Name: role of diffusion mri tractography in endoscopic endonasal skull base surgery
Uploaded: 2021-07-05T13:00:00
Description: Watch this Scientific Journal Video about Role of Diffusion MRI Tractography in Endoscopic Endonasal Skull Base Surgery at JoVE.com

Vi vil gerne takke radiologiteknikere og sygeplejersker i neuroradiologiområdet, IRCCS Istituto delle Scienze Neurologiche di Bologna, og deres koordinator Dr. Maria Grazia Crepaldi, for deres samarbejde.

Protokollen følger Det Lokale Forskningsudvalgs etiske standarder og med Helsinki-erklæringen fra 1964 og dens senere ændringer eller sammenlignelige etiske standarder.
1. Udvælgelse af patienterne
<ol><li>Vedtage følgende inklusionskriterier: patienter ældre end 18 år, fuldt samarbejde, præsentere en tumor i kraniet base, eller hypofyse-diencephalic region.</li>
	<li>Ekskluder patienter med kontraindikation til MR (dvs. en pacemaker eller ferromagnetisk materiale) eller præsentere ...

Anvendelsen af den præsenterede protokol resulterede i en sikker og effektiv behandling af en af de mest udfordrende intrakranielle tumorer såsom en craniopharyngioma invaderer 3rd ventrikel, muligvis åbne en ny horisont for en læsion, der blev defineret af H. Cushing omkring et århundrede siden som den mest forvirrende intrakranielle neoplasm1. Kombinationen af nøjagtig præoperativ planlægning, integration af avancerede MR-teknikker og tværfaglige kliniske vurderinger har gjor...

