ZDRAV VESTN 2006; 75: 703–11 Strokovni prispevek/Professional article RAČUNALNIŠKO PODPRTO PREDOPERATIVNO INTERAKTIVNO 3-D NAČRTOVANJE OPERATIVNEGA POSEGA V NEVROKIRURGIJI COMPUTER ASSISTED PRE-OPERATIVE INTERACTIVE 3-D PLANNING OF SURGICAL PROCEDURES IN NEUROSURGERY Tilen Žele1, Boštjan Matos2, Borut Prestor2, Jernej Knific3, Fajko F. Bajrović1, 4 1 Inštitut za patološko fiziologijo, Medicinska fakulteta, Zaloška 4, 1000 Ljubljana 2 Klinični oddelek za nevrokirurgijo, Klinični center, Zaloška 7, 1525 Ljubljana 3 Klinični inštitut za radiologijo, Klinični center, Zaloška 7, 1525 Ljubljana 4 Klinični oddelek za nevrologijo, Klinični center, Zaloška 7, 1525 Ljubljana Prispelo 2006-07-21, sprejeto 2006-08-31; ZDRAV VESTN 2006; 75: 703–11 Ključne besede nevronavigacija; računalniška obdelava slik; 3D rekonstrukcija; intrakranialni tumorji; medicinske slike Izvleček Izhodišča Prispevek opisuje naše izkušnje z uporabo računalniško podprte predoperativne tridimenzionalne (3D) rekonstrukcije medicinskih slik za načrtovanje in medoperativno vodenje operativnega posega v nevrokirurgiji intrakranialnih tumorjev. Metode Pred operativnim posegom smo iz slik magnetne resonance in v izbranih primerih funkcionalne magnetne resonance s pomočjo računalniškega programa »3D Slicer« rekonstruirali 3D modele tumorja, okolne normalne možganovine in kortikalnih ven pri 10 bolnikih s kortikalnimi oz. subkortikalnimi tumorji. Na podlagi teh modelov smo v 3D računalniškem okolju načrtovali kožni rez, trepanacijsko odprtino in vstop skozi možganovino do tumorja. Slednje smo iz 3D modelov na operacijsko polje bolnika prenesli s pomočjo meritev razdalj do orientacijskih točk na površini skalpa oz. skorje možganov. Rezultati Računalniško podprta 3D rekonstrukcija je v primerjavi z običajno miselno rekonstrukcijo 2D medicinskih slik kirurgu omogočila bolj natančno prostorsko umestitev tumorja. Pri vseh bolnikih so se položaj, velikost in oblika kožnega reza in trepanacije ter položaj in odnos tumorja do kortikalnih ven in možganskih vijug v 3D računalniškem okolju pred operacijo ujemali z enakimi kvalitetami na operacijskem polju pri bolniku. Čeprav se je po iztekanju likvorja možganovina nekoliko premaknila, se relativna lokacija in odnos možganskih vijug, žilja in patoloških sprememb ni spremenil. Pri vseh bolnikih smo z minimalno invazivnim posegom lahko natančno dosegli in makroskopsko odstranili tumor v celoti. Zaključki Predoperativna računalniško podprta 3D rekonstrukcija nudi kirurgu dodatno informacijo o prostorski umestitvi kortikalnih in subkortikalnih tumorjev v primerjavi z miselno rekonstrukcijo 2D medicinskih slik. Zato omogoča večjo natančnost pri načrtovanju kirurškega pristopa in manjšo invazivnost ter tveganje operativnega posega. Avtor za dopisovanje / Corresponding author: Tilen Žele, dr. med., Inštitut za patološko fiziologijo, Medicinska fakulteta, Zaloška 4, 1525 Ljubljana, tel.: 01 / 543 70 63 e-mail: tzele@mf.uni-lj.si 704 ZDRAV VESTN 2006; 75 Key words neuronavigation; computer image processing; 3D reconstruction; intracranial tumors; medical images Abstract Background Present paper describes our experiences with the use of three-dimensional (3D) reconstruction of medical images for pre-operative planning and intra-operative navigation in neurosurgery of cortical and sub-cortical tumors. Methods In 10 patients with cortical and sub-cortical tumors, before surgery 3D models of tumor, normal nearby brain tissue and cortical veins were reconstructed from magnetic resonance images and in selected cases functional magnetic resonance images using the computer program »3D Slicer«. Based on these models, the skin incision, trepanation opening and trans-cortical approach to the tumor were planned in virtual 3D computer space. Collected positional data were transferred from the 3D computer space to the operation field using distances from the artificial and typical anatomical landmarks on skin and cortical surface. Results Computer assisted 3D reconstruction provided a surgeon with more accurate localization of tumor than conventional mental reconstruction of the 2D medical images. In all cases the position, size and shape of skin incision, trepanation opening, cortical veins, sulci and gyri visualized on computer screen before surgery matched the actual anatomy observed during surgical procedure. In all patients the lesion was precisely found and macroscopically totally resected with minimal injury to the adjacent normal structures. Conclusions Pre-operative computer assisted 3D reconstruction provides important additional information about spatial localization of cortical and sub-cortical tumors in comparison to mental reconstruction of 2D medical images. Therefore, it improves the accuracy of planning the surgical procedure and makes it less invasive and less risky. Uvod sto vstopa skozi možgansko skorjo. V primerih, ko so spremembe oddaljene od anatomskih orientacijskih Predoperativna anatomska umestitev intrakranialne-točk na lobanji, je težko določiti celo mesto kraniotoga patološkega procesa in njegov odnos do normal-mije pri kortikalnih spremembah. nih možganskih struktur imata v nevrokirurgiji velik K reševanju tega problema je v zadnjem desetletju pomen za diagnostiko, odločanje o operativnem precej prispeval razvoj računalniških sistemov, ki zdravljenju, načrtovanje in obseg operativnega pose-omogočajo 3D rekonstrukcijo intrakranialnih strukga