DTI av Visual Pathway - vita substans och Cerebral lesioner

Summary

Diffusion tensor imaging (DTI) utfördes för att försöka skildra de viktigaste delarna av den visuella vägen. Målet var att använda en FDA godkänd standard kommersiell arbetsstation som skulle kunna användas för daglig rutin för att försöka minska postoperativa skador av den visuella vägen hos patienterna.

Abstract

DTI är en teknik som identifierar vita substans (WMT) icke-invasivt på friska och icke-friska patienter som använder diffusion mätningar. Liknar visuella vägar (VP), WMT är inte synliga med klassisk MR eller intraoperativt med mikroskop. DIT hjälper neurokirurger att förhindra förstörelse av VP och ta av lesioner intill denna WMT. Vi har utfört DTI på femtio patienter före och efter operation mellan mars 2012 till januari 2014 Så här navigerar vi använt en 3DT1 Vägt sekvens. Dessutom genomförde vi en T2-viktade och DTI-sekvenser. De parametrar som användes var, FOV: 200 x 200 mm, skivtjocklek: 2 mm, och förvärvs matris: 96 x 96 vilket ger nästan isotropa voxlar av 2 x 2 x 2 mm. Axiell MRI utfördes med användning av en 32 gradient riktning och en b0-bild. Vi använde Echo-Planar-Imaging (EPI) och ASSET parallell avbildning med en accelerationsfaktor 2 b-värde på 800 s / mm. Den sveptiden var mindre än 9 min.

ent "> DTI-data som erhållits bearbetades med hjälp av en FDA godkänt kirurgiskt navigationssystem program som använder en enkel fiber-tracking metod som kallas fiber uppdrag genom kontinuerlig tracking (FACT). Detta baseras på utbredningen av linjer mellan regioner av intresse ( ROI) som definieras av en läkare. En maximal vinkel på 50, FA startvärde av 0,10 och ADC stoppvärde av 0,20 mm ^ / s var de parametrar som används för tractography.

Det finns vissa begränsningar för denna teknik. Den begränsade förvärvs tid upprätt kompromisser i bildkvalitet. En annan viktig punkt som inte bör försummas är hjärnan skift under operation. När det gäller den sistnämnda intraoperativ MR kan vara till hjälp. Dessutom risken för falska positiva eller falska negativa områden måste tas med i beräkningen, som kan äventyra de slutliga resultaten.

Introduction

Diffusion tensor imaging (DTI) används för att skildra WMT icke-invasivt i den mänskliga hjärnan ^1. Det har använts i de senaste tio åren för att minska risken för att skada elokventa områden av hjärnan under operation ^en.

DTI utfördes i femtio patienter mellan mars 2012 och januari 2014 för att beskriva den visuella vägen. DTI kan förbättra bevarandet av vältaliga områden i hjärnan under operationen genom att ge viktig information om den anatomiska placeringen av vita substans. Det har införlivats i den strategiska planeringen för resektion av komplexa hjärnskador ^1. Dock fortfarande skildringen av den visuella vägen en utmaning eftersom det inte finns någon standard för parametrarna för DTI, placeringen av volymerna utsäde och tolkning av resultat ^12.

Olika algoritmer har genomförts hittills ^19-21. Vissa metoder koncentrerade på deterministiska metoder ¹9, 22-25. Andra använde probabilistiska ^{metoder, 26,27,29.} På senare tid, till tekniker som använder Q-ball tensor fält, diffusion spektral avbildning och hög Vinkelupplösning Diffusion Imaging (HARDI) används skildra vita substans bland annat den visuella pathway ^1,13-15,18. Ändå är den tid som krävs för HARDI betydligt längre med 45 min, är programvaran inte är kommersiellt tillgänglig och betonar vetenskapliga applikationer ^18. Undervisningen Perioden för HARDI verkar vara längre än för DTI ^18.

Den presenterade protokollet är lätt genomförbar och kan användas för daglig rutin i neurokirurgiska ingrepp för att undvika sjuklighet och förbättra den postoperativa resultatet. Den extra tid för detta protokoll är mindre än 9 min vilket är betydligt snabbare än andra protokoll ^1,9,12,16. Erkänner att många sofistikerade algoritmer har nyligen utvecklats pappers begränsarsig till användning av en kommersiellt tillgänglig och FDA-godkänd programvara. Men det är obligatoriskt att ta hänsyn till de begränsningar av denna teknik som nämns ovan.

