Summary
Diffusion tensor imaging (DTI) blev udført for at forsøge at skildre de store dele af visuel vej. Målet var at anvende en FDA godkendt standard kommerciel arbejdsstation, der kan anvendes til daglig rutine med henblik på at forsøge at reducere postoperativ beskadigelse af visuelle vejen i patienterne.
Abstract
DTI er en teknik, der identificerer hvide substans skrifter (WMT) non-invasivt i raske og ikke-raske patienter, der bruger diffusion målinger. Svarende til visuelle veje (VP), WMT er ikke synlige med klassisk MR eller intra-operativt med mikroskop. DIT vil hjælpe neurokirurger til at forhindre ødelæggelse af VP samtidig fjerne læsioner støder op til denne WMT. Vi har udført DTI på halvtreds patienter før og efter operationen fra marts 2012 til januar 2014 Sådan navigerer vi brugte en 3DT1-vægtet sekvens. Desuden har vi udført en T2-vægtede og DTI-sekvenser. De anvendte parametre var, FOV: 200 x 200 mm, skive tykkelse: 2 mm, og erhvervelse matrix: 96 x 96 gav næsten isotrope voxler på 2 x 2 x 2 mm. Aksial MRI blev udført under anvendelse af en 32-gradient retning og en b0-billede. Vi brugte Echo-Planar-Imaging (EPI) og Asset parallel billeddannelse med en acceleration faktor 2 og B-værdi på 800 s / mm ². Scanningen tid var mindre end 9 min.
ent "> DTI-data blev behandlet ved hjælp af en FDA-godkendt kirurgisk navigationssystem program, som benytter en meget ligefrem fiber-sporing tilgang kendt som fiber opgave ved kontinuerlig sporing (FACT). Dette er baseret på udbredelsen af linjer mellem områder af interesse ( ROI), som er defineret ved en læge. En maksimal vinkel på 50, starter FA-værdi på 0,10 og ADC stopværdi på 0,20 mm² / s var de parametre, der bruges til traktografi.Der er visse begrænsninger i denne teknik. Den begrænsede erhvervelse tidsramme håndhæver afvejninger i billedkvaliteten. Et andet vigtigt punkt ikke at blive overset er hjernen forskydning under kirurgi. Med hensyn til sidstnævnte intraoperativ MR kan være nyttige. Ydermere skal den risiko for falsk positive eller falsk negative skrifter, der skal tages i betragtning, som kan kompromittere de endelige resultater.
Introduction
Diffusion tensor imaging (DTI) anvendes til at skildre WMT non-invasivt i den menneskelige hjerne 1. Det har været anvendt i de sidste ti år til at reducere risikoen for at skade elokvente områder i hjernen under operationen 1.
DTI blev udført i halvtreds patienter mellem marts 2012 og januar 2014 til skildre den visuelle vej. DTI kan forbedre bevarelse af veltalende områder af hjernen under operationen ved at give vigtige oplysninger om den anatomiske placering af hvide substans skrifter. Det er blevet inkorporeret i den strategiske planlægning af resektion af komplekse hjerneskader 1. Men skildringen af den visuelle vej er fortsat en udfordring, fordi der ikke er nogen standard for parametrene i DTI, placeringen af frø mængder og fortolkning af resultaterne 12.
Forskellige algoritmer er blevet gennemført hidtil 19-21. Nogle metoder koncentreret om deterministiske metoder 19, 22-25. Andre brugte probabilistiske metoder, 26,27,29. For nylig, at teknikker, der anvender Q-ball tensor felter, diffusion spektral billeddannelse og High Kantet Resolution Diffusion Imaging (HARDI) bliver brugt skildre hvide substans skrifter bl.a. den visuelle pathway 1,13-15,18. Ikke desto mindre, den nødvendige tid til HARDI er væsentligt længere med 45 min, softwaren er ikke kommercielt tilgængelig og understreger videnskabelige anvendelser 18. Undervisningen periode HARDI synes at være længere end for DTI 18.
