Lesion-based fibertracking : ein noninvasiver Traktographie-Algorithmus zur verbesserten Darstellung peritumoraler Faserbahnen in der funktionellen Neuronavigation

Lesion-based fibertracking in image guided neurosurgery : an innovative tractography step for improved data analysis

  • Einführung Seit Einführung der Diffusionstensorbildgebung- (DTI) basierten Traktographie von zerebralen Bahnsystemen besteht der Verdacht einer zu dünnen Ausdehnung der Faserbahnen in der unmittelbaren Nachbarschaft von zerebralen Läsionen. Der gegenüber der tatsächlichen Ausdehnung verminderte Durchmesser verjüngt sich zusätzlich mit zunehmendem Abstand von dem sog. seed-Volume (“seed-VOI”). Die unterrepräsentierte Ausdehnung der Faserbahnen stellt in der neurochirurgischen Operationsplanung und intraoperativen Neuronavigation ein erhebliches Problem bei der Beurteilung der Resektionsgrenzen von Tumoren bzw. der Grenze dringlich zu erhaltender eloquenter Faserbahnen dar. Mit einem zusätzlichen, auf die Läsion fokussierten Traktographie-Algorithmus – Lesion-based Fibertracking (LBFT) – soll die Auswertbarkeit von Faserbahnen in der Umgebung von intrazerebralen Läsionen verbessert werden. Der Algorithmus von LBFT wird vorgestellt und das Verfahren anhand der Darstellung von Bahnen des Tractus corticospinalis (TCS) mit dem Standardverfahren verglichen. Methode In 40 Patienten mit intrazerebralen Läsionen in Nachbarschaft zu kortikospinalen Bahnen (Pyramidenbahn) wurde eine Diffusionstensor-bildgebung und fMRT basierte Faserbahndarstellung des Tractus corticospinalis auf Grundlage eines „tensor-deflection-Algorithmus“ (TEND) durchgeführt. Hierfür wurden Bahnen von den kortikalen motorischen Repräsentationen der Hand, des Fußes und der Zunge zum Hirnstamm visualisiert. Im Standardverfahren wird ein würfelförmiges Volumen – das sog. seed-Volume oder Ursprungsvolumen – im Gyrus praecentralis entsprechend der anatomischen und funktionellen Bildgebung definiert. Ein zweites würfelförmiges Volumen, lokalisiert im Hirnstamm selektiert ausschließlich Fasern welche durch beide Volumen verlaufen. Die resultierenden Fasern werden bezüglich ihres Verlaufes durch typische anatomische Landmarken kontrolliert und ggf. korrigiert. Anschließend wird das Faserbündel mittels einer Oberflächenrekonstruktionstechnik („surface rendering“) dreidimensional rekonstruiert (iPlan 2.5Cranial, BrainLab®, Feldkirchen, Germany). Für das neue Verfahren des LBFT wird die Region definiert, in welcher die Faserbahn des Standardverfahrens der Läsion am nächsten kommt und hier, um die Faserbahn des Standardverfahrens, ein neues seed-Volume platziert, welches das Standardfaserbündel um 10 mm überragt. Traktographie und Segmentierung werden analog dem Standardverfahren durchgeführt. Fasern, die nicht den Gyrus praecentralis erreichen oder nicht durch den Pedunculus cerebri verlaufen, werden eliminiert. Die Faserzahl, die Größe der Faserbahnen und die Größendifferenz zwischen den Bahnen des Standardverfahrens und LBFT werden verglichen und das Verfahren auf inter- und intra-rater Reliabilität geprüft. Ergebnisse Das Standardverfahren und LBFT waren in allen 40 Patienten durchführbar. Die Faserzahl bei LBFT erhöhte sich signifikant gegenüber dem Standardverfahren um 383,27% (p<0,0001). Der maximale Durchmesser in der Ebene, in welcher das Faserbündel der Läsion am nächsten kommt, sowie der Durchmesser in Richtung der Läsion erhöhen sich signifikant um 171,75 % bzw. 196,45 % (jeweils p<0.0001). Daraus folgt eine durchschnittliche Zunahme des Durchmessers in Richtung der Läsion um 4.48mm (± 2.35). Fazit Die Fehleinschätzung des Durchmessers und der Distanz des TCS zu subkortikalen Läsionen bei Anwendung des Standardverfahrens DTI-basierter Traktographie stellt ein erhebliches Problem in der funktionellen neurochirurgischen Operationsplanung und intraoperativen Neuronavigation dar. Durch den zusätzlichen Schritt des LBFT kann die Fehleinschätzung korrigiert und der in vorhergehenden Studien eingeforderte Sicherheitsabstand standardisiert robust und reliabel realisiert werden.
  • Objective Since introduction of indirect white matter tractography by diffusion-tensor-imaging (DTI)-based fibertracking (FT), evidence has emerged that the circumference of the resulting fiber bundle is underestimated in the vicinity of lesions with increasing distance from the seed-volume (“seed-VOI”). This uncertainty represents a major problem for perioperative planning and intraoperative neuronavigation based on DTI-data. To provide more accurate information concerning the size of the bundle near the lesion, we evaluated a standard approach for visualization of the cortico-spinal tract (CST), based on an additional Lesion-based fibertracking step. Methods In 40 patients with white matter lesions adjacent to the CST, diffusion tensor imaging (3 Tesla, 12 diff. directions) and FT (based on a tensor deflection algorithm TEND) of the CST were performed in a standardized fMRI based approach, tracing fibers from the precentral gyrus to the brainstem. The standard approach defined seed-volumes along the precentral gyrus according to anatomical and functional imaging. The second seed-volume was located in the brainstem, selecting only fibers passing through both seed-volumes. The resulting bundle was confirmed by anatomical landmarks and segmented three-dimensionally by surface rendering (iPlan 2.5Cranial, BrainLab®, Feldkirchen, Germany). For Lesion-based FT (LBFT), a new seed-volume was selected in the area with smallest distance between the lesion and the CST, incorporating the bundle from the standard approach with an additional margin of 10mm. Fiber tracking and segmentation was performed by selecting fibers reaching both, the cerebral peduncle and the precentral gyrus. The number of fibers, the size of the resulting bundles, and the gain in diameter were compared with that of standard FT. The procedure was furthermore tested for intra- and inter-observer reliability. Results Standard and Lesion-based FT succeeded in all 40 patients. Lesion-based FT lead to a significant increase in numbers of fibers by 383,27% (p<0,0001) compared to standard FT. Accordingly, the maximum diameter of the fiber-bundles and the diameter in direction of the lesion’s center increased significantly by 171,75 % and 196,45 %, respectively (p<0.0001 for both). Thus, a mean gain in diameter in direction of lesion’s center of 4.48mm (± 2.35) was observed. Conclusions The underestimation of the size of the CST and its distance to subcortical lesions by the standard approach for DTI-based fiber tracking, representing a major problem in DTI-based neuronavigation, can be reliably improved by implementing an additional tracking step. The resulting gain in the size of the visualized CST enhances the surgical safety margin, as demanded in former studies.

