Διαγνωστική νευροαπεικόνιση: συνδεσιμότητα κύριων και αναπληρωματικών περιοχών λειτουργικού μαγνητικού συντονισμού (fMRI) με τον τανυστή διαχύσεως (DTI)

Abstract

SUMMARYObjective: The objective of the current study is the identification of the main and supplementary motor and speech areas of the human brain with the use of fMRI, as well as the connections between them with bundles of white matter with the use of DTI in patients as part of the preoperative planning.Materials and methods: The study contained two groups. The first one was the control group, consisting of 6 healthy volunteers, 4 males and 2 females, with an average age of 40±4 years, and was used in order to choose the most efficient motor and lingual tests of fMRI for the main study. The main study group consisted of 36 patients, 20 males and 16 females, aged 40±12,3 with brain pathology in the setting of the preoperative planning. The patient selection was performed in the General National Hospital of Athens «G. Gennimatas», whereas the fMRI examination took place in a specialized radiology center. All the patients were subjected to classic MRI studies (Τ1,Τ2, Τ2 *,T2 flair, BRAVO).Also DWI, DTI 25 directions 1000b and brain mapping with the method of fractional anisotropy were performed, and were used for the tractography. The scanner was 1,5 Tesla GENERAL ELETRIC, and the fMRI DICOM were proccesed in a work station. The tractography was performed with the Brainance programm (Advantis medical imaging, Eindhoven). With the use of the gathered data the main white matter tracts (arcuate fasciculus, optic radiation, corpus callosum, inferior frontoccipital fasciculus, inferior and superior longitudinal fasciculus, corticospinal tract, U fibers and cingulate fasciculus) were visualized. The main and supplementary areas of every fMRI test were recorded, and were checked for connections. These were categorized with qualitative (presence or not of connections) and quantitative (no connection-sparse-many-a lot) criteria. The statistical analysis was done with the use of the SPSS statistical package. Results: A statistical significant connection was seen in many tests between the demographic data (eg age, diagnosis, pathological area) and the presence of main and supplementary areas. This was mainly seen in speech, and especially in the opposite words and word generation tests. An increased percentage of connections were seen in the speech tests. These consist of functional as well as anatomical connections and are mainly represented by the superior longitudinal fasciculus and its four subgroups, either partially or throughout its course. In the parroting test the patients with both main activation areas in fMRI had more connections between the main areas than patients with only one (p<0.001). Also these connections were considerably more numerous (p=0.011). In the left hand finger tapping test the size of the pathology had a statistical significant relation with the connections between the the main areas (p=0.021). The bigger the area the more the connections depicted. A statistically significant result was also seen between the gender and the supplementary areas connections in the word generation and left foot motion tests. More specifically men showed less connections than women. On the other hand at the left hand finger tapping tests men had statistically more connections between main and supplementary areas (p=0.046).Concusions: The study of complicated neuronal networks like the brain, is feasible with the use of fMRI, DTI and fMRI-DTI fusion. In the current study important structural and functional connections between the main activation areas were seen, as well as between the main and supplementary areas in both spech and motion. Despite this, the visualization of the connections depends on the efficiency of the software, whereas in the preoperative planning it has a prognostic value whithout however significanrtly affecting the course of surgery.