ter ne nazadnje napoved izida (1–3). tur iz 2D medicinskih slik. Opisani so številni raču- Dolgo časa je predoperativna anatomska umestitev nalniški sistemi za 3D rekonstrukcijo medicinskih intrakranialnih patoloških procesov temeljila na kli-slik, ki se med seboj razlikujejo v možnostih in avtonični sliki in prikazu s pomočjo nativne rentgenske matizaciji obdelave in/ali manipulacije slik ter pri slike, pnevmoencefalografije, ventrikulografije in an-tem uporabljenih matematičnih algoritmih (5–13). giografije (1). Neposreden prikaz intrakranialnih pa-Na Kliničnem oddelku za nevrokirurgijo v Ljubljani toloških procesov sta močno izboljšala računalniška smo v klinični praksi uporabili računalniški program tomografija (CT) in magnetna resonanca (MR), ki sta »3D Slicer« za obdelavo in interaktiven prikaz mediv klinični rabi šele zadnja 4 desetletja (4). Nekatere cinskih slik v 3D računalniškem okolju. V tem prisodobne slikovne preiskave, kot so funkcionalna, per-spevku predstavljamo možnosti, ki jih ta tehnologija fuzijska in difuzijska MR, enofotonska emisijska to-omogoča, ter na podlagi naših dosedanjih izkušenj mografija ter pozitronska emisijska tomografija, po-njen prispevek pri načrtovanju in izvedbi nekaterih leg anatomske umestitve omogočajo tudi analizo zahtevnejših nevrokirurških operacij kortikalnih in funkcije in metabolizma možganov v fizioloških in subkortikalnih tumorjev. patoloških razmerah (3). Vizualna interpretacija konvencionalnih medicinskih slik običajno zadostuje za diagnostiko. Za načrtova-Bolniki in metode nje in izvedbo operativnega posega pa je potrebno te Bolniki dvodimenzionalne (2D) podatke prevesti v tridimenzionalni (3D) intrakranialni prostor, kar opravljata Od novembra 2005 do junija 2006 smo na Kliničnem nevrokirurg in nevroradiolog običajno »mentalno« (v oddelku za nevrokirurgijo v Ljubljani uporabili račumislih). Slednje je v razmerah kompleksne anatomije nalniško podprto 3D rekonstrukcijo medicinskih slik zelo težko ali celo nemogoče (5). V primerih, ko spre-pri načrtovanju in izvedbi operativnega posega pri membe ne dosegajo možganske skorje je po krani-10 bolnikih z intrakranialnimi tumorji (6 žensk, 4 mootomiji in odprtju dure težko natančno določiti me-ški), starih od 43 do 79 let (Razpr. 1). ŽELE T, MATOS B ET AL. RAČUNALNIŠKO PODPRTO NAČRTOVANJE OPERATIVNEGA POSEGA V NEVROKIRURGIJI 705 Razpr. 1. Prednost 3D rekonstrukcije pri načrtovanju kirurgije kortikalnih in subkortikalnih intrakranialnih tumorjev v primerjavi z mentalno rekonstrukcijo 2D medicinskih slik. Table 1. Advantages of 3D reconstruction for planning of surgery of cortical and subcortical intracranial tumors in comparison to mental reconstruction from 2D medical images. Bolnik Starost/Spol Lega možganskega tumorja / makroskopski Dodatna informacija na podlagi 3D rekonstrukcije v primerjavi z 2D izgled / histološka diagnoza rezinami medicinskih slik Patient Age/Sex Location of brain tumor / macroscopic view / Additional information provided by 3D reconstruction as compared to 2D histological diagnosis cross-sectional medical images MP 43/M Frontalno levo, subkortikalno / cistično soliden Položaj in velikost trepanacije / odnos tumorja do centralnega sulkusa, / Ependimom motorične in premotorične skorje / prikaz drenažnih ven / določitev mesta kortikotomije MP 43/M Left frontal, subcortical / cistic-solid / Position and size of trepanation / tumor relationship to central sulcus, motor Ependimoma and premotoric cortex / visualization of draining veins / position of corticectomy MM 44/Ž Parieto-okcipitalno levo, subkortikalno / Položaj in velikost trepanacije / odnos tumorskih cist do motorične skorje na cistično soliden / Anaplastični astrocitom edematskem področju možganov in kortikalnih ven (Sl. 2) MM 44/F Left parieto-occipital, subcortical / cistic-solid / Position and size of trepanation / tumor cists relationship to motor cortex on Anaplastic astrocitoma edematous brain area and cortical veins (Figure 2) FU 73/M Intraventrikularni tumor – levi trigonum, Položaj in velikost trepanacije / odnos tumorja do angularnega girusa leve soliden, čvrst / Fibroblastni meningeom parietalne regije in ventrikularnega sistema / določitev mesta transsulkusnega pristopa do tumorja FU 73/M Intraventricular tumor – left trigonum / Position and size of trepanation / tumor relationship to left angular gyrus solid-firm / Fibroblastic meningeoma and ventricular system / position and direction of trans-sulcal approach to the tumor BT 76/Ž Tentorij in lateralni del transverznega sinusa Položaj in velikost trepanacije / odnos tumorja do vene Labbe (Sl. 4) levo / soliden, čvrst / Fibroblastni meningeom BT 76/F Left tentorium and lateral part of transverzal Position and size of trepanation / tumor relationship to vein of Labbe sinus / solid-firm / Fibroblastic meningeoma (Figure 4) JG 77/M Srednji temporalni girus desno, subkortikalno / Položaj in velikost trepanacije / odnos tumorja do temporalnih vijug / soliden, mehak / Metastaza planocelularnega določitev mesta kortikotomije / ohranitev sulkusne drenažne vene karcinoma JG 77/M Right middle temporal gyrus, subcortical / Position and size of trepanation / tumor relationship to temporal gyri solid-soft / Metastasis of planocellular / position of corticectomy / perservation of sulcal draining vein carcinoma VŠM 52/Ž Intraventrikularno, telo levega stranskega Položaj in velikost trepanacije / odnos tumorja in