扩散MRI造影术在内窥镜内窥镜颅骨基础外科中的作用

摘要

我们提出了一个协议，将扩散MRI切除术整合到患者工作，为头骨基础肿瘤进行内窥镜内膜手术。介绍了在术前和术中阶段采用这些神经成像研究的方法。

摘要

内窥镜内窥镜手术在复杂颅底肿瘤的管理中占有突出地位。它允许通过以鼻腔为代表的自然解剖外颅通路切除一大群良性和恶性病变，避免大脑缩回和神经血管操纵。这反映在患者的快速临床恢复和永久性神经后遗症的低风险，代表传统的头骨基础手术的主要警告。手术必须针对每个特定病例进行定制，考虑其特征和与周围神经结构的关系，主要基于术前神经成像。由于技术问题，在颅骨基础手术中很少采用先进的MRI技术，例如颅骨学技术:冗长而复杂的过程，以产生可靠的重建，以便纳入神经导航系统。

本文旨在介绍在该机构实施的协议，并突出神经外科医生和神经成像团队（神经学家、神经放射学家、神经心理学家、物理学家和生物工程师）之间的协同协作和团队合作，最终目标是为每位患者选择最佳治疗方案，提高手术效果，并推动该领域的个性化医学发展。

引言

通过前路线接近头骨基中线和准中游区域的可能性，采用鼻孔作为自然腔，有着悠久的历史，可以追溯到一个多世纪^1。然而，在过去20年中，可视化和操作技术已经改善到足以扩大其可能性，包括治疗最复杂的肿瘤，如脑膜瘤，和弦瘤，软骨瘤和颅脑血管^瘤1由于（1）引入内窥镜，这给外科医生提供了这些区域的全景和详细的2D/3D视图， （2）开发术中神经导航系统，（3）实施专用手术器械。正如Kassam等人精心证明的，并经多次审查和荟面分析证实，这种手术方法的优势主要表现在它有机会恢复具有挑战性的头骨基础肿瘤，避免任何直接的脑缩回或神经操纵，从而减少手术并发症和长期神经和视觉后遗症^{的风险2，3，4， 5，6，7，8，9，10，11，12}。

对于多个头骨基础和垂体脑肿瘤，理想的手术目标在过去几年中已经从最广泛的肿瘤切除可能转移到最安全的切除与保存神经功能，以保持患者的生活质量^3。这种限制可以通过创新和有效的辅助治疗来弥补，例如放射治疗（酌情采用质子或碳离子等大量颗粒），而对于选定的肿瘤，化疗作为颅脑血管瘤^13、14、15的BRAF/MEK通路的抑制剂。

然而，为了追求这些目标，仔细的术前评估是至关重要的，以调整手术策略，以适应每个病例的具体特点^2。在大多数中心，MRI 术前协议通常只使用标准结构序列执行，从而提供病变的形态特征。然而，有了这些技术，并不总是能够评估肿瘤的解剖关系与相邻结构可靠^3。此外，每个患者可能呈现不同的病理学诱导功能重组配置文件，只能通过扩散MRI轨迹学和功能性MRI（fMRI）检测，可用于在手术规划和术中步骤^16，17中提供指导。

目前，fMRI是最常用的神经成像方式，用于映射大脑功能活动和连通性，作为手术规划^18，19和改善患者结果的指导^20。基于任务的 fMRI 是识别功能上涉及特定任务性能（例如手指敲击、语音流利度）的"雄辩"大脑区域的选择方式，但不适用于头骨基础肿瘤的研究。

扩散MRI图允许在体内和非侵入性重建白质大脑连接以及颅神经，调查大脑的造影结构^21。开发了不同的拉片算法，通过连接水分子扩散剖面来重建轴向通路，在每个大脑息音中进行评估。确定性传导遵循主要的扩散方向，而概率传导学则评估可能的路径的连通性分布。此外，不同的模型可以应用于评估每个 voxel 中的扩散性，并可以定义两个主要类别:单光纤模型，如扩散张力模型，其中单个光纤方向进行评估，以及多纤维模型，如球形解构，其中重建了多个交叉光纤方向^22，23。尽管关于扩散MRI传道学的方法论争论不休，但其在神经外科工作流中的效用目前已经确立。可以评估白质道错位和与肿瘤的距离，保留特定的白质连接。此外，扩散张力成像 （DTI） 地图，特别是部分异位性 （FA） 和平均扩散性 （MD）， 可用于评估与可能的肿瘤渗透和纵向通道监测相关的微结构白质变化。所有这些功能使扩散MRI传道学成为通过神经导航系统²⁴进行手术前规划和术中决策的有力工具。