Muligheden for at nærme sig kraniet base midterlinjen og paramedian regioner gennem en forreste rute, vedtage nasal fossae som naturlige hulrum, har en lang historie, der går tilbage mere end et århundrede1. Men i de sidste 20 år er visualiserings- og operative teknologier forbedret nok til at udvide deres mulighed for at inkludere behandlingen af de mest komplekse tumorer som meningiomas, chordomas, chondrosarcomas og craniopharyngiomas1 på grund af (1) indførelsen af endoskopet, som giver en panoramisk og detaljeret 2D/3D-visning af disse regioner til kirurgen, (2) udvikling af intraoperative neuronavigationssystemer og (3) gennemførelse af dedikerede kirurgiske instrumenter. Som møjsommeligt demonstreret af Kassam et al. og bekræftet af flere anmeldelser og meta-analyser, fordelene ved denne kirurgiske tilgang er hovedsageligt repræsenteret ved sine chancer for at resect udfordrende kraniet base tumorer, undgå enhver direkte hjerne tilbagetrækning eller nerve manipulation, hvilket reducerer risikoen for kirurgiske komplikationer og langsigtede neurologiske og visuelle følgevirkninger2,3,4, 5,6,7,8,9,10,11,12.
For flere kraniebase og hypofyse-diencephalic tumorer har det ideelle kirurgiske mål ændret sig i de sidste år fra den mest omfattende tumorfjernelse muligt til den sikreste fjernelse med bevarelse af de neurologiske funktioner for at bevare patientens livskvalitet3. Denne begrænsning kan kompenseres ved innovative og effektive adjuvans behandlinger, såsom strålebehandling (vedtagelse af massive partikler såsom proton eller kulstofioner, når det er relevant) og, for udvalgte neoplasmer, ved kemoterapi som hæmmere af BRAF / MEK vej til craniopharyngiomas13,14,15.
Men for at forfølge disse mål er en omhyggelig præoperativ vurdering afgørende for at skræddersy den kirurgiske strategi til hvert enkelt tilfældes specifikke funktion2. I de fleste centre udføres MR-protokollen normalt kun med standard strukturelle sekvenser, som giver den morfologiske karakterisering af læsionen. Men med disse teknikker er det ikke altid muligt at vurdere tumorens anatomiske forhold til tilstødende strukturer pålideligt3. Desuden kan hver patient præsentere forskellige patologi-induceret funktionel reorganisering profiler påvises kun med diffusion MR-tractografi og funktionel MRI (fMRI), som kan bruges til at give vejledning både i kirurgi planlægning og i intraoperative trin16,17.
I øjeblikket, fMRI er den mest almindeligt anvendte neuroimaging modalitet til kortlægning af hjernens funktionelle aktivitet og tilslutningsmuligheder, som vejledning til kirurgisk planlægning18,19 og for at forbedre patienternes resultat20. Opgavebaseret fMRI er den foretrukne modalitet til at identificere "veltalende" hjerneområder, der er funktionelt involveret i specifik opgaveydelse (f.eks. fingeraflytning, fonemisk flydende), men er ikke relevant for undersøgelse af kraniebasetumorer.
Diffusion MR-tractografi tillader in vivo og noninvasive rekonstruktion af hvide stof hjerneforbindelser samt kranienerver, undersøge hjernens hodological struktur21. Forskellige tractography algoritmer er blevet udviklet til at rekonstruere axonal veje ved at forbinde vandmolekyle diffusivitet profiler, evalueret i hver hjerne voxel. Deterministisk tractografi følger den dominerende diffusivitetsretning, mens probabilistisk traktatografi evaluerer mulige vejes konnektivitetsfordeling. Derudover kan forskellige modeller anvendes til at evaluere diffusivitet inden for hver voxel, og det er muligt at definere to hovedkategorier: enkelt fibermodeller, såsom diffusions tensor-modellen, hvor en enkelt fiberorientering evalueres, og flere fibermodeller, såsom sfærisk dekonvolution, hvor flere kryds-fiber orienteringer rekonstrueres22,23. På trods af den metodiske debat om diffusion MR-tractography, dens nytte i neurokirurgiske arbejdsgang er i øjeblikket etableret. Det er muligt at evaluere hvide stof tarmkanalen dislokation og afstand til tumoren, bevare specifikke hvide stof forbindelser. Desuden kan diffusion tensor imaging (DTI) kort, især fraktioneret anisotropi (FA) og gennemsnitlig diffusitet (MD), anvendes til at vurdere mikrostrukturelle hvide stof ændringer relateret til mulig tumor infiltration og for langsgående tarmkanalen overvågning. Alle disse funktioner gør diffusion MR-tractografi et kraftfuldt værktøj både til præ-kirurgisk planlægning og intraoperativ beslutningstagning gennem neuronavigationssystemer24.
Men anvendelsen af tractography teknikker til kraniet base kirurgi har været begrænset af behovet for specialiseret teknisk viden og tidskrævende work-up til at optimere diffusion MR-sekvens erhvervelse, analyse protokol, og indarbejde tractography resulterer i neuronavigation systemer25. Endelig skyldes yderligere begrænsninger de tekniske vanskeligheder med at udvide disse analyser fra intraparenkymale til ekstraparenkymale hvide stofstrukturer som kranienerver. Faktisk kun nylige undersøgelser fremlagt foreløbige resultater forsøger at integrere avancerede MR-og kraniet base kirurgi26,27,28.
Dette papir præsenterer en protokol for tværfaglig forvaltning af hypofyse-diencephalic og kraniet base tumorer ved hjælp af diffusion MR-tractography. Implementeringen af denne protokol i institutionen var et resultat af samarbejdet mellem neurokirurger, neuro-endokrinologer og neuroimaging-teamet (herunder klinisk og bioinformatisk ekspertise) for at tilbyde en effektiv integreret multiaksial tilgang til disse patienter.
I midten har vi integreret tværfaglige protokoller til styring af patienter med kraniebasetumorer, for at give den mest informative beskrivelse muligt og for at skræddersy og personliggøre den kirurgiske plan. Vi viser, at denne protokol kan vedtages både i den kliniske og forskning indstilling for enhver patient med et kranium base tumor til at guide behandlingsstrategi og for at forbedre viden om hjernen modifikationer induceret af disse læsioner.