ventrikularnega sistema / ventrikla / soliden, čvrst / Atipični meningeom položaj površinskih in globokih ven / določitev najkrajše transkortikalne poti do tumorja VŠM 52/F Intraventricular – body of left temporal Position and size of trepanation / tumor relationship to ventricular system / ventricle / solid-firm / Atipical meningeoma position of superficial and deep veins / optimal position and direction of corticectomy LR 49/M Parietalni operkulum z inzulo desno / soliden, Položaj trepanacije, odnos tumorja glede na položaj in potek Silvijeve brazde mehak / Metastaza adenokarcinoma in njenih ven (Sl. 3) LR 49/M Right parietal operculum and insula / solid-soft Position and size of trepanation / tumor relationship to Silvian fissure and / Metastasis of adenocarcinoma cortical veins (Figure 3) RA 79/Ž Sprednji del Silvijeve brazde desno / soliden, Položaj trepanacije / odnos tumorja glede na položaj in potek Silvijeve čvrst / Fibroblastni meningeom brazde in njenih ven / ohranitev sfenoidnega krila RA 79/F Right frontal part of Silvian fissure / solid-firm Position and size of trepanation / tumor relationship to Silvian fissure and / Fibroblastic meningeoma cortical veins / perservation of sphenoid wing VL 58/Ž Inzula in okcipitalno parasagitalno levo / Položaj in velikost obeh trepanacij / odnos tumorja do Silvijeve brazde in soliden, mehak / Metastaza slabo njenih ven / prikaz distalnega dela zgornjega sagitalnega sinusa in diferenciranega karcinoma drenažnih ven na površini možganov VL 58/F Left insula and occipital parasagital / solid-soft Position and size of both trepanations / tumor relationship to Silvian fissure / Metastasis of poorly differentiated carcinoma and cortical veins / visualization of distal part of supperior saggital sinus and draining veins UM 54/Ž Parietalno levo / subkortikalno / cistično soli-Položaj in velikost trepanacije / odnos tumorja do angularnega girusa leve den / Metastaza duktalnega karcinoma dojke parietalne regije / določitev mesta transsulkusnega pristopa do tumorja UM 54/F Left parietal / subcortical / cistic-solid / Position and size of trepanation / tumor relationship to left angular gyrus / Metastasis of ductal breast carcinoma optimal position and direction of trans-sulcal approach Zajem in prenos medicinskih slik Za prikaz tumorjev, možganovine s pripadajočimi strukturami in lobanje smo uporabili slikanje z MR in CT, za prikaz možganovine z motorično funkcijo pa funkcionalno MR. MR medicinske slike smo zajemali z MR aparatom z zmogljivostjo 1,5 tesla (Signa, GE Medical Systems, Milwauke, WI). Strukturne slike celotnih možganov smo naredili s sekvenco FSPGR (angl. fast spoiled gradient recalled) (124 sagitalnih rezin debeline 1,4 mm, z matrico 256 × 192 pri velikosti polja 240 × 240 mm). V večini primerov smo zajeli MR T1 obtežene slike, v nekaterih primerih pa smo zajeli tudi dodatne sekvence: fast SE T2, FLAIR. Takšno zaporedje slik iste modalnosti, ki pokriva celoten slikani objekt, imenujemo set (angl. volume). Za zajem funkcionalnih slik smo uporabili sekvenco EPI (echo planar imaging) z naslednjimi parametri: čas ponavljanja (TR) 3 s, čas odmeva (TE) 40 ms, kot nagiba (FA) 90°, polje pogleda (field of view) 20 cm (število sekcij 16, matrica 64 × 64, debelina rezin 7 mm ZDRAV VESTN 2006; 75 brez presledkov). Med preiskavo je bolnik opravljal Obdelava medicinskih slik je vključevala poravnavo motorično nalogo (ponavljajoče stikanje palca z osta-(angl. registration), razgradnjo (angl. segmentation) limi prsti). Funkcijske slike smo analizirali z računal-ter rekonstrukcijo 3D modelov izbranih struktur. Obniškim programom za statistično planimetrično kar-delava slik je v posameznih primerih trajala od 15 mitografiranje (SPM 2). nut do 2 uri, kar je bilo odvisno od kompleksnosti CT medicinske slike smo zajemali s spiralnim CT apa-primera. Temu je sledilo predoperativno načrtovanje ratom (Somatom Sensation 16, Siemens, Medical So-s kvalitativno in kvantitativno analizo slik in modelutions, Erlangen, Nemčija). Slike lobanje smo zajeli lov. pri kulminaciji 16 × 0,7 mm. Sete slik različnih slikovnih preiskav smo najprej po- Sete slik različnih slikovnih preiskav smo nato shrani-ravnali v isti koordinatni sistem. V ta namen smo na li v digitalnem formatu DICOM (angl. The Digital Ima-vsakem od dveh setov slik, ki smo ju želeli poravnati, ging and Communications in Medicine) in jih preko označili izbrane iste strukture s 3 pari točk. Računal- CD medija prenesli na osebni računalnik za nadaljnjo niški program je nato samodejno premaknil enega obdelavo. od setov tako, da so se ustrezni pari točk, ki so ozna čevali iste strukture, poravnali (pokrili) v prostoru. Po Obdelava slik potrebi smo nato ročno s pomočjo miške in tipkovni ce lahko dodatno premikali enega izmed setov slik, Medicinske slike smo obdelali na osebnem računal-dokler s poravnavo nismo bili zadovoljni (Sl. 1A). niku (Pentium 4™ 2.66 GHz, 512 Mb RAM, grafična Poravnane sete slik smo razgradili tako, da smo na kartica ATI Radeon 7500™ 64 Mb VRAM) z računalni-vseh rezinah orisali strukture, ki so nas posebej zaniškim programom »3D Slicer«, različica 2.5 (Massachu-male (npr. kožo, možgane, tumor in žile) (Sl. 1B). Pri setts Institute of Technology). Gre za prosto dosto-tem smo si pomagali z različnimi samodejnimi orodji pen odprtokoden program za obdelavo medicinskih programa. Najprej smo na slikah določili svetlostno slik v akademske in raziskovalne namene (6, 2, 14). območje (angl. threshold), ki je bilo za določeno strukturo najbolj značilno. Program je nato samodejno označil na setu slik vse točke v izbranem svetlostnem območju. Z drugimi orodji, ki temeljijo npr. na zveznosti objektov, in/ali po potrebi ročno smo določene strukture orisali še bolj natančno. Iz orisov izbranih struktur na 2D rezinah je program samodejno izdelal njihove 3D modele. Načrtovanje in vodenje kirurškega posega Predoperativno načrtova- Sl. 1. Prikaz računalniško podprte obdelave 2D medicinskih slik za rekonstruk-nje se je začelo s pregledomcijo 3D modelov izbranih struktur. A – Poravnava. Sagitalni (A1) in aksialni 2D diagnostičnih slik, na(A2) rezini setov slik spiralnega CT glave (lobanja) in T1 obtežene FSPGR sek-podlagi katerih smo privence MR glave (mehka tkiva) v istem koordinatnem sistemu pred poravnavo. konkretnem bolniku oceni- Po poravnavi se iste strukture na posameznih rezinah obeh setov slik prekrijejo li patološki proces in dolo(A3, A4). B – Razgradnja. Oris tumorja na posameznih rezinah razgradi le-te čili najverjetnejši operativna področje tumorja (zelena barva) in okolico (neobarvano) (B1, B2, B3). Na ni pristop ter predvidelipodlagi razgradnje vseh rezin računalniški program samodejno rekonstruira mesto trepanacije. V okoli3D model orisane strukture v navideznem prostoru (B4). (Oznake: A – anteri-ci predvidene trepanacijeorno, P – posteriorno, L – levo, R – desno, S – superiorno) smo na bolnikov skalp pri- Figure 1. Demonstration of computer assisted processing of 2D medical images trdili maščobne tablete, ki for reconstruction of 3D models of selected structures. A – Registration. Sagittal so vidne na slikah MR, in nji(A1) and axial (A2) cross-sections of head spiral CT (cranium) and T1 weighted hova ležišča označili s per- FSPGR sequence of head MR (soft tissue) in common coordinate system before manentnim flomastrom. registration. After registration the same structures on individual slices from each Nato smo opravili dodatna volume are aligned over each other (A3, A4). B – Segmentation. Tumor outlin-slikanja z MR modalnostmi, ing segments individual slices in the area belonging to tumor (green color) and ki bi najbolj kontrastno surrounding area (uncolored) (B1, B2, B3). On the basis of segmentation of all predstavile patološki pro- slices in volume, computer program automatically reconstructs 3D model of out-ces ter njegov odnos do so- lined structure in virtual space (B4). (Legend: A – anterior, P – posterior, sednjih struktur v intrakra- L – left, R – right, S – superior) nialnem prostoru. ŽELE T, MATOS B ET AL. RAČUNALNIŠKO PODPRTO NAČRTOVANJE OPERATIVNEGA POSEGA V NEVROKIRURGIJI 707 Sledila je računalniška obdelava slik in 3D rekonstrukcija modelov izbranih struktur (tumorja, možganov, možganskih brazd in vijug, ventrikularnega sistema, možganskih žil, kože, lobanje in maščobnih tablet) (Sl. 2). S pomočjo različnih orodij programa, ki omogočajo prikaz in manipulacijo različne kombinacije slik različnih slikovnih metod, modelov ter oznak smo si pred operativnim posegom natančno ogledali morfološke značilnosti, prostorsko umestili želene strukture in opravili nekatere kvantitativne meritve (volumen spremembe, njene premere v različnih smereh, razdaljo do skorje in anatomskih orientacijskih točk). Pri tem smo si poma-Sl. 2. Prikaz prostorske umestitve ekspanzivne spremembe z 2D medicinskimi gali tudi tako, da smo v 3D slikami v aksialni (A), koronarni (B) in sagitalni (C) ravnini v primerjavi z računalniškem okolju dolo-rekonstruiranimi 3D modeli izbranih struktur v navideznem 3D računalniškem čali dodatne orientacijske okolju (D). V 3D okolju so prikazani modeli kože (oranžna barva), možganovitočke (angl. fiducials). S pri-ne (bela barva), venskih sinusov z večjimi kortikalnimi venami (rdeča barva), merjavo površinske anato-cističnega dela ekspanzivnega procesa (temno modra barva), patološko spremije možganske skorje, menjene možganovine (polprosojna zelena barva) in področja aktivacije monjenih vijug, brazd in ven torične skorje med opravljanjem motorične naloge (fMR preiskava; svetlo mona obeh polovicah možga-dra barva). Zaradi izrazitega edema v okolici tumorja je anatomija vijug in nov smo lažje in natančne-brazd leve hemisfere nerazpoznavna. (Oznake: A – anteriorno, P – posteriorje določili funkcionalno po-no, L – levo, R – desno, S – superiorno, I – inferiorno) membne predele (npr. sen- Figure 2. Visualization of expansive process and its spatial position with 2D mezorimotorična skorja in dical images in axial (A), coronal (B) and sagittal (C) plane in comparison tocentralni sulkus). reconstructed 3D models of chosen structures in virtual 3D computer space (D). Na podlagi zbranih kvalita- In 3D computer space models of skin (orange color), brain (white color), venoustivnih in kvantitativnih po- sinuses with larger cortical veins (red color), cistic part of expansive processdatkov smo določili naju- (dark blue color), pathologically changed brain tissue (semi-transparent greengodnejši trajektorij ali smer color) and areas of motor cortex activation during performing the motor taskoperacije in skozi katero (fMR results; light blue color) are shown. Due to edema of the brain tissue surmožgansko brazdo, cister- rounding the tumor the cortical anatomy of left hemisphere (gyri and sulci) isno ali vijugo je tumor najla- unrecognizable. (Legend: A – anterior, P – posterior, L – left, R – right, S – žje dosegljiv ob najmanjši superior, I – inferior)poškodbi funkcionalno jasno določljive možganovine (Sl. 3). Nato smo neposredno nad točko vstopa v pa skozi možgansko skorjo oz. nad mestom tumorja. možganovino na 3D modelu kože načrtovali trepa-Pri prenosu mesta vstopa skozi možgansko skorjo nacijsko odprtino in kožni rez glede na izmerjeno raz-(kortikotomija) smo se orientirali glede na možgandaljo od orientacijskih točk, kot so zgornji rob ušesa, ske brazde, vijuge in kortikalne vene, ki smo jih izbranasium, lateralni kantus in promontorij, v primerih li v procesu 3D predoperativnega načrtovanja. 