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 vill tacka röntgenteknikerna och sjuksköterskornas personal inom neuroradiologiområdet, IRCCS Istituto delle Scienze Neurologiche di Bologna, och deras koordinator Dr. Maria Grazia Crepaldi, för deras samarbete.

Protokollet följer den lokala forskningskommitténs etiska normer och Helsingforsdeklarationen från 1964 och dess senare ändringar eller jämförbara etiska normer.
1. Urval av patienterna
<ol><li>Anta följande införandekriterier: patienter äldre än 18 år, helt samarbetande, presenterar en tumör i skallbasen eller hypofysen-diencefalic regionen.</li>
	<li>Exkludera patienter med kontraindikation till MRT (dvs. pacemaker eller ferromagnetiskt material) eller presentera med framväxan...

Tillämpningen av det presenterade protokollet resulterade i en säker och effektiv behandling av en av de mest utmanande intrakraniell tumörer såsom en craniopharyngioma invadera 3rd ventrikel, eventuellt öppna upp en ny horisont för en lesion som definierades av H. Cushing för ungefär ett sekel sedan som den mest förbryllande intrakraniell neoplasm1. Kombinationen av noggrann preoperativ planering, integrering av avancerade MRI-tekniker och tvärvetenskapliga kliniska bedömnin...

Möjligheten att närma sig skallbasens mittlinje och paramedianska regioner genom en främre väg, anta näsfossae som naturliga håligheter, har en lång historia, som går tillbaka mer än ett sekel1. Under de senaste 20 åren har visualisering och operativ teknik dock förbättrats tillräckligt för att utöka sin möjlighet att inkludera behandling av de mest komplexa tumörerna som meningiomas, ackordom, kondrosarkom och craniopharyngiomas1 på grund av (1) införandet av endoskopet, vilket ger en panorama och detaljerad 2D / 3D-vy över dessa regioner till kirurgen, (2) Utveckling av intraoperativa neuronavigationssystem och 3) genomförande av särskilda kirurgiska instrument. Som noggrant visats av Kassam et al. och bekräftas av flera recensioner och meta-analyser, fördelarna med detta kirurgiska tillvägagångssätt representeras främst av dess chanser att resect utmanande skalle bas tumörer, undvika någon direkt hjärnan tillbakadragning eller nerv manipulation, vilket minskar risken för kirurgiska komplikationer och långsiktiga neurologiska och visuella och sviter2,3,4, 5,6,7,8,9,10,11,12.
För flera skalle bas och hypofysen-diencephalic tumörer, det idealiska kirurgiska målet har förändrats under de senaste åren från den mest omfattande tumör avlägsnande möjligt till säkrast avlägsnande med bevarandet av de neurologiska funktionerna för att bevara patientens livskvalitet3. Denna begränsning kan kompenseras av innovativa och effektiva adjuvansbehandlingar, såsom strålbehandling (anta massiva partiklar som proton- eller koljoner när så är lämpligt) och, för utvalda tumörer, genom kemoterapi som hämmare av BRAF/ MEK-vägen för craniopharyngiomas13,14,15.
För att uppnå dessa mål är dock en noggrann preoperativ bedömning avgörande, för att skräddarsy den kirurgiska strategin till varje falls specifika funktion2. I de flesta centra utförs MRI preoperative protokollet vanligtvis endast med standard strukturella sekvenser, som ger morfologiska karakterisering av lesion. Men med dessa tekniker är det inte alltid möjligt att bedöma tumörens anatomiska förhållande med angränsande strukturer tillförlitligt3. Dessutom kan varje patient presentera olika patologi-inducerad funktionella omorganisation profiler detekterbara endast med diffusion MRI tractography och funktionell MRI (fMRI), som kan användas för att ge vägledning både i kirurgi planering och i intraoperativa steg16,17.
För närvarande är fMRI den vanligaste neuroimaging modalitet för kartläggning hjärnan funktionell aktivitet och anslutning, som vägledning för kirurgisk planering18,19 och att förbättra patienternas resultat20. Uppgiftsbaserad fMRI är valfri modalitet för att identifiera "vältaliga" hjärnregioner som är funktionellt involverade i specifika uppgiftsprestanda (t.ex. fingertryckning, telefonisk flyt), men är inte tillämplig för studier av skallbastumörer.
Diffusion MRI tractography tillåter in vivo och noninvasive återuppbyggnad av vit materia hjärnanslutningar samt hjärnnerv, undersöka hjärnan hodological struktur21. Olika systemografialgoritmer har utvecklats för att rekonstruera axonalvägar genom att länka vattenmolekylens diffusitetsprofiler, utvärderade inom varje hjärn voxel. Deterministisk tractography följer den dominerande diffusivitet riktningen, medan probabilistic tractography utvärderar möjliga vägar anslutning distribution. Dessutom kan olika modeller tillämpas för att utvärdera diffusivitet inom varje voxel, och det är möjligt att definiera två huvudkategorier: enfibermodeller, såsom diffusions tensormodellen, där en enda fiberorientering utvärderas, och multifibermodeller, såsom sfärisk dekonvolution, där flera korsningsfiberorienteringar rekonstrueras22,23. Trots den metodologiska debatten om diffusion MRI tractography, dess nytta i neurokirurgiska arbetsflödet är för närvarande etablerad. Det är möjligt att utvärdera vit materia och avstånd till tumör, bevara specifika vit materia anslutningar. Dessutom kan diffusions tensor imaging (DTI) kartor, särskilt fraktionerad anisotropi (FA) och genomsnittlig diffusivitet (MD), tillämpas för att bedöma mikrostructural vit fråga förändringar relaterade till möjliga tumör infiltration och för longitudinell tarmkanalen övervakning. Alla dessa funktioner gör diffusion MRI tractography ett kraftfullt verktyg både för prekirurgisk planering och intraoperativt beslutsfattande genom neuronavigationssystem24.
Tillämpningen av tractografi tekniker till skalle bas kirurgi har dock begränsats av behovet av specialiserad teknisk kunskap och tidskrävande arbete-up för att optimera diffusion MRI sekvens förvärv, analys protokoll, och införliva tractography resultat i neuronavigation system25. Slutligen beror ytterligare begränsningar på de tekniska svårigheterna att utvidga dessa analyser från intraparenkymala till extra-parenchymal vit fråga strukturer, som hjärnskålen nerver. Faktum är att endast nyligen genomförda studier presenterade preliminära resultat som försöker integrera avancerad MRI och skalle baskirurgi26,27,28.
Detta dokument presenterar ett protokoll för tvärvetenskaplig förvaltning av hypofysen-diencephalic och skalle bas tumörer med diffusion MRI tractography. Genomförandet av detta protokoll i institutionen berodde på samarbetet mellan neurokirurger, neuro-endokrinologer och neuroimaging-teamet (inklusive klinisk och bioinformatik expertis) för att erbjuda en effektiv integrerad multiaxiell strategi för dessa patienter.
I centrum har vi integrerat tvärvetenskapliga protokoll för hantering av patienter med skallbastumörer, för att ge den mest informativa beskrivningen som möjligt och för att skräddarsy och anpassa den kirurgiska planen. Vi visar att detta protokoll kan antas både i den kliniska och forskningsinställningen för alla patienter med en skalle bas tumör att vägleda behandlingsstrategin och att förbättra kunskapen om hjärnan modifieringar framkallas av dessa skador.