<table border="1" fo:keep-together.within-page="1" fo:keep-with-next.within-page="always">
	<tbody>
		<tr>
			<td>BRAF V600E-specific clone VE1</td>
			<td>Ventana</td>
			<td></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Dural Substitute</td>
			<td>Biodesign, Cook Medical</td>
			<td></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Endoscope</td>
			<td>Karl Storz, 4mm in diameter, 18 cm in length, Hopkins II &#8211; Karl Storz Endoscopy</td>
			<td></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Immunohistochemical staining instrument&#160;</td>
			<td>Ventana Benchmark, Ventana Medical Systems</td>
			<td></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>MRI</td>
			<td>3T Magnetom Skyra, Siemens Health Care</td>
			<td></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Neuronavigator</td>
			<td>Stealth Station S8 Surgical Navigation System, MEDTRONIC</td>
			<td></td>
			<td></td>
		</tr>
	</tbody>
</table>

role of diffusion mri tractography in endoscopic endonasal skull base surgery

Endoskopisk endoskopisk endoskopisk kirurgi har fået en fremtrædende rolle i forvaltningen af komplekse kraniebase tumorer. Det tillader resektion af en stor gruppe af godartede og ondartede læsioner gennem en naturlig anatomisk ekstra kranievej, repræsenteret ved næsehulen, undgå hjernen tilbagetrækning og neurovaskulær manipulation. Dette afspejles af patienternes hurtige kliniske genopretning og den lave risiko for permanente neurologiske følgevirkninger, der repræsenterer hovedadvarslen i konventionel kraniebasekirurgi. Denne operation skal være skræddersyet til hvert enkelt tilfælde, i betragtning af dens funktioner og forhold til omgivende neurale strukturer, for det meste baseret på præoperativ neuroimaging. Avancerede MR-teknikker, såsom tractography, er sjældent blevet vedtaget i kraniet base kirurgi på grund af tekniske problemer: langvarige og komplicerede processer til at generere pålidelige rekonstruktioner til optagelse i neuronavigation system. 
Dette papir har til formål at præsentere protokollen implementeret i institutionen og fremhæver det synergistiske samarbejde og teamwork mellem neurokirurger og neuroimaging team (neurologer, neuroradiologer, neuropsykologer, fysikere og bioengineers) med det endelige mål at vælge den optimale behandling for hver patient, forbedre de kirurgiske resultater og forfølge fremme af personlig medicin på dette område.

En 55-årig kvinde præsenteret med progressive visuelle underskud. Hendes sygehistorie var ikke bemærkelsesværdig. Ved oftalmologisk evaluering blev bilateral reduktion af synsskarphed (6/10 i højre øje og 8/10 i venstre øje) afsløret, og det edb-visuelle felt viste fuldstændig bitemporal hemianopi. Ingen yderligere underskud var tydelige på neurologisk undersøgelse, men patienten rapporterede vedvarende asteni og en stigning i sult og tørst sensation i de foregående 2-3 måne...

Watch this Scientific Journal Video about Role of Diffusion MRI Tractography in Endoscopic Endonasal Skull Base Surgery at JoVE.com

Role of Diffusion MRI Tractography in Endoscopic Endonasal Skull Base Surgery

Vi præsenterer en protokol til at integrere diffusion MR-tractography i patientens arbejde-up til endoskopisk endoskopisk endoskopisk kirurgi for en kraniebase tumor. Metoderne til vedtagelse af disse neuroimaging undersøgelser i de præ- og intraoperative faser er beskrevet.

Rolle Diffusion MR-tractography i endoskopisk endoskopisk endoskopisk Skull Base Kirurgi

Endoscopic endonasal surgery has gained a prominent role in the management of complex skull base tumors. It allows the resection of a large group of ...