Σκοπός: Η παρούσα μελέτη σκοπό έχει την ανάδειξη των κύριων και των αναπληρωματικών περιοχών του λόγου και της κίνησης του εγκεφάλου με την χρήση της fMRI και των συνδέσεων μεταξύ τους με δεμάτια λευκής ουσίας που αναδεικνύονται με την μέθοδο του DTI σε ασθενείς στα πλαίσια προεγχειρητικού ελέγχου. Υλικό και μέθοδος: Στην μελέτη συμπεριλήφθησαν μια ομάδα 6 υγιών εθελοντών, 4 άντρες και 2 γυναίκες, με μέση ηλικία τα 40±4 έτη προκειμένου να επιλεχθούν οι καταλληλότερες δοκιμασίες λειτουργικού μαγνητικού συνονισμού για την κυρίως μελέτη και 36 ασθενείς με παθολογία του εγκεφάλου, 20 άντρες και 16 γυναίκες, στα πλαίσια προεγχειρητικού ελέγχου με μέση ηλικία τα 40±12,3 έτη. Η επιλογή των ασθενών έγινε στο Γενικό κρατικό νοσοκομείο Αθηνών «Γ. Γεννηματάς», ενώ η ειδική εξέταση της fMRI πραγματοποιήθηκαν σε ειδικό κέντρο απεικόνισης του εγκεφάλου. Όλοι οι ασθενείς υποβλήθηκαν σε μελέτη με ακολουθίες του κλασικού μαγνητικού συντονισμού (Τ1,Τ2, Τ2 *,T2 flair, επιπλέον ακολουθίες BRAVO χρήσιμες για τον προεγχειρητικό σχεδιασμό). Επίσης ακολουθίες DWI, DTI 25 directions 1000b, και χαρτογράφηση του εγκεφάλου με την μέθοδο της κλασματικής ανισοτροπίας, που χρησιμοποιήθηκαν για το λογισμικό επεξεργασίας και της πραγματοποίησης της δεσμιδογραφίας. To μηχάνημα (scanner) όπου διενεργήθηκαν οι εξετάσεις ήταν της εταιρείας GENERAL ELETRIC με ισχύ 1,5 Tesla. Τα δεδομένα (DICOM) της fMRI επεξεργάστηκαν σε ειδικό σταθμό εργασίας με την χρήση εξειδικευμένου προγράμματος. Η δεσμιδογραφία και η επεξεργασία των εικόνων πραγματοποιήθηκε με την χρήση του προγράμματος Brainance (Advantis medical imaging, Eindhoven). Τα δεδομένα που προέκυψαν χρησιμοποιήθηκαν για την ανατομική ανάδειξη των κύριων, με βάση την διεθνή βιβλιογραφία, δεσμίδων (τοξοειδής δεσμίδα, οπτική ακτινοβολία, μεσολόβιο, κατώτερη μετωποϊνιακή δεσμίδα, κατώτερη και ανώτερη επιμήκης δεσμίδα, φλοιονωτιαίος άξονας, δεσμίδες U και αγκιστρωτή δεσμίδα). Σε κάθε δοκιμασία έγινε καταγραφή των κύριων και αναπληρωματικών περιοχών και στη συνέχεια έλεγχος για συνδέσεις των κύριων περιοχών μεταξύ τους, των αναπληρωματικών περιοχών μεταξύ τους καθώς και μεταξύ κύριων και αναπληρωματικών περιοχών. Αυτές καταγράφηκαν τόσο με ποιοτικά (παρουσία ή όχι συνδέσεων) αλλά και ποσοτικά (καθόλου-αραιές-πολλές-πάρα πολλές) κριτήρια. Ακολούθησε στατιστική ανάλυση των δεδομένων και η μελέτη των μεταβλητών μας έγινε με την χρήση του στατιστικού πακέτου SPSS. Αποτελέσματα: Διαπιστώθηκαν στατιστικά σημαντικά αποτελέσματα μεταξύ των δημογραφικών παραμέτρων (πχ. φύλο, διάγνωση, περιοχή βλάβης) με την παρουσία κύριων και αναπληρωματικών περιοχών σε διάφορες δοκιμασίες. Αυτό φάνηκε να αφορά κυρίως τον λόγο, και ιδίως τις δοκιμασίες των αντίθετων λέξεων και της δημιουργίας λέξεων. Κατά την μελέτη των συνδέσεων των κύριων και αναπληρωματικών περιοχών παρατηρήθηκε αυξημένο ποσοστό συνδέσεων στις δοκιμασίες του λόγου. Αυτές αποτελούν λειτουργικές αλλά και ανατομικές συνδέσεις, και κατά κύριο λόγο αντιπροσωπεύονται από την άνω επιμήκη δεσμίδα (superior longitudinal fasciculus) και τις τέσσερις υποκατηγορίες της, τμηματικά ή καθόλη την πορεία τους. Στην δοκιμασία του παπαγαλισμού οι ασθενείς που εμφάνισαν και τις δυο κύριες περιοχές στην fMRI απεικόνιση ανέδειξαν περισσότερες συνδέσεις των κύριων περιοχών σε σχέση με αυτούς που εμφάνισαν μόνο μια περιοχή, αποτέλεσμα στατιστικά σημαντικό (p<0.001). Επίσης οι συνδέσεις αυτές ήταν ποσοτικά πιο πολλές (p=0.011). Στη δοκιμασία του χτυπήματος του δαχτύλου του αριστερού χεριού παρουσιάστηκε στατιστικά σημαντική συσχέτιση μεταξύ του μεγέθους της βλάβης και των συνδέσεων των κυρίων περιοχών (p=0.021). Όσο μεγαλύτερη ήταν η έκταση της βλάβης τόσο πιο πολλές συνδέσεις εμφανίστηκαν. Παρατηρήθηκε επίσης συσχέτιση μεταξύ του φύλου και της ανάδειξης συνδέσεων μεταξύ των αναπληρωματικών περιοχών τόσο στη δοκιμασία της δημιουργίας λέξεων όσο και στη δοκιμασία κίνησης του αριστερού ποδιού, αποτέλεσμα στατιστικά σημαντικό (p=0.039 και p=0.047 αντίστοιχα). Πιο συγκεκριμένα οι άντρες εμφάνισαν αναλογικά πολύ λιγότερες συνδέσεις στις δοκιμασίες αυτές. Αντίθετα στην δοκιμασία του χτυπήματος του δαχτύλου του αριστερού χεριού, οι άντρες εμφάνισαν πιο πολλές συνδέσεις μεταξύ κύριων και αναπληρωματικών περιοχών (p=0.046)Συμπεράσματα: Η μελέτη πολύπλοκων νευρωνικών δικτύων όπως αυτό του εγκεφάλου δύναται να επιτευχθεί αποτελεσματικά με την fMRI, το DTI και το υβριδικό μοντέλο σύντηξης fMRI-DTI. Στην παρούσα μελέτη αναδείκτηκαν σημαντικές δομικές και λειτουργικές συνδέσεις μεταξύ των κύριων περιοχών, αλλά και στατιστικα σημαντικές συνδέσεις μεταξύ κύριων και αναπληρωματικών περιοχών τόσο στις περιοχές του λόγου όσο και στις περιοχές της κίνησης. Παρόλαυτα η ανάδειξη των συνδέσεων εξαρτάται από την επάρκεια του λογισμικού, ενώ στον προεγχειρητικό προγραμματισμό η ανάδειξη των συνδέσεων έχει κυρίως προγνωστική αξία, χωρίς να καθορίζει σημαντικά την πορεία του χειρουργείου.