A estimulação magnética transcraniana (EMT) aplicada com diferentes orientações da bobina causa variações na amplitude e na latência dos potenciais evocados motores (PEM) dos músculos da mão. No entanto, as propriedades dos PEM são afetadas também pelos sistemas de detecção, e.g. localização e tamanho dos eletrodos de aquisição, e pela anatomia do músculo analisado, e.g. arquitetura dos tecidos muscular e adiposo. Neste estudo, verificamos como variam a distribuição espacial, a amplitude pico a pico, a latência, a velocidade de condução da fibra muscular e a frequência mediana do espectro de potência dos PEM em função da orientação da bobina de EMT. Utilizamos uma matriz bidimensional de eletrodos de superfície (grade com 13 linhas e 5 colunas) para aquisição do sinal de eletromiografia de superfície (EMGs) do músculo abdutor curto do polegar (ACP) em oito orientações da bobina de EMT em relação à linha sagital, que conecta o ínio ao násio. Duas abordagens distintas foram adotadas para comparação da amplitude em função da orientação da bobina: na primeira abordagem, calculamos a amplitude pico a pico média dos PEM compreendidos em uma região ativa do músculo localizada espacialmente a partir da matriz de EMGs, na segunda abordagem extraímos a amplitude do PEM no sinal diferencial de dois grupos de eletrodos simulando um sistema de EMGs em configuração bipolar, comumente utilizado nos procedimentos em EMT. Em ambos os métodos, identificamos amplitudes máximas para orientações da bobina em ângulos de 45° e 90°, corroborando os achados da literatura. A latência, frequência mediana e velocidade de condução dos PEM não apresentaram variações significativas com a orientação da bobina. Os mapas de distribuição espacial dos PEM indicam uma atividade muscular localizada na porção distal do músculo ACP para todos os ângulos de aplicação da EMT, demonstrando que os eletrodos convencionais de EMGs podem não estar idealmente localizados sobre a região do músculo ativada pela EMT. Por fim, identificamos que um sistema de neuronavegação pode facilitar a localização da estrutura cerebral a ser estimulada e aumentar a precisão no posicionamento da bobina. Adicionamos uma ferramenta para cálculo da orientação da bobina em função da linha sagital média de cada sujeito ao neuronavegador InVesalius Navigator, a ser utilizado nos próximos experimentos. / Transcranial magnetic stimulation (TMS) pulses with different coil orientations causes changes in amplitudes and latencies of motor evoked potentials (MEP) in muscles of the hand. Nonetheless, the properties of MEP are also affected by the systems of detection, e.g. placement and size of acquisition electrodes; and by the target muscle anatomy, e.g. architecture of fat and muscles tissues. In this study, we assessed the effect of TMS coil orientation on MEP spatial distribution, peak-to-peak amplitude, latency, conduction velocity of muscle fiber and median frequency, from the abductor pollicis brevis (APB) muscle. A grid of electrodes (13 lines and 5 columns) was used to detect the surface electromyography (sEMG) signals from the APB at eight different TMS coil orientations in respect to the midsagital line, connecting the inium and nasium. Two distinct approaches were adopted to compare the amplitude according to the coil orientation: first, we calculated the mean amplitude of MEP in the electrodes of the matrix over an active region of the muscle. Second, we extracted the amplitude of MEP in a single differential signal from two groups of matrix electrodes simulating a conventional sEMG bipolar configuration, commonly used in TMS experiments. In both cases, the maximum MEP amplitudes were induced at coil orientations of 45° and 90°, confirming the past findings in literature. However, we could not identify significant differences in latency, median frequency and conduction velocity of MEP according to different stimulus orientation. Maps of spatial distribution showed a localized muscle activity at the distal portion of the APB muscle for all the coil orientations, indicating that conventional bipolar sEMG electrodes may not be rightly placed over the active portion of the muscle recruited by TMS. Finally, we considered that a neuronavigation system could facilitate the localization of brain internal structures to apply TMS stimulus and improve the accuracy of coil handling and positioning over the stimulation point. Thereafter, we developed a computational tool to the InVesalius Navigator, to track the TMS coil position and orientation in respect to the subjects midsagital line to be used in future experiments.