然而，由于需要专业知识和耗时的工作来优化扩散MRI序列采集、分析方案以及将传道学结果纳入神经导航系统^25，地貌学技术在颅骨基础手术中的应用受到了限制。最后，由于技术困难，这些分析从内侧白质结构扩展到颅神经的超白质结构。事实上，只有最近的研究提出了初步结果，试图整合先进的MRI和头骨基础手术26，27，28。

本文提出了利用扩散MRI造影术对脑垂体和颅底肿瘤进行多学科管理的协议。该方案在该机构的实施源于神经外科医生、神经内分泌学家和神经成像团队（包括临床和生物信息学专业知识）之间的协作，为这些患者提供有效的综合多轴向方法。

在该中心，我们集成了多学科协议，以管理头骨基础肿瘤患者，提供最翔实的描述可能，并定制和个性化的手术计划。我们表明，这个协议可以采取临床和研究设置的任何病人与头骨基础肿瘤，以指导治疗策略，并提高对这些病变引起的大脑修饰的知识。

研究方案

该议定书遵循地方研究委员会的道德标准，并遵循1964年赫尔辛基宣言及其后来的修正案或可比的道德标准。

1. 患者选择

1. 采用以下包容标准:18岁以上的患者，完全合作，呈现颅骨基的肿瘤，或垂体-脑部区域。
2. 排除患有MRI（即心脏起搏器或铁磁材料）或出现紧急临床条件（即颅内高血压、需要立即手术的急性视力丧失）或孕妇、精神病患者或明确拒绝参加本协议的患者。

2. 核磁共振检查的准备

1. 在 MRI 检查之前，管理安全表，以排除考试和对比剂注射的重大禁忌:体内无铁磁材料，MRI 设备评估，安全或有条件，无心脏起搏器，无眼隐形眼镜。
2. 如果用于 MRI 采集的扫描仪是一个高场（例如，3 T，参见 材料表），请考虑任何可能的其他禁忌症，例如与神经刺激设备相关。
3. 检查患者是否患有幽闭恐惧症。
4. 确保患者阅读并签署 MRI 同意表，以确认成像检查的风险和益处。
5. 让神经心理学家根据肿瘤位置进行一般评估和有针对性的神经认知评估。
6. 管理爱丁堡库存，以评估手的统治地位^29。

3. 将患者定位在扫描仪中

1. 给病人插上耳塞，以减少MRI噪音。
2. 头部运动会影响成像质量;因此，使用泡沫垫来减少头部运动，使头部固定在 MRI 线圈内。
3. 在需要中断检查时，向患者提供紧急报警按钮。
4. 打开扫描仪内的摄像头和麦克风，从扫描仪外的 MRI 采集室监控、说话和倾听患者的声音。

4. 脑磁共振成像方案设置和采集参数

1. 获得标准化多模式 MRI 协议高场扫描仪（1.5 T 或 3T）。以下序列参数是指使用头颈高密度阵列线圈（64 通道）的 3 T MRI。
2. 获得高分辨率和体积解剖序列:T1 加权前和后加权对比剂管理和 FLAIR T2 加权。
3. 对于 T1 和 T2 加权图像，获取连续下垂切片，提供 1x1x1 mm³ 的等热带分辨率，扫描时间约为每个序列 5 分钟。
4. 获得高分辨率T2加权序列，并定位肿瘤区域进行颅神经可视化:体积CIS（稳定状态的建设性干扰），Voxel尺寸为0.5x0.5x0.5 mm^3（ 扫描时间约9分钟）。
5. 使用单射回声平面图像 （EPI）、2x2x2 mm³的 voxel 尺寸、B 值为 2000 s/mm 2 的 64 个磁梯度方向、98 ms 的回波时间和 4300 ms 的放松时间获得扩散加权序列。
6. 在扩散加权获取开始时获取五卷具有空 B 值，相控编码方向设置为前后（用于扩散加权图像的总扫描时间为 5 分钟）。
7. 此外，获取三卷具有空 b 值但反转相编码方向（后前），以纠正因 EPI 采集（扫描时间为 42 秒）导致的成像失真。获得连续的近轴切片。
8. 获取其他序列来调查特定的肿瘤特征，如肿瘤区域的多伏或单伏核磁共振成像光谱。
   注:扫描总时间约为30分钟，不包括患者为MRI检查做准备。

