Vi beskriver de skridt til at bruge vores specialdesignede software til billedbehandling integration, visualisering og planlægning i epilepsi kirurgi.
Epilepsi kirurgi er udfordrende og brugen af 3D multimodalitet billede integration (3DMMI) at hjælpe prækirurgisk planlægning er veletableret. Multimodalitet billede integration kan være teknisk krævende, og er underudnyttet i klinisk praksis. Vi har udviklet et enkelt software-platform til billedbehandling integration, 3D-visualisering og kirurgisk planlægning. Her er vores pipeline beskrevet i trin-for-trin mode, startende med billedoptagelse, fortsætter gennem billedet co-registrering, manuel segmentering, hjerne og udvinding fartøj, 3D-visualisering og manuel planlægning af stereoEEG (Seeg) implantationer. Med udbredelsen af softwaren denne rørledning kan gengives i andre centre, så andre grupper til at drage fordel af 3DMMI. Vi beskriver også anvendelsen af en automatiseret, multi-bane planlæggeren at generere stereoEEG implantation planer. Foreløbige undersøgelser tyder på det er en hurtig, sikker og effektiv supplement til planlægning Seeg implantationer. Endelig en simpel solutipå for eksport af planer og modeller til kommercielle neuronavigation systemer til gennemførelse af planer på operationsstuen er beskrevet. Denne software er et værdifuldt værktøj, der kan understøtte den kliniske beslutningsproces i hele epilepsi kirurgi vej.
I kirurgisk praksis er det afgørende for kirurgen at værdsætte anatomiske strukturer og deres rumlige relationer til hinanden i tre dimensioner. Dette er især vigtigt i neurokirurgi, hvor kirurgen arbejder i et lukket rum, med begrænset visualisering og adgang til komplekse anatomi. På trods af dette, til dato mest imaging er blevet præsenteret for kirurger i konventionel plane 2D form og forskellige billeddiagnostiske modaliteter ofte præsenteret ene efter den anden i serien. Som følge heraf har kirurgen at mentalt integrere disse data for hver patient, og placere den i en anatomisk rammer for prækirurgisk planlægning. Der er klare fordele i at generere 3D computermodeller af den enkelte patients hjerne, hvilket viser anatomien af cortex, blodkarrene, eventuelle patologiske læsioner til stede samt andre relevante 3D milepæle i samme rumlige sammenhæng 1-4. Før operationen kirurgen kan rotere og ændre gennemsigtigheden of disse modeller, fuldt ud at forstå de 3D-relationer mellem forskellige strukturer af interesse. Dette princip kaldes 3D multimodalitet imaging (3DMMI).
Formålet med præ-kirurgisk evaluering for epilepsi kirurgi er at udlede lokaliseringen af det område af hjernen, hvor anfald opstår, og sikre, at dette kan sikkert resekteres uden at forårsage betydelige underskud 5. Der er en bred vifte af billeddiagnostiske modaliteter, der bidrager til dette, herunder strukturel MRI, fluorodeoxyglukose positronemissionstomografi (FDG-PET), iktal enkelt foton emissions computeriseret tomografi (SPECT), magnetoencephalography (MEG) dipoler, funktionel MRI (fMRI) og diffusion tensor imaging (DTI) 6. Epilepsi kirurgi er velegnet til 3DMMI da det kræver den samtidige fortolkning af flere datasæt, og overvejelser om, hvordan hver datasæt vedrører en anden.
I mange tilfælde ikke-invasive undersøgelser mislykkes to give den grad af beviser, der kræves for at fortsætte til resektion. I disse tilfælde er det nødvendigt at identificere det område af hjernen, der skal fjernes for at undgå kramper intrakraniel EEG (IC EEG) optagelser. Stigende grad IC EEG udføres af en teknik kaldet SEEG, hvor en række af optagelse dybde elektroder placeres intracerebralt at fange oprindelse og udbredelse af elektrisk aktivitet associeret med kramper i 3D 1,7-10.
Det første skridt i Seeg implantationer er at udvikle strategien for implantation, der definerer de områder af hjernen, der skal udtages prøver. Dette indebærer integration af kliniske og ikke-invasiv EEG dato med strukturel billeddannelse, med enhver læsion, og funktionel billeddannelse data, udlede placeringen af kilden til epilepsi.
Det andet trin er den præcise kirurgiske planlægning af elektroden baner. Kirurgen skal sikre sikker avaskulære elektrode baner, centrering electrode indgange på kronen af gyri og fjernt fra kortikale overflade vener, og gennemkører kraniet ortogonalt. Derudover hele implantation arrangementet skal være godt udtænkt, med rimelig inter-elektrode afstand og ingen elektrode kollisioner.
Gennemførligheden af at generere 3DMMI modeller til at guide implantation af IC EEG-elektroder i en travl epilepsi kirurgi praksis er tidligere påvist 11. Vi har også påvist princippet om, at brugen af 3DMMI giver merværdi i klinisk beslutningstagning. I et prospektivt studie, videregivelse af 3DMMI ændret nogle aspekter af ledelse i 43/54 (80%) tilfælde, og specifikt ændret positionering af 158/212 (75%) af dybde elektroder 12.
