Subskrypcja JoVE jest wymagana do oglądania tego materiału. Zaloguj się lub rozpocznij bezpłatny okres próbny.

Artykuł metodologiczny

DTI drogi wzrokowej - drogi istoty białej i zmiany w mózgu

13.4K wyświetleń

⸱

DOI:

10.3791/51946

⸱

26 sierpnia 2014

 ,  ,  ,  ,  ,  ,  , 
1National Service of Neurosurgery, Centre Hospitalier de Luxembourg, 2University of Applied Sciences Trier, 3Internal Medicine, Erasmus Universiteit Rotterdam, 4Service of Neuroradiology, Centre Hospitalier de Luxembourg

W tym artykule

Podsumowanie

Obrazowanie tensora dyfuzji (DTI) zostało wykonane w celu zobrazowania głównych części szlaku wzrokowego. Celem było wykorzystanie zatwierdzonej przez FDA standardowej komercyjnej stacji roboczej, która mogłaby być używana do codziennej rutyny, w celu zmniejszenia pooperacyjnego uszkodzenia drogi wzrokowej u pacjentów.

Streszczenie

DTI to technika, która nieinwazyjnie identyfikuje szlaki istoty białej (WMT) u zdrowych i niezdrowych pacjentów za pomocą pomiarów dyfuzji. Podobnie jak drogi wzrokowe (VP), WMT nie są widoczne w klasycznym rezonansie magnetycznym ani śródoperacyjnie pod mikroskopem. DTI pomoże neurochirurgom zapobiec zniszczeniu VP podczas usuwania zmian przyległych do tego WMT. W okresie od marca 2012 r. do stycznia 2014 r. przeprowadziliśmy DTI u pięćdziesięciu pacjentów przed i po operacji. Do nawigacji użyliśmy sekwencji ważonej 3DT1. Dodatkowo wykonaliśmy sekwencje T2-ważone i DTI. Użyto następujących parametrów: FOV: 200 x 200 mm, grubość warstwy: 2 mm i macierz akwizycji: 96 x 96, co dało prawie izotropowe woksele 2 x 2 x 2 mm. Osiowy rezonans magnetyczny przeprowadzono przy użyciu kierunku gradientu 32 i jednego obrazu b0. Zastosowaliśmy obrazowanie równoległe Echo-Planar-Imaging (EPI) i ASSET ze współczynnikiem przyspieszenia 2 i wartością b 800 s/mm². Czas skanowania wynosił mniej niż 9 minut.

Uzyskane dane DTI zostały przetworzone za pomocą zatwierdzonego przez FDA programu systemu nawigacji chirurgicznej, który wykorzystuje proste podejście do śledzenia włókien, znane jako przypisywanie włókien przez ciągłe śledzenie (FACT). Opiera się to na propagacji linii między regionami zainteresowania (ROI), które są definiowane przez lekarza. Maksymalny kąt 50, wartość początkowa FA 0,10 i wartość zatrzymania ADC 0,20 mm²/s były parametrami stosowanymi w traktografii.

Istnieją pewne ograniczenia tej techniki. Ograniczony czas akwizycji wymusza kompromisy w jakości obrazu. Kolejną ważną kwestią, której nie należy lekceważyć, jest zmiana mózgu podczas operacji. Jeśli chodzi o to drugie, pomocny może być śródoperacyjny rezonans magnetyczny. Ponadto należy wziąć pod uwagę ryzyko wystąpienia wyników fałszywie dodatnich lub fałszywie ujemnych, które mogą zagrozić wynikom końcowym.

Wprowadzenie

Obrazowanie tensora dyfuzji (DTI) służy do nieinwazyjnego przedstawiania WMT w ludzkim mózgu1. Był stosowany w ciągu ostatniej dekady w celu zmniejszenia ryzyka uszkodzenia elokwentnych obszarów mózgu podczas operacji1.

DTI przeprowadzono u pięćdziesięciu pacjentów między marcem 2012 a styczniem 2014 roku, aby zobrazować ścieżkę wzrokową. DTI może poprawić zachowanie wymownych obszarów mózgu podczas operacji, dostarczając ważnych informacji na temat anatomicznego położenia dróg istoty białej. Została ona włączona do planowania strategicznego resekcji złożonych zmian w mózgu1. Przedstawienie ścieżki wizualnej pozostaje jednak wyzwaniem, ponieważ nie ma normy dotyczącej parametrów DTI, rozmieszczenia objętości nasion i interpretacji wyników12.

