Etwa 7000 Menschen erkranken in Deutschland pro Jahr an einem bösartigen Hirntumor. Bei vielen dieser Patienten ist die mikrochirurgische Resektion des pathologischen Gewebes ein wesentlicher Baustein der Therapie. Doch trotz vielfältiger technischer Unterstützungssysteme ist die Hirntumorchirurgie eine der anspruchsvollsten chirurgischen Disziplinen. Dieser Umstand ist u. a. der Tatsache geschuldet, dass entstandene Schäden am Hirngewebe meist irreversibel sind und somit postoperativ zu funktionellen Beeinträchtigungen bei den Patienten führen können. Erschwerend kommt weiterhin hinzu, dass pathologisch verändertes und funktionell intaktes Hirngewebe vor allem bei niedergradigen Gliomen visuell kaum voneinander unterscheidbar sind. Für das postoperative Outcome der Patienten ist sowohl das Ausmaß der Resektion, als auch die Vermeidung von funktionellen Defiziten von essenzieller Bedeutung. Zahlreiche Studien belegen eine deutlich verlängerte Überlebenszeit bei vollständiger Entfernung des Tumorvolumens und gleichzeitiger Vermeidung von durch den Eingriff verursachten neuen funktionellen Defiziten. Primäres Ziel ist daher die möglichst vollständige Entfernung des Tumors bei Erhalt der Hirnfunktion. Zur Unterstützung während dieses Entscheidungsprozesses besteht der Bedarf für vor allem intraoperativ anwendbare Verfahren und Methoden, die mit geringem Aufwand einsetzbar sind und Informationen über Morphologie und/oder Funktion bereitstellen können. Die optische Bildgebung (IOI / Intraoperative Optical Imaging) stellt eine Möglichkeit dar während der Intervention spezifische Hirnfunktionen zu visualisieren. Ursprünglich primär zu Forschungszwecken im Tiermodell eingesetzt, konnte in der Vergangenheit das Potenzial der Methode bei dem Einsatz im klinischen Umfeld gezeigt werden. Ausgehend von diesen Ergebnissen sollten in dieser Arbeit nun zum einen die Methode zur Darstellung der funktionellen Hirnareale weiter optimiert, die Integration in das klinische Umfeld vorangetrieben sowie das Potenzial der Bildgebung in weiteren Anwendungsfeldern evaluiert werden. Zentrale Fragestellungen die untersucht wurden, waren die Evaluation des Nutzens der IOI bei Wachkraniotomien zur Identifikation von Motor- und Spracharealen sowie zum anderen die Optimierung der bisherigen Auswerte- und Visualisierungsmethodik in Hinblick auf eine Maximierung des Informationsgewinns durch die genauere Charakterisierung der hämodynamischen Antwortfunktion. Weiterhin wurde untersucht inwieweit die in klinischer Routine vorhandene Mikroskopkameratechnik zur Anwendung der IOI geeignet ist. Neben diesen Fragestellungen ist auch die Abgrenzung von Tumorgewebe Gegenstand dieser Arbeit. Ausgehend von der Tatsache, dass sich pathologische Veränderungen u. a. auch in einer gestörten neurovaskulären Kopplung manifestieren, wurde untersucht, ob die direkte elektrische Stimulation (DCS) der Hirnoberfläche in Kombination mit der IOI geeignet ist, diese zu testen und somit funktionell intaktes und pathologisch verändertes Gewebe während der Operation zu differenzieren. Die Bewertung der IOI bei Wachoperationen erfolgte an einem Kollektiv aus insgesamt 10 Patienten. Hierbei wurden die mittels IOI aktivierten Areale qualitativ mit den präoperativ aufgezeichneten fMRT-Daten, sowie den intraoperativen Ergebnissen der Sprachtestung durch die direkte elektrische Stimulation verglichen. Zur funktionellen Aktivierung der Sprachareale wurden von den Patienten während der Aufnahmen Objektbenennungsaufgaben durchgeführt. Weiterhin fanden Untersuchungen zum Einsatz der IOI zur Generierung von visuellem Feedback während der Sprachkartierung statt. Zur Beantwortung der Eignung der RGB-Kamera für die IOI, wurden Messungen an insgesamt acht Patienten durchgeführt, bei denen der primär sensorische Kortex durch Stimulation des N. medianus aktiviert wurde. Die Aufnahmen der RGB-Kamera erfolgten hierbei parallel zu dem bisher genutzten Standardsystem, welches durch Lichtwellenlängenfilterung bei einem isosbestischen Punkt der Hämoglobinabsorption (568 nm) sensitiv für Änderungen des zerebralen Blutvolumens ist. Die aus den einzelnen Farbkanälen berechneten Aktivitätskarten der RGB-Kamera wurden mit der Aktivitätskarte des Standardsystems verglichen, um eine Aussage über die dominierende physiologische Signalkomponente in den einzelnen Farbkanälen zu treffen. Die bisherigen Auswertealgorithmen für die Darstellung funktioneller Areale basieren auf einem Ansatz, welcher die Fouriertransformation