Der er en række softwarepakker, der letter 3DMMI. Disse omfatter kommercielt tilgængelige neuronavigation platforme, der bruges i operationsstuen, specialiserede planlægning softwarepakker allieredemed neuronavigation platforme og forskning orienteret enkeltstående billede integration og visualisering platforme. Som funktionalitet, fleksibilitet og alsidighed af disse platforme stigning, brugbarhed og sandsynligheden for at oversætte dem til klinisk praksis tilsvarende falder.
Vi har udviklet specialdesignet software til multimodalitet billede integration, avanceret 3D-visualisering og SEEG elektrodeplacering planlægning 12,13 til behandling af epilepsi. Der lægges vægt på brugervenlighed i et klinisk scenarie, så realtid brug af software af klinikere, og hurtig integration i den kliniske pipeline. Softwaren kører på en translationel imaging platform 14, der kombinerer NiftyReg, NiftySeg og NiftyView.
I dette papir protokollen for at bruge softwaren i klinisk praksis er fastlagt. Trinene til billedet co-registrering, segmentering af områder af interesse, hjerne segmentering, udvindingblodkar fra dedikerede vaskulær billeddannelse 15, bygning 3D-modeller, planlægning Seeg implantationer og hurtigt eksportere modeller og planer til operationsstuen er beskrevet. En roman værktøj er også beskrevet til automatiseret multi-bane planlægning 13, der øger sikkerheden og effektiviteten af implantationer og væsentligt reducerer varigheden af planlægning.
Sammenfattende de afgørende skridt til billedbehandling integration og 3D-visualisering er billedet co-registrering, segmentering af hjernen, skibe og andre strukturer eller områder af særlig interesse, og eksport til et neuronavigation system. Denne proces er tidligere udført i gruppe ved hjælp kommercielt tilgængelige billede integration software. En ulempe til denne rørledning var den tid det tager, med hele processen tager 2 – 4 timer. Ved hjælp af vores in-house software platform, er denne rørledning forenklet betydeligt, og kan være afsluttet i 1 – 2 ud hr. Yderligere er der den ekstra funktionalitet kirurgisk planlægning af Seeg elektrode baner på denne software, der kan gøres manuelt eller med computer-assistance. Fordelene ved den fælles landbrugspolitik i forhold til manuel planlægning øges præcision, reduceret risiko og øget hastighed, og er blevet omtalt andetsteds (Nowell et al, In Press, Sparks et al, indsendt).
Den interne softwareplatform er i konstant ddvikling, med nye værktøjer og funktionalitet bliver tilføjet til at støtte alle stadier af prækirurgisk evaluering og kirurgisk ledelse. Der er derfor behov for grundig afprøvning ved hver ny version udgivelse. Nuværende begrænsninger i software omfatter en mangel på høj kvalitet volumen rendering, som er til stede i andre platforme og er en værdifuld tilføjelse til avanceret 3D-visualisering. Også eksporten er kun kompatibel med en udvalgt neuronavigation selskab på nuværende tidspunkt. Disse begrænsninger har ikke påvirket den kliniske anvendelighed af softwaren i vores enhed, og har ikke bremset udbredelsen af teknologien til andre centre.
Betydningen af denne software er, at det fjerner de barrierer, der tidligere grupper har nævnt som årsager til ikke at bruge 3DMMI. Løsningen giver nem at bruge værktøjer i en enkelt platform, der ikke kræver specialuddannelse eller ekspertise, er tid og omkostningseffektive og let omsættes til klinisk praksis. Vi har plans at tilføje flere nyskabelser til softwaren for at støtte Epilepsi Surgery. Endvidere kunne de metoder, let anvendes på andre områder af neurokirurgi, såsom resektion af lav kvalitet tumorer tæt på veltalende cortex, fokal læsionsdannelsen og levering af målrettede stimulation. 3DMMI og præcise kirurgiske planlægningsværktøjer vil sandsynligvis blive stadig vigtigere i moderne kirurgi, som mere udfordrende sager er taget på og så minimalt invasive behandlinger indtaste almindelig praksis.
The authors have nothing to disclose.
Dette program er blevet støttet af Ministeriet for Sundhed og Wellcome Trust Health Innovation Challenge Fund (HICF-T4-275, Programme Grant 97914). Vi er taknemmelige for Wolfson Trust og Epilepsy Society for at støtte Epilepsy Society MR-scanner. Dette arbejde blev støttet af National Institute for Health Research (NIHR) University College London Hospitals Biomedical Research Centre (BRC)
EpiNav | UCL | Inhouse software platform for image integration, segmentation, visualisation and surgical planning | |
Freesurfer | Martinos Centre for Biomedical Imaging | Software for cortical segmentation | |
S7 Stealthstation | Medtronic | Neuronavigation system | |
MeshLab | ISTI-CNR | 3D mesh processing software | |
NiftiK | UCL | Translational imaging platform | |
AMIRA | Visualisation Sciences Group | Image integration software |