Summary

Роль диффузионной МРТ-трактографии в эндоскопической хирургии основания эндоназального черепа

Published: July 05, 2021
doi:

Summary

Мы представляем протокол для интеграции диффузионной МРТ-трактографии в работу пациента до эндоскопической эндоназальной хирургии опухоли основания черепа. Описаны методы внедрения этих исследований нейровизуализации в пред- и интраоперационной фазах.

Abstract

Эндоскопическая эндоназальная хирургия приобрела заметную роль в лечении сложных опухолей основания черепа. Он позволяет резекцию большой группы доброкачественных и злокачественных поражений через естественный анатомический внекраниальный путь, представленный носовыми полостями, избегая втягивания мозга и нейрососудистых манипуляций. Это отражается в быстром клиническом выздоровлении пациентов и низком риске постоянных неврологических последствий, что является основным предостережием обычной хирургии основания черепа. Эта операция должна быть адаптирована к каждому конкретному случаю, учитывая ее особенности и отношения с окружающими нервными структурами, в основном основанными на предоперационной нейровизуализации. Передовые методы МРТ, такие как трактография, редко используются в хирургии основания черепа из-за технических проблем: длительных и сложных процессов для создания надежных реконструкций для включения в систему нейронавигации.

Эта статья направлена на представление протокола, реализованного в учреждении, и подчеркивает синергетическое сотрудничество и командную работу между нейрохирургами и командой нейровизуализации (неврологи, нейрорадиологи, нейропсихологи, физики и биоинженеры) с конечной целью выбора оптимального лечения для каждого пациента, улучшения хирургических результатов и продвижения персонализированной медицины в этой области.

Introduction

Возможность приблизиться к основанию черепа по средней линии и парамедиальным областям по переднему пути, приняв носовые ямки в качестве естественных полостей, имеет долгую историю, насчитывающую более одного века1. Однако за последние 20 лет технологии визуализации и оперативной деятельности достаточно улучшились, чтобы расширить их возможности включения в лечение наиболее сложных опухолей, таких как менингиомы, хордомы, хондросаркомы и краниофарингиомы1 благодаря (1) введению эндоскопа, который дает хирургу панорамный и подробный 2D/3D вид этих областей, (2) разработка интраоперационных нейронавигационных систем и (3) внедрение специализированных хирургических инструментов. Как кропотливо продемонстрировано Kassam et al. и подтверждено многочисленными обзорами и мета-анализами, преимущества этого хирургического подхода в основном представлены его шансами на резекцию сложных опухолей основания черепа, избегая любого прямого втягивания мозга или нервных манипуляций, тем самым снижая риск хирургических осложнений и долгосрочных неврологических и визуальных последствий2,3,4, 5,6,7,8,9,10,11,12.

Для множественных оснований черепа и гипофизарно-диэнцефальных опухолей идеальная хирургическая цель изменилась в последние годы от самого обширного удаления опухоли до самого безопасного удаления с сохранением неврологических функций для сохранения качества жизни пациента3. Это ограничение может быть компенсировано инновационными и эффективными вспомогательными методами лечения, такими как лучевая терапия (принятие массивных частиц, таких как протоны или ионы углерода, когда это необходимо) и, для выбранных новообразований, химиотерапией в качестве ингибиторов пути BRAF / MEK для краниофарингиом13,14,15.

Однако для достижения этих целей крайне важна тщательная предоперационная оценка, чтобы адаптировать хирургическую стратегию к конкретной особенности каждого случая2. В большинстве центров предоперационный протокол МРТ обычно выполняется только со стандартными структурными последовательностями, которые обеспечивают морфологическую характеристику поражения. Однако с помощью этих методик не всегда можно достоверно оценить анатомическую связь опухоли со смежными структурами3. Кроме того, у каждого пациента могут присутствовать различные профили функциональной реорганизации, вызванные патологией, которые можно обнаружить только с помощью диффузионной МРТ-трактографии и функциональной МРТ (фМРТ), которые могут быть использованы для обеспечения руководства как при планировании операции, так и на интраоперационных этапах16,17.