<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 framträdande roll i förvaltningen av komplexa skalle bas tumörer. Det tillåter samband av en stor grupp av godartade och maligna skador genom en naturlig anatomisk extra-hjärnskålen väg, representeras av näshålorna, undvika hjärnans upprullning och neurovaskulär manipulation. Detta återspeglas av patienternas snabba kliniska återhämtning och den låga risken för permanenta neurologiska och sviter, representerar den viktigaste förbehållet konventionella skalle bas kirurgi. Denna kirurgi måste skräddarsys för varje specifikt fall, med tanke på dess funktioner och samband med omgivande neurala strukturer, mestadels baserat på preoperative neuroimaging. Avancerade MRI tekniker, såsom tractography, har sällan antagits i skalle bas kirurgi på grund av tekniska problem: långa och komplicerade processer för att generera tillförlitliga rekonstruktioner för införande i neuronavigation systemet. 
Detta dokument syftar till att presentera protokollet som implementeras i institutionen och belyser det synergistiska samarbetet och lagarbetet mellan neurokirurger och neuroimaging-teamet (neurologer, neuroradiologer, neuropsykologer, fysiker och bioengineers) med det slutliga målet att välja optimal behandling för varje patient, förbättra de kirurgiska resultaten och fortsätta utvecklingen av personlig medicin inom detta område.

En 55-årig kvinna presenteras med progressiva visuella underskott. Hennes sjukdomshistoria var omärkbar. På oftalmologiska utvärdering, bilaterala minskning av synskärpa (6/10 i det högra ögat och 8/10 i det vänstra ögat) avslöjades, och det datoriserade synfältet visade fullständig bitemporal hemianopia. Inga ytterligare underskott var uppenbart på neurologisk undersökning, men patienten rapporterade långlivade asteni och en ökning av hunger och törst sensation under de ...

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 presenterar ett protokoll för att integrera diffusion MRI tractography i patienten arbete-upp till endoskopisk endonasal kirurgi för en skalle bas tumör. Metoderna för att anta dessa neuroimaging studier i pre- och intraoperativa faser beskrivs.