Protocol

OBS: Detta protokoll följer riktlinjerna i Centre Hospitalier de Luxembourg i Luxemburg.

1 Beredning av Diffusion Tensor Imaging för Visual Pathway för neurokirurgi och Uppföljning

1. Utför en MR-skanning minst en dag före operation strikt axiellt med hjälp av 32 gradient riktningar och en b0-image. Håll nära kontakt med neuroradiologi enhet som helst.
   OBS: Se klart för neuroradiologist att bilderna efter operation är desamma som före operationen.
2. Med hjälp av en 3-Tesla MRI, utför en 3DT1-viktade och DTI-sekvensskanningar. Utför en 3DT1 vägda sekvensen efter operationen också.

2 Använda Planning Station

1. Överför T2-viktade, 3DT1 Vägt och DTI-sekvensskanningsdata till digital bildbehandling och kommunikation inom medicin (DICOM). Denna procedur tar upp till 7 min.
   OBS: Don`t stoppa proceduren BeFore att ha överfört alla sekvenser. Det är möjligt att stanna och fortsätta senare, beroende på tidpunkten för operation.
2. Öppna kirurgiska navigationssystem programmet. Klicka på Arkiv och sedan på Importera DICOM. Upprepa denna procedur tre gånger för alla de sekvenser som nämnts ovan.
   1. Klicka på Lägg till för att visa. Lägg varje sekvens för sig. Don `t försöka fortsätta med Visa.
3. Klicka på Verktyg. Öppna förberedelse DTI Tensor. Observera ett nytt fönster i mitten av skärmen.
4. Slutför följande fyra steg.
   1. Utför Gradient Uppdrag som det första steget.
      1. Ändra b-värde från 1000 till 800 s / mm längst ned till höger i fönstret.
      2. Justera Threshold längst upp till höger i fönstret. Gör det manuellt genom att helt enkelt skriva en rad eller flytta en markör. 20 skulle kunna vara ett acceptabelt värde. Det är en personlig upplevelse och det är inte obligatoriskt.
   2. Utför Gradient Registrering som det andra steget.
      <li> Klicka på knappen All Auto. Denna procedur tar upp till fem minuter.
      1. Klicka på Kontrollera alla registreringar. Utan kontroll av registreringar är det inte möjligt att fortsätta.
   3. Utför coregistration som det tredje steget.
      1. Coregister MR1 och B0 MR2 bilder manuellt. Till slut Verifiera alla registreringar.
         OBS: Det är möjligt att utföra detta steg automatiskt. Emellertid kan resultaten inte vara alltid tillfredsställande i slutet.
   4. Utför Tensor beräkning som den fjärde och sista steget,
      1. Se till FA / DEC / ADC är på. Om inte klicka på.
      2. Klicka på Compute. Denna procedur tar bara några sekunder.
5. Spara alla data och fortsätta med fibertracking. Sluta inte utan att spara allt.

3. Fibertracking

OBS: Anatomisk kunskap om den visuella vägen är mycket viktigt för ett framgångsrikt resultat.