Den præsenterede protokol er let gennemførlig og kan bruges til hverdagen i neurokirurgiske indgreb for at undgå sygelighed og forbedre den postoperative resultat. Den ekstra tid til denne protokol er mindre end 9 minutter, hvilket er betydeligt hurtigere end andre protokoller 1,9,12,16. I erkendelse af, at mange avancerede algoritmer er blevet udviklet for nylig papir begrænsersig til anvendelse af et kommercielt tilgængeligt og FDA godkendt software. Men det er obligatorisk at tage hensyn til de begrænsninger ved denne teknik, som er nævnt ovenfor.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
BEMÆRK: Denne protokol følger retningslinjerne fra Centre Hospitalier de Luxembourg i Luxembourg.
1. Fremstilling af Diffusion Tensor Imaging for Visuel Pathway for Neurokirurgisk og Opfølgning
- Udfør en MR-scanning mindst én dag før operationen strengt aksialt ved hjælp af 32 gradient retninger og en B0-billede. Holde tæt kontakt med neuroradiologi enhed på ethvert tidspunkt.
BEMÆRK: Gør det klart for den neuroradiologist at billederne efter operationen, er de samme som dem, der før operationen. - Ved hjælp af en 3-Tesla MR, udføre en 3DT1-vægtede og DTI-sequence scanninger. Udfør en 3DT1-vægtet sekvens efter operationen så godt.
2. Brug Planning Station
- Overfør T2-vægtede, 3DT1-vægtede og DTI-sekvens scannede data til digital billedbehandling og kommunikation i medicin (DICOM). Denne procedure tager op til 7 min.
BEMÆRK: Don `t stoppe proceduren before at have overdraget alle sekvenser. Det er muligt at stoppe og fortsætte senere, afhængigt af tidspunktet for operationen. - Åbn kirurgiske navigationssystem programmet. Klik på Filer og derefter på Importer DICOM. Gentag denne procedure tre gange for alle de ovennævnte sekvenser.
- Klik på Tilføj for at se. Tilføj hver sekvens separat. Don `t forsøge at gå videre med udsigt.
- Klik på Funktioner. Åben DTI tensor præparat. Observere et nyt vindue i midten af skærmen.
- Udfør følgende fire trin.
- Udfør Gradient opgave, som det første skridt.
- Skift b-værdi fra 1.000 til 800 s / mm nederst til højre i vinduet.
- Justér Threshold øverst til højre i vinduet. Gøre det manuelt ved blot at skrive et nummer eller flytte en markør. 20 kunne være en acceptabel værdi. Det er en personlig oplevelse, og det er ikke obligatorisk.
- Udfør Gradient Registrering som andet skridt.
- <li> Klik på knappen Alle Auto. Denne procedure tager op til 5 min.
- Klik på Kontroller alle registreringer. Uden at kontrollere registreringerne er det ikke muligt at fortsætte.
- Udfør Gradient opgave, som det første skridt.
- Udfør Coregistration som det tredje trin.
- Coregister MR1 og b0 MR2 billederne manuelt. I sidste ende Kontrollér alle registreringer.
BEMÆRK: Det er muligt at udføre dette trin automatisk. Imidlertid kan resultaterne ikke altid tilfredsstillende i sidste ende.
- Coregister MR1 og b0 MR2 billederne manuelt. I sidste ende Kontrollér alle registreringer.
- Udfør Tensor beregning som den fjerde og sidste trin,
- Sørg for, at FA / december / ADC er tændt. Hvis ikke klikke på.
- Klik på Beregn. Denne procedure vil kun tage nogle få sekunder.
3. Fibertracking
BEMÆRK: Anatomisk viden om visuel vej er meget vigtig for en vellykket resultat.
- Forbered dig på at finde de tre vigtige punkter, hvor fibrene er nødt til at gå igennem.
- Bestem den optiske chiasm hjælp anatomisk viden.
- Brug en ROI som et udgangspunkt og lad fibrene gå igennem. ROI'er defineres af lægen.