5. 脑磁共振成像预处理

1. 将 MRI 数据从 MRI 采集控制台 DICOM （.dcm） 采用的成像格式转换为高级成像分析中使用的 NIFTI 格式 （.nii）。
2. 运行 dcm2niix 功能（https://github.com/rordenlab/dcm2niix）。设置为输入文件 dicom 图像和输出相应的 .nii 文件: T1.nii， Flair.nii， T1_contrast.nii， DTI_b2000.nii 和DTI_b0_flip.nii.
3. 安装高级成像分析所需的 FSL （https://fsl.fmrib.ox.ac.uk/fsl/fslwiki） 和 MRtrix3 （https://www.mrtrix.org） 软件。
4. 通过运行执行线性图像注册的 FSL 调情功能，将 Flair.nii 和 T1_contrast.nii 注册到 T1.nii 图像。
5. 通过运行 FSL-epi_reg 功能将DTI_b2000.nii 图像注册到 T1.nii，该功能考虑了 EPI 成像失真伪影件。
6. 运行 FSL 充值功能以更正显示DTI_b2000.nii 图像的相编码方向。将DTI_b0_flip.nii 逆相编码采集设置为"in_main"输入文件。
7. 运行 MRtrix3-dwidenoise 功能，用于使用主要组件噪声建模进行成像表示。
8. 要校正涡流和信号退出伪影，运行 FSL-涡流函数，对于 MRI 线圈诱导的信号不相称性，MRtrix3-dwibias 正确函数。
9. 运行 FSL 投注功能以删除呈现 T1.nii 图像的头皮信号，并使用"_brain"后缀重新命名输出文件:T1_brain.nii。

6. 肿瘤分割

1. 安装 itk 捕捉软件 （http://www.itksnap.org） ³⁰.
2. 安装 itk-snap 软件后，按 "文件 - 打开主图像 并选择 T1.nii 图像，然后按 文件 - 添加另一个成像仪 并上传 Flair.nii 和 T1_contrast.nii 图像，设置半透明叠加选项。
3. 检查T1.nii、Flair.nii和T1_contrast.nii图像中的肿瘤。在绘制病变（例如轴向）时选择要遵循的解剖平面。
4. 将指尖放在一个轴向切片中开始。在 主工具栏中，选择 多边形检查器 图标，并开始使用 徒手绘图样样 - 平滑曲线或多边形绘制肿瘤边界。
5. 绘制完肿瘤周长后，关闭连接第一个和最后一个点的曲线，按 "接受"，并在下一片中继续绘制。对于大肿瘤病变，要加快绘制过程，跳过一些轴向切片（例如三个），并在交错切片中绘制病变周长。
6. 在病变周长图的末尾，选择工具- 插值标签，将标签设置为肿瘤病变，按单轴进行插值，以绘制肿瘤边界时沿轴方向进行标记/
7. 选择 分割 - 保存分割图像 ，并通过选择 Nifti 格式选项来保存肿瘤分割为Tumor_mask.nii。

7. 地形学分析

1. 运行 FSL-dtifit 功能，以模拟扩散性和不同的空间方向，并获取以下扩散张力图:FA.nii、MD.nii 和 V1.nii。评估这些 DTI 地图以访问肿瘤水肿或渗透时可能发生的异常扩散值。
2. 运行 MRtrix3-tckgen 功能与默认设置 "ifod2"， 以执行概率路志学和重建白质通路通过建模交叉纤维问题³¹。
3. 采用种子目标方法，根据先验解剖知识设置"-seed_image"和"包括"选项。
4. 手动绘制作为绘制的种子或目标的感兴趣区域 （ROI）。或者，使用基于地图集的 ROI。见莫米纳和。³² 用于光学辐射图，黑尔斯等人³³ 用于视神经和视颅神经^，34 代表金字塔带。
5. 启动 FSL-fsleyes 图像查看器，选择 "打开"，并选择图像进行视觉检查。
6. 在 FSL-fsleys 查看器中，转到 "设置 - 矫数视图 1" 并激活"编辑模式"工具。
7. 单击 FSL-fsleyes 铅笔图标并绘制画像 ROIs。
8. 安装自由冲浪者（https://surfer.nmr.mgh.harvard.edu）软件。
9. 在 T1.nii 图像上运行自由冲浪者-重新计算所有功能，以获得自动皮质区域分割，用作拉图 ROI。
10. 运行 FSL-epi_regregistration 功能，将 T1.nii 设置为输入图像，并参考图像DTI_b2000.nii，保存注册输出矩阵（T1_onto_DTI.mat）。
11. 使用已获得的T1_onto_DTI.矩阵将分段投资回报率注册到DTI_b2000.nii 图像。
12. 使用 MRtrix3-tckgen 功能运行传画。
13. 运行 MRtrix3-tckmap 功能，以转换".tck"流线型图输出在"模板 FA.nii"图像中。
14. 运行 FSL 调情功能，将 T1.nii 图像线性地注册到 MNI152_T1_2mm_brain.nii 模板。
15. 将输出矩阵保存为T1_onto_MNI.mat。运行 FSL-convert_xfm 功能，将"孔雀"选项设置为 T1_onto_MNI.mat 和T1_onto_DTI.mat，将输出矩阵保存为 DTI_onto_MNI.mat。

