Del, , Google Plus, Pinterest,

Print

Posted in:

Prekirurgisk planlegging og funksjonell nevronavigasjon ved operasjon av hjernesvulster

Nye avanserte MR-metoder kan brukes til å kartlegge viktige funksjonelle områder og anatomiske strukturer i henholdsvis grå og hvit substans i hjernen, samt deres beliggenhet i forhold til hjernesvulster. Disse metodene er tatt i rutinemessig bruk ved reseksjon av hjernesvulster, hvor informasjonen fra disse undersøkelsene blir benyttet preoperativt til planlegging av operasjonen og intraoperativt til navigasjon under inngrepet.

Figur 1, venstre og midtre del: Tredimensjonal modell av hjernens overflate med svulsten i oransje, fMRI-aktiveringer i det primære motoriske barkområdet fra bevegelse av fingrene i gult/oransje på hjernens overflate. Pyramidebanene er visualisert som røde fibere, her med deviasjon på grunn av svulsten. Høyre del: Et T1-vektet transversalt snittbilde med fMRI-aktiveringer som høyintense hvite områder og pyramidebanene som høyintense hvite omriss, slik nevrokirurgene har informasjonen ilgjenglig peroperativt. Erik Magnus Berntsen, Klinikk for bildediagnostikk, St. Olavs Hospital.

Bakgrunn

Ved reseksjon av lavgradige og
høygradige hjernesvulster er det en
positiv korrelasjon mellom økende
reseksjonsgrad og forlenget overlevelse
[1]. Ved alle typer gliomer tilstrebes
derfor en mest mulig radikal kirurgisk
ekstirpasjon av svulsten, noe som er
annerkjent i de amerikanske kliniske
retningslinjene for behandling av
hjernesvulster [2]. Dersom dette ikke
kan gjennomføres med et akseptabelt
funksjonelt resultat, må man utføre
en mer begrenset svulstreseksjon [3].
Ved reseksjon av svulster som ligger
i nærheten av det primære motoriske
barkområdet eller språkområder er
det risiko for funksjonstap i form av
henholdsvis parese/paralyse og afasi.
I forkant av operasjonen er det derfor
viktig med mest mulig informasjon
om svulstens utbredelse i grå og hvit
substans, samt nærliggende omgivelsers
anatomi og funksjon. Dette er det mulig å
kartlegge ved hjelp av nye MR-metoder.
Blood-Oxygenation-Level-Dependent
functional Magnetic Resonance Imaging
(BOLD-fMRI, heretter referert til som
fMRI) er en teknikk for funksjonell
kartlegging av hjernebarken som
baserer seg på endret oksygenering av
blodet i sirkulasjonen rundt aktiv grå
substans [4]. Diffusion Tensor Imaging
(DTI) er en annen teknikk for kartlegging
av hvis substans, og baserer seg på
at vannmolekyler lettere diffunderer
på langs enn på tvers av aksonenes
lengderetning. DTI kan dermed brukes til
å visualisere aksonenes hovedretning i
hvit substans, noe som gjøres ved hjelp
av en teknikk som kalles traktografi.
Hos pasienter med hjernesvulster er det
derfor mulig å kartlegge nervebanenes
forløp gjennom hvit substans, og slik få
unik informasjon om banenes relasjon til
svulsten [5].

 

Bildeopptak og analyse

MR-undersøkelsene blir vanligvis gjort
to dager før operasjonen grunnet mye
arbeid med å analysere opptakene. Det
blir da gjort tradisjonelle anatomiske
MR-avbildninger i tillegg til fMRI- og
DTI-undersøkelser. En fMRI-undersøkelse
tar 5 minutter, mens en DTI-undersøkelse
tar 6 minutter. Totalt varer MR-opptakene
fra 60 til 90 minutter for hver pasient,
avhengig av hvor mange fMRIundersøkelser
man ønsker.