nutzt, um die Amplitude der Stimulationsfrequenz in den Bilddaten zu identifizieren. Dieser Ansatz wurde derart optimiert, dass zusätzlich zur Amplitudeninformation nun auch die Phaseninformation des Signals berücksichtigt wird. Somit können die hämodynamischen Vorgänge bei Aktivierung der entsprechenden Hirnareale genauer charakterisiert werden. Diese neue Auswertung und Visualisierung wurde zur Untersuchung der Aufnahmen von insgesamt 22 Patienten genutzt. Hierbei wurden die Aktivierungen nach elektrischer, taktiler und visueller Stimulation sowie die Aktivierung nach Durchführung von Sprachaufgaben bei Wachkraniotomien untersucht. Die Ergebnisse wurden u. a. mittels Phasenwinkelverteilungen in Form von Polarhistogrammen quantifiziert. In Hinblick auf die Differenzierung zwischen Tumor- und Normalgewebe wurden die Änderungen des zerebralen Blutvolumens, nachfolgend auf insgesamt 19 elektrische Stimulationen der Hirnoberfläche bei drei Patienten, mittels IOI beobachtet und die in den aktivierten Arealen gemessenen Reflektanzänderungen anschließend hinsichtlich Amplitude und Dauer quantifiziert. Das Ausmaß der aktivierten Areale wurde dazu mittels Differenzbildberechnung aus der gemittelten Reflektanz der Hirnoberfläche vor Stimulationsbeginn und der Reflektanz direkt nach Stimulationsende bestimmt. Bei dem Einsatz der IOI während Wachoperationen war die Identifizierung von primär motorischen Arealen in guter Übereinstimmung zu den präoperativen fMRT-Daten möglich. Die Auswertung der Daten zur Lokalisierung der Sprachareale ergab, dass bei 5 von 8 Patienten grundsätzlich zwar eine Übereinstimmung zum fMRT sichtbar war, gerade aber in Bezug zu den Ergebnissen der intraoperativen Sprachkartierung mit DCS die Ergebnisse beider Modalitäten (fMRT und IOI) nicht spezifisch genug für eine intraoperative Entscheidungsfindung sind. Die Verwendung einer RGB-Kamera für die Bildgebung ist prinzipiell möglich und kann die Integration der Methode in die operativen Abläufe vereinfachen. Bei allen 8 Patienten ließen sich aus den Daten der Farbkamera Aktivitätskarten berechnen, die eine Abgrenzung des Handareals auf dem primär sensorischen Kortex erlaubten. Bezüglich der Lokalisation der Aktivierung zeigten Blau- als auch Grünkanal die höchste Übereinstimmung mit den Daten des Standardsystems bei 568 nm. Eindeutige Unterschiede in den durch verschiedene Stimulationen ausgelösten hämodynamischen Reaktionen konnten mittels der in dieser Arbeit eingesetzten Phasenauswertung beobachtet werden. Speziell die auf die elektrische Stimulation am N. medianus folgende hämodynamische Antwort grenzt sich bezüglich ihrer temporalen Charakteristik gegenüber den Antworten nach taktiler und visueller Stimulation ab. Während der Stimulationsphasen kam es hierbei zu einer Reduktion des zerebralen Blutvolumens. Sowohl bei der taktilen, als auch bei der visuellen Stimulation zeigte sich eine Zunahme des Blutvolumens während der Stimulation. Die Auswertung der aktiven Sprachproduktion ergab sowohl Areale mit zunehmendem, als auch Areale mit abnehmendem Blutvolumen. Im Rahmen der Untersuchungen zur Gewebeabgrenzung mittels IOI und DCS konnten signifikante Unterschiede zwischen Tumor und morphologisch unverändertem, also mutmaßlich funktionell intaktem Hirngewebe beobachtet werden. Nach der elektrischen Stimulation zeigten sich auf Tumorgewebe in ihrer Amplitude deutlich geminderte optische Änderungen wohingegen auf mutmaßlich funktionell intaktem Hirngewebe eine deutliche hämodynamische Reaktion auf den Stimulus zu beobachten war. Die Ergebnisse verdeutlichen, dass die IOI als universelles Werkzeug bei einer Vielzahl von Anwendungsgebieten in der Neurochirurgie eingesetzt werden kann. Der methodeninhärente Vorteil liegt in der einfachen Anwendbarkeit und unkomplizierten Integration in die operativen Abläufe. Basierend auf den Ergebnissen der Arbeit scheint neben der Identifikation funktioneller Areale vor allem die Kombination von IOI und DCS vielversprechend. Hier kann die IOI zum einen zur Generierung von visuellem Feedback im Rahmen der intraoperativen Sprachkartierung genutzt werden und zum anderen bei Eingriffen unter Vollnarkose zur Gewebedifferenzierung. Die in der Arbeit weiterentwickelte funktionelle Auswertung erlaubt die genauere Charakterisierung der hämodynamischen Antwortfunktion auf verschiedene Stimuli und somit die Nutzung der Methode zum Erlangen vom grundlegendem Wissen über die Funktionsweise von kortikalen Prozessen. / Approximately 7000 people