3D motrepanacije više na lobanji pa od maščobnih tablet. del posameznih struktur je med operacijo služil kot Pri enem bolniku smo trepanacijsko odprtino načr-vodilo, ključne odločitve pa je sprejemal operater. tovali neposredno na lobanji glede na sliko spiralne ga CT glave. Ocena 3D rekonstrukcijeNeposredno pred operacijskim posegom smo izmerjene razdalje od orientacijskih točk iz 3D modela pre-Prispevek računalniško podprte 3D rekonstrukcije v nesli na skalp bolnika in tako natančno zarisali dolži-primerjavi z mentalno rekonstrukcijo 2D medicinno in potek reza kože ter lego in velikost trepanacije skih slik pri načrtovanju in vodenju operativnega (Sl. 4). Enako smo ravnali med operativnim posegom posega pri posameznem pacientu je ocenil nevrokipri oblikovanju kostnega pokrova nad mestom vsto-rurg (Razpr. 1). ZDRAV VESTN 2006; 75 kot smo pričakovali glede na rekonstruirane modele struktur (Sl. 4c, 4d). Kljub opaznemu premiku mo žganovine (v povprečju 5 mm) po iztoku likvorja se anatomija površine možga nov ni bistveno spremeni la glede na trepanacijsko odprtino (s povprečnim premeroma 3 cm). Kortikal na anatomija in relativen položaj kortikalnih ven pa sta se ohranila tudi med po tekom operacije. Zato smo v primerih, ko smo do tu morja izbrali transkortikal ni pristop, lahko vstopili skozi skorjo možganov v točki, ki smo jo določili med predoperativnim načr tovanjem posega. Pri glob lje ležečih tumorjih smo sondirali z vodilom, začen ši na definirani točki in pod Sl. 3. Prikaz načrtovanja operativnega pristopa do subkortikalnega tumorja v kotom, izmerjenim med naglobini Silvične brazde na podlagi 2D rezin medicinskih slik (A – aksialna, B – črtovanjem. V vseh primekoronarna, C – sagitalna) in računalniško podprte 3D rekonstrukcije (D, E). rih smo tumor našli v priča- Pogled iz smeri desno zgoraj na 3D rekonstrukcijo tumorja (zelene barve) in kovani smeri. Izmerjena njegov odnos do bližnjih ven (rdeče barve) preko polprosojnega modela kože globina je odstopala od me(oranžne barve) in možganovine (bele barve) (D). Približan lateralni pogled ritev med načrtovanjem v (E) v globino Silvične brazde razkrije možnost neposrednega dostopa do tu-povprečju manj kot 5 mm. morja ob minimalni poškodbi možganovine ter prikladno lego ven za vodenje V enem primeru tumorja pristopa med posegom. Za natančnejšo orientacijo na ravni kože skalpa bolni-med operacijo ni bilo moka služijo modeli treh maščobnih tablet (vijolične barve). (Oznake: VCMS – ve-goče prepoznati. Histolona cerebri media superficialis, A – anteriorno, P – posteriorno, L – levo, R – ška analiza (zmrzli rez) desno, S – superiorno, I – inferiorno) vzorca, ki smo ga odvzeli iz Figure 3. Planning of operative approach to subcortical tumor located deep in lokacije, kjer smo glede na the Silvian fissure on the basis of 2D medical images (A – axial, B – coronal, C – predoperativno načrtovasagittal) and computer assisted 3D reconstruction (D, E). View from superior-nje tumor pričakovali, pa je right position on 3D reconstructed models of tumor (green color) and his rela-potrdila tumorsko tkivo – tionship to models of surrounding cortical veins (red color) through semi-trans-multiformni glioblastom. parent model of skin (orange color) and brain (white color) (D). Zoomed late-Potem ko smo tumor našli, ral view (E) into the Silvian fissure reveals the possibility of direct approach to smo ga odstranjevali po klathe tumor with minimal injury to the brain tissue and favorable position of sičnih načelih mikrokirurveins for guiding the approach during operation procedure. For more precise ških tehnik. Med odstranjeorientation on the scalp of the patient are used models of three fat tablets (violet vanjem tumorja je njegov color). (Legend: VCMS – vena cerebri media superficialis, A – anterior, P – po-volumen, izmerjen na 3D sterior, L – left, R – right, S – superior, I – inferior) modelu pri načrtovanju, služil za grobo oceno obsega odstranitve, kot upora- Rezultati ben se je izkazal predvsem pri solidnih tumorjih. Pri vseh bolnikih smo makroskopsko tumor odstra- Bolniki so bili operirani v splošni anesteziji. Bolniko-nili v celoti. Novih nevroloških izpadov po operativvo glavo smo namestili v trižebljati nastavek tako, da nem posegu nismo opazili, razen pri enem bolniku z je bilo načrtovano mesto trepanacije na vrhu opera-meningiomom v trigonomu levega lateralnega ventivnega polja, kar je omogočalo kirurgu optimalen po-trikla, kjer se je klinična slika nominalne disfazije položaj ves čas operativnega posega. globila. Rez kože in trepanacijo smo naredili na mestu in v velikosti, določenim med predoperativnim načrtova-Ilustrativni primernjem z računalniško podprto 3D rekonstrukcijo. Po prerezanju dure se je v vseh primerih razkrila anato-76-letna desnoročna bolnica je imela 6 mesecev trajajomija možganske