Del, , Google Plus, Pinterest,

Print

Posted in:

Intra-operativ 3D ultralydbasert navigasjon og reseksjonskontroll i nevrokirurgi

I hjernen er det få anatomiske landmerker. Under en operasjon er det kritisk for nevrokirurgen å vite den eksakte plasseringen av operasjonsinstrumentene i forhold til viktige strukturer i hjernen. Det er derfor utviklet navigasjonssystemer som brukes i forbindelse med planleggingen og til en viss grad under gjennomføringen av operasjoner.

De konvensjonelle navigasjonssystemene er av begrenset verdi ettersom de baserer seg på preoperative MR eller CT bilder. Posisjonen til hjernevevet forandres når kirurgen begynner å operere ettersom hjernen er ganske bløt og ligger og flyter i cerebrospinalvæsken. Denne forandringen kalles i engelsk litteratur for «brain-shift». Kartet (de preoperative bildene) vil derfor stemme gradvis dårligere og dårligere med terrenget (pasienten) og navigasjonsfeilen kan ofte utgjøre flere cm. Dessuten kan det være vanskelig å registrere disse billedvolumene nøyaktig til pasientens hode. Det er derfor behov for navigering basert på intraoperativ avbildning, enten CT, MR eller ultralyd. Intraoperativ avbilding vil også kunne si noe om progresjonen av operasjonen og om alt det som var planlagt er gjort. Intraoperativ CT er tilgjengelig, men er ikke velegnet på grunn av strålebelastning og begrenset bløtvevskontrast i CT bildene.  

Intraoperativ MR

Mange forskningsgrupper og store industriselskaper har satset på å løse behovet for intraoperativ avbilding med MR. En mulighet er å operere i åpningen av en MR-maskin med instrumenter og anestesiutstyr som utelukkende er MR-kompatible. Ved behov for bilder sendes pasienten inn i magneten. Dette krever utvikling av en komplett og spesialtilpasset utstyrspark for nevrokirurgi og nevroanestesi, og det kan innebære en del kompromisser på bekostning av funksjonalitet. En annen løsning er operasjonsstuer med skjermet MR-utstyr i naborommet hvor pasienten kan transporteres inn og ut av det magnetiske feltet. Dette er høyfelts MR utstyr som gir god billedkvalitet, men det tar tid å gjøre et nytt intra-operativt 3D MR volum, så det blir ofte bare én undersøkelse i løpet av en operasjon. En tredje løsning er å løfte en svak magnet inn og ut av operasjonsfeltet, såkalt lavfelts intraoperativ MR. Da er det raskere å gjøre flere oppdateringer under operasjonen, men billedkvaliteten blir ikke så god ved lavfelts MR og størrelsen på bildevolumet (“field of view”) er begrenset. Ved de to sistnevnte løsninger er det mulig å bruke det vanlige operasjonsutstyret. Den viktigste ulempen med intraoperativ MR er kostnaden. I tillegg til kostnadene for MR utstyret, kommer kostnadene med spesialtilpasning av operasjonsstuene og behov for ekstra røntgenpersonell i den daglige driften.  

I det medisinsk teknologiske miljøet i Trondheim har vi gått i en litt annen retning. Det er utviklet et navigasjonssystem som i tillegg til konvensjonell navigasjon basert på preoperative bilder, også kan navigere basert på intraoperativ 3D ultralyd. Dette utstyret er kommersialisert under navnet SonoWand®. Konseptet ble utviklet i nært samarbeid mellom nevrokirurger og ingeniører (2,9). 

Figur 1. Skjermbildet fra navigasjonssystemet SonoWand® med preoperativ 3D MR og intraoperativ3D ultralyd. Figuren viser korresponderende utsnitt fra MR T2 (øverst) og ultralyd (nederst).