В настоящее время фМРТ является наиболее часто используемым методом нейровизуализации для картирования функциональной активности и связности мозга в качестве руководства для хирургического планирования18,19 и для улучшения исхода пациентов20. ФМРТ на основе задач является модальностью выбора для выявления «красноречивых» областей мозга, которые функционально участвуют в выполнении конкретной задачи (например, постукивание пальцем, фонематическая беглость), но не применимы для изучения опухолей основания черепа.

Диффузионная МРТ-трактография позволяет in vivo и неинвазивно реконструировать соединения белого вещества мозга, а также черепные нервы, исследуя ходологическую структуру мозга21. Различные алгоритмы трактографии были разработаны для реконструкции аксональных путей путем связывания профилей диффузии молекул воды, оцениваемых в каждом вокселе мозга. Детерминированная трактография следует направлению доминирующей диффузии, тогда как вероятностная трактография оценивает возможное распределение связности путей. Кроме того, для оценки диффузионной способности в пределах каждого вокселя могут применяться различные модели, и можно определить две основные категории: модели с одним волокном, такие как модель диффузионного тензора, где оценивается ориентация одного волокна, и модели с несколькими волокнами, такие как сферическая деконволюция, где реконструируются несколько ориентаций кросс-волокна22,23. Несмотря на методологические дебаты о диффузионной трактографии МРТ, ее полезность в нейрохирургическом рабочем процессе в настоящее время установлена. Можно оценить дислокацию тракта белого вещества и расстояние до опухоли, сохраняя специфические связи белого вещества. Кроме того, карты диффузионной тензорной визуализации (DTI), особенно фракционной анизотропии (FA) и средней диффузии (MD), могут быть применены для оценки микроструктурных изменений белого вещества, связанных с возможной инфильтрацией опухоли, и для мониторинга продольных путей. Все эти особенности делают диффузионную МРТ-трактографию мощным инструментом как для предоперационного планирования, так и для интраоперационного принятия решений с помощью нейронавигационных систем24.

Однако применение методов трактографии к хирургии основания черепа было ограничено потребностью в специализированных технических знаниях и трудоемкой работе по оптимизации сбора последовательностей диффузионной МРТ, протокола анализа и включения результатов трактографии в системы нейронавигации25. Наконец, дальнейшие ограничения связаны с техническими трудностями, распространяющими эти анализы от внутрипаренхимальных до экстра-паренхимальных структур белого вещества, таких как черепные нервы. Действительно, только недавние исследования представили предварительные результаты, пытающиеся интегрировать передовую МРТ и хирургию основания черепа26,27,28.

В настоящей работе представлен протокол многодисциплинарного лечения гипофизарно-диэнцефальных опухолей и опухолей основания черепа с использованием диффузионной МРТ-трактографии. Внедрение этого протокола в учреждении стало результатом сотрудничества между нейрохирургами, нейроэндокринологами и командой нейровизуализации (включая клиническую и биоинформатику), чтобы предложить эффективный интегрированный многоосевой подход к этим пациентам.

В центре мы интегрировали междисциплинарные протоколы для лечения пациентов с опухолями основания черепа, чтобы обеспечить максимально информативное описание, а также адаптировать и персонализировать хирургический план. Мы показываем, что этот протокол может быть принят как в клинических, так и в исследовательских условиях для любого пациента с опухолью основания черепа, чтобы направлять стратегию лечения и улучшать знания о модификациях мозга, вызванных этими поражениями.

Protocol

Протокол соответствует этическим стандартам Местного исследовательского комитета и Хельсинкской декларации 1964 года и ее последующим поправкам или сопоставимым этическим стандартам. 1. Подбор пациентов Примите следующие критерии включения: пациенты старше 18 лет, …

Representative Results

У 55-летней женщины прогрессирующий дефицит зрения. Ее история болезни была ничем не примечательна. При офтальмологической оценке было выявлено двустороннее снижение остроты зрения (6/10 в правом глазу и 8/10 в левом глазу), а компьютеризированное поле зрения показало пол?…

Discussion

Применение представленного протокола привело к безопасному и эффективному лечению одной из самых сложных внутричерепных опухолей, таких как краниофарингиома, вторгающаяся в3-й желудочек, возможно, открывая новый горизонт для поражения, которое было определено Х. Кушингом около …

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

Мы хотели бы поблагодарить техников и медсестер по радиологии в области нейрорадиологии IRCCS Istituto delle Scienze Neurologiche di Bologna и их координатора д-ра Марию Грацию Крепалди за их сотрудничество.