skorje s pripadajočimi venami tako, če konstantne glavobole in občasne motnje ravnotežja. ŽELE T, MATOS B ET AL. RAČUNALNIŠKO PODPRTO NAČRTOVANJE OPERATIVNEGA POSEGA V NEVROKIRURGIJI 709 Ob sprejemu v nevrološkem statusu ni bilo drugih odstopanj od normale. Diagnostična MR glave je prikazala 3 cm veliko, dobro omejeno spremembo v posteriornem delu levega tentorija, rastočo pod in nad tentorijem. S kontrastom dobro obarvana sprememba, podobna meningeomu, je zajemala distal- no tretjino levega transverzalnega sinusa proti sigmoidnem sinusu. Digitalna subtrakcijska angiografija je pokazala zaporo distalnega de- la sinusa in poudarjene vene v okolici tumorja. Za 3D rekonstrukcijo smo uporabili slike FSPGR T1 preiskave. Pri obdelavi slikovnih podatkov smo izdelali 3D modele kože, sosednje normalne možganovine, tumorja in venskih sinusov ter ven v okolici lezije (Sl. 4). Meritve so pokazale tumor s premerom 33 mm v anteroposteriorni smeri, 30 mm v me diolateralni smeri, 32 mm v Sl. 4. Prikaz prenosa načrtovanega kožnega reza in trepanacijske odprtine izrostrokavdalni smeri s pro-modelov predoperativne 3D rekonstrukcije (A, C) na operativno polje bolnikastornino 16,4 cm3. Tumor je (B, D). Na slikah A in C rdeča točka (fiducial) označuje središče načrtovane bil v globini 13–16 mm pod kožo in ni bil prekrit z mo-trepanacijske odprtine. Puščice na sliki A označujejo načrtovan rez kože. Po žganovino. Nad tumorjem je prenosu načrtovanega reza kože in trepanacijske odprtine na podlagi izmerjenavzad in medialno proti nih razdalj iz 3D modela na skalp bolnika (B) se med operativnim posegom v srednji tretjini transverzalne-zgornjem delu trepanacijske odprtine po pričakovanju razkrije Labbejeva vena ga sinusa potekala večja ve-(puščica) z inferiorno ležečim tumorskim tkivom (D). na, ki je po velikosti in legi ustrezala Labbejevi veni (Sl. Figure 4. Translation of planned skin incision and trepanation opening from 4c). Odločili smo se za od-pre-operative 3D models (A, C) to the operation field of the patient (B, D). In stranjevanje tumorja iz zgor-pictures A and C, red point (fiducial) labels the center of planned trepanation. nje strani med Labbejevo ve-Arrows on picture A point to the path of planned skin incision. After the translano in transverzalnim sinu-tion of skin incision and trepanation opening using the distances measured on som. Točko vstopa preko ko-3D models (B), vein of Labbe (arrow) and inferiorly lying tumorous tissue (D) že smo določili neposredno were revealed according to expectations. nad transverzalnim sinusom 36 mm za zadnjim robom levega ušesa. Po trepanaciji in prerezanju dure na načrtovanih mestih cer« omogoča bolj natančno prostorsko umestitev korse je po pričakovanjih razkrila Labbejeva vena (Sl. 4d). tikalnih in subkortikalnih tumorjev v primerjavi z men- Resekcija je potekala iz zgornje strani vene. Tumor z ma-talno rekonstrukcijo 2D medicinskih slik, kar je v skla kroskopskimi značilnostmi meningeoma smo v celoti od-du z ugotovitvami drugih (5, 6, 15). V opisanih prime stranili skozi 30 mm v premeru veliko trepanacijsko od-rih operacij intrakranialnih tumorjev smo z 3D rekonprtino natančno nad mestom tumorja in nad transver zalnim sinusom. Zaradi natančnega predoperativnega strukcijo izboljšali natančnost pri načrtovanju in iz 3D načrtovanja smo uspeli najti, umakniti in ohraniti ze-vedbi operativnega posega. Zato smo uspeli zmanj lo pomembno Labbejevo veno. šati invazivnost klasičnih operacij intrakranialnih tu- Končna patohistološka diagnoza odvzetega tumorja je morjev tako na ravni reza kože in trepanacijske odprpotrdila meningeom. Nevrološki status po operaciji je tine kot tudi na ravni možganske skorje. bil brez posebnosti. Bolnica je v začetku poročala o la- 3-D modeli, ki smo jih izdelali s pomočjo računalnižjih slabostih, ki so med okrevanjem na oddelku povsem izzvenele. škega programa »3D Slicer« iz 2D medicinskih slik, so prikazali intrakranialne tumorje in relevantne normal- ne intrakranialne strukture ter kožo in lobanjo raz- Razpravljanje meroma natančno. Kakovost posameznih modelov je bila odvisna predvsem od natančnosti orisa izbra- Na podlagi lastnih izkušenj menimo, da 3D rekon-ne strukture med razgradnjo 2D medicinskih slik. Rastrukcija s pomočjo računalniškega sistema »3D Sli-zumljivo je, da je bila slednja odvisna od kontrastno ZDRAV VESTN 2006; 75 sti prikazane strukture na 2D slikah. Normalne možganske vijuge in brazde so bile dobro prepoznavne. Zaradi pritiska tumorjev na skorjo možganov in njihove okolne otekline pa so bile možganske vijuge in brazde pogosto sploščene tako, da so postale anatomsko neprepoznavne (Sl. 2). Nasprotno temu so bile na 3D modelih večje vene na površini možganov dobro vidne tudi v takšnih razmerah in so se zato izkazale za dobre orientacijske točke tako med načrtovanjem kot tudi med izvedbo operativnega posega. Interaktivni prikaz različne kombinacije slik različnih slikovnih metod, 3D modelov ter orientacijskih točk v računalniškem 3D okolju je omogočal simulacijo in načrtovanje različnih kirurških trajektorijev ter pristopov pred operativnim posegom neprimerno bolj natančno kot običajna mentalna rekonstrukcija 2D medicinskih slik. S kvantitativno analizo 3D modelov smo lahko natančno prenesli načrtovani rez kože, trepanacijske odprtine in kortikotomije na operativno polje konkretnega bolnika. Poleg tega se je računalniško podprta 3D rekonstrukcija izkazala za bolj uporabno kot