Ultralydkvaliteten

Ultralyd har gjennomgått en betydelig teknologisk utvikling de senere årene, hovedsakelig med fokus på kardiologiske behov. Mange nevrokirurgiske miljøer har ikke vært oppmerksom på denne utviklingen. Kvaliteten på bilder fra høykvalitets ultralydmaskiner kan nå oftest matche kvaliteten på preoperative MR bilder (Fig. 1). 

En av innvendingene mot intraoperativ ultralyd har vært at det er vanskelig å opprettholde kvaliteten under operasjonen fordi det lett oppstår artefakter i bildene som følge av inngrepet. Artefaktene kan imidlertid begrenses mye med relativt enkle midler. Det er viktig å posisjonere pasienten slik at tilgangen blir vertikal. Dermed vil luftbobler, som kan skape akustiske skygger, stige til overflaten Dette lar seg gjøre ved de aller fleste operasjoner (11). I tillegg vil en slik posisjonering av pasientene på operasjonsbordet også gagne pasienten ved at det blir mindre trykk av spatler under operasjonen. 

3D Ultralyd og navigering

Et frihånds 3D ultralyd volum dannes ved at operatøren beveger en ultralydprobe påmontert en ramme med reflekterende kuler over det aktuelle området. Et infrarødt kamera leser posisjonen til proben i forhold til en referanseramme med reflekterende kuler som festes til pasientens hode (Fig. 2). Dermed kan et 3D ultralyd volum rekonstrueres på grunnlag av 100-200 2D bilder. Dette ultralydvolumet gir en korrekt avbilding av den aktuelle anatomien og det plasseres korrekt i forhold til referanserammen. 

Fremvisningen av ultralydvolumet kan gjøres på mange måter. En måte er å vise snitt gjennom ultralydvolumet. Det kan være snitt gjennom alle tre plan (aksiale, koronale, og sagitale) som til sammen gir presis informasjon om for eksempel en svulst. En kan velge hvilke snitt en vil ha frem ved hjelp av en peker med reflekterende kuler. Hvis en skal bruke det mer aktivt under operasjonen for kontinuerlig å definere plassering av operasjonsinstrumentet i forhold til for eksempel svulstgrenser, så er det vanskelig å forholde seg til 3 snitt som forandrer seg hele tiden. Det er da ofte mer hensiktsmessig å bruke et snitt som er definert av både tuppen, retningen og rotasjonen av operasjonsinstrumentet. Dette er et såkalte ”anyplane”. Ofte legges det også et plan vinkelrett på dette planet for å unngå usikkerhet ved tangentiell posisjon av instrumentet i forhold til for eksempel svulstgrenser.  

Figur 2. 3D ultralyd opptak ved hjelp av en ultralyd probe hvor posisjonen hele tiden registreres. Proben tiltes eller forflyttes for å dekke det interessante området og de genererte 2D bildene brukes til å lage et 3D volum.

Nøyaktighet av 3D ultralyd 

Ved konvensjonelle navigasjonssystemer er det en rekke feilkilder som har sammenheng med registrering av de preoperative bildene til pasienten. 3D ultralyd har ikke disse feilkildene ettersom bildene tas opp og presenteres i samme referansesystem (Fig. 3). Navigasjonsnøyaktigheten basert på ultralyddata som nylig er samlet inn, er derfor meget god. Den gjennomsnittlige feilen er tidligere målt til å være 1,4 mm ± 0,45 (4).

I tillegg kan det gjøres nye 3D ultralyd opptak når som helst. Det tar ca 30 sekunder å gjøre et nytt opptak. I løpet av en operasjon for primær hjernesvulst (gliom) gjøres typisk 5-7 opptak. På den måten vil en kunne korrigere for det «brain-shift» som skjer etter hvert som operasjonen skrider frem. 

Figur 3. Bilde av skjermen fra under operasjon av et cavernøst hemangiom (”Dual anyplane”). Det pekes på kanten av lesjonen. Unøyaktigheten i de preoperative MR bildene vises i øverste rad. Unøyaktigheten er på ca. 8 mm.