8. 地形学:沿路分析

1. 要准确描述 DTI 参数，请使用沿行算法，例如基于 Matlab 的算法，该算法将表面区域几何形状与 Laplacian 操作员属性³⁵进行模型化。
2. 安装 Matlab 软件（https://matlab.mathworks.com），向开发中的作者³⁵请求沿路代码。
3. 或者，使用 MRtrix3-tcksample 功能进行沿路分析，因为 Matlab 需要许可证。

9.3D渲染可视化

1. 安装冲浪冰软件（https://www.nitrc.org/plugins/mwiki/index.php/surfice:MainPage）。
2. 在冲浪冰命令面板中，单击 高级 - 将 voxelwise 转换为网格，选择漂亮的图像进行转换，保存生成的 .obj 文件。
3. 在冲浪冰命令面板中，单击 "文件 - 打开"，并选择 。obj 文件来可视化 3D 卷渲染。

10. 术前临床检查

1. 进行生物幽默内分泌学评估，分别由催乳素、TSH、freeT4、ACTH、皮质醇、GH、LH、FSH和血清测试，在男性和女性中分别进行睾丸激素/雌二醇总测试。
2. 分析24小时尿量和血清和尿液渗透度和钠水平，以确定糖尿病的无皮质的存在。
3. 执行眼科评估，包括视觉敏锐度测量、计算机化视觉场评估和视网膜光学连贯断层扫描 （OCT）。
4. 进行神经物理检查， 收集有关体重增加、饥饿感的麻醉信息，使用便携式设备每2分钟持续监测直肠温度24小时，评估昼夜温度节律，以及24小时睡眠-觉醒周期记录（包括脑电图、左右心电图、心电图和肌基和左右头骨肌肉的电图^{）36， 37，38}.

11. 外科规划

1. 在合议小组中讨论每个患者候选人接受手术， 基于肿瘤分割的结果和与功能雄辩的神经结构的关系（视神经和气孔，垂体茎，第三心室，内胡萝卜动脉，前脑动脉-前交流动脉（ACA-ACoA）复合物，罗勒动脉，颅神经III，IV，VI，乳腺体，白质区， 和功能皮质区域）确定最合适的手术方法。
2. 选择手术走廊，神经结构损伤的风险最小^39。
3. 定义每个病例的安全切除区域，定位关键神经结构（如chiasm，乳腺体），其接近切除必须逮捕，以避免永久性损伤^39。
4. 合并最相关的 MRI 序列，并将其导入手术阶段的神经导航系统。

12. 手术准备

1. 诱导全身麻醉采用全静脉麻醉与异丙酚和再芳霉素（已证明其他麻醉剂是影响术中监测可靠性的最关键因素之一，增加假阴性率），避免骨髓素^40。
2. 在口咽内用纱布进行或气管管，以防止胃或气道的血液或液体泄漏^。
3. 建立神经生理监测，持续记录运动唤起电位（MEPs）和声像感官唤起电位（SEPs）和颅神经自由运行电图（EMG）。
4. 导入神经导航系统（材料表）中的MRI数据，包括地形学重建。
5. 选择神经导航系统上的脑外科电磁登记方式。
6. 在患者身上注册神经导航系统，采用自由跟踪技术或外部标记。
7. 控制已实现注册的准确性，检查外部标记（即耳或鼻）在导入 MRI 上的位置;如果结果不能接受，重复注册。
8. 将患者置于半坐姿;梅菲尔德用于修复头部是不需要^43。
9. 管理皮质类固醇 （内静脉性叶酸， 剂量取决于病人的体重） 和抗生素 （2 克阿莫西林 - 克拉武兰酸）⁴⁴.

