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

We willen graag de radiologietechnici en verpleegkundigen van de Neuroradiology Area, IRCCS Istituto delle Scienze Neurologiche di Bologna, en hun coördinator Dr. Maria Grazia Crepaldi bedanken voor hun samenwerking.

Het protocol volgt de ethische normen van het Local Research Committee en met de verklaring van Helsinki van 1964 en de latere wijzigingen of vergelijkbare ethische normen.
1. Selectie van de patiënten
<ol><li>Hanteer de volgende inclusiecriteria: patiënten ouder dan 18 jaar, volledig meewerkend, met een tumor van de schedelbasis of hypofyse-diencephalisch gebied.</li>
	<li>Patiënten uitsluiten met contra-indicatie voor MRI (d.w.z. een pacemaker of ferromagnetisch materiaal) of die zich p...

De toepassing van het gepresenteerde protocol resulteerde in een veilige en effectieve behandeling van een van de meest uitdagende intracraniale tumoren, zoals een craniofaryngioom dat de3e ventrikel binnendringt, mogelijk een nieuwe horizon openen voor een laesie die ongeveer een eeuw geleden door H. Cushing werd gedefinieerd als het meest verbijsterende intracraniale neoplasma1. De combinatie van nauwkeurige preoperatieve planning, integratie van geavanceerde MRI-technieken en multidi...