Do tej pory zaimplementowano różne algorytmy 19-21. Niektóre podejścia koncentrowały się na metodach deterministycznych 19, 22-25. Inni posługiwali się metodami probabilistycznymi,26,27,29. Ostatnio techniki wykorzystujące pola tensorowe kuli Q, dyfuzyjne obrazowanie spektralne i obrazowanie dyfuzyjne o wysokiej rozdzielczości kątowej (HARDI) są wykorzystywane do obrazowania dróg istoty białej, między innymi szlaku wzrokowego 1,13-15,18 . Niemniej jednak czas niezbędny do HARDI jest znacznie dłuższy i wynosi 45 minut, oprogramowanie nie jest dostępne na rynku i kładzie nacisk na zastosowania naukowe18. Wydaje się, że okres nauczania w ramach HARDI jest dłuższy niż w przypadku programu DTI18.

Prezentowany protokół jest łatwo wykonalny i może być używany do codziennej rutyny w operacjach neurochirurgicznych w celu uniknięcia zachorowalności i poprawy wyników pooperacyjnych. Dodatkowy czas dla tego protokołu wynosi mniej niż 9 minut, co jest znacznie szybsze niż w przypadku innych protokołów1,9,12,16. Biorąc pod uwagę fakt, że w ostatnim czasie opracowano wiele wyrafinowanych algorytmów, artykuł ogranicza się do korzystania z dostępnego na rynku i zatwierdzonego przez FDA oprogramowania. Należy jednak wziąć pod uwagę ograniczenia tej techniki, o których wspomniano powyżej.

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Protokół

UWAGA: Ten protokół jest zgodny z wytycznymi Centre Hospitalier de Luxembourg w Luksemburgu.

1. Przygotowanie obrazowania tensora dyfuzji dla ścieżki wzrokowej do neurochirurgii i obserwacji

  1. Wykonaj rezonans magnetyczny co najmniej jeden dzień przed operacją ściśle osiowo, używając 32 kierunków gradientu i jednego obrazu b0. W każdej chwili należy pozostać w ścisłym kontakcie z oddziałem neuroradiologii.
    UWAGA: Należy wyjaśnić neuroradiologowi, że obrazy po operacji są takie same jak te przed operacją.
  2. Korzystając z rezonansu magnetycznego o natężeniu 3 Tesli, wykonaj skany 3DT1-zależne i sekwencje DTI. Wykonaj sekwencję ważoną 3DT1 również po operacji.

2. Korzystanie ze stacji planowania

  1. Przenieś dane skanowania sekwencyjnego T2-zależnego, 3DT1-ważonego i DTI do cyfrowego obrazowania i komunikacji w medycynie (DICOM). Zabieg trwa do 7 min.
    UWAGA: Nie zatrzymuj procedury przed przeniesieniem wszystkich sekwencji. Możliwe jest przerwanie i kontynuowanie później w zależności od daty zabiegu.
  2. Otwórz program systemu nawigacji chirurgicznej. Kliknij Plik, a następnie Importuj DICOM. Powtórz tę procedurę trzy razy dla wszystkich sekwencji wymienionych powyżej.
    1. Kliknij Dodaj do widoku. Dodaj każdą sekwencję osobno. Nie próbuj kontynuować korzystania z widoku.
  3. Kliknij Narzędzia. Otwórz przygotowanie tensora DTI. Obserwuj nowe okno na środku ekranu.
  4. Wykonaj następujące cztery kroki.
    1. Wykonaj przypisanie gradientu jako pierwszy krok.
      1. Zmień wartość b z 1 000 na 800 s/mm² w prawym dolnym rogu okna.
      2. Dostosuj próg w prawym górnym rogu okna. Zrób to ręcznie, po prostu wpisując liczbę lub przesuwając kursor. 20 może być akceptowalną wartością. Jest to osobiste doświadczenie i nie jest obowiązkowe.
    2. Wykonaj rejestrację gradientu jako drugi krok.
      1. Kliknij przycisk Wszystkie automatyczne. Ta procedura trwa do 5 minut.
      2. Kliknij przycisk Zweryfikuj wszystkie rejestracje. Bez weryfikacji rejestracji nie jest możliwe kontynuowanie.
    3. Wykonaj korejestrację jako trzeci krok.
      1. Ręczne rejestrowanie obrazów MR1 i b0 MR2. Na koniec Zweryfikuj wszystkie rejestracje.
        UWAGA: Możliwe jest wykonanie tego kroku automatycznie. Jednak ostatecznie wyniki mogą nie zawsze być zadowalające.
    4. Wykonaj obliczenia tensorowe jako czwarty i ostatni krok,
      1. Upewnij się, że FA / DEC / ADC są włączone. Jeśli nie, kliknij WŁĄCZ.
      2. Kliknij pozycję Obliczenia. Ta procedura zajmie tylko kilka sekund.
  5. Zapisz wszystkie dane i kontynuuj korzystanie z fibertrackingu. Nie zatrzymuj się bez zapisania wszystkiego.

