Prekirurgisk planlegging og funksjonell nevronavigasjon ved operasjon av hjernesvulster

(Kirurgen 3/09)

Nye avanserte MR-metoder kan brukes til å kartlegge viktige funksjonelle områder og anatomiske strukturer i henholdsvis grå og hvit substans i hjernen, samt deres beliggenhet i forhold til hjernesvulster. Disse metodene er tatt i rutinemessig bruk ved reseksjon av hjernesvulster, hvor informasjonen fra disse undersøkelsene blir benyttet preoperativt til planlegging av operasjonen og intraoperativt til navigasjon under inngrepet.

Skrevet av Erik Magnus Berntsen, Klinikk for bildediagnostikk & Nasjonalt kompetansesenter for fMRI, St. Olavs Hospital
29. oktober 2009

Bakgrunn

Ved reseksjon av lavgradige og høygradige hjernesvulster er det en positiv korrelasjon mellom økende reseksjonsgrad og forlenget overlevelse [1]. Ved alle typer gliomer tilstrebes derfor en mest mulig radikal kirurgisk ekstirpasjon av svulsten, noe som er annerkjent i de amerikanske kliniske retningslinjene for behandling av hjernesvulster [2]. Dersom dette ikke kan gjennomføres med et akseptabelt funksjonelt resultat, må man utføre en mer begrenset svulstreseksjon [3]. Ved reseksjon av svulster som ligger i nærheten av det primære motoriske barkområdet eller språkområder er det risiko for funksjonstap i form av henholdsvis parese/paralyse og afasi. I forkant av operasjonen er det derfor viktig med mest mulig informasjon om svulstens utbredelse i grå og hvit substans, samt nærliggende omgivelsers anatomi og funksjon. Dette er det mulig å kartlegge ved hjelp av nye MR-metoder. Blood-Oxygenation-Level-Dependent functional Magnetic Resonance Imaging (BOLD-fMRI, heretter referert til som fMRI) er en teknikk for funksjonell kartlegging av hjernebarken som baserer seg på endret oksygenering av blodet i sirkulasjonen rundt aktiv grå substans [4]. Diffusion Tensor Imaging (DTI) er en annen teknikk for kartlegging av hvis substans, og baserer seg på at vannmolekyler lettere diffunderer på langs enn på tvers av aksonenes lengderetning. DTI kan dermed brukes til å visualisere aksonenes hovedretning i hvit substans, noe som gjøres ved hjelp av en teknikk som kalles traktografi. Hos pasienter med hjernesvulster er det derfor mulig å kartlegge nervebanenes forløp gjennom hvit substans, og slik få unik informasjon om banenes relasjon til svulsten [5].

Bildeopptak og analyse

MR-undersøkelsene blir vanligvis gjort to dager før operasjonen grunnet mye arbeid med å analysere opptakene. Det blir da gjort tradisjonelle anatomiske MR-avbildninger i tillegg til fMRI- og DTI-undersøkelser. En fMRI-undersøkelse tar 5 minutter, mens en DTI-undersøkelse tar 6 minutter. Totalt varer MR-opptakene fra 60 til 90 minutter for hver pasient, avhengig av hvor mange fMRIundersøkelser man ønsker.

fMRI-undersøkelsene er bygd opp av alternerende perioder med oppgaver og hvile som resulterer i ca 3 500 råbilder, som er grunnlaget for å produsere aktiveringskart ved hjelp av statistiske analyser. Ønsker man å kartlegge finger-området av det primære motoriske barkområdet kan man få pasienten til å bevege fingrene i de periodene hvor oppgaven skal utføres. Aktiveringskartene som produseres fremstiller da de områdene som var aktive under oppgaveløsningen, og disse aktiveringskartene kan så kombineres med både de tradisjonelle anatomiske MR-snittene og tredmimensjonale overflatemodeller av hjernen og svulsten (Figur 1). Ved DTI-undersøkelsene trenger man imidlertid kun å ligge i ro for at undersøkelsen skal bli vellykket, som ved tradisjonelle MR-undersøkelser. DTI-bildene blir så brukt som grunnlag for traktografien, hvor man ved hjelp av algoritmer framstiller de aksonale banene som ligger i nærheten av svulsten (Figur 1).