fMRI-undersøkelsene er bygd opp av
alternerende perioder med oppgaver og
hvile som resulterer i ca 3 500 råbilder,
som er grunnlaget for å produsere
aktiveringskart ved hjelp av statistiske
analyser. Ønsker man å kartlegge
finger-området av det primære
motoriske barkområdet kan man få
pasienten til å bevege fingrene i de
periodene hvor oppgaven skal utføres.
Aktiveringskartene som produseres
fremstiller da de områdene som var
aktive under oppgaveløsningen, og disse
aktiveringskartene kan så kombineres
med både de tradisjonelle anatomiske
MR-snittene og tredmimensjonale
overflatemodeller av hjernen og svulsten
(Figur 1). Ved DTI-undersøkelsene trenger man imidlertid kun å ligge i ro for at
undersøkelsen skal bli vellykket, som
ved tradisjonelle MR-undersøkelser.
DTI-bildene blir så brukt som grunnlag
for traktografien, hvor man ved hjelp av
algoritmer framstiller de aksonale banene
som ligger i nærheten av svulsten
(Figur 1).

 

Figur 2: Nevronavigasjons-systemet SonoWand sett fra kirurgens ståsted. Nasjonalt kompetansesenter for 3D ultralyd i nevrokirurgi, St. Olavs Hospital/NTNU/SINTEF

 

Valg av undersøkelse basert på
svulstlokalisasjon

Det er svulstens beliggenhet som
bestemmer hvilke fMRI- og DTIundersøkelser
som skal gjennomføres.
Dersom svulsten ligger nært det primære
motoriske barkområdet blir det gjort
fMRI-undersøkelser med bevegelse av
tær, fingre og tunge eller en kombinasjon
av disse. De relevante DTI-analysene i
disse tilfellene vil være traktografi av
pyramidebanene, de aksonale banene
mellom hjernestammen og det primære
motoriske barkområdet, og noen ganger
corpus callosum. Dersom svulsten
ligger i nærheten av språkområdene
i den dominante hemisfæren, blir det
gjort fMRI-undersøkelser bestående av
forskjellige språkoppgaver. Dette kan
for eksempel være å produsere ord
som begynner på en bestemt bokstav
(”ord som begynner på A”), eller en
oppgave som også krevde at man leser
en setning, tolker den og produserer et
svar (”Hvilket dyr sier mø?”). Ved hjelp
av disse oppgavene aktiveres både de
frontale språkområdene tilsvarende
Brocas område, som er viktig for å danne
språk, og de temporale språkområdene
tilsvarende Wernickes område, som er
viktig for å forstå språk. De relevante
DTI-undersøkelsene i disse tilfellene vil
være traktografi av fasciculus arcuate,
som forbinder de frontale og temporale
språkområdene.

 

Presentasjon og bruk av resultatene

Resultatene fra fMRI- og DTIundersøkelsene
kan visualiseres både
på de tredimensjonale overflatemodeller
av hjernen og svulsten, og på de
tradisjonelle snittbildene i form
av høyintense områder på de T1-
vektede anatomi bildene (Figur 1). De
tredimensjonale overflatemodellene
kan presenteres i form av bilder og
animasjoner i forkant av operasjonen.
De anatomiske snittbildene med fMRI
og DTI-informasjon kan importeres
inn i et navigasjonssystem og brukes
peroperativt (Figur 2 & 3).

 

Funksjonell Nevronavigasjon

Tradisjonelt har planlegging og
gjennomføring av operasjoner på
hjernesvulster vært basert på informasjon
fra konvensjonelle snittbilder, men i
de senere år er navigasjonsenheter
med preoperativ billeddiagnostikk
tatt i rutinemessing bruk. I en
navigasjonsenhet er preoperativ
bildeinformasjonen tilgjengelig før
og under operasjonen, og viser
posisjonen til kirurgiske instrumenter
i forhold til hjernen og svulsten.
Navigasjonssystemet SonoWand®
(SONOWAND AS , Trondheim) brukes
til operasjonsplanlegging basert på
preoperative anatomiske MR-bilder,
samt å navigere intrakranielt under
operasjonen ved hjelp av peroperative
ultralydopptak (Figur 2 & 3) [6]. Ultralyd
gir oppdatert informasjon om hjernens
deformasjon under operasjonen,
identifiserer viktige blodkar nært svulsten
og påviser områder med gjenværende
svulstvev (Figur 3). Ved å importere
fMRI-aktiveringene og visualiseringene
av de aksonale banene inn i
navigasjonsenheten blir informasjonen
tilgjengelig både pre- og per-operativt,
og kan benyttes til såkalt funksjonell
nevronavigasjon.

