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 gjerne takke radiologiteknikerne og sykepleiernes ansatte i nevroradiologiområdet, IRCCS Istituto delle Scienze Neurologiche di Bologna og deres koordinator Dr. Maria Grazia Crepaldi, for deres samarbeid.

Protokollen følger den lokale forskningskomiteens etiske standarder og med Helsinki-erklæringen fra 1964 og dens senere endringer eller sammenlignbare etiske standarder.
1. Valg av pasienter
<ol><li>Vedta følgende inklusjonskriterier: pasienter eldre enn 18 år, fullt samarbeidende, presenterer en svulst i skallebasen, eller hypofyse-diencephalic region.</li>
	<li>Ekskluder pasienter med kontraindikasjon til MR (dvs. pacemaker eller ferromagnetisk materiale) eller presentere med fremvokse...

Anvendelsen av den presenterte protokollen resulterte i en sikker og effektiv behandling av en av de mest utfordrende intrakranielle svulstene som et craniopharyngioma som invaderte 3rd ventrikelen, og muligens åpnet opp en ny horisont for en lesjon som ble definert av H. Cushing for omtrent et århundre siden som den mest forvirrende intrakranielle neoplasma1. Kombinasjonen av nøyaktig preoperativ planlegging, integrering av avanserte MR-teknikker og tverrfaglige kliniske vurderinger...