in Germany are diagnosed with a malignant brain tumor each year. For many of these patients, microsurgical resection of the pathological tissue is an essential component of the therapy. However, despite a variety of technical support systems, brain tumor surgery is one of the most challenging surgical disciplines. This is primary due to the fact, that damage to the brain tissue is usually irreversible, and can therefore lead to postoperative functional impairment. Another complicating factor is that pathologically altered and functionally intact brain tissue are visually almost indistinguishable from each other, especially in low-grade gliomas. For the postoperative outcome of patients, both, the extent of resection, and the avoidance of functional deficits, are of essential importance. Several studies demonstrate a significantly prolonged survival time with complete removal of the tumor volume while simultaneously avoiding new functional deficits caused by the surgery. Therefore, the primary goal is to remove the tumor as completely as possible while preserving brain function. To assist during this decision-making process, there is a need for intraoperative procedures and methods that can be used with minimal effort to provide information about morphology and function of cortical structures. Intraoperative Optical Imaging (IOI) is a technique that allows the visualization of specific brain function during the surgical intervention. Initially used mainly in animal models, developments in the past revealed the potential of IOI in a clinical setting. Based on those results, the scopes of this work are the further development of the method for visualization of functional brain areas, advancements in integration of IOI into surgical environment, and the development of new fields of application in neurosurgical interventions. In detail, this work investigates the use of IOI in awake surgery for identification of motor and speech areas. Another question addressed is the in depth characterization of the hemodynamic response, following functional stimulation. Therefore, new methods for data evaluation and visualization are developed. The integration of IOI into the clinical workflow and routine is essential for a successful application. Here, the potential use of the microscope integrated camera hardware is investigated to answer the question, whether it can be used for imaging. Besides the identification of functional areas, tissue differentiation is of major importance during tumor resection. Therefore, this work evaluates whether direct electrical stimulation (DCS) is suited, to delineate different tissue types (functional intact and tumor tissue), by evaluating the hemodynamic response following to the stimulation, using the IOI technique. This follows the hypothesis, that tumor tissue is in most cases characterized by an impaired neurovascular coupling and therefore by a limited response to electrical stimulation. IOI during awake surgery was evaluated by performing measurements on a total of 10 patients. Localization of IOI activation was compared towards preoperative acquired fMRI data, as well as towards intraoperative DCS language mapping. Object naming tasks were performed by the patients, to activate the corresponding language areas. Additionally, the use of IOI as a feedback tool during DCS mapping was investigated. Here, IOI was used to visualize the spatial extent of each single stimulation. The suitability of microscope integrated RGB camera for IOI was investigated by performing measurements on 8 patients, that underwent surgery near the central region. Activation of hand area on primary sensory cortex was triggered by electrical stimulation of the median nerve while patients were under general anesthesia. Measurements with an RGB camera were performed parallel to the standard research hardware setup, which uses a light wavelength filter (568 nm) that makes the system sensitive to changes in cerebral blood volume. Activity maps, calculated from the data of each RGB camera color channel, were compared, to the activity maps calculated from light wavelength filtered image data. The current algorithms for IOI data evaluation use a Fourier-based approach to localize the activated brain region based on the amplitude of the stimulation frequency component. This approach was refined in this work to incorporate besides the amplitude also the phase of the stimulation frequency component. This allows a more precise characterization