 

Svakheter ved metodene

MR-sekvensene som brukes for fMRI og
DTI er meget følsomme for forstyrrelser
fra små bevegelser, noe som gjør at
man må fiksere pasientenes hode ved
hjelp av fikseringsbånd. Dessuten krever
fMRI-undersøkelsene at pasientene
klarer å utføre oppgavene korrekt,
i den forstand at de prøver å løse
oppgavene i periodene med oppgaver,
og klarer å koble av fra oppgavene i
periodene med hvile. Når det gjelder
å bestemme utbredelsen av de ulike
fMRI-aktiveringene, er dette en subjektiv
operatøravhengig avgjørelse. Det må
gjøres statistiske analyser for å kunne
visualisere de aktiverte områdene
og man setter da en statistisk grense
hvor aktiveringenes utbredelse er i
samsvar med kunnskapen om den
funksjonelle anatomien. Ved analysene
av DTI-undersøkelsene er det lignende
svakheter. Skal man visualisere
pyramidebanene, må man avmerke minst
to områder hvor man forventer at disse
banene går (f.eks. capsula interna og
det primære motoriske barkområdet).
Når analyseprogrammet da beregner
de aksonale banene som sannsynligvis
går igjennom disse områdene, må man
etterpå fjerne noen foreslåtte baner som
tydelig strider mot anatomisk kunnskap.
Dette gjør at også visualiseringen av
de større aksonale baner delvis er en
subjektiv operatøravhengig avgjørelse,
hvor resultatet må vurderes i forhold
til anatomisk kunnskap og svulstens
påvirkning på anatomien.

 

Under operasjonen vil det oppstå
deformasjoner av hjernen som følge
av endrede trykkforhold når svulsten
fjernes, et såkalt ”brain-shift”. Dette
gjør at de preoperative bildene ikke
lengre stemmer fullstendig med
anatomien peroperativt. Dette må i dag
kompenseres for av nevrokirurgen, som
ved hjelp av peroperative ultralydbilder
må anslå hvordan deformasjonen har
påvirket anatomien. En framtidig løsning
kan være å oppdatere de preoperative MR-bildene basert på de peroperative
ultralyd-bildene [7].

 

Figur 3: Et skjermbilde fra SonoWand-systemet brukt i operasjon av et glioblastom. Ved å kombinere ultralyd og navigasjonsteknologi kan man samle inn 3D ultralyd bildevolum ved behov, og man kan på denne måten navigere med oppdaterte bilder fra operasjonsområdet. I disse reformaterte bildene er snittet bestemt av orienteringen til navigasjonsinstrumentet, og spissen av instrumentet er markert med en lys prikk i bildesnittene. I bildet til høyre er ultralyddataene lagt over MR-dataene (overlay), og posisjonen til operasjonsinstrumentet er vist i svulsten. Nasjonalt kompetansesenter for 3D ultralyd i nevrokirurgi, St. Olavs Hospital/NTNU/SINTEF

 

Styrker ved metodene

De tredimensjonale overflatemodellene
av hjernen og svulsten som resultatene
fra fMRI- og DTI-undersøkelsene blir
visualisert sammen med, er intuitivt
enklere å forstå enn tradisjonelle
snittbilder. Dette gjør det lettere å danne
seg et tredimensjonalt bilde av svulstens
beliggenhet i forhold til nærliggende
viktige strukturer og funksjonelle
områder, noe som kan være spesielt
vanskelig i nærvær av infiltrerende
svulster. Dette bildet vil dessuten stemme
bedre overens med kirurgens visuelle
inntrykk under inngrepet. Ved å integrere
informasjonen fra fMRI- og DTI-undersøkelsene
i en navigasjonsenhet får
nevrokirurgen presentert all informasjon
om anatomi, funksjonelle områder og
aksonale baner i nærheten av svulsten i
det formatet og bildeplanet han bruker
under selve operasjonen. Slik kan man
bruke informasjonen til å velge optimal
operasjonstilgang, samt overvåke
posisjonen til viktige nervebaner og
hjerneområder under reseksjonen.
(Figur 3).