Materials

BRAF V600E-specific clone VE1 Ventana
Dural Substitute Biodesign, Cook Medical
Endoscope Karl Storz, 4mm in diameter, 18 cm in length, Hopkins II – Karl Storz Endoscopy
Immunohistochemical staining instrument  Ventana Benchmark, Ventana Medical Systems
MRI 3T Magnetom Skyra, Siemens Health Care
Neuronavigator Stealth Station S8 Surgical Navigation System, MEDTRONIC

References

  1. Wang, A. J., Zaidi, H. A., Laws, E. D. History of endonasal skull base surgery. Journal of Neurosurgical Sciences. 60 (4), 441-453 (2016).
  2. Kassam, A. B., Gardner, P., Snyderman, C., Mintz, A., Carrau, R. Expanded endonasal approach: fully endoscopic, completely transnasal approach to the middle third of the clivus, petrous bone, middle cranial fossa, and infratemporal fossa. Neurosurgical Focus. 19 (1), 6 (2005).
  3. Schwartz, T. H., Morgenstern, P. F., Anand, V. K. Lessons learned in the evolution of endoscopic skull base surgery. Journal of Neurosurgery. 130 (2), 337-346 (2019).
  4. Cossu, G., et al. Surgical management of craniopharyngiomas in adult patients: a systematic review and consensus statement on behalf of the EANS skull base section. Acta Neurochirurgica. 162 (5), 1159-1177 (2020).
  5. Komotar, R. J., Starke, R. M., Raper, D. M., Anand, V. K., Schwartz, T. H. Endoscopic endonasal compared with microscopic transsphenoidal and open transcranial resection of craniopharyngiomas. World Neurosurgery. 77 (2), 329-341 (2012).
  6. Clark, A. J., et al. Endoscopic surgery for tuberculum sellae meningiomas: a systematic review and meta-analysis. Neurosurgical Review. 36 (3), 349-359 (2013).
  7. Ditzel Filho, L. F., et al. Endoscopic Endonasal Approach for Removal of Tuberculum Sellae Meningiomas. Neurosurgical Clinics of North America. 26 (3), 349 (2015).
  8. Labidi, M., et al. Clivus chordomas: a systematic review and meta-analysis of contemporary surgical management. Journal of Neurosurgical Science. 60 (4), 476-484 (2016).
  9. Cannizzaro, D., et al. Microsurgical versus endoscopic trans-sphenoidal approaches for clivus chordoma: a pooled and meta-analysis. Neurosurgical Review. , (2020).
  10. Fujii, T., Platt, A., Zada, G. Endoscopic Endonasal Approaches to the Craniovertebral Junction: A Systematic Review of the Literature. Journal of Neurological Surgery: Part B Skull Base. 76 (6), 480-488 (2015).
  11. Tubbs, R. S., Demerdash, A., Rizk, E., Chapman, J. R., Oskouian, R. J. Complications of transoral and transnasal odontoidectomy: a comprehensive review. Child’s Nervous System. 32 (1), 55-59 (2016).
  12. Zoli, M., et al. Endoscopic approaches to orbital lesions: case series and systematic literature review. Journal of Neurosurgery. 3, 1 (2020).
  13. Jensterle, M., et al. Advances in the management of craniopharyngioma in children and adults. Radiology and Oncology. 53 (4), 388-396 (2019).
  14. Roque, A., Odia, Y. BRAF-V600E mutant papillary craniopharyngioma dramatically responds to combination BRAF and MEK inhibitors. CNS Oncology. 6 (2), 95-99 (2017).
  15. Marucci, G., et al. Targeted BRAF and CTNNB1 next-generation sequencing allows proper classification of nonadenomatous lesions of the sellar region in samples with limiting amounts of lesional cells. Pituitary. 18 (6), 905-911 (2015).
  16. Silva, M. A., See, A. P., Essayed, W. I., Golby, A. J., Tie, Y. Challenges and techniques for presurgical brain mapping with functional MRI. NeuroImage Clinical. 17, 794-803 (2017).
  17. Duffau, H. Lessons from brain mapping in surgery for low-grade glioma: insights into associations between tumor and brain plasticity. The Lancet Neurology. 4 (8), 476-486 (2005).