Muligheten til å nærme seg hodeskallebasen midtlinje og paramedianske regioner gjennom en fremre rute, vedta nesefossaen som naturlige hulrom, har en lang historie, som dateres tilbake mer enn ett århundre1. Men i løpet av de siste 20 årene har visualiseringen og operative teknologier forbedret seg nok til å utvide muligheten for å inkludere behandling av de mest komplekse svulstene som meningiomer, chordomas, kondrosarkomer og craniopharyngiomas1 på grunn av (1) innføringen av endoskopet, som gir en panoramisk og detaljert 2D / 3D-visning av disse regionene til kirurgen, (2) utvikling av intraoperative nevronavigasjonssystemer, og (3) implementering av dedikerte kirurgiske instrumenter. Som omhyggelig demonstrert av Kassam et al. og bekreftet av flere vurderinger og metaanalyser, er fordelene ved denne kirurgiske tilnærmingen hovedsakelig representert av sjansene for å resect utfordrende hodeskallebasetumorer, unngå direkte hjernetrekk eller nervemanipulering, og dermed redusere risikoen for kirurgiske komplikasjoner og langsiktig nevrologisk og visuell oppfølger2,3,4, 5,6,7,8,9,10,11,12.
For flere hodeskallebase og hypofyse-diencephalic svulster, har det ideelle kirurgiske målet endret seg de siste årene fra den mest omfattende tumorfjerningen som er mulig til den sikreste fjerningen med bevaring av nevrologiske funksjoner for å bevare pasientens livskvalitet3. Denne begrensningen kan kompenseres ved innovative og effektive adjuvante behandlinger, for eksempel strålebehandling (ved å ta i bruk massive partikler som proton- eller karbonioner når det er hensiktsmessig) og, for utvalgte neoplasmer, ved kjemoterapi som hemmere av BRAF / MEK-banen for craniopharyngiomas13,14,15.
For å forfølge disse målene er imidlertid en nøye preoperativ vurdering avgjørende for å skreddersy den kirurgiske strategien til hvert enkelt tilfelles spesifikke funksjon2. I de fleste sentre utføres MR-preoperativ protokollen vanligvis bare med standard strukturelle sekvenser, noe som gir den morfologiske karakteriseringen av lesjonen. Men med disse teknikkene er det ikke alltid mulig å vurdere det anatomiske forholdet mellom svulsten og tilstøtende strukturer pålitelig3. Videre kan hver pasient presentere forskjellige patologiinduserte funksjonelle omorganiseringsprofiler som bare kan påvises med diffusjon MR-tractografi og funksjonell MR (fMRI), som kan brukes til å gi veiledning både i operasjonsplanleggingen og i de intraoperative trinnene16,17.
For tiden er fMRI den mest brukte nevroimaging modalitet for å kartlegge hjernens funksjonelle aktivitet og tilkobling, som veiledning for kirurgisk planlegging18,19 og for å forbedre pasientenes utfall20. Oppgavebasert fMRI er den valgte modaliteten for å identifisere "veltalende" hjerneregioner som er funksjonelt involvert i spesifikk oppgaveytelse (f.eks. fingeravlytting, fonemisk flyt), men gjelder ikke for studiet av hodeskallebasetumorer.
Diffusjon MR-tractography tillater in vivo og ikke-invasiv rekonstruksjon av hvite materie hjerneforbindelser samt kranial nerver, undersøker hjernen hodologisk struktur21. Ulike tractography algoritmer er utviklet for å rekonstruere axonale veier ved å koble vannmolekyl diffusivitet profiler, evaluert innenfor hver hjerne voxel. Deterministisk tractography følger den dominerende diffusivitetsretningen, mens probabilistisk tractography evaluerer mulige veiers tilkoblingsfordeling. I tillegg kan forskjellige modeller brukes til å evaluere diffusitet i hver voxel, og det er mulig å definere to hovedkategorier: enkeltfibermodeller, for eksempel diffusjons tensormodellen, hvor en enkelt fiberorientering evalueres, og flerfibermodeller, for eksempel sfærisk dekonvolusjon, hvor flere kryssfiberretninger rekonstrueres22,23. Til tross for den metodologiske debatten om diffusjon MR-tractography, er nytten i nevrokirurgisk arbeidsflyt for tiden etablert. Det er mulig å evaluere hvit materiekanalens dislokasjon og avstand til svulsten, og bevare spesifikke hvite materieforbindelser. Videre kan diffusjons tensoravbildningskart (DTI), spesielt fraksjonell anisotropi (FA) og gjennomsnittlig diffusivitet (MD), brukes til å vurdere mikrostrukturelle hvite materieendringer relatert til mulig tumorinfiltrasjon og for langsgående kanalovervåking. Alle disse funksjonene gjør diffusjon MR-tractography et kraftig verktøy både for pre-kirurgisk planlegging og intraoperativ beslutningstaking gjennom nevronavigasjonssystemer24.
Anvendelsen av tractography teknikker til hodeskalle base kirurgi har imidlertid vært begrenset av behovet for spesialisert teknisk kunnskap og tidkrevende arbeid for å optimalisere diffusjon MR-sekvens oppkjøp, analyseprotokoll, og innlemme tractography resultater i nevronavigering systemer25. Til slutt skyldes ytterligere begrensninger de tekniske vanskelighetene som utvider disse analysene fra intraparenchymale til ekstra parenchymale hvite materiestrukturer, som kranialnervene. Faktisk presenterte bare nyere studier foreløpige resultater som forsøkte å integrere avansert MR- og hodeskallebasekirurgi26,27,28.
Det nåværende dokumentet presenterer en protokoll for tverrfaglig styring av hypofyse-diencephalic og hodeskalle base svulster ved hjelp av diffusjon MR-tractography. Implementeringen av denne protokollen i institusjonen var et resultat av samarbeidet mellom nevrokirurger, nevro-endokrinologer og nevroimaging-teamet (inkludert klinisk og bioinformatikkkompetanse) for å tilby en effektiv integrert multiaksial tilnærming til disse pasientene.
I sentrum har vi integrert tverrfaglige protokoller for håndtering av pasienter med hodeskallebasetumorer, for å gi en mest mulig informativ beskrivelse, og for å skreddersy og tilpasse den kirurgiske planen. Vi viser at denne protokollen kan vedtas både i den kliniske og forskningssettingen for enhver pasient med en hodeskallebasesvulst for å veilede behandlingsstrategien og for å forbedre kunnskapen om hjernemodifikasjonene forårsaket av disse lesjonene.

