The symptoms of PD are mild at first and will progress over time. Characteristic motor symptoms include the following: 1. Tremors[6]: Tremor is an involuntary muscle contraction and relaxation of body parts, which includes trembling in fingers, hands, arms, feet, legs, jaw, or head.
Tremors most often occur while the individual is resting. Tremors may worsen when an individual is excited, tired, or stressed. Rigidity: Rigidity is the stiffness of the limbs and trunk, which may increase during movement[7]. It may produce muscle aches and pain.
Rigidity results when there is an increase in muscle tone that causes resistance to passive movement throughout the whole range of motion. Bradykinesia[8]: It is characterized by slowness of voluntary movement. Rather than being slowness in initiation (akinesia), bradykinesia describes slowness in the execution of movement. Over time, it may become difficult to initiate movement and to complete movement.
Bradykinesia together with stiffness can also affect the facial muscles and result in an expressionless, "mask-like" appearance. Parkinsonian gait While the main symptoms of Parkinson's disease are movement-related, progressive loss of muscle control and continued damage to the brain can lead to secondary symptoms. These vary in severity, and not every individual will experience all of them. Some of the secondary symptoms include anxiety, insecurity, stress and increased sweating; confusion, memory loss, 2 www.com and dementia; constipation; difficulty swallowing and excessive salivation; diminished sense of smell; skin problems; slowed, quieter speech, and monotone voice; and urinary urgency[1].
Diagnosis: The diagnosis of PD is based on the patient’s symptoms and a physical examination. A neurological exam may include an evaluation of coordination, walking, and fine motor tasks involving the hands. Several guidelines have been published to assist in the diagnosis of PD, which include the Unified Parkinson's Disease Rating Scale (UPDRS) [9, 10]. Tests are used to measure mental capacity, behavior, mood, daily living activities, and motor function.
They can be very helpful in the initial diagnosis, to rule out other disorders, as well as in monitoring the progression of the disease to make therapeutic adjustments. Brain scans and other laboratory tests are also sometimes carried out, mostly to detect other disorders resembling Parkinson's disease. The Unified Parkinson's Disease Rating Scale is a rating scale used to follow the longitudinal course of Parkinson's disease. The UPDRS has long been the major rating scale that is used to assess severity of symptoms of Parkinson's disease.
Nội dung được bảo vệ bản quyền — Tải xuống đầy đủ
Trích dẫn luận án này
Deepak Kumbhare (2011). Mô hình 3D Hiệu quả DBS & Công cụ Phân tích STN [Luận án tiến sĩ, Virginia Commonwealth University]. LuanAn.net. https://luanan.net/cong-nghe-thong-tin/khoa-hoc-may-tinh/mo-hinh-3d-hieu-qua-dbs-cong-cu-phan-tich-stn
Câu hỏi thường gặp
Luận án "Mô hình 3D Hiệu quả DBS & Công cụ Phân tích STN" nghiên cứu về vấn đề gì?
Luận án: 3d functional modeling of dbs efficacy and development of analyti. Xem tóm tắt và tải về tại LuanAn.net
Luận án "Mô hình 3D Hiệu quả DBS & Công cụ Phân tích STN" được bảo vệ tại trường nào?
Luận án này được bảo vệ tại Virginia Commonwealth University. Năm bảo vệ: 2011.
Luận án "Mô hình 3D Hiệu quả DBS & Công cụ Phân tích STN" thuộc chuyên ngành gì?
Luận án "Mô hình 3D Hiệu quả DBS & Công cụ Phân tích STN" thuộc chuyên ngành Biomedical Engineering and Bioengineering. Danh mục: Khoa Học Máy Tính.
Luận án "Mô hình 3D Hiệu quả DBS & Công cụ Phân tích STN" có bao nhiêu trang?
Luận án "Mô hình 3D Hiệu quả DBS & Công cụ Phân tích STN" có 79 trang. Bạn có thể xem trước một phần tài liệu ngay trên trang web trước khi tải về.
Cách tải luận án "Mô hình 3D Hiệu quả DBS & Công cụ Phân tích STN" về máy như thế nào?
Để tải luận án về máy, bạn nhấn nút "Tải xuống ngay" trên trang này, sau đó hoàn tất thanh toán phí lưu trữ. File sẽ được tải xuống ngay sau khi thanh toán thành công. Hỗ trợ qua Zalo: 0559 297 239.