Bruk av 3D ultralyd i daglig nevrokirurgi

SonoWand® brukes ved en rekke klinikker rundt omkring i verden. Ved nevrokirurgisk avdeling, St Olavs Hospital, har vi nå i mange år brukt utstyret nærmest daglig. Utstyret brukes til et vidt spekter av nevrokirurgiske operasjoner: reseksjon av høygradige og lavgradige gliomer, biopsier, svulster på skallebasis, hypofysesvulster, cavernomer og arteriovenøse malformasjoner. I tillegg er det laget en applikasjon for plassering av ventrikkelkateter. Utstyret kan brukes til navigasjon og reseksjonskontroll basert på 3D ultralyd alene, men oftest bruker vi både preoperative MR bilder og intraoperativ 3D ultralyd samtidig. Navigering basert på preoperative MR bilder kan være nyttig i planleggingsfasen. Når operasjonen har startet, er det kun 3D ultralyd som gir presis nok informasjon til at bildene kan brukes aktivt til å “guide” operasjonen. Det kan likevel være nyttig å ha MR bilder som sammenligning i begynnelsen fordi nevrokirurger er mer vant til å se på MR bilder enn på ultralyd bilder, og fordi at MR gir bedre oversikt (større “field of view”). 

Funksjonelle MR data (fMRI) og data om viktige nervebaner i hjernen (traktografi) kan importeres sammen med de preoperative MR volumene. Dermed vil vi under operasjonen vite mye om hvor vi har funksjonelle områder som språksenter, hjernebark for motorikk, pyramidebane etc. Disse dataene vil ha den samme mangel på presisjon som andre MR data under operasjonen på grunn av «brain-shift». Det har likevel vist seg å være til hjelp å vite den omtrentlige lokaliseringen av disse følsomme områdene intraoperativt. 

Figur 4. Et utsnitt av skjermen fra SonoWand® under en operasjon for et stort lavgradig insulagliom. Til venstre er MR flair med tractografi data. I midten er 3D ultralyd etter at store deler av svulsten er fjernet. Det lysegrå området omkring reseksjonkaviteten (sort) er restsvulst. I opptaket til høyre er alt tumorvev fjernet. I tillegg er 3D ultralyd angiografi (rødt) lagt inn.

Guiding av tumor operasjoner og reseksjonskontroll

SonoWand er spesielt nyttig for å oppnå en best mulig reseksjon av lavgradige astrocytomer. Det er gjort biopsistudier som viser at 3D ultralyd er like nøyaktig til å avgrense lavgradige gliomer som MR flair (12). Når tumor ligger i spesielt følsomme områder, og pasienten ikke har symptomer, så ser vi fra fMRI- og tractografi dataene at de følsomme områdene vanligvis er forskjøvet og ligger utenfor tumor. Det er derfor et viktig poeng at så lenge man holder seg innenfor og i kanten av svulstgrensene som fremstilles med 3D ultralyd, så vil pasienten ikke få varige nevrologiske utfall (1). Dermed er det heller ikke behov for å operere pasienten i våken tilstand, som ellers er en vanlig måte å unngå nevrologiske utfall i slike tilfeller. 

Operasjonsinstrumentet (CUSA, cavitron ultrasonic surgical aspirator) kan kalibreres slik at det fungerer som en pekestokk i billedvolumet. Dermed vil en til en hver tid vite hvor tuppen av operasjonsinstrumentet befinner seg i forhold til for eksempel svulstgrenser. Dette kan gi en rask og sikker operasjon. I tillegg er operasjonsmikroskopet integrert slik at det også kan fungere som en pekestokk i 3D ultralyd volumet. Mot slutten av operasjonen er det viktig å sikre seg at svulsten fjernes så radikalt som mulig. 3D ultralyd opptak i denne fasen vil kunne avsløre svulstrester som dermed kan fjernes presist enten med et navigert operasjonsinstrument eller navigert mikroskop. (11). 