  18. Maesawa, S., et al. Evaluation of resting state networks in patients with gliomas: connectivity changes in the unaffected side and its relation to cognitive function. PloS One. 10 (2), 0118072 (2015).
  19. Gonen, T., et al. Intra-operative multi-site stimulation: Expanding methodology for cortical brain mapping of language functions. PloS One. 12 (7), 0180740 (2017).
  20. Pillai, J. J. The evolution of clinical functional imaging during the past 2 decades and its current impact on neurosurgical planning. American Journal of Neuroradiology. 31 (2), 219-225 (2010).
  21. Bizzi, A. Presurgical mapping of verbal language in brain tumors with functional MR imaging and MR tractography. Neuroimaging Clinics of North America. 19 (4), 573-596 (2009).
  22. Dell’Acqua, F., Tournier, J. D. Modelling white matter with spherical deconvolution: How and why. NMR in Biomedicine. 32 (4), 3945 (2019).
  23. Maier-Hein, K. H., et al. The challenge of mapping the human connectome based on diffusion tractography. Nature Communications. 8 (1), 1349 (2017).
  24. Costabile, J. D., Alaswad, E., D’Souza, S., Thompson, J. A., Ormond, D. R. Current Applications of Diffusion Tensor Imaging and Tractography in Intracranial Tumor Resection. Frontiers in Oncology. 9, 426 (2019).
  25. Jacquesson, T., et al. Full tractography for detecting the position of cranial nerves in preoperative planning for skull base surgery: technical note. Journal of Neurosurgery. , 1-11 (2019).
  26. Zolal, A., et al. Comparison of probabilistic and deterministic fiber tracking of cranial nerves. Journal of Neurosurgery. 127 (3), 613-621 (2017).
  27. Ung, N., et al. A Systematic Analysis of the Reliability of Diffusion Tensor Imaging Tractography for Facial Nerve Imaging in Patients with Vestibular Schwannoma. Journal of Neurological Part B Skull Base. 77 (4), 314-318 (2016).
  28. Anik, I., et al. Visual Outcome of an Endoscopic Endonasal Transsphenoidal Approach in Pituitary Macroadenomas: Quantitative Assessment with Diffusion Tensor Imaging Early and Long-Term Results. World Neurosurgery. 12, 691-701 (2018).
  29. Oldfield, R. C. The assessment and analysis of handedness: the Edinburgh inventory. Neuropsychologia. 9 (1), 97-113 (1971).
  30. Yushkevich, P. A., et al. User-Guided Segmentation of Multi-modality Medical Imaging Datasets with ITK-SNAP. Neuroinformatics. 17 (1), 83-102 (2019).
  31. Tournier, J. D., Calamante, F., Connelly, A. Robust determination of the fibre orientation distribution in diffusion MRI: non-negativity constrained super-resolved spherical deconvolution. NeuroImage. 35 (4), 1459-1472 (2007).
  32. Mormina, E., et al. Optic radiations evaluation in patients affected by high-grade gliomas: a side-by-side constrained spherical deconvolution and diffusion tensor imaging study. Neuroradiology. 58 (11), 1067-1075 (2016).
  33. Hales, P. W., et al. Delineation of the visual pathway in paediatric optic pathway glioma patients using probabilistic tractography, and correlations with visual acuity. Neuroimage Clinical. 11 (17), 541-548 (2017).
  34. Testa, C., et al. The effect of diffusion gradient direction number on corticospinal tractography in the human brain: an along-tract analysis. Magma. 30 (3), 265-280 (2017).
  35. Talozzi, L., et al. Along-tract analysis of the arcuate fasciculus using the Laplacian operator to evaluate different tractography methods. Magnetic Resonance Imaging. 54, 183-193 (2018).
  36. Zoli, M., et al. Postoperative outcome of body core temperature rhythm and sleep-wake cycle in third ventricle craniopharyngiomas. Neurosurgical Focus. 41 (6), 12 (2016).
  37. Foschi, M., et al. Site and type of craniopharyngiomas impact differently on 24-hour circadian rhythms and surgical outcome. A neurophysiological evaluation. Autonomic Neuroscience. 208, 126-130 (2017).