De mogelijkheid om de middellijn van de schedelbasis en paramediane regio's te benaderen via een voorste route, waarbij de nasale fossae als natuurlijke holtes worden aangenomen, heeft een lange geschiedenis, die meer dan een eeuw teruggaat1. In de afgelopen 20 jaar zijn de visualisatie- en operatieve technologieën echter voldoende verbeterd om hun mogelijkheid uit te breiden om de behandeling van de meest complexe tumoren zoals meningeomen, chordomas, chondrosarcomen en craniofaryngiomen1 uit te breiden vanwege de (1) introductie van de endoscoop, die een panoramisch en gedetailleerd 2D / 3D-beeld van deze regio's aan de chirurg geeft, (2) de ontwikkeling van intraoperatieve neuronavigatiesystemen en (3) de implementatie van speciale chirurgische instrumenten. Zoals zorgvuldig aangetoond door Kassam et al. en bevestigd door meerdere beoordelingen en meta-analyses, worden de voordelen van deze chirurgische aanpak voornamelijk weergegeven door de kansen om uitdagende schedelbasistumoren te reseceren, waardoor directe terugtrekking van de hersenen of zenuwmanipulatie wordt vermeden, waardoor het risico op chirurgische complicaties en neurologische en visuele gevolgen op lange termijn wordt verminderd2,3,4, 5,6,7,8,9,10,11,12.
Voor meerdere schedelbasis- en hypofyse-diecefale tumoren is het ideale chirurgische doel de afgelopen jaren veranderd van de meest uitgebreide tumorverwijdering mogelijk naar de veiligste verwijdering met behoud van de neurologische functies om de kwaliteit van leven van de patiënt te behouden3. Deze beperking kan worden gecompenseerd door innovatieve en effectieve adjuvante behandelingen, zoals bestralingstherapie (waarbij indien nodig massieve deeltjes zoals proton- of koolstofionen worden gebruikt) en, voor geselecteerde neoplasmata, door chemotherapie als remmers van de BRAF / MEK-route voor de craniofaryngiomen13,14,15.
Om deze doelen na te streven, is een zorgvuldige preoperatieve beoordeling echter cruciaal, om de chirurgische strategie af te stemmen op het specifieke kenmerk van elk geval2. In de meeste centra wordt het MRI-preoperatieve protocol meestal alleen uitgevoerd met standaard structurele sequenties, die de morfologische karakterisering van de laesie bieden. Met deze technieken is het echter niet altijd mogelijk om de anatomische relatie van de tumor met aangrenzende structuren betrouwbaar te beoordelen3. Bovendien kan elke patiënt verschillende pathologie-geïnduceerde functionele reorganisatieprofielen presenteren die alleen detecteerbaar zijn met diffusie MRI-tractografie en functionele MRI (fMRI), die kunnen worden gebruikt om begeleiding te bieden, zowel bij de operatieplanning als bij de intraoperatieve stappen16,17.
Momenteel is fMRI de meest gebruikte neuroimaging-modaliteit voor het in kaart brengen van functionele hersenactiviteit en connectiviteit, als leidraad voor chirurgische planning18,19 en om de uitkomst van de patiënten te verbeteren20. Taakgebaseerde fMRI is de modaliteit bij uitstek om "welsprekende" hersengebieden te identificeren die functioneel betrokken zijn bij specifieke taakuitvoeringen (bijv. Vingertikken, fonemische vloeiendheid), maar is niet van toepassing op de studie van schedelbasistumoren.
Diffusie MRI-tractografie maakt in vivo en niet-invasieve reconstructie van witte stof hersenverbindingen en hersenzenuwen mogelijk, waarbij de hodologische structuur van de hersenen wordt onderzocht21. Verschillende tractografie-algoritmen zijn ontwikkeld om axonale routes te reconstrueren door diffusiviteitsprofielen van watermoleculen te koppelen, geëvalueerd binnen elke hersenvoxel. Deterministische tractografie volgt de dominante diffusiviteitsrichting, terwijl probabilistische tractografie de connectiviteitsverdeling van mogelijke pathways evalueert. Bovendien kunnen verschillende modellen worden toegepast om de diffusiviteit binnen elke voxel te evalueren, en het is mogelijk om twee hoofdcategorieën te definiëren: modellen met één vezel, zoals het diffusietensormodel, waarbij een enkele vezeloriëntatie wordt geëvalueerd, en modellen met meerdere vezels, zoals bolvormige deconvolutie, waarbij verschillende kruisingsvezeloriëntaties worden gereconstrueerd22,23. Ondanks het methodologische debat over diffusie MRI-tractografie, is het nut ervan in de neurochirurgische workflow momenteel vastgesteld. Het is mogelijk om de dislocatie van het wittestofkanaal en de afstand tot de tumor te evalueren, met behoud van specifieke wittestofverbindingen. Bovendien kunnen diffusietensorbeeldvorming (DTI) -kaarten, met name fractionele anisotropie (FA) en gemiddelde diffusiviteit (MD), worden toegepast om microstructurele witte stofveranderingen te beoordelen die verband houden met mogelijke tumorinfiltratie en voor longitudinale tractusmonitoring. Al deze kenmerken maken diffusie MRI-tractografie een krachtig hulpmiddel voor zowel pre-chirurgische planning als intra-operatieve besluitvorming door middel van neuronavigatiesystemen24.
De toepassing van tractografietechnieken op schedelbasischirurgie is echter beperkt door de behoefte aan gespecialiseerde technische kennis en het tijdrovende werk om diffusie MRI-sequentie-acquisitie, analyseprotocol en opname van tractografieresultaten in neuronavigatiesystemen te optimaliseren25. Ten slotte zijn verdere beperkingen te wijten aan de technische moeilijkheden om deze analyses uit te breiden van intraparenchymale naar extra-parenchymale witte stofstructuren, als hersenzenuwen. Inderdaad, alleen recente studies presenteerden voorlopige resultaten die probeerden geavanceerde MRI- en schedelbasischirurgie te integreren26,27,28.
Het huidige artikel presenteert een protocol voor de multidisciplinaire behandeling van hypofyse-diencephalische en schedelbasistumoren met behulp van diffusie MRI-tractografie. De implementatie van dit protocol in de instelling is het resultaat van de samenwerking tussen neurochirurgen, neuro-endocrinologen en het neuroimaging team (inclusief klinische en bioinformatica expertise) om een effectieve geïntegreerde multi-axiale benadering van deze patiënten te bieden.
In het centrum hebben we multidisciplinaire protocollen geïntegreerd voor het beheer van patiënten met schedelbasistumoren, om een zo informatief mogelijke beschrijving te geven en om het chirurgische plan aan te passen en te personaliseren. We laten zien dat dit protocol zowel in de klinische als in de onderzoekssetting kan worden toegepast voor elke patiënt met een schedelbasistumor om de behandelingsstrategie te begeleiden en de kennis over de hersenmodificaties veroorzaakt door deze laesies te verbeteren.