- Alternativt segment den mistænkte område. Klik segmentering nederst til venstre, og et andet vindue vises. Segmenterede områder er anatomisk definerede områder.
- Paint området manuelt. Rul op og ned til at omfatte hele optik chiasm. Gem proceduren og gå tilbage.
- Spor fibrene enten fra regionen af interesse eller fra det segmenterede område eller begge dele.
- Fibrene nå venstre geniculate nucleus (LGN), som er det andet vigtige punkt i visuel vej. Den maksimale vinkel var 50. risikoen for falske skrifter vil stige med hvis vinklen er for høj.
- Der er mulighed for at segmentere LGN som vist med den optiske chiasmog derefter spore fibrene. Efter at have delt de optiske Chiasm, spore fibre, der løber fra LGN og slutte i den optiske chiasm eller omvendt.
- Segment den visuelle cortex. Fortsæt som i tilfælde af den optiske chiasm. Dette kan tage lidt tid, da 3DT1-vægtet billede indeholder 160 skiver.
- Spor fibrene fra den visuelle cortex LGN. Det er muligt at spore dem fra LGN til den visuelle cortex samt.
- Hvis den visuelle cortex er invaderet af en tumor eller ødem derefter bruge et område af interesse i stedet for et segmenteret område og derefter lade fibrene løber i retning af LGN.
BEMÆRK: Hvis ødem segmenteres det undertiden kan invadere den visuelle cortex derefter derefter den visuelle cortex måske ikke være i stand til at segmenteret helt, fordi computeren kan `t skelne mellem dem. Det `s hvorfor det er nødvendigt at sætte en ROI. - Gentag alt til den anden halvkugle.
- Start med den sunde halvkugle først.
Bemærk: Deter muligt at starte med den anden også, men det kan være lettere at spore fibrene i det sunde halvkugle første til at blive en første idé om situationen. Det er ikke obligatorisk, er det kun et råd.
- Segment cerebral læsion og ødem. Fortsæt som ovenfor nævnt i 3.2.2.
- Tildele en farve til hver segmenteret område eller læsion for at skelne bedre.
- Gem proceduren efter hvert trin i tilfælde af uforudsete begivenheder eller i tilfælde af en nødsituation.
- Eksportere hele data lokalt. Det er muligt at eksportere det til operationsstuen direkte, men det isn `t anbefales.
- Tryk på Fil og derefter eksportere 3D-objekter. Sørg for kun at eksportere Navigation eksamen.
- Don `t eksportere Hybrid eksamen.
- Indtast Cranial. Vælg den rigtige patient og tryk derefter på Stealthmerge. Vælg 3DT1-vægtede billeder som henvisning eksamen.
- Skabe en 3D-model og indsætte alt.
- Importer data, jegn operationsstuen.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
Denne protokol gør det muligt for lægen at skildre tilstrækkeligt store dele af VP. Den kan bruges med en lille mængde af tid for at undgå skader hos patienter med cerebrale læsioner ud til elokvente områder. Postoperative kontroller viser også gode resultater. VP er portrætteret i figur 7 efter, at patienten blev drevet fra en glioblastom. Figur 2 viser VP efter gentagelse af en glioblastom. Forfatterne anerkender det faktum, at de vanskeligheder, som denne protokol at skildre Meyer løkke der fortsat er en stor udfordring.
Figur 1. VP 1:. Glioblastoma før operation Tumoren er rød. Ødem er vist i lilla og guld repræsenterer VP. Fortrængning af VP på den anden side er vist.1946fig1large.jpg "target =" _blank "> Klik her for at se en større version af dette tal.
Figur 2. VP 2:. Glioblastoma gentagelse Tumoren er rød. Den ødem (lilla) omgiver VP (guld). Klik her for at se en større version af dette tal.
Figur 3. VP 3:. Glioblastoma occipital Tumoren er rød. Forstyrrelse af VP (guld) fortil af tumor og ødem (lilla). Klik her for at se en større version af dette tal.