13. 内窥镜内膜手术

1. 从 0° 内窥镜（材料表）开始。
2. 收获鼻膜皮瓣^45。
3. 执行前子宫切除术，然后进行后隔膜切除术和子宫切除术，以保存中间的姜黄素，如果可能^43。
4. 打开卖空和块状骨^41。
5. 在凝固了优越的闭合鼻窦⁴¹后，用H形将杜拉层连接在一起。
6. 将肿瘤切开，由阿拉奇诺伊达尔平面^43。
7. 中央去泡肿瘤^43。
8. 将其胶囊从周围的脑神经结构中取出，在肿瘤粘附的情况下阻止切除，以雄辩的结构在神经导航指导⁴³下可视化。
9. 探索手术腔与角度光学（材料表^）46。
10. 确保血吸虫与双极凝固或止血剂。
11. 用颅内颅内杜拉尔替代⁴³层关闭骨脑开口。
12. 放置一层颅外杜拉尔替代物，脚手架上有腹部脂肪，最终骨（材料表^）43。
13. 用鼻塞瓣⁴³盖住关闭。

14. 地质学检查

1. 用10%的甲醛修复肿瘤样本，并在手术后立即将其嵌入石蜡中。
2. 将组织切成 4 μm 厚度部分，并染上血氧林和欧辛。组织学诊断必须基于世卫组织脑肿瘤分类的最新版本（2016年^）47。
3. 使用维丁-生物素标签和二恶英作为检测试剂，通过自动免疫化学染色仪器进行标本免疫化学染色。对于颅脑血管瘤，采用抗β-卡特宁、抗BRAF v600E突变表位和抗Ki67抗体进行免疫造血化学染色（材料表）。
4. 通过正肿瘤细胞⁴⁸的手动计数评估Ki-67指数。

15. 手术后患者管理

1. 手术后立即唤醒病人。
2. 通过用可吸收和不可吸收的材料填充鼻腔来恢复口腔的自发呼吸。
3. 在ICU中监测接下来6-12小时的重要参数（血压、心率、氧饱和度和意识状态）。
4. 12小时后恢复口服喂养。
5. 6-9 小时后执行 CT 扫描。
6. 通过肝素治疗，保持卧床休息三天。
7. 每12小时控制流体平衡，每24小时评估一次血清电解质。
8. 管理皮质类固醇治疗（内静脉性叶酸在前24小时，然后口服丙酮醋酸30+15毫克/天）。
9. 在手术后72小时内进行带/无伽多利尼姆的核磁共振成像。
10. 第^4天 出院。

16. 早期随访

1. 手术后30天重复完整的内分泌学评估^43。
2. 手术后三个月重复眼科评估^43。
3. ^手术后三个月重复神经体格检查和温度及睡眠-觉醒节律功能调查。
4. 手术⁴⁶后三个月，用/不加多利尼进行核磁共振成像。

17. 辅助疗法

1. 评估早期肿瘤进展的存在，如果指示，请将患者转介给放射治疗^43。

18. 长期后续行动

1. 每年重复临床、内分泌学和眼科评估⁴³次。
2. 执行每年的MRI与/没有伽多林:在复发的情况下，患者可以重新手术，然后转介放射治疗或直接转介放射治疗^43。

结果

一名55岁的妇女出现渐进性视力缺陷。她的病史不起眼。在眼科评估方面，双边视力下降（右眼6/10，左眼8/10）被揭示出来，计算机化的视野显示出完全的咬合性视界。神经检查没有明显的进一步缺陷，但患者报告，在过去2-3个月中，持续性缺食和饥饿和口渴感增加，体重增加4-5公斤，夜间经常醒来，需要小便。在内分泌学评估中，揭示了中央皮质炎和糖尿病皮质。患者接...

讨论

提交协议的应用导致安全有效地治疗最具挑战性的颅内肿瘤之一，如颅内咽血管瘤侵入^第3心室，可能为病变开辟了一个新的视野，大约一个世纪前，H.Cushing将这种病变定义为最令人费解的颅内肿瘤^1。准确的术前规划，集成先进的MRI技术和多学科临床评估相结合，使我们能够定制手术策略，确定最合适的手术走廊，并尽量减少神经结构损伤的风险^{2，49，50，5...}

材料

Name	Company	Catalog Number	Comments
BRAF V600E-specific clone VE1	Ventana
Dural Substitute	Biodesign, Cook Medical
Endoscope	Karl Storz, 4mm in diameter, 18 cm in length, Hopkins II – Karl Storz Endoscopy
Immunohistochemical staining instrument	Ventana Benchmark, Ventana Medical Systems
MRI	3T Magnetom Skyra, Siemens Health Care
Neuronavigator	Stealth Station S8 Surgical Navigation System, MEDTRONIC