3. Śledzenie włókien

UWAGA: Anatomiczna wiedza na temat ścieżki wzrokowej jest bardzo ważna dla pomyślnego wyniku.

  1. Przygotuj się na znalezienie trzech ważnych punktów, przez które muszą przejść włókna.
  2. Określ skrzyżowanie wzrokowe za pomocą wiedzy anatomicznej.
    1. Użyj zwrotu z inwestycji jako punktu wyjścia i pozwól światłowodom przejść. Zwrot z inwestycji jest określany przez lekarza.
    2. Alternatywnie podziel podejrzany region na segmenty. Kliknij Segmentacja w lewym dolnym rogu, a pojawi się kolejne okno. Obszary podzielone na segmenty to obszary zdefiniowane anatomicznie.
      1. Pomaluj region ręcznie. Przewiń w górę i w dół, aby uwzględnić całe skrzyżowanie optyczne. Zapisz procedurę i wróć.
    3. Śledź włókna od obszaru zainteresowania lub od obszaru podzielonego na segmenty, lub od obu.
    4. Włókna docierają do jądra kolankowatego lewego (LGN), które jest drugim ważnym punktem szlaku wzrokowego. Maksymalny kąt wynosił 50. Ryzyko fałszywych traktów wzrośnie wraz z tym, że kąt będzie zbyt duży.
      1. Istnieje możliwość segmentacji LGN zgodnie z obrazem światłowodowym, a następnie śledzenia włókien. Po segmentacji skrzyżowania wzrokowego poprowadź włókna, które biegną od LGN i kończą się w skrzyżowaniu wzrokowym lub odwrotnie.
    5. Segmentacja kory wzrokowej. Postępuj jak w przypadku skrzyżowania optycznego. Może to zająć trochę czasu, ponieważ obraz ważony 3DT1 zawiera 160 plasterków.
    6. Śledź włókna od kory wzrokowej do LGN. Możliwe jest również śledzenie ich od LGN do kory wzrokowej.
    7. Jeśli kora wzrokowa zostanie zaatakowana przez guz lub obrzęk, użyj obszaru zainteresowania zamiast segmentowanego obszaru, a następnie pozwól włóknom biegnąć w kierunku LGN.
      UWAGA: Jeśli obrzęk jest podzielony na segmenty, czasami może zaatakować korę wzrokową, a następnie kora wzrokowa może nie być w stanie całkowicie podzielić się na segmenty, ponieważ komputer nie może ich rozróżnić. Dlatego konieczne jest postawienie zwrotu z inwestycji.
    8. Powtórz wszystko dla drugiej półkuli.
    9. Zacznij od zdrowej półkuli.
      UWAGA: Możliwe jest również rozpoczęcie od drugiego, ale może być łatwiej najpierw śledzić włókna zdrowej półkuli, aby uzyskać pierwsze wyobrażenie o sytuacji. Nie jest to obowiązkowe, to tylko porada.
  3. Segmentuj uszkodzenie mózgu i obrzęk. Postępuj zgodnie z powyższymi postanowieniami w punkcie 3.2.2.
    1. Przypisz kolor do każdego segmentowanego obszaru lub zmiany, aby lepiej odróżnić.
  4. Zapisz procedurę po każdym kroku na wypadek nieprzewidzianych zdarzeń lub w nagłych wypadkach.
  5. Eksportuj wszystkie dane lokalnie. Możliwy jest eksport bezpośrednio na salę operacyjną, ale nie jest to zalecane.
    1. Naciśnij Plik, a następnie Eksportuj obiekty 3D. Upewnij się, że eksportujesz tylko egzamin z nawigacji.
    2. Nie eksportuj egzaminu hybrydowego.
  6. Wejdź do Cranial. Wybierz odpowiedniego pacjenta, a następnie naciśnij Stealthmerge. Wybierz obrazy ważone 3DT1 jako egzamin referencyjny.
  7. Utwórz model 3D i wstaw wszystko.
  8. Zaimportuj dane na sali operacyjnej.