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Metadaten
Author:Julian Rathert
URN:urn:nbn:de:hebis:30-78807
Referee:Volker SeifertORCiD
Document Type:Doctoral Thesis
Language:German
Date of Publication (online):2010/09/09
Year of first Publication:2010
Publishing Institution:Universitätsbibliothek Johann Christian Senckenberg
Granting Institution:Johann Wolfgang Goethe-Universität
Date of final exam:2010/09/07
Release Date:2010/09/09
Tag:Diffusions-Tensor-Bildgebung; Neuronavigation; Tracktographie
Diffusion Tensor Imaging; Fibertracking; Neuronavigation
GND Keyword:Operationsvorbereitung; Pyramidenbahn; NMR-Tomographie; Anisotrope Diffusion; Neurochirurgie
HeBIS-PPN:22670064X
Institutes:Medizin / Medizin
Dewey Decimal Classification:6 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften / 61 Medizin und Gesundheit / 610 Medizin und Gesundheit
PACS-Classification:80.00.00 INTERDISCIPLINARY PHYSICS AND RELATED AREAS OF SCIENCE AND TECHNOLOGY / 82.00.00 Physical chemistry and chemical physics; Electronic structure theory of atoms and molecules, see 31.15.-p; Electronic structure theory of condensed matter, see section 71; Electronic structure theory for biomolecules, see 87.10.-e; Electronic structure of / 82.56.-b Nuclear magnetic resonance (see also 33.25.+k Nuclear resonance and relaxation in atomic and molecular physics; 76.60.-k Nuclear magnetic resonance and relaxation; 76.70.-r Magnetic double resonances and cross effects in condensed matter) / 82.56.Lz Diffusion
Sammlungen:Universitätspublikationen
Licence (German):License LogoDeutsches Urheberrecht