Taschner, Christian A.: Zur Integration der funktionellen Magnetresonanztomographie in die navigierte Therapie cerebraler Tumoren

Aus der Klinik für Strahlenheilkunde
der medizinischen Fakultät Charité
der Humboldt Universität zu Berlin


DISSERTATION
Zur Integration der funktionellen Magnetresonanztomographie
in die navigierte Therapie cerebraler Tumoren

Zur Erlangung des akademischen Grades
Doctor medicinae (Dr.med.)

Vorgelegt der medizinischen Fakultät Charité
der Humboldt Universität zu Berlin

von: Christian A. Taschner,
aus: Brüssel, Belgien

Dekan: Prof. Dr. Dr. h.c. R. Felix

Gutachter:
1. Prof. Dr. med. N. Hosten
2. Prof. Dr. med. C. D. Claussen
3. Prof. Dr. med. K.-J. Wolf

vorgelegt am: 25. August 2000

Zusammenfassung

Einleitung:
ie Kraniotomie mit umfassender Tumorresektion bleibt Therapie der Wahl zur Behandlung von Hirntumoren. Bei der geforderten Radikalität des therapeutischen Vorgehens kommt der präoperativen Lokalisationsdiagnostik eloquenter Hirnareale eine besondere Bedeutung zu. In der vorliegenden Arbeit wird ein Verfahren vorgestellt, daß den präzisen Übertrag der Ergebnisse funktioneller MRT-Studien in die Therapie von Hirntumoren ermöglicht. Desweiteren wird das klinische Potential der fMRT untersucht. In einem hierarchischem System erfolgt die Beurteilung der klinischen Wirksamkeit der Methode zur präoperativen Lokalisationsdiagnostik eloquenter Hirnareale bei Patienten mit Hirntumoren.

Methode:
ei 40 Patienten mit supratentoriellen Hirntumoren wurden insgesamt 144 präoperative funktionelle MRT-Studien durchgeführt. Die Bewertung der klinischen Wirksamkeit erfolgte in einem hierarchischem Modell unter Betrachtung der aufgeführten Dimensionen:

  1. Ebene: Technische Wirksamkeit
  2. Ebene: Wirksamkeit in Bezug auf die diagnostische Genauigkeit
  3. Ebene: Wirksamkeit in Bezug auf das diagnostische Denken
  4. Ebene: Therapeutische Wirksamkeit
  5. Ebene: Wirksamkeit in Bezug auf das Patient-Outcome
  6. Ebene: Wirksamkeit in Bezug auf die Gesellschaft
ie Ergebnisse der funktionellen MRT-Untersuchungen wurden in ein neurochirurgisches Navigationssystem eingebracht. Intraoperativ besteht für den Operateur die Möglichkeit sich die Lagebeziehung zu den gekennzeichneten Arealen in das Okular des Operationsmikroskop einzuspielen.

Ergebnisse:
Das geschilderte Verfahren ermöglicht die navigierte Operation von Hirntumoren unter besonderer Berücksichtigung eloquenter- das heißt funktionstragender Hirnareale. Die beschriebene Methode zur Integration der fMRT weist ein hohe Praktikabilität auf. Wie diese Arbeit zeigen konnte, erbringt die fMRT als Methode auch bei Patienten mit Hirntumoren für die klinische Anwendung ausreichend zuverlässige Ergebnisse.

Schlussfolgerung:

  1. Mit dem geschilderten Verfahren gelingt die zuverlässige Integration von fMRT-Daten in die Therapie von Hirntumoren.
  2. Die fMRT ist für den klinischen Einsatz zur präoperativen Lokalisation eloquenter Hirntumoren mit Einschränkungen geeignet.

Schlagwörter:
funktionelle MRT, BOLD-Effekt, navigierte Therapie, Hirntumoren, Wirksamkeitsanalyse

Abstract

Introduction:
Craniotomy and maximal tumour resection remains the major therapy in patients with brain tumours. Preoperatively it is of great importance to identify eloquent brain areas. In this study we develop a method which allows the precise integration of functional MR-data into the therapy of brain tumours. Additionally we investigated the diagnostic potential of functional MRI in a clinical setting. We were assessing the effectiveness of functional MRI in patients with brain tumours in a hierarchical system.

Methods:
We performed 122 preoperative, functional MRI studies in 40 patients with supratentorial brain tumours. We evaluated the effectiveness in a hierarchic model.

  1. 1. level: technical effectiveness
  2. 2. level: diagnostic effectiveness
  3. 3. level: diagnostic effectiveness
  4. 4. level: therapeutical effectiveness
  5. 5. level: patient-outcome
  6. 6. level: society

The acquired parametric maps were integrated into a neurosurgical navigation system. Intraoperatively the neurosurgeon can have the localisation of functional brain areas displayed within the optical system of the microscope.