<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

Endoscopische endonasale chirurgie heeft een prominente rol gekregen in het beheer van complexe schedelbasistumoren. Het maakt de resectie van een grote groep goedaardige en kwaadaardige laesies mogelijk via een natuurlijke anatomische extra-craniale route, vertegenwoordigd door de neusholten, waardoor terugtrekking van de hersenen en neurovasculaire manipulatie worden vermeden. Dit wordt weerspiegeld door het snelle klinische herstel van de patiënten en het lage risico op permanente neurologische gevolgen, wat het belangrijkste voorbehoud is van conventionele schedelbasischirurgie. Deze operatie moet worden afgestemd op elk specifiek geval, rekening houdend met de kenmerken en relatie met omliggende neurale structuren, meestal gebaseerd op preoperatieve neuroimaging. Geavanceerde MRI-technieken, zoals tractografie, zijn zelden toegepast in schedelbasischirurgie vanwege technische problemen: langdurige en gecompliceerde processen om betrouwbare reconstructies te genereren voor opname in het neuronavigatiesysteem. 
Dit artikel is bedoeld om het protocol te presenteren dat in de instelling is geïmplementeerd en benadrukt de synergetische samenwerking en teamwork tussen neurochirurgen en het neuroimaging-team (neurologen, neuroradiologen, neuropsychologen, fysici en bio-ingenieurs) met het uiteindelijke doel om de optimale behandeling voor elke patiënt te selecteren, de chirurgische resultaten te verbeteren en de vooruitgang van gepersonaliseerde geneeskunde op dit gebied na te streven.

Een 55-jarige vrouw presenteerde zich met progressieve visuele tekorten. Haar medische voorgeschiedenis was onopvallend. Bij oogheelkundige evaluatie werd bilaterale vermindering van de gezichtsscherpte (6/10 in het rechteroog en 8/10 in het linkeroog) onthuld en het gecomputeriseerde gezichtsveld vertoonde volledige bitemporale hemianopie. Er waren geen verdere tekorten zichtbaar bij neurologisch onderzoek, maar de patiënt meldde aanhoudende asthenie en een toename van honger- en dorstg...

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

We presenteren een protocol om diffusie MRI-tractografie te integreren in de work-up van de patiënt tot endoscopische endonasale chirurgie voor een schedelbasistumor. De methoden voor het toepassen van deze neuroimaging studies in de pre- en intra-operatieve fase worden beschreven.

Rol van diffusie MRI-tractografie in endoscopische endonasale schedelbasischirurgie

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 ...