Förbered dig på att hitta de tre viktiga punkter där fibrerna måste gå igenom.
1. Bestäm synnerven chiasm hjälp av anatomiska kunskaper.
   1. Använd en ROI som utgångspunkt och låta fibrerna går igenom. ROI definieras av läkaren.
   2. Alternativt segment den misstänkta regionen. Klicka Segmente längst ner till vänster och ett annat fönster visas. Segmenterade områden är anatomiskt definierade områden.
      1. Måla regionen manuellt. Bläddra uppåt och nedåt för att omfatta hela optiska chiasm. Spara proceduren och gå tillbaka.
   3. Oss fibrerna antingen från regionen av intresse eller från det segmenterade området eller båda.
   4. Fibrerna når den vänstra geniculate kärnan (LGN), som är den andra viktiga punkten i den visuella vägen. Den maximala vinkeln var 50 Risken för falska kontrakt kommer att stiga med om vinkeln är för hög.
      1. Det finns en möjlighet att segmentera LGN enligt bilden med den optiska chiasmoch sedan spåra fibrerna. Efter att ha segmenterad synnerven chiasm, spåra fibrer som löper från LGN och mål i synnerven chiasm eller vice versa.
   5. Segment syncentrum. Gör som i fallet med synnerven chiasm. Det kan ta lite tid eftersom 3DT1 vägda bilden innehåller 160 skivor.
   6. Spåra fibrerna från syncentrum till LGN. Det är möjligt att spåra dem från LGN till syncentrum samt.
   7. Om syncentrum invaderas av en tumör eller ödem sedan använda ett område av intresse i stället för en segmenterad området och sedan låta fibrerna löper i riktning mot LGN.
      OBS: Om ödem segmenteras det ibland kan invadera syncentrum sedan då syncentrum kanske inte kan segmenteras helt eftersom datorn kan `t skilja mellan dem. `S varför det är nödvändigt att sätta en ROI.
   8. Upprepa allt för den andra halvklotet.
   9. Börja med den friska hjärnhalvan först.
      OBS: Detär möjligt att börja med den andra också men det kan vara lättare att spåra fibrerna i den friska hjärnhalvan först att bli en första uppfattning om situationen. Det är inte obligatoriskt, det är bara ett råd.
2. Segment den cerebrala lesionen och ödem. Gör som nämnts ovan i 3.2.2.
   1. Tilldela en färg för varje segmenterad område eller skada för att skilja bättre.
3. Spara proceduren efter varje steg vid oförutsedda händelser eller i händelse av en nödsituation.
4. Exportera alla data lokalt. Det är möjligt att exportera den till operationssalen direkt men det isn `t rekommenderas.
   1. Tryck på Arkiv och sedan exportera 3D-objekt. Se till att exportera endast navigations Exam.
   2. Don `t exportera Hybrid Exam.
5. Ange Cranial. Välj rätt patient sedan på Stealthmerge. Välj 3DT1-viktade bilder som referensprov.
6. Skapa en 3D-modell och sätt allt.
7. Importera data in operationen rum.

Representative Results

Detta protokoll gör det möjligt för läkaren att skildra ett adekvat sätt de stora delarna av VP. Den kan användas med en liten mängd tid i syfte att förhindra skador hos patienter med cerebral lesioner bredvid elokventa områden. Postoperativa kontroller visar också goda resultat. VP skildras i figur 7 efter det att patienten var i drift från en glioblastom. Figur 2 visar VP efter återfall av en glioblastom. Författarna erkänner det faktum att de svårigheter som detta protokoll för att skildra Meyer slingan som fortfarande är en stor utmaning.

Figur 1 VP 1:. Glioblastoma före operation Tumören är röd. Ödem visas i lila och guld representerar VP. Förskjutning av VP på den andra sidan visas.1946fig1large.jpg "target =" _blank "> Klicka här för att se en större version av denna siffra.

Figur 2 VP 2:. Glioblastoma återfall Tumören är röd. Den ödem (lila) omger VP (guld). Klicka här för att se en större version av denna siffra.

Figur 3 VP 3:. Glioblastoma occipital Tumören är röd. Rubbning av VP (guld) anteriort av tumör och ödem (lila). Klicka här för att se en större version av denna siffra.

Figur 4 VP 4:. Oral glioblastom Tumören (röd) rör vid VP (guld) anteriort. Klicka här för att se en större version av denna siffra.

Figur 5 VP 5:. Glioblastoma av corpus callosum Tumören (röd) med ödem (lila) omger VP (guld). Klicka här för att se en större version av denna siffra.

< br /> Figur 6 VP 6:.. Glioblastoma anterior Tumören (röd) och ödem (lila) omger VP (guld) Klicka här för att se en större version av denna siffra.

Figur 7 VP 7:. VP efter glioblastoma kirurgi Svart betecknar kaviteten av tumören. Ödem (lila) ligger i anslutning till VP (guld). Klicka här för att se en större version av denna siffra.

Figur 8 Förberedelse för fibertracking. ref = "https://www.jove.com/files/ftp_upload/51946/51946fig8large.jpg" target = "_blank"> Klicka här för att se en större version av denna siffra.