Conclusion:

  1. 1. The described approach allows image guided neurosurgery paying special attention to eloquent brain areas. The method is very practicable and reliable.
  2. 2. As we could demonstrate in our work, the functional MRI is sufficiently robust for clinical application

Keywords:
functional MRI , brain tumours, BOLD-effect, effectuality analysis


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Inhaltsverzeichnis

TitelseiteZur Integration der funktionellen Magnetresonanztomographie in die navigierte Therapie cerebraler Tumoren
1 Einleitung und Herleitung der Fragestellung
1.1 Die Untersuchung der funktionellen Organisation des menschlichen Gehirns
1.2 Die technischen Grundlagen der funktionelle Magnetresonanztomographie
1.3 Physikalische und neurophysiologische Grundlagen der funktionellen MRT
1.4 Die wissenschaftliche Bedeutung der funktionellen MRT
1.5 Die Therapie cerebraler Tumoren
1.6 Neuronavigation: Zugangsplanung und Stereotaxie
1.7 Zur Bewertung diagnostischer und therapeutischer Methoden
2 Methode
2.1BOLD- Effekt und apparative Voraussetzungen zur Darstellung
kortikaler Aktivierung in der MRT
2.2 Postprocessing, Bildfusion
2.3 Neuronavigation
2.4 Wirksamkeitsanalyse der fMRT bei Hirntumorpatienten
2.4.1Ebene: Technische Wirksamkeit
2.4.2Ebene: Wirksamkeit auf die diagnostische Genauigkeit
2.4.3Ebene: Wirksamkeit auf das diagnostische Denken
2.4.4Ebene: Therapeutische Wirksamkeit
2.4.5Ebene: Wirksamkeit in Bezug auf das Patient-Outcome
2.4.66. Ebene: Wirksamkeit in Bezug auf die Gesellschaft
2.5 Biometrie, Datenverarbeitung und Dokumentation
3 Ergebnisse
3.1 1. Ebene: Technische Wirksamkeit
3.2 2. Ebene: Wirksamkeit in Bezug auf die diagnostische Genauigkeit
3.2.1Analyse der Ausgangspopulation
3.2.2Analyse der Untersuchungsbedingungen
3.2.3Analyse der diagnostischen Versager
3.3 3. Ebene: Wirksamkeit in Bezug auf das diagnostische Denken
3.4 4. Ebene: Therapeutische Wirksamkeit
3.5 5. Ebene: Wirksamkeit in Bezug auf das Patient-Outcome
3.5.1Merkmale der Ausgangspopulation
3.5.2Postoperative Überlebenszeit
3.5.3 Der Einfluss der fMRT auf das postoperative funktionelle Ergebnis
3.6 Ebene: Wirksamkeit in Bezug auf die Gesellschaft
4 Diskussion
4.1 1. Ebene: Technische Wirksamkeit
4.2 2. Ebene: Wirksamkeit in Bezug auf die diagnostische Genauigkeit
4.3 3. Ebene: Wirksamkeit in Bezug auf das diagnostische Denken
4.4 4. Ebene: Therapeutische Wirksamkeit
4.5 5. Ebene: Wirksamkeit in Bezug auf das Patient-Outcome
4.6 6. Ebene: Wirksamkeit in Bezug auf die Gesellschaft
5 Zusammenfassung
Bibliographie Literaturverzeichnis
Danksagung

Tabellenverzeichnis

Tabelle 1: In dieser Arbeit untersuchte Patientenkollektive
Tabelle 2: Verteilung der Tumoren bei den Patienten die eine präoperative fMRT-Untersuchung erhielten
Tabelle 3: Plausibilität der nachgewiesenen Aktivierung und deren Lageverhältnis zum Hirntumor
Tabelle 4: Häufigkeitstabelle für Tumorentität
Tabelle 5: Verteilung von Geschlecht, Alter und neurologischem Status der Patienten sowie Malignitätsgrad der Tumorenrkrankung