 

Erfaringer med metodene

Ved St. Olavs Hospital har fMRI- og
DTI-undersøkelser av pasienter med
hjernesvulster i nær relasjon til viktige
funksjonelle områder i hjernen, samt
integrering av resultatene i navigasjonssystemet,
vært rutine siden 2005.
Omlag 110 ulike pasienter med en rekke
forskjellige hjernesvulster har blitt
kartlagt og operert, deriblant høygradige
og lavgradige gliomer, arteriovenøse
malformasjoner, hemangiomer og
metastaser. Hos disse pasientene har
svulsten ligget nært enten det primærmotoriske
barkområdet, språkområdene,
pyramidebanene, fasciculus arcuate eller
synsbanene.

Det har stort sett vært god overensstemmelse
mellom de tredimensjonale
overflatemodellene, fMRI-aktiveringene,
visualiseringene av de aksonale banene
og den anatomiske lokalisasjonen
basert på dagens kunnskap. Et fåtall
undersøkelser har vært mislykket og da
som følge av for store hodebevegelser
eller at pasientene ikke har klart å
løse oppgavene tilfredsstillende.
fMRI-aktiveringene fra de motoriske
undersøkelsene har gitt robuste
aktiveringer og vært lette å tolke, mens
aktiveringene fra språkoppgavene har i
en del tilfeller vært vanskeligere å tolke.
Dette skyldes at det er flere områder enn
bare fremre og bakre språkområde som
er aktive ved oppgaveløsingen, noe som
gjør det vanskelig å velge en statistisk
grense for aktiveringene.

Våre kliniske erfaringer med bruken av
fMRI og DTI integrert i det ultralydbaserte
navigasjonssystemet ved operasjoner
av høygradige gliomer er tidligere
publisert [8]. Her inngikk 25 pasienter
med glioblastomer og anaplastiske
astrocytomer, hvor svulsten lå i nær
relasjon til de funksjonelle områdene
som ble kartlagt. Her fant vi at fMRI
og DTI bidrar til identifiseringen av de
funksjonelle områdene i henholdsvis 91%
og 94% av undersøkelsene. Videre fant
vi en median reseksjonsgrad på 92%,
med en signifikant bedring i klinisk status
etter operasjonen sammenlignet med
før. Vi mener derfor at kombinasjonen
av fMRI, DTI og intraoperativ 3D ultralyd
integrert i en nevronavigator gir et bedret
beslutningsgrunnlag ved reseksjonen
av hjernesvulster, og fasilliterer en så
radikal reseksjon som mulig uten å skade
inntakt hjernevev eller produsere nye
nevrologiske utfall.

 

Referanser

1. Sanai, N. and M.S. Berger, Glioma extent of resection
and its impact on patient outcome. Neurosurgery, 2008.
62(
): p. 753-764.

2. NationalComprehensiveCancerNetwork, Central
Nervous System Cancer Guidelines. 2007, NCCN Press:
Jenkintown, Pennsylvania.

3. Helseth, E., et al., Intrakraniale svulster hos voksne.
Tidsskr Nor Lægeforen, 2003. 123(4): p. 456-61.

4. Ogawa, S., et al., Brain Magnetic-Resonance-Imaging
with Contrast Dependent on Blood Oxygenation. Proc
Natl Acad of Sci U S A, 1990. 87(24): p. 9868-9872.

5. Mori, S., et al., Brain white matter anatomy of tumor
patients evaluated with diffusion tensor imaging. Annals
of Neurology, 2002. 51(3): p. 377-380.

6. Gronningsaeter, A., et al., SonoWand, an ultrasoundbased
neuronavigation system. Neurosurgery, 2000.
47(6): p. 1373-1379.

7. Rasmussen, I.A., et al., Functional neuronavigation
combined with intra-operative 3D ultrasound: Initial
experiences during surgical resections close to eloquent
brain areas and future directions in automatic brain shift
compensation of preoperative data. Acta Neurochir,
2007. 149(4): p. 365-378.

8. G ulati, S., et al., Surgical Resection of High-grade
Gliomas in Eloquent Regions Guided by Blood
Oxygenation Level Dependent Functional Magnetic
Resonance Imaging, Diffusion Tensor Tractography, and
Intraoperative Navigated 3D Ultrasound. Minim Invasive
Neurosurg, 2009. 52(1): p. 17-24.