Valg av undersøkelse basert på svulstlokalisasjon

Det er svulstens beliggenhet som bestemmer hvilke fMRI- og DTIundersøkelser som skal gjennomføres. Dersom svulsten ligger nært det primære motoriske barkområdet blir det gjort fMRI-undersøkelser med bevegelse av tær, fingre og tunge eller en kombinasjon av disse. De relevante DTI-analysene i disse tilfellene vil være traktografi av pyramidebanene, de aksonale banene mellom hjernestammen og det primære motoriske barkområdet, og noen ganger corpus callosum. Dersom svulsten ligger i nærheten av språkområdene i den dominante hemisfæren, blir det gjort fMRI-undersøkelser bestående av forskjellige språkoppgaver. Dette kan for eksempel være å produsere ord som begynner på en bestemt bokstav (”ord som begynner på A”), eller en oppgave som også krevde at man leser en setning, tolker den og produserer et svar (”Hvilket dyr sier mø?”). Ved hjelp av disse oppgavene aktiveres både de frontale språkområdene tilsvarende Brocas område, som er viktig for å danne språk, og de temporale språkområdene tilsvarende Wernickes område, som er viktig for å forstå språk. De relevante DTI-undersøkelsene i disse tilfellene vil være traktografi av fasciculus arcuate, som forbinder de frontale og temporale språkområdene.

Presentasjon og bruk av resultatene

Resultatene fra fMRI- og DTIundersøkelsene kan visualiseres både på de tredimensjonale overflatemodeller av hjernen og svulsten, og på de tradisjonelle snittbildene i form av høyintense områder på de T1- vektede anatomi bildene (Figur 1). De tredimensjonale overflatemodellene kan presenteres i form av bilder og animasjoner i forkant av operasjonen. De anatomiske snittbildene med fMRI og DTI-informasjon kan importeres inn i et navigasjonssystem og brukes peroperativt (Figur 2 & 3).

Funksjonell Nevronavigasjon

Tradisjonelt har planlegging og gjennomføring av operasjoner på hjernesvulster vært basert på informasjon fra konvensjonelle snittbilder, men i de senere år er navigasjonsenheter med preoperativ billeddiagnostikk tatt i rutinemessing bruk. I en navigasjonsenhet er preoperativ bildeinformasjonen tilgjengelig før og under operasjonen, og viser posisjonen til kirurgiske instrumenter i forhold til hjernen og svulsten. Navigasjonssystemet SonoWand® (SONOWAND AS , Trondheim) brukes til operasjonsplanlegging basert på preoperative anatomiske MR-bilder, samt å navigere intrakranielt under operasjonen ved hjelp av peroperative ultralydopptak (Figur 2 & 3) [6]. Ultralyd gir oppdatert informasjon om hjernens deformasjon under operasjonen, identifiserer viktige blodkar nært svulsten og påviser områder med gjenværende svulstvev (Figur 3). Ved å importere fMRI-aktiveringene og visualiseringene av de aksonale banene inn i navigasjonsenheten blir informasjonen tilgjengelig både pre- og per-operativt, og kan benyttes til såkalt funksjonell nevronavigasjon.

Svakheter ved metodene

MR-sekvensene som brukes for fMRI og DTI er meget følsomme for forstyrrelser fra små bevegelser, noe som gjør at man må fiksere pasientenes hode ved hjelp av fikseringsbånd. Dessuten krever fMRI-undersøkelsene at pasientene klarer å utføre oppgavene korrekt, i den forstand at de prøver å løse oppgavene i periodene med oppgaver, og klarer å koble av fra oppgavene i periodene med hvile. Når det gjelder å bestemme utbredelsen av de ulike fMRI-aktiveringene, er dette en subjektiv operatøravhengig avgjørelse. Det må gjøres statistiske analyser for å kunne visualisere de aktiverte områdene og man setter da en statistisk grense hvor aktiveringenes utbredelse er i samsvar med kunnskapen om den funksjonelle anatomien. Ved analysene av DTI-undersøkelsene er det lignende svakheter. Skal man visualisere pyramidebanene, må man avmerke minst to områder hvor man forventer at disse banene går (f.eks. capsula interna og det primære motoriske barkområdet). Når analyseprogrammet da beregner de aksonale banene som sannsynligvis går igjennom disse områdene, må man etterpå fjerne noen foreslåtte baner som tydelig strider mot anatomisk kunnskap. Dette gjør at også visualiseringen av de større aksonale baner delvis er en subjektiv operatøravhengig avgjørelse, hvor resultatet må vurderes i forhold til anatomisk kunnskap og svulstens påvirkning på anatomien.

Under operasjonen vil det oppstå deformasjoner av hjernen som følge av endrede trykkforhold når svulsten fjernes, et såkalt ”brain-shift”. Dette gjør at de preoperative bildene ikke lengre stemmer fullstendig med anatomien peroperativt. Dette må i dag kompenseres for av nevrokirurgen, som ved hjelp av peroperative ultralydbilder må anslå hvordan deformasjonen har påvirket anatomien. En framtidig løsning kan være å oppdatere de preoperative MR-bildene basert på de peroperative ultralyd-bildene [7].