Abbildungsverzeichnis

Abbildung 1: T2* betonte Bilder. Eine funktionelle Untersuchung besteht aus 40 solcher Aufnahmen, die in 5 Schichten mit einer Akquisitionszeit zwischen 5-7 Sekunden pro dynamischem Scan gemessen werden.
Abbildung 2: Verlauf der Signalintensität im weiss gekennzeichneten Volumen. Bei dem Patienten wurde ein links parietal gelegenes Glioblastom diagnostiziert. Die kortikale Aktivierung erfolgte durch „finger tapping“ der linken Hand.
Abbildung 3: Einfacher Übertrag eines mit dem gewählten Paradigma hochkorrelierten Areals auf eine T1 betonte anatomische Darstellung beim selben Patienten. Bei dieser Untersuchung bei einem Patienten mit einem links parietal gelegenen Glioblastom wurde das primärmotorische Handareal der rechten Hand aktiviert.
Abbildung 4: Darstellung eines fusionierten Datensatzes. Die funktionellen Informationen, hier die Lage des motorischen Handareals der rechten Hand bei einem 14-jährigen Mädchen mit Cavernomen links frontal sowie im Gyrus praecentralis links, finden sich als weiß gekennzeichnetes Volumen in den T1-betonten Datensatz integriert. Der navigierte, neurochirurgische Eingriff wurde auf diesem fusionierten Datensatz basierend durchgeführt. Man beachte die Klebemarker links frontal und parietal.
Abbildung 5: Navigationssystem MKM mit Operationsmikroskop, Roboterarm und Bedienkonsole
Abbildung 7: 3D-Oberflächenrekonstruktion des anatomischen, T1 betonten Datensatzes. Hier sind die Oberflächenmarker, über die die Referenzierung, d.h. die Verbindung der räumlichen Information aus dem Datensatz mit den Verhältnissen am Patienten erfolgt, deutlich erkennbar.
Abbildung 8: Planung des operativen Eingriffs bei einem links temporal gelegenen, zystischen Gliom im Programm STP. In der 3-D-Rekonstruktion ist das motorische Sprachareal als rotes Volumen dargestellt. Der rote Pfeil entspricht der Trajektorie in der optischen Achse des Operationsmikrokops.
Abbildung 9: Strukturen, die für den operativen Eingriff von Bedeutung sind können durch das Programm STP im Datensatz gekennzeichnet werden und in allen drei Raumebenen sowie der Trajektorie des OP-Mikroskops betrachtet werden. In diesem Fall wurde ein rechts parietal gelegenes Gliom II° operiert. Das motorische Handareal der linken Hand findet sich als weiss markiertes Volumen in den Datensatz integriert.
Abbildung 10: Intraoperative Einstellung aus dem Okular des Operationsmikroskops bei der operativen Entfernung eines links temporal gelegenen zystischen Meningeoms. Der Tumor ist als grosse, zentrale Kontur wiedergegeben. Die Entfernung der Zielstruktur vom Fokus des Operationsmikroskop beträgt 13,2 mm. Das motorische Sprachzentrum liegt lateral des Tumors und ist in dieser Ansicht als rautenförmige Kontur wiedergegeben.
Abbildung 11: Geschlecht der durch fMRT untersuchten Patienten
Abbildung 12: Altersverteilung der untersuchten Patienten
Abbildung 13: Lokalisation der Tumoren bei den Patienten, die eine präoperative fMRT erhalten haben
Abbildung 14: Lagebeziehung zwischen untersuchten eloquenten Arealen und dem vorliegendem Hirntumor
Abbildung 15: Histologische Diagnosen in der Gruppe der diagnostischen Versager
Abbildung 16: Lagebeziehung eloquenter Areale zum vorliegendem Tumor in der Gruppe der diagnostischen Versager
Abbildung 17: Aktivierte Hirnareale in der Gruppe der diagnostischen Versager
Abbildung 18: Lage der aktivierten Areale/ eloquenten Areale im Verhältnis zum Tumor
Abbildung 19: Erfolgsquoten der einzelnen Paradigmen
Abbildung 20: Erfolg der fMRT in Abhängigkeit von der Tumorerkrankung
Abbildung 21: Einfluss der Tumorhistologie auf das Gelingen einer fMRT bei direkter Lagebeziehung von funktionellem Hirnareal und Tumor
Abbildung 22: Einfluss der Tumorhistologie auf das Gelingen einer fMRT bei fehlender Lagebeziehung von funktionellem Hirnareal und Tumor
Abbildung 23: Lagebeziehung der bei den einzelnen Patienten nachgewiesenen eloquenten Areale zum operierten Tumor
Abbildung 24: Weiteres diagnostisches bzw. therapeutisches Vorgehen bei 40 Patienten, die eine präoperative funktionelle Magnetresonanztomographie erhalten haben
Abbildung 25: Analyse von Tumorlokalisation und -histologie bei den Patienten, die keine weitere chirurgische Therapie erhalten haben
Abbildung 26: Altersverteilung der Patienten die 1997 und 1998 an Hirntumoren operiert wurden
Abbildung 27: Geschlechtsverteilung der Patienten die 1997 und 1998 an Hirntumoren operiert wurden
Abbildung 28: Vergleich des prä- (1.Säule) und postoperativen (2.Säule) neurologischen Status bei 244 operierten Patienten, nach Tumoren geordnet
Abbildung 29: Funktionelles Ergebnis neurochirurgischer Eingriffe bei 244 operierten Patienten in Abhängigkeit von der Tumorerkrankung
Abbildung 30: Postoperative Überlebenszeit von n= 71 im Jahre 1997 an Hirntumoren operierten Patienten bei gemittelten Kovariaten
Abbildung 31: Postoperative Überlebenszeit von n= 71 im Jahre 1997 an Hirntumoren operierten Patienten in Abhängigkeit von der Malignität des vorliegenden Tumors
Abbildung 32: Postoperative Überlebenszeit von n= 71 im Jahre 1997 an Hirntumoren operierter Patienten in Abhängigkeit vom präoperativen neurologischen Status
Abbildung 33: Funktionelles Ergebnis und präoperatives fMRT

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