Som vist i artikkelen om lavgradige gliomer har behandlingen av disse svulstene vært kontroversiell og dette har gitt grunnlag for ulike behandlingsstrategier. Veiledet med 3D ultralyd har vi forsøkt å gjøre en mest mulig radikal operasjon så snart diagnosen var stilt. Sammenlignet med en mer forsiktig behandlingsstrategi, så har vår strategi gitt en klar overlevelsesgevinst uten signifikant økning av komplikasjoner (3). 

Operasjon av høygradige gliomer gjøres på samme måte som for de lavgradige gliomene. Ved de høygradige er det alltid ødem, og det er viktig å passe på at pasienten har stått på steroider en ukes tid før operasjonen for å gjøre det enklere å se svulstgrensene med ultralyd.

Navigerte biopsier gjøres ved hjelp av en tynn biopsitang med posisjonsramme som kan kalibreres og brukes som en pekestokk. 3D ultralydopptak gjøres gjennom et borrehull. Den navigerte biopsitangen guides til nøyaktig riktig plass i billedvolumet. Dette er en enkel og nøyaktig prosedyre. Dessuten kan en gjøre et nytt 3D ultralyd opptak etter at biopsien er tatt for å forsikre seg om at den er tatt på riktig sted og at det ikke er oppstått blødning. Vi har gjort slike biopsier på svært mange pasienter med hjernesvulster og fant at teknikken er meget presis og har veldig lav risiko (12). I forhold til vanlig stereotaktisk biopsi sparer en dessuten en MR undersøkelse operasjonsdagen. Ulempen er at pasienten må i narkose. Med relativt enkle tilpasninger vil prosedyren også kunne gjøres i lokalbedøvelse.

Det er også utviklet spesielle prober som gjør det mulig å avbilde hypofysesvulster, normal hypofyse og kar intrasellært i forbindelse med operasjoner for hypofysesvulster (8). Det gjøres nå studier for å undersøke nytteverdien av dette. 

I motsetning til vanlig nevronavigasjon, er 3D ultralyd et meget nøyaktig hjelpemiddel til å påvise cavernomer (Fig. 3). Særlig gjelder dette cavernomer i hjernestammen. I tillegg kan en ved avslutningen av operasjonen gjøre et nytt 3D ultralyd opptak som reseksjonskontroll for å sikre seg at alt er fjernet. 

Guiding av endoskop

Ved enkelte endoskopiske operasjoner kan anatomien være svært kompleks, for eksempel prosedyrer med multiple cyster. Da er det lett å gå seg vill med endoskopet. Ved å gjøre 3D ultralyd opptak gjennom en liten minicraniotomi, som også brukes til innføring av endoskopet, vil en ha et 3D bilde av den komplekse anatomien. Ved å bruke et stivt skop som kan kalibreres slik at det fungerer som en pekestokk vil operatøren til en hver tid vite den nøyaktige posisjonen av endoskopet (5)

Karoperasjoner 

3D ultralyd angiografi basert på power Doppler data vises i rød farge overlagt vevsbilder. Power Doppler angiografi er en meget følsom teknikk med tanke på å fremstille kar. Ulempen er at karene kan se litt større og mer dramatiske ut enn de egentlig er. Men et hvert
kar er viktig i hjernekirurgien og vi har hatt stor nytte av ultralyd angiografi ved forskjellige operasjoner. Ved en rekke tumoroperasjoner, både i hjerneparenchymet og på skallebasis, har ultralyd angiografi vist seg å kunne gi opplysninger om viktige kar som ligger rundt eller inne i en svulst før vi når dit (6,7) og har dermed bidratt til å unngå infarkter og nevrologiske utfall. 