A estimulação magnética transcraniana (EMT) aplicada com diferentes orientações da bobina causa variações na amplitude e na latência dos potenciais evocados motores (PEM) dos músculos da mão. No entanto, as propriedades dos PEM são afetadas também pelos sistemas de detecção, e.g. localização e tamanho dos eletrodos de aquisição, e pela anatomia do músculo analisado, e.g. arquitetura dos tecidos muscular e adiposo. Neste estudo, verificamos como variam a distribuição espacial, a amplitude pico a pico, a latência, a velocidade de condução da fibra muscular e a frequência mediana do espectro de potência dos PEM em função da orientação da bobina de EMT. Utilizamos uma matriz bidimensional de eletrodos de superfície (grade com 13 linhas e 5 colunas) para aquisição do sinal de eletromiografia de superfície (EMGs) do músculo abdutor curto do polegar (ACP) em oito orientações da bobina de EMT em relação à linha sagital, que conecta o ínio ao násio. Duas abordagens distintas foram adotadas para comparação da amplitude em função da orientação da bobina: na primeira abordagem, calculamos a amplitude pico a pico média dos PEM compreendidos em uma região ativa do músculo localizada espacialmente a partir da matriz de EMGs, na segunda abordagem extraímos a amplitude do PEM no sinal diferencial de dois grupos de eletrodos simulando um sistema de EMGs em configuração bipolar, comumente utilizado nos procedimentos em EMT. Em ambos os métodos, identificamos amplitudes máximas para orientações da bobina em ângulos de 45° e 90°, corroborando os achados da literatura. A latência, frequência mediana e velocidade de condução dos PEM não apresentaram variações significativas com a orientação da bobina. Os mapas de distribuição espacial dos PEM indicam uma atividade muscular localizada na porção distal do músculo ACP para todos os ângulos de aplicação da EMT, demonstrando que os eletrodos convencionais de EMGs podem não estar idealmente localizados sobre a região do músculo ativada pela EMT. Por fim, identificamos que um sistema de neuronavegação pode facilitar a localização da estrutura cerebral a ser estimulada e aumentar a precisão no posicionamento da bobina. Adicionamos uma ferramenta para cálculo da orientação da bobina em função da linha sagital média de cada sujeito ao neuronavegador InVesalius Navigator, a ser utilizado nos próximos experimentos. / Transcranial magnetic stimulation (TMS) pulses with different coil orientations causes changes in amplitudes and latencies of motor evoked potentials (MEP) in muscles of the hand. Nonetheless, the properties of MEP are also affected by the systems of detection, e.g. placement and size of acquisition electrodes; and by the target muscle anatomy, e.g. architecture of fat and muscles tissues. In this study, we assessed the effect of TMS coil orientation on MEP spatial distribution, peak-to-peak amplitude, latency, conduction velocity of muscle fiber and median frequency, from the abductor pollicis brevis (APB) muscle. A grid of electrodes (13 lines and 5 columns) was used to detect the surface electromyography (sEMG) signals from the APB at eight different TMS coil orientations in respect to the midsagital line, connecting the inium and nasium. Two distinct approaches were adopted to compare the amplitude according to the coil orientation: first, we calculated the mean amplitude of MEP in the electrodes of the matrix over an active region of the muscle. Second, we extracted the amplitude of MEP in a single differential signal from two groups of matrix electrodes simulating a conventional sEMG bipolar configuration, commonly used in TMS experiments. In both cases, the maximum MEP amplitudes were induced at coil orientations of 45° and 90°, confirming the past findings in literature. However, we could not identify significant differences in latency, median frequency and conduction velocity of MEP according to different stimulus orientation. Maps of spatial distribution showed a localized muscle activity at the distal portion of the APB muscle for all the coil orientations, indicating that conventional bipolar sEMG electrodes may not be rightly placed over the active portion of the muscle recruited by TMS. Finally, we considered that a neuronavigation system could facilitate the localization of brain internal structures to apply TMS stimulus and improve the accuracy of coil handling and positioning over the stimulation point. Thereafter, we developed a computational tool to the InVesalius Navigator, to track the TMS coil position and orientation in respect to the subjects midsagital line to be used in future experiments.

