Preoperative Planning and Functional Neuronavigation: with Functional MRI and Diffusion Tensor Tractography in Patients with Brain Lesions

Abstract

Blood-Oxygenation-Level-Dependent functional Magnetic-Resonance-Imaging (BOLD fMRI) og Diffusion Tensor Imaging (DTI) er spesialiserte MR-teknikker for avbildning av henholdsvis funksjonelle områder i grå substans og nevronale forbindelser i hvit substans. Ved å bearbeide BOLD fMRI bildene kan man kartlegge funksjonelle områder i hjernen og visualisere dem i form av fargekart for eksempel overlagt på anatomiske MRbilder. Ved å bearbeide DTI bildene med en teknikk som heter Diffusion Tensor Tractography (DTT) kan man kartlegge nevronale forbindelser i hjernen og visualisere dem som ”fiber-bunter”. Resultatet fra disse undersøkelsene kan være til hjelp ved planlegging og reseksjon av hjernesvulster fordi disse metodene gir informasjon om funksjonen i grå og hvit substans som ligger i nærheten av svulsten. Dermed kan man operere bort mest mulig av svulsten uten å skade disse viktige funksjonelle områdene under operasjonen. Slik funksjonell informasjon fra BOLD fMRI og DTT kan integreres i nevronavigasjons-systemer og brukes under selve operasjonen. Det overordnede målet med arbeidet bak denne avhandlingen har vært å utvikle, implementere og evaluere BOLD fMRI og DTT ved 3 Tesla for rutinemessig bruk i forbindelse med prekirurgisk planlegging og funksjonell nevronavigasjon kombinert med minimal invasiv nevrokirurgi.

En første tilnærming til å utvikle BOLD fMRI oppgaver for bruk til kartlegging av viktige områder i hjernebarken hos pasienter er å samle inn normgivende funksjonelle data i friske individer. Vi undersøkte derfor et utvalg motoriske oppgaver med BOLD fMRI i friske forsøkspersoner, for deretter å evaluere hvilke som var best egnet for funksjonell kartlegging og framstilling av det primære motoriske området. Bevegelse av fingre, tær og tunge var de oppgavene med høyest suksses-rate i friske frivillige og viste seg også å fungere med like stor grad av suksses for pasienter med hjernesvulster.

Vi har også undersøkt et utvalg språkoppgaver i friske forsøkspersoner for å evaluere reproduserbarhet og grad av lateralisering av språkaktiveringene i de enkelte oppgavene, for å bestemme hvilke oppgaver som er best egnet til å kartlegge de fremre og bakre språkområdene. Vi fant at en ordgenererings-oppgave var best egnet for kartlegging av det fremre språkområdet, mens en navngivings-oppgave var best egnet for det bakre området.

Vi har også utviklet en ny språkoppgave med potensialet for samtidig kartlegging av både det fremre og bakre språkområdet i en og samme undersøkelse. Denne oppgave har i tillegg fordelen av å være mer engasjerende å utføre, noe som kan hjelpe personen som utfører oppgaven til å beholde konsentrasjonen og motivasjonen gjennom hele undersøkelsen.

Vi har også evaluert bruken av BOLD fMRI og DTT i ultralyd-veiledet funksjonell nevronavigasjon ved å retrospektivt gå igjennom et 3-års materiale med pasienter operert på denne måten. Her fant vi at fjerning av hjernesvulstvev ga en signifikant forbedring i klinisk status etter 3 måneder sammenlignet med før operasjonen. For gliomene fant vi et gjennomsnittelig gjenværende svulst volum på 11% etter operasjonen. Vi fant også en signifikant korrelasjon mellom avtagende avstand mellom tumor og funksjonelt område og økende gjenværende svulstvolum etter operasjonen. Dette tyder på at operasjonene er gjennomført som et kompromiss mellom å fjerne så mye svulstvev som mulig uten å samtidige risikere nye nevrologiske utfall. Det var imidlertid noen pasienter med avstand mellom tumor og funksjonelt område på mindre enn 2 mm som ble radikalt operert uten nye nevrologiske utfall etter operasjonen. Dette tyder på at funksjonell nevronavigasjon med oppdatert anatomisk informasjon fra 3D ultralyd under operasjonen gir nevrokirurgene en fordel når de opererer, samt muliggjør så mye fjerning av svulsten som mulig uten å påføre nye nevrologiske utfall.

Utfordringene i den videre bruken av disse teknikkene består i å etablere standardiserte oppgaver og analyser for tolkning av disse undersøkelsene, samt å planlegge og utføre kontrollerte kliniske forsøk, enten i form av prospektive oppfølgings studier eller randomiserte studier, for å evaluere effekten av prekirurgisk BOLD fMRI og DTT på morbiditet og mortalitet i pasienter med hjernelesjoner.

Blood-Oxygenation-Level-Dependent functional Magnetic-Resonance-Imaging (BOLD fMRI) and Diffusion Tensor Imaging (DTI) are specialized MRI-techniques for imaging of eloquent cortices and neural tracts in gray and white matter, respectively. By processing of the BOLD fMRI images, it is possible to map eloquent cortices and visualize them as statistical parametric color coded maps to be overlain on for instance anatomical MRI-images. Processing of the DTI images using a technique called Diffusion Tensor Tractography (DTT), makes it possible to map important neural tracts and visualize them as fiber bundles. The results from these examinations may be helpful during planning and resection of brain lesions, by providing information on functional eloquent cortices and important white matter tracts in close proximity to the lesion, as the goal of surgery is to maximize resection without inflicting new neurological deficits. This functional information may also be incorporated into neuronavigation systems and utilized during surgery. The overall aim of this thesis was to develop, implement, and evaluate BOLD fMRI and DTT at 3 Tesla for routine use in preoperative planning and 3D ultrasound-guided functional neuronavigation combined with minimal invasive neurosurgery.

Obtaining normative functional data in healthy subjects is a first step in the development of clinical useful tasks. Thus, we investigated different motor tasks in a group of healthy subjects to evaluate which combination was best suited for functional mapping and delineation of the primary motor cortex. Movement of fingers, toes, and tongue yielded the highest success rates in healthy subjects and proved equally successful in patients with brain lesions.

We also investigated a set of language tasks and the reproducibility of the activation size and location for these. We found that a word-generation task and a responsive naming task should be preferred for mapping of the frontal and temporal language area, respectively.

A novel language task with the potential to map both the frontal and temporal language areas was also established. This task has the advantage of being more engaging, which may help the subjects to maintain concentration and stay motivated throughout the scanning session.

We have also evaluated the use of BOLD fMRI and DTT in 3D ultrasound-guided functional neuronavigation by retrospectively reviewing patients operated during a threeyear period. We found that surgery gave an overall significant improvement in clinical status compared to preoperatively, and for gliomas we found a median residual tumor volume of 11%. We also found a significant correlation between decreasing lesion-toeloquent- area distance and increasing residual tumor percentage in gliomas, indicating that the resections were performed as a compromise between removing as much tumor tissue as possible without jeopardizing eloquent areas. Furthermore, some glioma patients with lesion-to-eloquent-area distance less than 2 mm also had radical resections without post-operative neurological deficits. Thus indicating that guided functional neuronavigation with updated anatomical information using 3D ultrasound gives the surgeon an advantage when resecting brain lesions, as well as facilitates maximal tumor resection with minimal deficit.

The challenges ahead lie in establishing standardized tasks and analysis for processing of these investigations, as well as carrying out prospective outcome studies or clinical randomized trials in order to produce evidence for effect of presurgical BOLD fMRI and DTT on morbidity and mortality in patients with brain lesions.