Visualisierung des motorischen Systems bei Patienten mit Hirntumoren durch kombinierte funktionelle Kernspinresonanz- und Diffusions-Tensor-Bildgebung

Abstract

Einleitung Raumforderungen der Zentralregion stellen für die neurochirurgische Behandlung eine besondere Herausforderung dar. Magnetresonanz- tomographische (MRT) Bildgebungsmodalitäten haben das Potential, als nicht-invasive Hirnkartierungsmethoden zur präoperative Planung und operativen Risikoverminderung beizutragen. Dabei bietet die funktionelle Magnetresonanztomographie (fMRT) wichtige Informationen über die kortikale Funktion, während die Diffusions-Tensor-Magnetresonanztomographie (DTI) die subkortikale Faserbahnarchitektur darstellt. Eine systematische Kombination dieser beiden kernspintomographischen Modalitäten für die neurochirurgische Operationsplanung bei Patienten mit Raumforderungen der Zentralregion steht aus.

Methodik Durchführung und Visualisierung von strukturellen, funktionellen und diffusionsgewichteten MRT-Aufnahmen bei Probanden und neurochirurgischen Patienten mit kortikalen und subkortikalen Raumforderungen der Zentralregion. Akquirierung von fMRT-Daten mit motorischen Paradigmen zur Darstellung des primären, motorischen Kortex und von DTI-Daten zur Traktographie des motorischen Faserbahnsystems (Pyramidenbahn). Durchführung einer klassischen Traktographie mittels, vom Untersucher vordefinierter, Landmarken (regions of interest [ROI]). Etablierung einer fMRT-basierten Traktographie der Pyramidenbahn.

Ergebnisse Erfolgreiche und bei allen Probanden (n=13) reproduzierbare Visualisierung des Motorkortex und der Pyramidenbahn durch eine fMRI-basierte DTI-Traktographie ohne die Notwendigkeit für Untersucher-definierter Landmarken (ROI). Diese neue Methode ermöglicht es im Gegensatz zur ROI-basierte DTI-Traktographie, funktionell zusammengehörige Faserbahnen innerhalb der Pyramidenbahn selektiv zu visualisieren. Hierdurch kann die somatotope Architektur der kortikalen Repräsentationsareale entlang der Faserbahnen bis zur Ebene der Capsula interna visualisiert werden. Die Methodik wird erfolgreich in das klinisches Umfeld neurochirurgischer Patienten implementiert (n=22) und liefert plausible Informationen in Bezug auf den pyramidalen Faserbahnverlauf in Relation zur Tumorlokalisation (n=18). Bei ödematös verändertem Gehirngewebe kommt es zum Abbruch des visualisierbaren Faserbahnverlaufes (n=4).

Schlussfolgerung FMRT- und DTI-Daten können für eine fMRT-basierte DTI-Traktographie der Pyramidenbahn kombiniert werden, um die individuelle, somatotope Faserbahnarchitektur zu visualisieren. Diese Methode kann auch bei neurochirurgischen Patienten mit Raumforderungen der Zentralregion eingesetzt werden und ist hier nur durch ein peri-tumorales Ödem limitiert. Dieses Verfahren stellt eine Erweiterung der neurochirurgischen Operationsplanung in der funktionserhaltenden Neurochirurgie von kortikalen und subkortikalen Raumforderungen der Zentralregion dar.

Cortico-subcortical information regarding the vicinity of cerebral tumors is essential for function preserving surgery. The combination of functional MRI (fMRI) and diffusion tensor imaging (DTI) promises to provide the information necessary to visualize the intracranial architecture of neurofunctional systems including their cortical representations and connecting fiber bundles. This study intended to implement a method to visualize functional connectivity of the motor system in the human brain by fMRI-based DTI-fiber tracking. Therefore healthy right-handed male subjects (n=13) and brain tumor patients (n=22) received a combined DTI and fMRI measurement. In all subjects, the data provided useful information concerning the intracranial architecture of the motor system. Only fiber tracking in brain tumor edema showed poor results (n=4). The presented method was able to differentiate subgroups of fiber bundles and to visualize the somatotopic architecture of the pyramidal tract. This technical feature will be particularly important for image-guided neurosurgery as well as for visualization of the individual architecture of the human brain.