Neuronavigation and transcranial magnetic stimulation (TMS) are valuable tools in clinical and research environment. Neuronavigation provides visual guidance of a given instrument during procedures of neurological interventions, relative to anatomic images. In turn, TMS allows the non-invasive study of cortical brain function and to treat several neurological disorders. Despite the well-accepted importance of both techniques, high-cost of neuronavigation systems and limited spatial accuracy of TMS in targeting brain structures, limit their applications. Therefore, the aim of this thesis was to i) develop an open-source, free neuronavigation software, ii) study a possible combination of neuronavigation and 3D printing for surgical planning, and iii) construct a multi-channel TMS coil with electronic control of electric field (E-field) orientation. In the first part, we developed and characterized a neuronavigation software compatible with multiple spatial tracking devices, the InVesalius Navigator. The created co-registration algorithm enabled tracking position and orientation of instruments with an intuitive graphical interface. Measured accuracy was similar to that of commercial systems. In the second part, we created 3D printed models from patients with neurological disorders and assessed the errors of localizing anatomical landmarks during neuronavigation. Localization errors were below 3 mm, considered acceptable for clinical applications. Finally, in the last part, we combined a set of two thin, overlapping coils to allow electronic control of the E-field orientation and investigated how the motor evoked responses depend on the stimulus orientation. The developed coil enabled the stimulation of the motor cortex with high angular resolution. Motor responses showed the highest amplitude and lowest latency with E-field approximately perpendicular to the central sulcus. In summary, this thesis provides new methods to improve spatial accuracy of techniques to brain interventions. / A neuronavegação e a estimulação magnética transcraniana (EMT ou TMS, do termo em inglês transcranial magnetic stimulation) têm sido apresentadas como ferramentas valiosas em aplicações clínicas e de pesquisa. A neuronavegação possibilita a localização de instrumentos em relação a imagens anatômicas durante procedimentos de intervenção neurológica. Por sua vez, a EMT permite o estudo não invasivo da função cerebral e o tratamento de doenças neurológicas. Apesar da importância de ambas as técnicas, o alto custo dos sistemas de neuronavegação e a reduzida precisão espacial da EMT em ativar estruturas cerebrais limitam suas aplicações. Sendo assim, o objetivo desta tese foi: i) desenvolver um software de neuronavegação gratuito e de código aberto, ii) estudar a combinação entre neuronavegação e impressão 3D para planejamento cirúrgico, e iii) construir uma bobina de EMT multicanal com controle eletrônico da orientação do campo elétrico (CE). Na primeira parte, desenvolvemos e caracterizamos um software de neuronavegação compatível com vários rastreadores espaciais, o InVesalius Navigator. O algoritmo criado possibilitou o rastreamento de instrumentos por uma interface gráfica intuitiva. A precisão medida foi semelhante à de sistemas comerciais. Na segunda parte, imprimimos modelos 3D de pacientes com patologias neurológicas e avaliamos os erros de localização de marcos anatômicos durante a neuronavegação. Os erros de localização foram inferiores a 3 mm, considerados aceitáveis para aplicações clínicas. Por fim, na última parte, combinamos duas bobinas sobrepostas para controlar eletronicamente a orientação do CE, e investigamos como as respostas motoras evocadas dependem da orientação da corrente. A bobina desenvolvida possibilitou estimular o córtex motor com alta resolução angular. As respostas motoras apresentaram maior amplitude e menor latência para orientação do CE aproximadamente perpendicular ao sulco central. Em suma, esta tese fornece novos métodos para melhorar a precisão espacial de técnicas de intervenção com o cérebro.