Met behulp van een geïntegreerd neuroimaging- en neurochirurgieprotocol is het mogelijk om verschillende expertises samen te voegen in een synergetisch kader om een patiëntspecifieke tumorresectiechirurgie op maat te maken. Met behulp van MRI-tractografie is het mogelijk om dislocatie van de witte stof en tumorafstand te visualiseren. De veelzijdigheid ervan in glioomchirurgie is vastgesteld en kan ook worden toegepast bij medicijnresistente focale epilepsie.De integratie van geavanceerde neuroimaging-technieken in endoscopische endonasale chirurgie voor hypofyse-, diencefalische en schedeltumoren is effectief in het verhogen van de chirurgische veiligheid, het verminderen van de complicaties en het verbeteren van de patiëntresultaten en kwaliteit van leven. MRI-tractografie in combinatie met taak fMRI maakt het mogelijk om de structurele en functionele reorganisatie van de hersenen na de operatie te volgen. Bovendien is correlatie met klinische uitkomsten nuttig voor klinische en onderzoeksvoorstellen.Zowel endoscopische endonasale chirurgie als geavanceerde neuroimaging vereisen een lange trainingsperiode. We stellen een waarnemerschap of een fellowship voor in academische tertiaire verwijzingscentra waar deze technieken worden geïmplementeerd. Door middel van zichtbare demonstratie is het mogelijk om de stappen van deze methode te maken die nog niet gestandaardiseerd zijn en om duidelijk te maken hoe verschillende expertises te integreren.Met behulp van een gestandaardiseerde multimodale MRI-protocol high-field scanner, verkrijg hoge resolutie en volumetrische anatomische sequenties met behulp van T1-gewogen pre- en post-gadolinium contrastmiddel toediening en FLAIR T2-gewogen beeldvorming. Verkrijg continue sagittale plakjes die een isotrope resolutie bieden van een één voor één kubieke millimeter scantijd van ongeveer vijf minuten per reeks. Verkrijg een T2-gewogen sequentie met hoge resolutie om het tumorgebied te lokaliseren voor hersenzenuwvisualisatie met de volumetrische constructieve interferentie en steady-state voxeldimensie van 0,5 bij 0,5 bij 0,5 kubieke millimeter en een scantijd van ongeveer negen minuten.Verkrijg diffusiegewogen sequenties met behulp van single shot echo planaire beelden, een voxeldimensie van twee bij twee bij twee kubieke millimeter, 64 magnetische gradiëntrichtingen met een B-waarde van 2.000 seconden per vierkante millimeter, echotijd van 98 milliseconden en 4.300 milliseconden ontspanningstijd. Verkrijg vijf volumes met een nul B-waarde aan het begin van de diffusiegewogen acquisitie met de fasecoderingsrichting ingesteld op voor-achter en en een scantijd van vijf minuten. Verkrijg vervolgens drie volumes met een nul B-waarde, maar omgekeerde posterieure-anterieure fasecoderingsrichting om eventuele beeldvervormingen als gevolg van de echoplanaire beeldacquisitie en een scantijd van 42 seconden te corrigeren.Continue bijna axiale plakjes worden verkregen. Voor segmentatie van de tumor laadt u de beelden in de ITK-SNAP-software en inspecteert u de tumor in de t1. nii, flair.nii, en t1_contrast. nii beelden. Selecteer vervolgens het anatomische vlak dat u wilt volgen bij het tekenen van de laesie.Voor tractografische analyse van de gesegmenteerde tumor voert u de fsl-dtifit-functie uit om diffusiviteit in de verschillende ruimtelijke richtingen te modelleren en de fa. nii, md. ii, en v1.nii diffusie tensor kaarten. Evalueer de diffusie-tensorbeeldvormingskaarten om abnormale diffusiviteitswaarden te beoordelen die kunnen optreden in de aanwezigheid van tumoroedeem of infiltratie en selecteer de seed_image en neem opties op op basis van a priori anatomische kennis om een zaaddoelbenadering toe te passen. Teken vervolgens handmatig interessante gebieden om het zaad of doel voor tractografie in te stellen.Gebruik voor een nauwkeurige beschrijving van de diffusie-tensorbeeldparameters het lange tractusalgoritme, zoals het op MATLAB gebaseerde algoritme dat de oppervlaktekanaalgeometrie modelleert met de Laplaciaanse operatoreigenschappen. Om de 3D-volumerendering te visualiseren, klikt u in de Surf Ice-software op bestand en opent u in het opdrachtvenster en selecteert u het obj-bestand. Voordat u de procedure plant, voert u een neurologisch lichamelijk onderzoek uit met een verzameling anamnestische informatie over gewichtstoename, het hongergevoel, continue monitoring van de rectale temperatuur om de twee minuten gedurende 24 uur en een 24-uurs slaap / waakcyclusregistratie.Op basis van de resultaten van tumorsegmentatie en de relatie met de functionele welsprekende neurale structuren, bespreek de kandidatuur van de patiënt voor chirurgie in een collegiale teamvergadering om de meest geschikte chirurgische aanpak te bepalen. Na het selecteren van de chirurgische gang met het meest minimale risico op letsel aan de neurale structuren, definieert u het veilige resectiegebied voor elk geval, waarbij de kritieke neurale structuur wordt gelokaliseerd waaronder de nabijheid van de resectie moet worden gestopt om permanente schade te voorkomen. Voeg vervolgens de meest relevante MRI-sequenties samen en importeer de sequenties, inclusief de tractografiereconstructies, in het