mentalna rekonstrukcija 2D slik tudi pri izobraževanju. Pri prenosu načrtovanega reza kože in trepanacijske odprtine iz 3D modela na operativno polje konkretnega bolnika so se kot zanesljive anatomske orientacijske točke izkazali rob ušesa, nasium, lateralni kantus in promontorij. V primerih trepanacije višje na lobanji pa je bila nujna orientacija glede na označbe na mestih, kjer so bile pred slikanjem nameščene ma- ščobne tablete. Napaka pri prerisovanju kožnega reza in trepanacijske luknje je bila v povprečju manjša kot 5 mm. Napake so bile predvsem posledica nenatančnosti pri meritvah razdalj na glavi bolnika potem, ko so se v nekaterih primerih oznake, kjer so bile med slikanjem nameščene maščobne tablete, delno izbrisale. Natančnost pri prenosu reza kože in trepanacijske odprtine iz 3D modela na bolnika bi lahko izboljšali z bolj obstojnimi oznakami (šiv) na skalpu bolnika. Zanimivo pa so tudi v študijah, kjer so kožni rez in trepanacijsko luknjo iz 3D modelov na bolnika prenašali z video projekcijo, ugotovili podobna odstopanja, kar kaže, da je del napake tudi načelen in je posledica prevajanja izmerjenih razdalj iz 3D prostora na 2D ravnino (16). Pri enem bolniku smo trepanacijsko odprtino načrtovali neposredno na lobanji glede na sliko spiralnega CT glave, kar pa glede na ostale primere ni povečalo natančnosti posega. Zato menimo, da je načrtovanje kožnega reza in kraniotomije za operativni pristop s pomočjo računalniško podprte 3D rekonstrukcije dovolj natančno na ravni skalpa. Pri prenosu načrtovanega vstopa skozi možganovino iz 3D modela na operativno polje konkretnega bolnika so se izkazale kot dobre orientacijske točke možganske vijuge in brazde, predvsem pa velike kortikalne vene in njihova razcepišča, kar je v skladu z ugotovitvami drugih (16). Premik možganovine, ki je po prerezanju dure in arahnoideae zaradi učinka mase oziroma iztoka likvorja neizbežen, predstavlja velik problem pri uporabi nevronavigacijskih sistemov, ki temeljijo na relativnem odnosu možganovine in lobanje oz. skalpa na predoperativnih medicinskih slikah (1, 17, 18). Zato so za prilagajanje novim anatom skim razmeram pri takšni nevronavigaciji potrebne medoperativne slikovne metode (19–21). Kljub premiku možganovine pa se relativna lokacija in odnos možganskih vijug, žilja in patoloških lezij ne spremeni (glej tudi 15, 16). Zato v naših primerih pri načrtovanju in izvedbi posega s pomočjo predoperativne 3D rekonstrukcije, ki temelji na relativnem odnosu možganskih vijug in kortikalnih ven, premik možganovine ni predstavljal posebega problema, kar je omogočilo kortikotomijo prav na mestu in v smeri, kot smo jo načrtovali pred operacijo. Nekaj težav pri lokalizaciji bi pričakovali v primerih, ko v bližini manjših tumorjev na 3D modelih ne bi bilo videti večjih kortikalnih ven. V takšnih primerih bi bile zato potrebne dodatne predoperativne slike fazno kontrastne MRA (magnetnoresonančna angiografija), na katerih so vidne tudi manjše kortikalne žile. Nakajima in sod. so z uporabo teh slik pri 3D rekonstrukciji zmanjšali napako pri vstopu skozi možgansko skorjo na 1–1,7 mm (16). Pri vstopu skozi možganovino bi lahko dodatno zmanjšali invazivnost in možnost pooperativnih zapletov z medoperativnim zajemanjem funkcionalnih podatkov. Neinvazivni medoperativni metodi za zajem funkcionalnih podatkov, kot sta intraoperativna fMR in infrardeča kamera, sta v zgodnjih fazah razvoja (22, 23). Tako je edina uveljavljena metoda za medoperativno ugotavljanje funkcionalno pomembnih področij elektrostimulacija korteksa (24). Ta metoda zahteva budnega bolnika, je invazivna metoda in ni uporabna med predoperativnim načrtovanjem. Ker se rezultati medoperativne elektrostimulacije korteksa dobro ujemajo z rezultati predoperativne fMR preiskav, je slednja primerna za predoperativno načrtovanje (25, 26). Večja omejitev uporabe računalniško podprte 3D rekonstrukcije medicinskih slik pri načrtovanju in izvedbi operativnega posega je po našem mnenju odsotnost sledenja deformacijam možganovine zaradi odstranitve tumorja, edema ali krvavitev med operacijo. Deformacija možganovine v primerih tumorjev, večjih od 30 cm3, lahko vpliva na uspeh resekcije (27). Zato je v teh primerih za natančno vodenje operativnega posega in popolno odstranitev tumorja priporočljivo sledenje spreminjanju anatomije možganovine z medoperativnimi slikovnimi metodami (20, 28). Med temi sistemi se največ pričakuje od medoperativnega slikanja z MR, ki pa zaenkrat zaradi fizične velikosti, velikih stroškov in predvsem neopredeljenega izboljšanja preživetja bolnikov (cost/benefit) zaenkrat ni v širši klinični uporabi (19, 29). Podobne podatke nudi tudi intraoperativni UZ, ki je zaradi večje praktičnosti in manjših stroškov bolj dostopen (21). V razvojni fazi so tudi sistemi, ki pred ali med operacijo na podlagi zapletenih matematičnih modeliranj predoperativnih slik in 3D modelov simulirajo medoperativno deformacijo možganovine (30, 31). Zaključki Računalniško podprta 3D rekonstrukcija s programom »3D Slicer« omogoča bolj natančno umestitev ŽELE T, MATOS B ET AL. RAČUNALNIŠKO PODPRTO NAČRTOVANJE OPERATIVNEGA POSEGA V NEVROKIRURGIJI 711 tumorja v intrakranialni prostor in opredelitev njegovega odnosa do sosednjih normalnih struktur v primerjavi z mentalno rekonstrukcijo 2D medicinskih slik. Zato kirurgu omogoča bolj natančno načrtovanje in izvedbo nevrokirurškega pristopa, kar zmanjša invazivnost in zaplete pri operativnem posegu. Računalniško podprta 3D vizualizacija je tudi osnova za različne medoperativne slikovne in nevronavigacijske sisteme. Natančnost načrtovanja in izvedbe operativnega posega z računalniško podprto 3D rekonstrukcijo medicinskih slik je moč izboljšati predvsem z izpopolnjevanjem zajemanja predoperativnih slikovnih podatkov oziroma z uporabo metod za medoperativno sledenje deformacijam možganovine. Literatura 1. Peters TM. Image-guided surgery: from X-rays to virtual reality. Comput Methods Biomech Biomed Engin 2000; 4: 27–57. 