Figur 9 Förberedelse för fibertracking / VP. Klicka här för att se en större version av denna siffra.

Figur 10 Förberedelse för fibertracking 3. Klicka här för att se en större version av denna siffra.

"Src =" / filer / ftp_upload / 51946 / 51946fig11highres.jpg "/>
Figur 11 Förberedelse för fibertracking 4. Klicka här för att se en större version av denna siffra.

Figur 12 Förberedelse för fibertracking 5.

Discussion

DTI är en teknik som gör det möjligt neurokirurgen att visualisera vita substans in vivo ^8. Den visuella vägen är ett av dessa områden. Även om denna metod ger läkare med nya möjligheter när det gäller behandling av patienter med skador om vältaliga regioner i hjärnan som vi måste säga att vissa begränsningar av denna teknik gör fortfarande existerar. Den första och mest uppenbara utmaningen är hjärn skift, vilket fortfarande är en fråga som utreds ^4. Efter att ha öppnat dura mater och efter manipulation i hjärnan genom att ta bort tumören eller cerebrospinalvätskan förlusten vi don `t ha samma villkor som före operationen. Dessutom DTI inte kan lösa korsning eller kyssas av fibrer och att med exakthet ursprung och destination av fibrer, som producerar flera artefakter och falska skrifter ^1-3. Ett annat problem är upplösningen av fibrer i områden med störd diffusion, till exempel på grund av tumör eller peritumoral edema ^22. Små områden med olika riktningar inom en voxel kommer inte att avbildas på grund sekundärt till partiella volym artefakter ^28. Möjligheten att falskt positiva och falskt negativa områden ska alltid beaktas. Resultaten kan komma att äventyras. Andra algoritmer har visat att VP på ett mer fullständigt sätt, men ett internationellt standardiserat förfarande för att skildra VP spelar ingen existerar aktuell som kan vara förvirrande dessutom. Skildringen av Meyer slingan fortfarande en utmaning för detta protokoll. En annan begränsning kan bestå i skildringen av Baum slingan. Vi inte kunde dock hitta någon del av skildringen av denna slinga på annat håll.

Som tidigare nämnts detta protokoll är lätt genomförbar för den dagliga rutinen. En bra förberedelse behövs dock för ett tillfredsställande resultat. Det är nödvändigt att se till att bilderna utförs strikt axiellt. Det kan äventyra kvaliteten på bilderna efteråt om detta inte ärbeaktas. En 3DT1 vägda bilden behövs alltid för navigering. Skivorna ska vara tunt nog för att få bra resultat. För detta protokoll använder vi 2 mm skivor med några luckor i mellan. Respekt för protokollet kommer att leda till en god bild av de viktigaste delarna av VP. Den VP beskrevs med hjälp av flera ROI. VC var alltid segmenterad dessutom. Andra har också använt en multipel ROI strategi ^16,17. DTI-vinkling har också prövats. Det kan ha goda resultat för anteroposterior fiberbundles men andra fibrer kan komma i ett olyckligt läge ^12. Ytterligare metoder innefattar sådd fibern spårning från flera referenserna placeras på den optiska vägarna nära LGN ^11.

Framtida applikationer inkluderar användning av DTI i hjärnischemi, multipel skleros, Alzheimers sjukdom, skildring av kranialnerver, gammaknivskirurgi med flera ^{7, 13,28.} De håller redan används i vissa institutioner utan thans är inte en rutin överallt. Intrasurgical kartläggning av optisk strålning med hjälp av subkortikala elektrisk stimulering är en tillförlitlig metod för att identifiera och bevara denna tarmkanalen under gliom kirurgi ^6. En annan möjlighet för att övervaka den funktionella integriteten hos den visuella reaktionsvägen är den intraoperativ användning av cortically inspelade veps ^5,10. Intraoperativ användning av MRI kan vara en möjlighet att minska de problem som uppstår med hjärnan skift alternativt tillämpning av ett 3D-ultraljud kan utgöra ett alternativ ^18. Andra diffusion imaging och återuppbyggnadsprogram har blivit allt mer relevant att beskriva den visuella vägen. Den visuella vägen har mer fibrer och Meyer slingan är mer tillförlitligt visas ^18.

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