neuronavigatiesysteem van de operatieve fase.Voordat u met de procedure begint, selecteert u de elektromagnetische registratiemodaliteit van de hersenchirurgie. Registreer het neuronavigatiesysteem op de patiënt, gebruik een gratis trackingtechniek of externe markers en controleer de nauwkeurigheid van de bereikte registratie, waarbij de positie van de externe markers op de geïmporteerde MRI wordt gecontroleerd. Wanneer de patiënt klaar is, gebruikt u een nulgradenendoscoop om de neusklep te oogsten.Voer vervolgens een voorste sphenoidectomie en een posterieure septostomie en ethmoidectomie uit, waarbij het middelste turbinaat mogelijk wordt bewaard. Open de kelder en tuberculum botten. Maak na coagulatie van de superieure intracavernous sinus een H-vormige incisie in de dura-laag.Verlaat de tumor door het arachnoïdale vlak en de-bulk centraal de tumor. Verwijder het tumorkapsel uit de omliggende diecefale neurale structuren en gebruik schuine optica om de chirurgische holte te verkennen voor eventuele resterende stukjes tumor. Wanneer de hele tumor is verwijderd, gebruikt u een intradurale intracraniale laag durale substituut om de osteo-meningeale opening te sluiten.Plaats vervolgens een extradurale intracraniale laag durale vervanger met buikvet en uiteindelijk bot en bedek de sluiting met de neusfop. Bij deze representatieve patiënt toonde MRI van de hersenen een suprasellar tumor die de optochiasmatische cisterne bezette en de derde ventrikel binnendrong met een onregelmatige polycystische morfologie. De tractografie van de optische route en bilaterale optische hersenzenuwen werden gereconstrueerd, maar gevoeligheidsartefacten binnen het grensvlak tussen de hersenbotten en bloedvaten maakten geen volledige reconstructie mogelijk van de vezels die het optische chiasme met de oogzenuwen verbinden.Onderzoek van het piramidale tractusdiffusiviteitsprofiel en een lange tractusdiffusie tensor imaging map statistieken toonden de aanwezigheid van een focale FLAIR T2-gewogen hyperintensiteit op het niveau van de rechter achterste ledemaat van de interne capsule, wat overeenkomt met een toename van 5% van de rechter gemiddelde diffusiviteitsmaat in vergelijking met de linkerkant. Met behulp van een endoscopische endonasale verlengde transplantatie transtuberculum benadering, werd de tumor centraal gedebuleerd in combinatie met de drainatie van de cystische component. Het craniofaryngioom kon vervolgens geleidelijk worden losgemaakt van de neurale structuren om de arachnoïde als splitsingsvlak aan te nemen.Aan het einde van de operatie werd volledige tumorverwijdering met behoud van de hypothalamische anatomie bereikt. Het herstel van het osteo-durale defect werd vervolgens uitgevoerd met behulp van buikvet en de neusflap. Drie maanden na de operatie werd een volledige tumorverwijdering zonder restant of recidief waargenomen.In de preoperatieve work-up zijn de meest relevante stappen: een nauwkeurige diffusie-gewogen sequenties acquisitie en tumorsegmentatie. Tijdens de operatie is het belangrijkste punt een nauwkeurige identificatie van de neurale structuren. De visualisatie van de neurale structuren die door deze methode worden geboden, kan worden toegepast voor alle schedelgebaseerde regio's, waardoor het risico op permanente handicaps voor veel andere tumoren wordt verminderd.De tractografische reconstructie van hersenzenuwen en neuroroutes kan ons begrip van de relatie tussen tumoren en de structuren vergemakkelijken, waardoor mogelijk een innovatieve uitkomstvoorspeller voor de symptomen van de patiënt wordt geboden.

Research

JoVE Journal

Neuroscience

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

Functionele neuroimaging Met behulp van ultrasone bloed-hersen barrière verstoring en mangaan-enhanced 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 in het Rat ruggenmerg

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 van Nicotine Induced Calcium Signaling en neurotransmitterafgifte Samen ventrale hippocampus Axons

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

Optogenetic Functional MRI

Optogenetische Functionele 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

Gebruik makend van gecombineerde methoden om de rol van de plasmamembraan Delivery Tijdens Axon vertakking en neuronale Morphogenesis Definieer

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

Het meten van connectiviteit in de primaire visuele Pathway in Human Albinisme Met behulp van Diffusion Tensor Imaging en tractografie

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

Endoscopische Endonasal Trans-sfenoïdale aanpak: Minimaal invasieve chirurgie voor hypofyse Adenomas

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

Minimaal invasieve endoscopische intracerebrale bloeding evacuatie

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

Diffusie strekspier Magnetic resonance imaging in chronische ruggenmerg compressie

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

Functionele MRI in combinatie met een nieuw, met MRI compatibel, hand-geïnduceerde robot apparaat om revalidatie te evalueren van individuen die herstellen van handgreep tekorten

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