of the hemodynamic processes during activation. The refined approach was used to evaluate 22 patient measurements. Datasets from electrical, tactile, visual, and speech activation were investigated. Results were quantitatively assessed using, among other things, the phase angle distribution visualized as polarhistograms. Regarding the differentiation between functional impaired tumor and functional intact non-tumor brain tissue, changes in cerebral blood volume from 19 direct electrical stimulations of three different patients were recorded and evaluated with IOI. The extent of the activated regions as well as the amplitude and duration of reflectance / hemodynamic changes were quantized. Therefore, a difference imaging technique was implemented. During awake surgery, the identification of primary motor areas with IOI was possible in good agreement with preoperatively acquired fMRI data. The evaluation of speech activation revealed that, although in 5 out of 8 cases a partial agreement between IOI and fMRI was visible, the results of both modalities (IOI as well as fMRI) are too unspecific to be useful for surgical decision-making. Here, DCS will remain the method of choice. The use of an RGB camera for IOI is generally possible and allows an easy integration of the method into the surgical workflow. Evaluation of data from all 8 patients, showed that color camera data is suitable to calculate activity maps that allow the identification of the median nerve area on primary sensory cortex. Regarding the localization of activation, activity maps calculated from green and blue channel data showed the highest agreements towards the CBV maps acquired at 568 nm. Using the refined evaluation protocol that considers the phase information of the optical signal, significant differences were found in the hemodynamic responses following the different stimulation types. Especially the evaluation of the hemodynamic response after electrical median nerve stimulation revealed distinct characteristics. Here, a decrease in CBV during stimulation trials was visible, whereas the hemodynamic responses after tactile as well as visual stimulation were characterized by an increase of CBV during stimulation trials. The evaluation of speech activations, revealed locally adjacent areas with CBV increase as well as with CBV decrease. Evaluation of optical changes of the brain surface after DCS revealed significant differences, dependent of the underlying type of tissue. The stimulation of functional impaired tumor tissue triggered a hemodynamic response that was, compared towards the stimulation of presumably functional intact cortical tissue, reduced in amplitude as well as in its spatial extent. The results of this work illustrate the potential of IOI in a wide variety of applications during neurosurgical intervention. The inherent advantage of the method is its ease in use and the easy integration into clinical workflow and environment. Based on the results of this work, the combination of IOI and DCS seems, besides the identification of functional areas, especially promising. IOI can be used here to either generate visual feedback for DCS during speech mapping in awake surgery, or it can be used to differentiate between tissue types by assessment of neurovascular coupling, even under general anesthesia of the patients. The algorithms for functional data evaluation developed in this work, allow a more precise characterization of the hemodynamic response. Therefore, IOI enables the user to gain fundamental knowledge about cortical hemodynamics and processes. Future work should address each of these presented use cases to address the open questions arising from this initial work on the extended fields of application for IOI.
| Identifer | oai:union.ndltd.org:DRESDEN/oai:qucosa:de:qucosa:86450 |
| Date | 12 July 2023 |
| Creators | Oelschlägel, Martin |
| Contributors | Sobottka, Stephan B., Morgenstern, Ute, Technische Universität Dresden |
| Source Sets | Hochschulschriftenserver (HSSS) der SLUB Dresden |
| Language | German |
| Detected Language | German |
| Type | info:eu-repo/semantics/publishedVersion, doc-type:doctoralThesis, info:eu-repo/semantics/doctoralThesis, doc-type:Text |
| Rights | info:eu-repo/semantics/openAccess |
| Relation | https://doi.org/10.3171/2019.11.FOCUS19759, https://doi.org/10.1515/cdbme-2015-0066, https://doi.org/10.1002/hbm.25674, https://doi.org/10.1515/bmt-2017-0156 |
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