Ved hjælp af en integreret neuroimaging og neurokirurgi protokol, er det muligt at fusionere forskellige ekspertise i en synergisk ramme for at skræddersy en patient-specifikke tumor resektion kirurgi. Ved hjælp af MR-tractography, Er det muligt at visualisere hvidt stof tarmkanalen dislokation og tumor afstand. Dens alsidighed i gliom kirurgi er blevet etableret og kan også anvendes i resistente fokal epilepsi.Integrationen af avancerede neuroimaging teknikker i endoskopiske endoskopiske endoskopale kirurgi for hypofyse, diencephalic, og kranie-baserede tumorer er effektiv til at øge kirurgisk sikkerhed, reducere komplikationer, og forbedre patientens resultater og livskvalitet. MR-tractografi kombineret med opgave fMRI gør det muligt at overvåge hjernens strukturelle og funktionelle reorganisering efter operationen. Derudover er korrelation med kliniske resultater nyttige for kliniske og forskningsforslag.Både endoskopisk endoskopisk endoskopisk kirurgi og avanceret neuroimaging kræver en lang træningsperiode. Vi foreslår et observatørskab eller et stipendium i akademiske tertiære henvisningscentre, hvor disse teknikker er ved at blive gennemført. Gennem synlig demonstration er det muligt at foretage trinene i denne metode, der endnu ikke er standardiseret, og at afklare, hvordan man integrerer forskellig ekspertise.Ved hjælp af en standardiseret multimodal MRI protokol high-field scanner, erhverve høj opløsning og volumetriske anatomiske sekvenser ved hjælp af T1-vægtede præ og post-gadolinium kontrast agent administration og FLAIR T2-vægtet billeddannelse. Erhverve kontinuerlig sagittal skiver giver en isotropisk opløsning af en en efter en efter en kubik millimeter scanningstid på omkring fem minutter pr sekvens. Erhverve en høj opløsning T2-vægtet sekvens til at lokalisere tumorområdet for kranienerve visualisering med volumetrisk konstruktiv interferens og steady-state voxel dimension på 0,5 ved 0,5 ved 0,5 kubik millimeter og en scanningstid på omkring ni minutter.Erhverve diffusion-vægtede sekvenser ved hjælp af enkelt skud ekko planar billeder, en to og to kubik millimeter voxel dimension, 64 magnetisk gradient retninger med en 2.000 sekund per kvadrat millimeter B-værdi, 98 millisekund ekko tid, og 4,300 millisekund afslapning tid. Få fem bind med en null B-værdi i begyndelsen af diffusionsvægtet anskaffelse med fasekodningsretningen indstillet til forreste posterior og en scanningstid på fem minutter. Derefter erhverve tre bind med en null B-værdi, men vendt posterior-forreste fase kodning retning til at korrigere eventuelle billeddannelse forvrængninger på grund af ekko planar billede erhvervelse og en scanning tid på 42 sekunder.Kontinuerlig nær aksiale skiver vil blive erhvervet. For segmentering af tumoren, indlæse billederne i ITK-SNAP software og inspicere tumoren i t1. nii, flair.nii, og t1_contrast. nii-billeder. Vælg derefter det anatomiske plan, der skal følge, når du tegner læsionen.For tractographic analyse af den segmenterede tumor, køre fsl-dtifit funktion til model diffusivitet i de forskellige rumlige retninger og opnå fa. nii, md. ii og v1.nii diffusion tensor kort. Evaluer diffusion tensor imaging kort til at vurdere eventuelle unormale diffusivitet værdier, der kan forekomme i overværelse af tumor ødem eller infiltration og vælge seed_image og omfatte muligheder baseret på en priori anatomisk viden til at vedtage en frø mål tilgang. Derefter manuelt trække regioner af interesse for at indstille frø eller mål for tractography.For en nøjagtig beskrivelse af diffusion tensor imaging parametre, bruge lange skrifter algoritme såsom MATLAB-baserede algoritme, der modellerer overfladekanalen geometri med Laplacian operatør egenskaber. Hvis du vil visualisere gengivelsen af 3D-diskenheden, skal du klikke på filen i Surf Ice-softwaren og åbne i kommandopanelet og vælgeobj-filen. Før du planlægger proceduren, skal du udføre en neurologisk fysisk undersøgelse med en samling af anamnestiske oplysninger om vægtforøgelse, følelsen af sult, kontinuerlig overvågning af rektaltemperaturen