Figur 4. VP 4:. Temporal glioblastom Tumoren (rød) rører VP (guld) fortil. Klik her for at se en større version af dette tal.
Figur 5. VP 5:. Glioblastoma af hjernebjælken Tumoren (rød) med ødem (lilla) omgiver VP (guld). Klik her for at se en større version af dette tal.
< br /> Figur 6. VP 6:.. Glioblastoma forreste Tumoren (rød) og ødem (lilla) omgiver VP (guld) Klik her for at se en større version af dette tal.
Figur 7. VP 7:. VP efter glioblastoma kirurgi Sort repræsenterer hulrum i tumoren. Ødem (lilla) støder op til VP (guld). Klik her for at se en større version af dette tal.
Figur 8. Forberedelse fibertracking. ref = "https://www.jove.com/files/ftp_upload/51946/51946fig8large.jpg" target = "_blank"> Klik her for at se en større version af dette tal.
Figur 9. Forberedelse til fibertracking / VP. Klik her for at se en større version af dette tal.
Figur 10. Forberedelse til fibertracking 3. Klik her for at se en større version af dette tal.
"Src =" / filer / ftp_upload / 51946 / 51946fig11highres.jpg "/>
Figur 11. Forberedelse til fibertracking 4. Klik her for at se en større version af dette tal.
Figur 12. Forberedelse fibertracking 5.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
DTI er en teknik, der gør det muligt neurokirurg at visualisere hvide substans skrifter in vivo 8. Den visuelle vej er en af disse skrifter. Selv om denne metode giver læger med nye muligheder for behandling af patienter med læsioner vedrørende veltalende områder af hjernen, vi er nødt til at sige, at nogle begrænsninger ved denne teknik gør det stadig eksisterer. Den første og mest indlysende udfordring er hjerne skift, som stadig er et problem under efterforskning 4. Efter åbning af dura mater og efter manipulation i hjernen ved at fjerne tumoren eller cerebrospinalvæske tab vi don `t have de samme betingelser som før operationen. Desuden DTI ikke er i stand til at løse passage eller kysse af fibre og at afgøre med nøjagtighed oprindelse og bestemmelsessted af fibre, der producerer flere artefakter og falske skrifter 1-3. Et andet problem er den opløsning af fibre i områder med forstyrret diffusion, for eksempel på grund tumor eller peritumoral Edema 22. Små kontrakter med forskellige retninger inden for en voxel, vil ikke blive afbildet på grund sekundært til partielle volumen artefakter 28. Muligheden for falsk positive og falsk negative skrifter skal altid tages i betragtning. Resultaterne kan blive kompromitteret. Andre algoritmer har vist VP i en mere komplet måde, men et internationalt standardiseret procedure for at skildre VP ikke `t findes ajour, som kan være forvirrende yderligere. Skildringen af Meyer løkke fortsat en udfordring for denne protokol. En anden begrænsning kan bestå i skildringen af Baum løkken. Men vi ikke kunne finde nogen efterretning skildringen af denne løkke andetsteds.
Som nævnt før denne protokol er let at gøre for den daglige rutine. Men en god forberedelse er nødvendig for et tilfredsstillende resultat. Det er nødvendigt at sørge for, at billederne udføres strengt aksialt. Det kan forringe kvaliteten af billederne bagefter, hvis dette ikke ertages i betragtning. En 3DT1-vægtet billede er altid brug for navigation. Skiverne skal være tilstrækkeligt tyndt for at få gode resultater. Til denne protokol vi bruge 2 mm skiver med huller i mellem. Respekt protokollen vil føre til en god skildring af de store dele af VP. VP blev portrætteret bruger flere ROIs. VC blev altid segmenteret yderligere. Andre har også brugt en tilgang af flere ROI 16,17. DTI-vinkling har også været forsøgt ud. Det kunne have gode resultater for anteroposteriore fiberbundles men andre fibre kan komme i en uheldig position 12. Yderligere fremgangsmåder omfatter podning fiberen sporing fra flere referencemærkerne placeret på den optiske tarmkanalen nær LGN 11.