Styrker ved metodene

De tredimensjonale overflatemodellene av hjernen og svulsten som resultatene fra fMRI- og DTI-undersøkelsene blir visualisert sammen med, er intuitivt enklere å forstå enn tradisjonelle snittbilder. Dette gjør det lettere å danne seg et tredimensjonalt bilde av svulstens beliggenhet i forhold til nærliggende viktige strukturer og funksjonelle områder, noe som kan være spesielt vanskelig i nærvær av infiltrerende svulster. Dette bildet vil dessuten stemme bedre overens med kirurgens visuelle inntrykk under inngrepet. Ved å integrere informasjonen fra fMRI- og DTI-undersøkelsene i en navigasjonsenhet får nevrokirurgen presentert all informasjon om anatomi, funksjonelle områder og aksonale baner i nærheten av svulsten i det formatet og bildeplanet han bruker under selve operasjonen. Slik kan man bruke informasjonen til å velge optimal operasjonstilgang, samt overvåke posisjonen til viktige nervebaner og hjerneområder under reseksjonen. (Figur 3).

Erfaringer med metodene

Ved St. Olavs Hospital har fMRI- og DTI-undersøkelser av pasienter med hjernesvulster i nær relasjon til viktige funksjonelle områder i hjernen, samt integrering av resultatene i navigasjonssystemet, vært rutine siden 2005. Omlag 110 ulike pasienter med en rekke forskjellige hjernesvulster har blitt kartlagt og operert, deriblant høygradige og lavgradige gliomer, arteriovenøse malformasjoner, hemangiomer og metastaser. Hos disse pasientene har svulsten ligget nært enten det primærmotoriske barkområdet, språkområdene, pyramidebanene, fasciculus arcuate eller synsbanene.

Det har stort sett vært god overensstemmelse mellom de tredimensjonale overflatemodellene, fMRI-aktiveringene, visualiseringene av de aksonale banene og den anatomiske lokalisasjonen basert på dagens kunnskap. Et fåtall undersøkelser har vært mislykket og da som følge av for store hodebevegelser eller at pasientene ikke har klart å løse oppgavene tilfredsstillende. fMRI-aktiveringene fra de motoriske undersøkelsene har gitt robuste aktiveringer og vært lette å tolke, mens aktiveringene fra språkoppgavene har i en del tilfeller vært vanskeligere å tolke. Dette skyldes at det er flere områder enn bare fremre og bakre språkområde som er aktive ved oppgaveløsingen, noe som gjør det vanskelig å velge en statistisk grense for aktiveringene.

Våre kliniske erfaringer med bruken av fMRI og DTI integrert i det ultralydbaserte navigasjonssystemet ved operasjoner av høygradige gliomer er tidligere publisert [8]. Her inngikk 25 pasienter med glioblastomer og anaplastiske astrocytomer, hvor svulsten lå i nær relasjon til de funksjonelle områdene som ble kartlagt. Her fant vi at fMRI og DTI bidrar til identifiseringen av de funksjonelle områdene i henholdsvis 91% og 94% av undersøkelsene. Videre fant vi en median reseksjonsgrad på 92%, med en signifikant bedring i klinisk status etter operasjonen sammenlignet med før. Vi mener derfor at kombinasjonen av fMRI, DTI og intraoperativ 3D ultralyd integrert i en nevronavigator gir et bedret beslutningsgrunnlag ved reseksjonen av hjernesvulster, og fasilliterer en så radikal reseksjon som mulig uten å skade inntakt hjernevev eller produsere nye nevrologiske utfall.

Referanser

1. Sanai, N. and M.S. Berger, Glioma extent of resection and its impact on patient outcome. Neurosurgery, 2008. 62(4): p. 753-764.

2. NationalComprehensiveCancerNetwork, Central Nervous System Cancer Guidelines. 2007, NCCN Press: Jenkintown, Pennsylvania.

3. Helseth, E., et al., Intrakraniale svulster hos voksne. Tidsskr Nor Lægeforen, 2003. 123(4): p. 456-61.

4. Ogawa, S., et al., Brain Magnetic-Resonance-Imaging with Contrast Dependent on Blood Oxygenation. Proc Natl Acad of Sci U S A, 1990. 87(24): p. 9868-9872.

5. Mori, S., et al., Brain white matter anatomy of tumor patients evaluated with diffusion tensor imaging. Annals of Neurology, 2002. 51(3): p. 377-380.

6. Gronningsaeter, A., et al., SonoWand, an ultrasoundbased neuronavigation system. Neurosurgery, 2000. 47(6): p. 1373-1379.

7. Rasmussen, I.A., et al., Functional neuronavigation combined with intra-operative 3D ultrasound: Initial experiences during surgical resections close to eloquent brain areas and future directions in automatic brain shift compensation of preoperative data. Acta Neurochir, 2007. 149(4): p. 365-378.

8. G ulati, S., et al., Surgical Resection of High-grade Gliomas in Eloquent Regions Guided by Blood Oxygenation Level Dependent Functional Magnetic Resonance Imaging, Diffusion Tensor Tractography, and Intraoperative Navigated 3D Ultrasound. Minim Invasive Neurosurg, 2009. 52(1): p. 17-24.