hvert andet minut i 24 timer og en 24-timers søvn / vågne cyklusoptagelse.Baseret på resultaterne af tumor segmentering og forholdet til de funktionelle veltalende neurale strukturer, diskutere patientens kandidatur til kirurgi i et kollegialt team møde for at bestemme den mest hensigtsmæssige kirurgiske tilgang. Efter at have valgt den kirurgiske korridor med den mest minimale risiko for skade på de neurale strukturer, definere sikker resektion område for hvert enkelt tilfælde, lokalisere den kritiske neurale struktur, hvorunder nærheden resektionen skal arresteres for at undgå permanent skade. Derefter flette de mest relevante MR-sekvenser og importere sekvenser, herunder tractography rekonstruktioner, i den operative fase neuro navigationssystem.Før du begynder proceduren, skal du vælge hjernen kirurgi elektromagnetisk registrering modalitet. Registrer neuronavigationssystemet på patienten, vedtage en gratis sporing teknik eller eksterne markører og kontrollere nøjagtigheden af den opnåede registrering, kontrollere placeringen af de eksterne markører på den importerede MR-scanning. Når patienten er klar, skal du bruge et nul graders endoskop til at høste den nasoseptal flap.Dernæst udføre en forreste sphenoidectomy og en bageste septostomi og ethmoidectomy, bevare den midterste turbinate som muligt. Åbn kælderen og knoldsten knogler. Efter koagulering af den overlegne intrakranse sinus, lav et H-formet snit i duralaget.Efterlad tumoren ved arachnoidal flyet og centralt de-bulk tumoren. Fjern tumorkapslen fra de omgivende diencephalic neurale strukturer og bruge vinklet optik til at udforske det kirurgiske hulrum for eventuelle resterende stykker af tumor. Når alle tumoren er blevet fjernet, bruge en intradural intradural intrakraniel lag af dural erstatning for at lukke osteo-meningeal åbning.Derefter placere et ekstraduralt intrakranielt lag af dural erstatning stilladser med abdominal fedt og i sidste ende knogle og dække lukningen med nasoseptal flap. I denne repræsentative patient, hjernen MR-scanning afslørede en suprasellar tumor besætter optochiasmatic cisterne og invaderer den tredje ventrikel med en uregelmæssig polycystisk morfologi. Den optiske vej tractography og bilaterale optiske kranienerver blev rekonstrueret, men modtagelighed artefakter inden for grænsefladen mellem hjernen knogler og blodkar ikke tillod en fuldstændig rekonstruktion af fibrene forbinder den optiske chiasm til synsnervene.Undersøgelse af pyramidekanalen diffusivitet profil og en lang traktat diffusion tensor imaging kort statistik viste tilstedeværelsen af en fokal FLAIR T2-vægtet hyperintensitet på niveau med højre bageste lemmer af den indre kapsel, svarende til en 5% stigning i højre gennemsnitlige diffusivitet foranstaltning i forhold til venstre side. Ved hjælp af en endoskopisk endoskopisk forlænget transplantation transtuberculum tilgang, tumoren blev centralt de-bulked i forbindelse med dræning af sin cystiske komponent. Craniopharyngioma var derefter i stand til gradvist at blive løsrevet fra de neurale strukturer til at vedtage arachnoid som en kavalergang fly.I slutningen af operationen blev fuldstændig tumorfjernelse med bevarelse af den hypothalamus anatomi opnået. Reparationen af osteo-dural defekten blev derefter udført ved hjælp af abdominal fedt og nasoseptal flap. Tre måneder efter operationen, en komplet tumor fjernelse uden rest eller gentagelse blev observeret.I den præoperative oprustning, de mest relevante trin er: en præcis diffusion-vægtede sekvenser erhvervelse og tumor segmentering. Under operationen er nøglepunktet en nøjagtig identifikation af de neurale strukturer. Visualiseringen af de neurale strukturer, der leveres af denne metode, kan vedtages for alle kraniebaserede regioner, hvilket reducerer risikoen for permanente handicap for mange andre tumorer.Den tractografiske rekonstruktion af kranienerver og neuroveje kan lette vores forståelse af forholdet mellem tumorer og strukturerne, hvilket potentielt giver en innovativ resultatforudsigelse for patientens symptomer.