<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 endonasal kirurgi har fått en fremtredende rolle i håndteringen av komplekse hodeskallebasetumorer. Det tillater reseksjon av en stor gruppe godartede og ondartede lesjoner gjennom en naturlig anatomisk ekstrakranialvei, representert av nesehulene, og unngår hjerneinntrekking og nevrovaskulær manipulasjon. Dette gjenspeiles av pasientenes raske kliniske utvinning og den lave risikoen for permanent nevrologisk oppfølger, som representerer den viktigste advarselen om konvensjonell hodeskallebasekirurgi. Denne operasjonen må skreddersys til hvert enkelt tilfelle, med tanke på dens egenskaper og forhold til omkringliggende nevrale strukturer, hovedsakelig basert på preoperativ neuroimaging. Avanserte MR-teknikker, som tractography, har sjelden blitt vedtatt i hodeskallebasekirurgi på grunn av tekniske problemer: lange og kompliserte prosesser for å generere pålitelige rekonstruksjoner for inkludering i nevronavigeringssystemet. 
Denne artikkelen tar sikte på å presentere protokollen implementert i institusjonen og fremhever det synergistiske samarbeidet og samarbeidet mellom nevrokirurger og nevroingeniørteamet (nevrologer, nevroradiologer, nevropsykologer, nevropsykologer, fysikere og bioingeniører) med det endelige målet å velge optimal behandling for hver pasient, forbedre de kirurgiske resultatene og forfølge utviklingen av personlig medisin på dette feltet.

En 55 år gammel kvinne presenterte progressive visuelle underskudd. Hennes medisinske historie var unremarkable. Ved oftalmologisk evaluering ble bilateral reduksjon av synsskarphet (6/10 i høyre øye og 8/10 i venstre øye) avslørt, og det datastyrte synsfeltet viste fullstendig bitemporal hemianopi. Ingen ytterligere underskudd var tydelige på nevrologisk undersøkelse, men pasienten rapporterte vedvarende asteni og en økning i sult og tørst sensasjon i de siste 2-3 månedene, med...

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 presenterer en protokoll for å integrere diffusjon MR-tractography i pasientarbeid opp til endoskopisk endonasal kirurgi for en hodeskalle base tumor. Metodene for å ta i bruk disse nevroimaging studiene i pre- og intraoperative faser er beskrevet.