  38. Mojón, A., Fernández, J. R., Hermida, R. C. Chronolab: an interactive software package for chronobiologic time series analysis written for the Macintosh computer. Chronobiology International. 9 (6), 403-412 (1992).
  39. Hardesty, D. A., Montaser, A. S., Beer-Furlan, A., Carrau, R. L., Prevedello, D. M. Limits of endoscopic endonasal surgery for III ventricle craniopharyngiomas. Journal of Neurosurgical Sciences. 62 (3), 310-321 (2018).
  40. Lee, W. H., et al. Effect of Dexmedetomidine Combined Anesthesia on Motor evoked Potentials During Brain Tumor Surgery. World Neurosurgery. 123, 280-287 (2019).
  41. Barazi, S. A., et al. Extended endoscopic transplanum-transtuberculum approach for pituitary adenomas. British Journal of Neurosurgery. 27 (3), 374-382 (2013).
  42. Singh, H., et al. Intraoperative Neurophysiological Monitoring for Endoscopic Endonasal Approaches to the Skull Base: A Technical Guide. Scientifica. , 1751245 (2016).
  43. Mazzatenta, D., et al. Outcome of Endoscopic Endonasal Surgery in Pediatric Craniopharyngiomas. World Neurosurgery. 134, 277-288 (2020).
  44. Milanese, L., et al. Antibiotic Prophylaxis in Endoscopic Endonasal Pituitary and Skull Base Surgery. World Neurosurgery. 106, 912-918 (2017).
  45. Hadad, G., et al. A novel reconstructive technique after endoscopic expanded endonasal approaches: vascular pedicle nasoseptal flap. Laryngoscope. 116 (10), 1882-1886 (2006).
  46. Zoli, M., et al. Cavernous sinus invasion by pituitary adenomas: role of endoscopic endonasal surgery. Journal of Neurosurgical Sciences. 60 (4), 485-494 (2016).
  47. Louis, D. N., et al. The 2016 World Health Organization classification of tumors of the central nervous system: a summary. Acta Neuropathologica. 131 (6), 803-820 (2016).
  48. Coury, J. R., Davis, B. N., Koumas, C. P., Manzano, G. S., Dehdashti, A. R. Histopathological and molecular predictors of growth patterns and recurrence in craniopharyngiomas: a systematic review. Neurosurgical Review. 43 (1), 41-48 (2020).
  49. Prieto, R., et al. Craniopharyngioma adherence: a comprehensive topographical categorization and outcome-related risk stratification model based on the methodical examination of 500 tumors. Neurosurgical Focus. 41 (6), 13 (2016).
  50. Cagnazzo, F., Zoli, M., Mazzatenta, D., Gompel, J. J. V. Endoscopic and Microscopic Transsphenoidal Surgery of Craniopharyngiomas: A Systematic Review of Surgical Outcomes Over Two Decades. Journal of Neurological Surgery: part A Central European Neurosurgery. 79 (3), 247-256 (2018).
  51. Cavallo, L. M., et al. The endoscopic endonasal approach for the management of craniopharyngiomas: a series of 103 patients. Journal of Neurosurgery. 121, 100-113 (2014).
  52. Andersson, J. L., Skare, S., Ashburner, J. How to correct susceptibility distortions in spin-echo echo-planar images: application to diffusion tensor imaging. Neuroimage. 20 (2), 870-888 (2003).
  53. Castellano, A., Cirillo, S., Bello, L., Riva, M., Falini, A. Functional MRI for Surgery of Gliomas. Current Treatment Options in Neurology. 19 (10), 34 (2017).
  54. Elowe-Gruau, E., et al. Childhood craniopharyngioma: hypothalamus-sparing surgery decreases the risk of obesity. Journal of Clinical Endocrinology and Metabolism. 98 (6), 2376-2382 (2013).
  55. Jacquesson, T., et al. Overcoming Challenges of Cranial Nerve Tractography: A Targeted Review. Neurosurgery. 84 (2), 313-325 (2019).

Play Video

Cite This Article
Zoli, M., Talozzi, L., Mitolo, M., Lodi, R., Mazzatenta, D., Tonon, C. Role of Diffusion MRI Tractography in Endoscopic Endonasal Skull Base Surgery. J. Vis. Exp. (173), e61724, doi:10.3791/61724 (2021).

View Video