Fremtidige anvendelser omfatter anvendelsen af DTI i hjerneiskæmi, dissemineret sklerose, Alzheimer`s sygdom, skildring af kraniale nerver, gammakniven kirurgi og andre 7, 13,28. De bliver brugt allerede i nogle institutioner, men than er ikke en rutine overalt. Intrasurgical kortlægning af optisk stråling ved hjælp subkortikal elektrisk stimulation er en pålidelig metode til at identificere og bevare denne tarmkanalen under gliom kirurgi 6. En anden mulighed for at kontrollere den funktionelle integritet af den visuelle reaktionsvej er intraoperativ anvendelse af cortically optaget VEPs 5,10. Intraoperativ anvendelsen af MRI kan være en mulighed for at reducere problemet, der opstår med hjernen skift alternativt anvendelse af en 3D-ultralyd kan udgøre et alternativ 18. Andre diffusion imaging og genopbygning ordninger er blevet stadig mere relevant at skildre den visuelle vej. Den visuelle vej har flere fibre og Meyer sløjfen mere pålideligt vises 18.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| 3-Tesla-MRI | General Electric | Signa LX version 9.1 | |
| Surgical Navigation System Program | Medtronic | 9734478 | |
| Surgical Navigation System Program | Medtronic | 4500810331 20016318 |
References
- Fernandez-Miranda, J. C., et al. High-Definition Fiber Tractography of the Human Brain: Neuroanatomical Validation and Neurosurgical Applications. Neurosurgery. 71 (2), 430-453 (2012).
- Alexander, D. C., Barker, G. J. Optimal imaging parameters for fiber-orientation estimation in diffusion MRI. Neuroimage. 27 (2), 357-367 (2005).
- Le Bihan, D., Poupon, C., Amadon, A., Lethimonnier, F. Artifacts and pitfalls in diffusion MRI. J Magn Reson Imaging. 24 (3), 478-488 (2006).
- Abdullah, K. G., Lubelski, D., Nucifora, P. G., Brem, S. Use of diffusion tensor imaging in glioma resection. Neurosurg Focus. 34 (4), (2013).
- Ota, T., Kawai, K., Kamada, K., Kin, T., Saito, N. Intraoperative monitoring of cortically recorded visual response for posterior visual pathway. J Neurosurg. 112, 285-294 (2010).
- Gras-Combe, G., Moritz-Gasser, S., Herbet, G. Intraoperative subcortical electrical mapping of optic radiations in awake surgery for glioma involving visual pathways. J Neurosurg. 117 (3), 466-473 (2012).
- Maruyama, K., et al. Optic radiation tractography integrated into simulated treatment planning for Gamma Knife surgery. J Neurosurg. 107, 721-726 (2007).
- Bérubé, J., McLaughlin, N., Bourgouin, P., Beaudoin, G., Bojanowski, M. W. Diffusion tensor imaging analysis of long association bundles in the presence of an arteriovenous malformation. J Neurosurg. 107 (3), 509-514 (2007).
- Sun, G. C., et al. Intraoperative High-Field Magnetic Resonance Imaging Combined With Fiber Tract Neuronavigation-Guided Resection of Cerebral Lesions Involving Optic Radiation. Neurosurgery. 69 (5), 1070-1084 (2011).
- Kamada, K., et al. Functional Monitoring For Visual Pathway Using Real-Time Visual Evoked Potentials Aand Optic-Radiation Tractography. Neurosurgery. 57 (1 Suppl), 121-127 (2005).
- Wu, W., Rigolo, L., O'Donnell, L. J., Norton, I., Shriver, S., Golby, A. J. Visual Pathway Study Using In Vivo Diffusion Tensor Imaging Tractography to Complement Classic Anatomy. Neurosurgery. 70 (1 Suppl Operative), 145-156 (2012).