Rollen diffusjon MR-tractografi i endoskopisk endonasal hodeskalle 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 hjelp av en integrert neuroimaging og nevrokirurgiprotokoll er det mulig å slå sammen forskjellig kompetanse i et synergisk rammeverk for å skreddersy en pasientspesifikk tumorreseksjonskirurgi. Ved hjelp av MR-tractografi er det mulig å visualisere hvit materiekanaldislokasjon og tumoravstand. Dens allsidighet i glioma kirurgi har blitt etablert og kan også brukes i legemiddelresistent fokal epilepsi.Integreringen av avanserte nevroimaging teknikker i endoskopisk endonasal kirurgi for hypofyse, diencephalic, og hodeskalle-baserte svulster er effektiv til å øke kirurgisk sikkerhet, redusere komplikasjoner, og forbedre pasientutfall og livskvalitet. MR-tractografi kombinert med oppgave fMRI tillater overvåking av hjernens strukturelle og funksjonelle omorganisering etter operasjonen. I tillegg er sammenheng med kliniske resultater nyttig for kliniske og forskningsforslag.Både endoskopisk endonasal kirurgi og avansert neuroimaging krever en lang treningsperiode. Vi foreslår et observatørskap eller et stipend i akademiske tertiære henvisningssentre der disse teknikkene implementeres. Gjennom synlig demonstrasjon er det mulig å gjøre trinnene i denne metoden som ikke er standardisert ennå, og for å avklare hvordan man integrerer forskjellig kompetanse.Ved hjelp av en standardisert multimodal MR-protokoll høyfeltsskanner, få høy oppløsning og volumetriske anatomiske sekvenser ved hjelp av T1-vektet pre og post-gadolinium kontrast agent administrasjon og FLAIR T2-vektet bildebehandling. Få kontinuerlige sagittale skiver som gir en isotropisk oppløsning på en etter en med en kubikkmillimeter skannetid på omtrent fem minutter per sekvens. Skaff deg en høyoppløselig T2-vektet sekvens for å lokalisere tumorområdet for kranial nervevisualisering med volumetrisk konstruktiv interferens og steady-state voxel-dimensjon på 0,5 x 0,5 x 0,5 kubikkmillimeter og en skannetid på omtrent ni minutter.Skaff deg diffusjonsvektede sekvenser ved hjelp av enkeltbilde ekkoplanare bilder, en to ganger to ganger to kubikk millimeter voxel-dimensjon, 64 magnetiske gradientretninger med en 2000 sekund per kvadrat millimeter B-verdi, 98 millisekunders ekkotid og 4300 millisekunders avslapningstid. Skaff deg fem volumer med en null B-verdi i begynnelsen av det diffusjonsvektede oppkjøpet med fasekodingsretningen satt til fremre posterior og en skannetid på fem minutter. Deretter får du tre volumer med en null B-verdi, men reverserte posterior-fremre fasekodingsretning for å korrigere bildeforvrengninger på grunn av oppkjøpet av ekkoplankebildet og en skannetid på 42 sekunder.Kontinuerlig nær aksiale skiver vil bli anskaffet. For segmentering av svulsten, last bildene inn i ITK-SNAP-programvaren og inspiser svulsten i t1. nii, stil.nii og t1_contrast. nii-bilder. Velg deretter det anatomiske planet som skal følges når du tegner lesjonen.For tractographic analyse av den segmenterte svulsten, kjør fsl-dtifit-funksjonen for å modellere diffusivitet i de forskjellige romlige retningene og oppnå fa. nii, md. ii og v1.nii diffusjon tensor kart. Evaluer diffusjons-tensoravbildningskartene for å vurdere eventuelle unormale diffusivitetsverdier som kan oppstå i nærvær av tumorødem eller infiltrasjon, og velg seed_image og inkluder alternativer basert på en priori anatomisk kunnskap for å vedta en frømåltilnærming. Tegn deretter områder av interesse manuelt for å angi frøet eller målet for tractography.Hvis du vil ha en nøyaktig beskrivelse av diffusjons tensoravbildningsparametrene, kan du bruke langkanalalgoritmen, for eksempel den MATLAB-baserte algoritmen som modellerer overflatekanalgeometrien med laplakiske operatøregenskaper. Hvis du vil visualisere gjengivelsen av 3D-volum, klikker du fil i Surf Ice-programvaren og åpner den i kommandopanelet og velger obj-filen. Før du planlegger prosedyren, utfør en nevrologisk fysisk undersøkelse med en samling av anamnestisk informasjon om vektøkning, følelsen av sult, kontinuerlig overvåking av rektaltemperaturen hvert annet minutt i 24 timer, og en 24-timers søvn / våkne syklus opptak.Basert på resultatene av tumorsegmentering og forholdet til de funksjonelle veltalende nevrale strukturene, diskutere pasientkandidaturet for kirurgi i et kollegialt teammøte for å bestemme den mest hensiktsmessige kirurgiske tilnærmingen. Etter å ha valgt den kirurgiske korridoren med den mest minimale risikoen for skade på nevrale strukturer, definer det sikre reseksjonsområdet for hvert tilfelle, lokalisere den kritiske nevrale strukturen der nærheten reseksjonen må arresteres for å unngå permanent skade. Slå