2. Nabavi A, Kacher DF, Gering DT, Pergolizzi RS, Wells WM III, Wong TZ, et al. Neurosurgical procedures in a 0.5 tesla, open- configuration intraoperative MRI: planning, visualization, and navigation. Automedica 2001; 00: 1–35. Dosegljivo na: splweb.bwh.harvard.edu:8000/pages/papers/arya/automedica 2001/automedica2001.pdf 3. Jacobs AH, Kracht LW, Gossmann A, Ruger MA, Thomas AV, Thiel A, Herholz K. Imaging in neurooncology. NeuroRx 2005; 2: 333–47. 4. American society of neuroimaging. History of neuroimaging. Dosegljivo na: snap.asnweb.org/index.php?src = gendocs&link = NeuroImagingHistory&category = History 5. Kikinis R, Gleason PL, Moriarty TM, Moore MR, Alexander E 3rd, Stieg PE, et al. Computer-assisted interactive three-dimensional planning for neurosurgical procedures. Neurosurgery 1996; 38: 640–9. 6. Gering DT, Nabavi A, Kikinis R, Hata N, O’Donnell LJ, Grimson WE, et al. An integrated visualization system for surgical planning and guidance using image fusion and an open MR. J Magn Reson Imaging 2001; 13: 967–75. 7. ANALYZE Program. Dosegljivo na: www.mayo.edu/bir/Software/Analyze/Analyze.html 8. MEDx Software. Dosegljivo na: www.medicalnumerics.com 9. MNI Software. Dosegljivo na: www.bic.mni.mcgill.ca/software/ 10. BrainLAB. Dosegljivo na: www.brainlab.com 11. Colchester AC, Zhao J, Holton-Tainter KS, Henri CJ, Maitland N, Roberts PT, et al. Development and preliminary evaluation of VISLAN, a surgical planning and guidance system using intraoperative video imaging. Med Image Anal 1996; 1: 73–90. 12. Jannin P, Fleig OJ, Seigneuret E, Grova C, Morandi X, Scarabin JM. A data fusion environment for multimodal and multi-informational neuronavigation. Comput Aided Surg 2000; 5: 1–10. 13. Zamorano L, Jiang Z, Kadi AM. Computer-assisted neurosurgery system: Wayne State University hardware and software configuration. Comput Med Imaging Graph 1994; 18: 257–71. 14. 3D Slicer. Dosegljivo na: www.slicer.org 15. Chabrerie A, Nabavi A, Ozlen F, Leventon ME, Chatsidakis E, Nakajima S, et al. Three-dimensional reconstruction for cortical surgery: The Brigham and Women’s hospital experience. Techniques in Neurosurgery 2001; 7: 61–9. 16. Nakajima S, Atsumi H, Kikinis R, Moriarty TM, Metcalf DC, Jolesz FA, Black PM. Use of cortical surface vessel registration for image-guided Neurosurgery. Neurosurgery 1997; 40: 1201–8. 17. Ganslandt O, Behari S, Gralla J, Fahlbusch R, Nimsky C. Neuronavigation: concept, techniques and applications. Neurol India 2002; 50: 244–55. 18. Ravnik J, Lipovšek M, Milojković V, Strojnik T, Šeruga T, Vinter M, Bunc G. Uporaba nevronavigacijskega sistema na Oddelku za nevrokirurgijo Splošne bolnišnice Maribor. Zdrav Vestn 2004; 73: 657–62. 19. Keles GE. Intracranial neuronavigation with intraoperative magnetic resonance imaging. Curr Opin Neurol 2004;17: 497–500. 20. Albayrak B, Samdani AF, Black PM. Intra-operative magnetic resonance imaging in neurosurgery. Acta Neurochir (Wien) 2004; 146: 543–56. 21. Unsgaard G, Rygh OM, Selbekk T, Muller TB, Kolstad F, Lindseth F, Hernes TA. Intra-operative 3D ultrasound in neurosurgery. Acta Neurochir (Wien) 2006; 148: 235–53. 22. Gasser T, Ganslandt O, Sandalcioglu E, Stolke D, Fahlbusch R, Nimsky C. Intraoperative functional MRI: implementation and preliminary experience. Neuroimage 2005; 26: 685–93. 23. Ecker RD, Goerss SJ, Meyer FB, Cohen-Gadol AA, Britton JW, Levine JA. Vision of the future: initial experience with intraoperative real-time high-resolution dynamic infrared imaging. Technical note. J Neurosurg 2002; 97: 1460–71. 24. Black P, Jaaskelainen J, Chabrerie A, Golby A, Gugino L. Minimalist approach: functional mapping. Clin Neurosurg 2002; 49: 90– 102. 25. Yetkin FZ, Mueller WM, Morris GL, McAuliffe TL, Ulmer JL, Cox RW, et al. Functional MR activation correlated with intraoperative cortical mapping. AJNR Am J Neuroradiol 1997; 18: 1311–5. 26. Lee CC, Ward HA, Sharbrough FW, Meyer FB, Marsh WR, Raffel C, et al. Assessment of functional MR imaging in neurosurgical planning. AJNR Am J Neuroradiol 1999; 20: 1511–9. 27. Benveniste RJ, Germano IM. Correlation of factors predicting intraoperative brain shift with successful resection of malignant brain tumors using image-guided techniques. Surg Neurol 2005; 63: 542–8. 28. Nabavi A, Gering DT, Kacher DF, Talos IF, Wells WM, Kikinis R, et al. Surgical navigation in the open MRI. Acta Neurochir Suppl 2003; 85: 121–5. 29. Seifert V. Intraoperative MRI in neurosurgery: technical overkill or the future of brain surgery? Neurol India 2003; 51: 329–32. 30. Warfield SK, Haker SJ, Talos IF, Kemper CA, Weisenfeld N, Mewes AU, et al. Capturing intraoperative deformations: research experience at Brigham and Women’s Hospital. Med Image Anal 2005; 9: 145–62. 31. Carter TJ, Sermesant M, Cash DM, Barratt DC, Tanner C, Hawkes DJ. Application of soft tissue modelling to image-guided surgery. Med Eng Phys 2005; 27: 893–909.