Vi har også brukt 3D ultralyd angiografi for å lokalisere aneurysmer og for å se at sirkulasjonen i karene som aneurysmet utgår fra er tilstrekkelig etter klipsing. Dette konseptet er fortsatt under utprøving. Ved alle operasjoner av arterio-venøse malformasjoner (AVM) bruker vi 3D ultralyd angiografi til å identifisere tilførselskarene i tidlig fase av operasjonen. Ved å klipse disse tidlig i operasjonen gjør, vi en meget komplisert operasjon om til en mye enklere og sikrere operasjon. 3D ultralyd angio brukes også ved avslutningen av operasjonen for å kontrollere at hele den arteriovenøse malformasjonen er fjernet (10). 

Konklusjon

Ved mange nevrokirurgiske operasjoner er det behov for intraoperativ avbilding. Den desidert mest kostnadseffektive og mest anvendelige modalitet for slik avbilding er navigert 3D ultralyd, hvor det viktigste tilgjengelige produktet er norsk (SonoWand®). Mange nevrokirurger er i utgangspunktet dårlig til å tolke ultralydbilder, men hvis de er villig til å bruke litt tid på å lære det (slik kardiologene har gjort), så har vi et meget potent og anvendelig redskap.

Referanser

  1. Berntsen EM, Gulati S, Solheim O, et al: Functional Magnetic Resonance Imaging and Diffusion Tensor Tractography Incorporated Into an Intraoperative 3-Dimensional Ultrasound-Based Neuronavigation System: Impact on Therapeutic Strategies, Extent of Resection, and Clinical Outcome. Neurosurgery. 2010; 67(2): 251-64 
  2. Gronningsaeter A, Kleven A, Ommedal S, et al: SonoWand, an ultrasound-based neuronavigation system. Neurosurgery 47:1373-1379; discussion 1379-1380, 2000.
  3. Jakola AS, Myrmel KS, Kloster R, et al: Comparison of a Strategy Favoring Early Surgical Resection vs a Strategy Favoring Watchful Waiting in Low-Grade Gliomas. Jama 25:1-8, 2012
  4. Lindseth F, Lango T, Bang J, et al: Accuracy evaluation of a 3D ultrasound-based neuronavigation system. Comput Aided Surg 7:197-222, 2002.
  5. Rygh OM, Cappelen J, Selbekk T, et al: Endoscopy guided by an intraoperative 3D ultrasound-based neuronavigation system. Minim Invasive Neurosurg 49:1-9, 2006.
  6. Rygh OM, Nagelhus Hernes TA, Lindseth F, et al: Intraoperative navigated 3-dimensional ultrasound angiography in tumor surgery. Surg Neurol 66:581-592, 2006.
  7. Solheim O, Selbekk T, Lindseth F, et al: Intraoperative navigated 3D ultrasound in giant intracranial meningiomas. Acta Neurochirurgica, 2009; 151:1143-1151.
  8. Solheim O, Selbekk T, Løvstakken L, et al: Intrasellar ultrasound in transsphenoidal surgery – a novel technique. Neurosurgery, 2010; 66:173-186.
  9. Unsgaard G, Ommedal S, Muller T, et al: Neuronavigation by intraoperative three-dimensional ultrasound: initial experience during brain tumor resection. Neurosurgery 50:804-812; discussion 812, 2002.
  10. Unsgaard G, Ommedal S, Rygh OM, et al: Operation of arteriovenous malformations assisted by stereoscopic navigation-controlled display of preoperative magnetic resonance angiography and intraoperative ultrasound angiography. Neurosurgery 56:281-290; discussion 281-290, 2005.
  11. Unsgaard G, Rygh OM, Selbekk T, et al: Intra-operative 3D ultrasound in neurosurgery. Acta Neurochir (Wien) 148:235-253; discussion 253, 2006.
  12. Unsgaard G, Selbekk T, Brostrup Muller T, et al: Ability of navigated 3D ultrasound to delineate gliomas and metastases–comparison of image interpretations with histopathology. Acta Neurochir (Wien) 147:1259-1269; discussion 1269, 2005.