deretter sammen de mest relevante MR-sekvensene og importer sekvensene, inkludert tractography rekonstruksjoner, inn i det operative fase nevronavigasjonssystemet.Før du begynner prosedyren, velg hjernen kirurgi elektromagnetisk registrering modalitet. Registrer nevronavigasjonssystemet på pasienten, vedta en gratis sporingsteknikk eller eksterne markører og kontrollere nøyaktigheten av den oppnådde registreringen, og kontroller posisjonen til de eksterne markørene på den importerte MR-en. Når pasienten er klar, bruk et nullgraders endoskop for å høste nasoseptalklaffen.Deretter utfører du en fremre sphenoidektomi og en bakre septostomi og ethmoidektomi, og bevarer det midterste turbinatet som mulig. Åpne kjelleren og tuberkulumbenene. Etter koagulasjon av den overlegne intracavernous sinus, gjør et H-formet snitt i duralaget.La svulsten ligge ved arachnoidalplanet og av-bulk svulsten sentralt. Fjern tumorkapselen fra de omkringliggende diencephalic nevrale strukturer og bruk vinklet optikk for å utforske kirurgisk hulrom for eventuelle gjenværende biter av svulst. Når hele svulsten er fjernet, bruk et intraduralt intrakranielt lag av dural erstatning for å lukke osteo-meningealåpningen.Legg deretter et ekstraduralt intrakranielt lag av dural erstatning stillas med magefett og til slutt bein og dekk lukkingen med nasoseptalklaffen. I denne representative pasienten avslørte hjerne MR en suprasellarsvulst som okkuperer optokiasmatisk sisterne og invaderer den tredje ventrikelen med en uregelmessig polycystisk morfologi. Den optiske veikanalen og bilaterale optiske kranialnervene ble rekonstruert, men følsomhetsartefakter i grensesnittet mellom hjernebenene og blodkarene tillot ikke en fullstendig rekonstruksjon av fibrene som forbinder den optiske chiasmen til optiske nerver.Undersøkelse av den pyramidale luftveienes diffusivitetsprofil og en langveis diffusjons tensoravbildningskartstatistikk viste tilstedeværelsen av en fokal FLAIR T2-vektet hyperintensitet på nivået av høyre bakre lem i den indre kapselen, tilsvarende en 5% økning av høyre gjennomsnittlig diffusivitetsmål sammenlignet med venstre side. Ved hjelp av en endoskopisk endonasal utvidet transplantasjon transtuberculum tilnærming, ble svulsten sentralt avdelt i forbindelse med drenering av sin cystiske komponent. Craniopharyngioma var da i stand til å bli gradvis løsrevet fra nevrale strukturer for å vedta arachnoid som et spaltingsplan.På slutten av operasjonen ble fullstendig tumorfjerning med bevaring av hypothalamus anatomi oppnådd. Reparasjonen av osteo-dural defekten ble deretter utført ved hjelp av abdominal fett og nasoseptal klaff. Tre måneder etter operasjonen ble det observert en fullstendig tumorfjerning uten rest eller tilbakefall.I det preoperative arbeidet er de mest relevante trinnene: et nøyaktig diffusjonsvektet sekvensanskaffelse og tumorsegmentering. Under operasjonen er nøkkelpunktet en nøyaktig identifikasjon av nevrale strukturer. Visualiseringen av nevrale strukturer levert av denne metoden kan vedtas for alle hodeskallebaserte regioner, noe som reduserer risikoen for permanente funksjonshemninger for mange andre svulster.Den kryptografiske rekonstruksjonen av kranialnerver og nevroveier kan lette vår forståelse av forholdet mellom svulster og strukturer, noe som potensielt gir en innovativ resultatprediktor for pasientsymptomer.

Research

JoVE Journal

Neuroscience

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

Funksjonell Bildediagnostiske Bruke Ultrasonic blod-hjerne barrieren avbrudd og mangan forbedret MR

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

Diffusjon 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 av nikotin Induced Kalsium alarm og neurotransmitterfrigivning Sammen ventral Hippokampale Axoner

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

Optogenetic Functional MRI

Optogenetic Funksjonell 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

Utnytte Kombinert Metoder for å definere rollen til plasmamembranen Levering Under Axon Forgrening og neuronal morphogenesis

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 Tilkobling i Primær Visual Pathway i Human albinisme Bruke Diffusion Tensor Imaging og Tractography

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 tilnærming: Minimal invasiv kirurgi for hypofysen 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 kroniske ryggmargen Compression

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

Funksjonell MRI i forbindelse med en Novel Mr-kompatibel hånd-indusert Robotic enhet for å evaluere rehabilitering av individer utvinne fra håndgrep underskudd

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