Neuronavigation and transcranial magnetic stimulation (TMS) are valuable tools in clinical and research environment. Neuronavigation provides visual guidance of a given instrument during procedures of neurological interventions, relative to anatomic images. In turn, TMS allows the non-invasive study of cortical brain function and to treat several neurological disorders. Despite the well-accepted importance of both techniques, high-cost of neuronavigation systems and limited spatial accuracy of TMS in targeting brain structures, limit their applications. Therefore, the aim of this thesis was to i) develop an open-source, free neuronavigation software, ii) study a possible combination of neuronavigation and 3D printing for surgical planning, and iii) construct a multi-channel TMS coil with electronic control of electric field (E-field) orientation. In the first part, we developed and characterized a neuronavigation software compatible with multiple spatial tracking devices, the InVesalius Navigator. The created co-registration algorithm enabled tracking position and orientation of instruments with an intuitive graphical interface. Measured accuracy was similar to that of commercial systems. In the second part, we created 3D printed models from patients with neurological disorders and assessed the errors of localizing anatomical landmarks during neuronavigation. Localization errors were below 3 mm, considered acceptable for clinical applications. Finally, in the last part, we combined a set of two thin, overlapping coils to allow electronic control of the E-field orientation and investigated how the motor evoked responses depend on the stimulus orientation. The developed coil enabled the stimulation of the motor cortex with high angular resolution. Motor responses showed the highest amplitude and lowest latency with E-field approximately perpendicular to the central sulcus. In summary, this thesis provides new methods to improve spatial accuracy of techniques to brain interventions. / A neuronavegação e a estimulação magnética transcraniana (EMT ou TMS, do termo em inglês transcranial magnetic stimulation) têm sido apresentadas como ferramentas valiosas em aplicações clínicas e de pesquisa. A neuronavegação possibilita a localização de instrumentos em relação a imagens anatômicas durante procedimentos de intervenção neurológica. Por sua vez, a EMT permite o estudo não invasivo da função cerebral e o tratamento de doenças neurológicas. Apesar da importância de ambas as técnicas, o alto custo dos sistemas de neuronavegação e a reduzida precisão espacial da EMT em ativar estruturas cerebrais limitam suas aplicações. Sendo assim, o objetivo desta tese foi: i) desenvolver um software de neuronavegação gratuito e de código aberto, ii) estudar a combinação entre neuronavegação e impressão 3D para planejamento cirúrgico, e iii) construir uma bobina de EMT multicanal com controle eletrônico da orientação do campo elétrico (CE). Na primeira parte, desenvolvemos e caracterizamos um software de neuronavegação compatível com vários rastreadores espaciais, o InVesalius Navigator. O algoritmo criado possibilitou o rastreamento de instrumentos por uma interface gráfica intuitiva. A precisão medida foi semelhante à de sistemas comerciais. Na segunda parte, imprimimos modelos 3D de pacientes com patologias neurológicas e avaliamos os erros de localização de marcos anatômicos durante a neuronavegação. Os erros de localização foram inferiores a 3 mm, considerados aceitáveis para aplicações clínicas. Por fim, na última parte, combinamos duas bobinas sobrepostas para controlar eletronicamente a orientação do CE, e investigamos como as respostas motoras evocadas dependem da orientação da corrente. A bobina desenvolvida possibilitou estimular o córtex motor com alta resolução angular. As respostas motoras apresentaram maior amplitude e menor latência para orientação do CE aproximadamente perpendicular ao sulco central. Em suma, esta tese fornece novos métodos para melhorar a precisão espacial de técnicas de intervenção com o cérebro.