Roll av diffusion MRI Tractography i endoskopisk endonasal skalle baskirurgi

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 ...

Med hjälp av ett integrerat neuroimaging- och neurokirurgiprotokoll är det möjligt att slå samman olika expertis inom ett synergiskt ramverk för att skräddarsy en patientspecifik tumörresektionskirurgi. Med hjälp av MRI tractography, Det är möjligt att visualisera vit fråga och tumör avstånd. Dess mångsidighet i glioma kirurgi har fastställts och kan också tillämpas i läkemedelsresistent focal epilepsi.Integrationen av avancerade neuroimaging tekniker i endoskopisk endonasal kirurgi för hypofysen, diencefalic och skalle-baserade tumörer är effektivt för att öka kirurgisk säkerhet, minska komplikationer och förbättra patientens resultat och livskvalitet. MRI tractography i kombination med uppgift fMRI möjliggör övervakning av hjärnan strukturella och funktionella omorganisation efter kirurgi. Dessutom är korrelation med kliniska resultat användbart för kliniska förslag och forskningsförslag.Både endoskopisk endonasal kirurgi och avancerade neuroimaging kräver en lång träningsperiod. Vi föreslår ett observatörskap eller ett stipendium i akademiska eftergymnasiala remisscenter där dessa tekniker implementeras. Genom synlig demonstration är det möjligt att göra stegen i den här metoden som inte har standardiserats ännu och att klargöra hur man integrerar olika expertis.Med hjälp av ett standardiserat multimodalt MRI-protokoll högfältsskanner, förvärva hög upplösning och volymetriska anatomiska sekvenser med T1-viktade pre och post-gadolinium kontrast agent administration och FLAIR T2-viktad bildbehandling. Förvärva kontinuerliga sagittal skivor som ger en isotropisk upplösning på en en efter en kubik millimeter skanningstid på cirka fem minuter per sekvens. Förvärva en högupplöst T2-viktad sekvens för att lokalisera tumörområdet för hjärnskålen nerv visualisering med volymetrisk konstruktiv störning och steady-state voxel dimension på 0,5 av 0,5 x 0,5 kubik millimeter och en skanningstid på cirka nio minuter.Förvärva diffusionsviktade sekvenser med enkla bilder av ekoplanar, en två x två x två kubik millimeter voxeldimension, 64 magnetiska gradientriktningar med ett 2 000 sekunder per kvadrat millimeter B-värde, 98 millisekunders ekotid och 4 300 millisekunders avslappningstid. Förvärva fem volymer med ett null B-värde i början av det diffusionsvägda förvärvet med faskodningsriktningen inställd på främre bakre och en skanningstid på fem minuter. Förvärva sedan tre volymer med ett null B-värde, men omvänd bakre-främre faskodningsriktning för att korrigera eventuella bildförvrängningar på grund av ekoplanarbildförvärvet och en skanningstid på 42 sekunder.Kontinuerliga nära axiella skivor kommer att förvärvas. För segmentering av tumören, ladda bilderna i ITK-SNAP programvara och inspektera tumören i t1. nii, stil.nii, och t1_contrast. nii bilder. Välj sedan det anatomiska planet att följa när du ritar lesionen.För tractographic analys av segmenterade tumör, kör fsl-dtifit funktionen för att modellera diffusivitet i de olika rumsliga riktningarna och få fa. nii, md. ii och v1.nii diffusions tensor kartor. Utvärdera diffusions tensor imaging kartor för att bedöma eventuella onormala diffusivitet värden som kan uppstå i närvaro av tumör ödem eller infiltration och välj seed_image och inkludera alternativ baserade på en priori anatomisk kunskap för att anta en frö mål strategi. Rita sedan manuellt regioner av intresse för att ställa in fröet eller målet för tractography.För en korrekt beskrivning av diffusions tensoravbildningsparametrarna, använd långväga algoritm som den MATLAB-baserade algoritmen som modellerar ytgeometrin med de laplakiska operatörsegenskaperna. Om du vill visualisera 3D-volymåtergivningen klickar du på fil och öppnar i Surf Ice-programvaran på kommandopanelen och väljer obj-filen. Innan du schemalägger proceduren, utför en neurologisk fysisk undersökning med en samling anamnestisk information om viktökning, känslan av hunger, kontinuerlig övervakning av rektalkapslar temperaturen varannan minut i 24 timmar och en 24-timmars sömn / vakna cykel registrering.Baserat på resultaten av tumör segmentering och förhållandet med funktionella vältaliga neurala strukturer, diskutera patientens kandidatur för kirurgi i ett kollegialt team möte för att bestämma det lämpligaste kirurgiska tillvägagångssättet. Efter att ha valt den kirurgiska korridoren med den mest minimala risken för skada på de neurala strukturerna, definiera det säkra sambandsområdet för varje fall, lokalisera den kritiska neurala strukturen under vilken närheten sambandet måste arresteras för att undvika permanent skada. Slå