- Stieglitz, L. H., Lüdemann, W. O., Giordano, M., Raabe, A., Fahlbusch, R., Samii, M. Optic Radiation Fiber Tracking Using Anteriorly Angulated Diffusion Tensor Imaging: A Tested Algorithm for Quick Application. Neurosurgery. 68 (5), 1239-1251 (2011).
- Hodaie, M., Quan, J., Chen, D. Q. In Vivo Visualization of Cranial Nerve Pathways in Humans Using Diffusion-Based Tractography. Neurosurgery. 66 (4), 788-795 (2010).
- Perrin, M., et al. Fiber tracking in Q-ball fields using regularized particle trajectories. Inf Process Med Imaging. 19, 52-63 (2005).
- Wedeen, V. J., et al. Diffusion spectrum magnetic resonance imaging (DSI) tractography of crossing fibers. Neuroimage. 41 (4), 1267-1277 (2008).
- Yamamoto, A. Diffusion Tensor Fiber Tractography of the Optic Radiation: Analysis with 6-, 12-, 40-, and 81- Directional Motion-Probing Gradients, a Preliminary Study. AJNR Am J Neuroradiol. 28 (1), 92-96 (2007).
- Okada, T., et al. Diffusion Tensor Fiber Tractography for Arteriovenous Malformations: Quantitative Analyses to Evaluate the Corticospinal Tract and Optic Radiation. AJNR Am J Neuroradiol. 28 (6), 1107-1113 (2007).
- Kuhnt, D., Bauer, M. H., Sommer, J., Merhof, D., Nimsky, C. Optic Radiation Fiber Tractography in Glioma Patients Based on High Angular Resolution Diffusion Imaging with Compressed Sensing Compared with Diffusion Tensor Imaging - Initial Experience. PLoS One. 8 (7), e70973 (2013).
- Basser, P. J., Pajevic, S., Pierpaoli, C., Duda, J., Aldroubi, A. In vivo fiber tractography using DT-MRI data. Magn Reson Med. 44 (4), 625-632 (2000).
- Friman, O., Farneback, G., Westin, C. F. A Bayesian approach for stochastic white matter tractography. IEEE Trans Med Imaging. 25 (8), 965-978 (2006).
- Mori, S., van Zijl, P. C. Fiber tracking: principles and strategies - a technical review. NMR Biomed. 15 (7-8), 468-480 (2002).
- Alexander, D. C., Barker, G. J., Arridge, S. R. Detection and modeling of non-Gaussian apparent diffusion coefficient profiles in human brain data. Magn Reson Med. 48 (2), 331-340 (2002).
- Mori, S., Crain, B. J., Chacko, V. P., van Zijl, P. C. Three-dimensional tracking of axonal projections in the brain by magnetic resonance imaging. Ann Neurol. 45, 265-269 (1999).
- Conturo, T., et al. Tracking neuronal fiber pathways in the living human brain. Proc Natl Acad Sci U S A. 96, 10422-10427 (1999).
- Poupon, C., et al. Regularization of diffusion-based direction maps for the tracking of brain white matter fascicles. Neuroimage. 12, 184-195 (2000).
- Parker, G. J., Haroon, H. A., Wheeler-Kingshott, C. A. A framework for a streamline-based probabilistic index of connectivity (PICo) using a structural interpretation of MRI diffusion measurements. J Magn Reson Imaging. 18, 242-254 (2003).
- Behrens, T. E., et al. Non-invasive mapping of connections between human thalamus and cortex using diffusion imaging. Nat Neurosci. 6, 750-757 (2003).
- Reinges, M. H., Schoth, F., Coenen, V. A., Krings, T. Imaging of postthalamic visual fiber tracts by anisotropic diffusion weighted MRI and diffusion tensor imaging: principles and applications. European Journal of Radiology. 49, 91-104 (2004).
- Sherbondy, A. J., Dougherty, R. F., Napel, S., Wandell, B. A. Identifying the human optic radiation using diffusion imaging and fiber. J. Vis. 8 (10), (2008).