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Wyniki

Niniejszy protokół umożliwia lekarzowi odpowiednie zobrazowanie głównych części VP. Może on być zastosowany w krótkim czasie, aby zapobiec uszkodzeniom u pacjentów z zmianami mózgowymi położonymi w pobliżu obszarów elokwentnych. Kontrole pooperacyjne wykazują również dobre wyniki. VP przedstawiono na Rysunku 7 po operacji glioblastoma u pacjenta. Rysunek 2 przedstawia VP po nawrocie glioblastoma. Autorzy uznają trudności związane z zastosowaniem tego protokołu w obrazowaniu pętli Meyera,...

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Dyskusja

DTI to technika umożliwiająca neurochirurgowi wizualizację dróg istoty białej in vivo8. Ścieżka wzrokowa jest jednym z tych traktów. Chociaż metoda ta daje lekarzom nowe możliwości w leczeniu pacjentów ze zmianami dotyczącymi wymownych obszarów mózgu, trzeba powiedzieć, że nadal istnieją pewne ograniczenia tej techniki. Pierwszym i najbardziej oczywistym wyzwaniem jest zmiana mózgu, która pozostaje kwestią będącą przedmiotem dochodzenia4. Po otwarciu opony twardej i po manipulacji w mózgu p...

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Oświadczenia

Autorzy oświadczają, że nie mają konkurencyjnych interesów finansowych.

Podziękowania

Chcielibyśmy podziękować całej Służbie Neuroradiologii. Chcielibyśmy podziękować Lis Prussen za jej pracę w bibliotece.

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Materiały

Lista materiałów użytych w tym artykule
NazwaFirmaNumer katalogowyKomentarze
3-Tesla-MRIGeneral ElectricSigna LX wersja 9.1
Program systemu nawigacji chirurgicznejMedtronic9734478
Chirurgiczny system nawigacji ProgramMedtronic4500810331  20016318

Bibliografia

  1. 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).
  2. Alexander, D. C., Barker, G. J. Optimal imaging parameters for fiber-orientation estimation in diffusion MRI. Neuroimage. 27 (2), 357-367 (2005).
  3. Le Bihan, D., Poupon, C., Amadon, A., Lethimonnier, F. Artifacts and pitfalls in diffusion MRI. J Magn Reson Imaging. 24 (3), 478-488 (2006).
  4. Abdullah, K. G., Lubelski, D., Nucifora, P. G., Brem, S. Use of diffusion tensor imaging in glioma resection. Neurosurg Focus. 34 (4), (2013).
  5. 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).
  6. 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).
  7. Maruyama, K., et al. Optic radiation tractography integrated into simulated treatment planning for Gamma Knife surgery. J Neurosurg. 107, 721-726 (2007).
  8. 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).
  9. 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).
  10. 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).
  11. 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).
  12. 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).
  13. 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).
  14. Perrin, M., et al. Fiber tracking in Q-ball fields using regularized particle trajectories. Inf Process Med Imaging. 19, 52-63 (2005).
  15. Wedeen, V. J., et al. Diffusion spectrum magnetic resonance imaging (DSI) tractography of crossing fibers. Neuroimage. 41 (4), 1267-1277 (2008).
  16. 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).
  17. 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).
  18. 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).
  19. 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).
  20. Friman, O., Farneback, G., Westin, C. F. A Bayesian approach for stochastic white matter tractography. IEEE Trans Med Imaging. 25 (8), 965-978 (2006).
  21. Mori, S., van Zijl, P. C. Fiber tracking: principles and strategies - a technical review. NMR Biomed. 15 (7-8), 468-480 (2002).
  22. 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).
  23. 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).
  24. Conturo, T., et al. Tracking neuronal fiber pathways in the living human brain. Proc Natl Acad Sci U S A. 96, 10422-10427 (1999).
  25. Poupon, C., et al. Regularization of diffusion-based direction maps for the tracking of brain white matter fascicles. Neuroimage. 12, 184-195 (2000).
  26. 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).
  27. Behrens, T. E., et al. Non-invasive mapping of connections between human thalamus and cortex using diffusion imaging. Nat Neurosci. 6, 750-757 (2003).
  28. 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).
  29. 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).

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Przedruki i uprawnienia

Tagi

Obrazowanie tensora dyfuzjitrakting włókiennawigacja chirurgicznasekwencje DTIkierunki gradientówciągłe śledzenie przypisania włókienobszar zainteresowaniachirurgia guzów mózgu
DTI drogi wzrokowej - drogi istoty białej i zmiany w mózgu
Skontaktuj się z nami
Poleć bibliotece

Prywatność

Warunki korzystania z usługi

Zasady

Prawa autorskie © 2026 MyJoVE Corporation. Wszelkie prawa zastrzeżone.