sedan samman de mest relevanta MRI-sekvenserna och importera sekvenserna, inklusive tractografirekonstruktionerna, till det operativa fasens neuronavigeringssystem.Innan du påbörjar proceduren, välj hjärnan kirurgi elektromagnetiska registrering modalitet. Registrera neuronavigeringssystemet på patienten, anta en fri spårningsteknik eller externa markörer och kontrollera riktigheten i den uppnådda registreringen och kontrollera positionen för de externa markörerna på den importerade MRT. När patienten är klar, använd ett nollgradigt endoskop för att skörda nasoseptalklaffen.Därefter utför en främre sphenoidectomy och en bakre septostomi och ethmoidectomy, bevara mitten turbinate som möjligt. Öppna källaren och tuberculumbenen. Efter koagulering av den överlägsna svårbehandlade sinusen, gör ett H-format snitt i duraskiktet.Lämna tumör av arachnoidal planet och centralt de-bulk tumören. Ta bort tumörkapseln från de omgivande diencefalic neurala strukturerna och använd vinklad optik för att utforska den kirurgiska håligheten för eventuella återstående bitar av tumör. När alla tumör har tagits bort, använd ett intradural intrakraniellt lager av hamburg ersättning för att stänga osteo-meningeal öppningen.Placera sedan ett extraduralt intrakraniellt lager av hamburgersättningsställningar med bukfett och så småningom ben och täck stängningen med nasoseptalklaffen. I denna representativa patient visade hjärnan MRI en suprasellar tumör ockupera optochiasmatic cistern och invadera den tredje ventrikel med en oregelbunden polycystic morfologi. Den optiska utbildningsavsnittet tractography och bilaterala fiber hjärnskålen nerver rekonstruerades, men mottaglighet artefakter inom gränssnittet mellan hjärnan ben och blodkärl tillät inte en fullständig återuppbyggnad av fibrerna som förbinder optik chiasm till optik nerver.Undersökning av pyramidal tract diffusivitet profil och en lång mag diffusion tensor imaging map statistik visade förekomsten av en focal FLAIR T2-viktad överintensitet på nivån för den högra bakre delen av den inre kapseln, motsvarar en 5% ökning av den högra genomsnittliga diffusivitet mått jämfört med vänster sida. Med hjälp av en endoskopisk endonasal extended transplantation transtuberculum strategi, var tumör centralt de-bulked i samband med dränering av dess cystic komponent. Craniopharyngioma kunde sedan gradvis lossna från de neurala strukturerna för att anta arachnoiden som ett klyvningsplan.I slutet av operationen uppnåddes fullständig tumör avlägsnande med bevarandet av hypotalamus anatomi. Reparation av osteo-dural defekten utfördes sedan med buken fett och nasoseptal lock. Tre månader efter operationen observerades en fullständig tumör avlägsnande med någon kvarleva eller återkommande.I den preoperativa workupen är de mest relevanta stegen: en exakt diffusionsvägda sekvenser förvärv och tumör segmentering. Under operationen är nyckelpunkten en noggrann identifiering av de neurala strukturerna. Visualiseringen av de neurala strukturer som tillhandahålls av denna metod kan antas för alla skallbaserade regioner, vilket minskar risken för permanenta funktionshinder för många andra tumörer.Tractographic återuppbyggnad av hjärnskålen nerver och neuro vägar kan underlätta vår förståelse av förhållandet mellan tumörer och strukturer, potentiellt ger en innovativ resultat prediktor för patientens symtom.

Research

JoVE Journal

Neuroscience

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

Funktionell hjärnavbildning med ultraljud Blod-hjärnbarriären störningar och mangan-förstärkt MRT

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 avbildning av nikotin inducerad kalciumsignalering och frisättning av signalsubstans Längs Ventral Hippocampus Axoner

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

Optogenetic Functional MRI

Optogenetic Funktionell 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

Med hjälp av kombinerade Metoder för att definiera rollen av plasmamembranet leverans under Axon förgrening och 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

Mätning Connectivity i Primär Visual Pathway i Human Albinism Använda Diffusion Tensor Imaging och 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 tillvägagångssätt: Minimalinvasiv kirurgi för hypofysen adenom

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 blödning 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 resonanstomografi i kronisk Ryggmärgs 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

Funktionell MRI i samband med en roman MRI-kompatibel hand-inducerad Robotic enhet för att utvärdera rehabilitering av individer återhämta sig från hand grepp underskott

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