Research

JoVE Journal

Neuroscience

Functional Neuroimaging Using Ultrasonic Blood-brain Barrier Disruption and Manganese-enhanced MRI

Funktionel Neuroimaging Med Ultrasonic blod-hjerne barrieren forstyrrelser og mangan-forstærket MRI

Although mice are the dominant model system for studying the genetic and molecular underpinnings of neuroscience, functional neuroimaging in mice remains ...

Diffusion Imaging in the Rat Cervical Spinal Cord

Diffusion Imaging i Rat Cervical Spinal Cord

Magnetic resonance imaging (MRI) is the state of the art approach for assessing the status of the spinal cord noninvasively, and can be used as a ...

Live Imaging of Nicotine Induced Calcium Signaling and Neurotransmitter Release Along Ventral Hippocampal Axons

Live-Imaging af Nikotin induceret Calcium Signaling og neurotransmitterfrigivelse Langs ventrale Hippocampale Axoner

Sustained enhancement of axonal signaling and increased neurotransmitter release by the activation of pre-synaptic nicotinic acetylcholine receptors ...

Optogenetic Functional MRI

Optogenetic Funktionel MRI

The investigation of the functional connectivity of precise neural circuits across the entire intact brain can be achieved through optogenetic functional ...

Utilizing Combined Methodologies to Define the Role of Plasma Membrane Delivery During Axon Branching and Neuronal Morphogenesis

Udnytte Kombineret Metoder til Definer rolle plasmamembranen Delivery Under Axon Forgrening og neuronal Morfogenese

During neural development, growing axons extend to multiple synaptic partners by elaborating axonal branches. Axon branching is promoted by extracellular ...

Measuring Connectivity in the Primary Visual Pathway in Human Albinism Using Diffusion Tensor Imaging and Tractography

Måling Forbindelse i Primary Visual Pathway i Human albinisme Brug Diffusion Tensor Imaging og traktografi

In albinism, the number of ipsilaterally projecting retinal ganglion cells (RGCs) is significantly reduced. The retina and optic chiasm have been proposed ...

Endoscopic Endonasal Trans-sphenoidal Approach: Minimally Invasive Surgery for Pituitary Adenomas

Endoskopisk Endonasal Trans-sphenoidal tilgang: Minimalt invasiv kirurgi for hypofyse adenomer

Endoscopic endonasal trans-sphenoidal surgery has become the gold standard for the surgical treatment of pituitary adenomas and many other pituitary ...

Minimally Invasive Endoscopic Intracerebral Hemorrhage Evacuation

Minimalt invasiv endoskopisk intracerebral blødning Evakuering

Intracerebral hemorrhage (ICH) is a subtype of stroke with high mortality and poor functional outcomes, largely because there are no evidence-based ...

Diffusion Tensor Magnetic Resonance Imaging in Chronic Spinal Cord Compression

Diffusion tensor magnetisk resonans imaging i kronisk rygmarv kompression

Chronic spinal cord compression is the most common cause of spinal cord impairment in patients with nontraumatic spinal cord damage. Conventional magnetic ...

Functional MRI in Conjunction with a Novel MRI-compatible Hand-induced Robotic Device to Evaluate Rehabilitation of Individuals Recovering from Hand Grip Deficits

Funktionel MRI i forbindelse med en roman MRI-kompatibel hånd-induceret robot enhed til at evaluere rehabilitering af enkeltpersoner inddrive fra håndgreb underskud

Functional magnetic resonance imaging (fMRI) is a non-invasive magnetic resonance imaging technique that images brain activation in vivo, using endogenous ...