D燃灯丘脑腹侧中间核(VIM)脑刺激(DBS)是帕金森病患者特发性震颤(ET)和震颤的既定手术治疗方法。1准确的VIM术前可视化仍然是这一目标的主要挑战之一。2不准确的电极位置可能导致不完全的临床效益,但最大临床效益的最佳目标位置已被证明因人而异。1,3.因为在目前标准的临床MRI上,丘脑缺乏足够的内在对比度,4在DBS规划中通常使用的序列上不容易看到VIM。5,6因此,手术瞄准主要依赖于间接瞄准方法的使用,这种方法根据其与中点的标准关系来确定目标。开云体育世界杯赔率4虽然它提供了一个有用的估计,7,8间接靶向对个体大小、位置和丘脑核结构的变化相对不敏感。因此,需要清醒的生理映射来确定最终的电极位置已经成为普遍的做法。
可靠的技术可用于直接可视化和针对特定患者的VIM和其他丘脑核,这是过去十年积极研究的主题。4扩散加权成像(DWI)是一种用于可视化人脑白质通路的非侵入性工具9这被认为是一种可视化视丘体各个细分的可能目标位置的方法,9,10包括用于术前定位的VIM。11 - 14号此外,基于dwi的方法还可以定位与刺激诱开云体育世界杯赔率导的不良反应相关的相邻区域,作为定义安全边际和避免可能的不良反应的手段。10丘脑的尾侧腹核(VC)位于VIM的正后方,对VC的刺激会在相应的身体部位产生感觉异常。15
扩散束成像算法可分为确定性算法和概率算法。确定性束成像是目前商业神经外科规划软件中唯一可用的方法,它将纤维路径简化为单个主导方向。16, 42岁然而,每个体素仅使用一个扩散方向可能不能充分表征包含交叉、分支或扇形纤维的体素。17研究估计,大约90%的白质体素含有交叉纤维。18因此,确定性方法可能会跟随错误的区域或停止在具有各向同开云体育世界杯赔率性张量的区域。19尽管需要更多的计算,但概率牵引成像保留了多向各向异性信息,因此能够识别多个流线及其相对概率。该方法的优点是对重叠纤维有较高的灵敏度。16然而,概率束成像既需要计算,又难以解释,因此目前只能在研究软件中使用。4
基于先前的回顾性研究,这些研究说明了调节运动输入到VIM对控制震颤的有效性,5我们已经将基于概率tracography的靶向纳入我们的常规临床实践。同时,系统地比较概率和确定性的尿道束成像技术对提高基于尿道束成像的定位精度至关重要。在本研究中,我们报告了在14例接受DBS的ET患者队列中使用概率牵引造影前瞻性地靶向VIM区域的临床结果,以及我们对概率牵引造影和确定性牵引造影的系统比较结果。
开云体育世界杯赔率
从2018年8月开始,我们开始将基于概率tracographic的VIM靶向纳入DBS的术前规划。考虑到齿状口丘脑束的交叉和确定性束造影在捕获交叉纤维时的局限性,选择了概率束造影。患者接受机器人图像引导,图像验证的定向DBS系统植入。定性改善震颤评分或定量震颤评分(基于特发性震颤分级评估量表[TETRAS])20.)在常规临床实践中记录有无DBS。TETRAS评估头部、面部、舌头、声音、上肢和下肢以及在绘制螺旋、书写、点近似和站立等任务中存在的震颤和严重程度/振幅。随后,我们对基于概率和确定性tracography的VIM靶向进行了回顾性比较分析。本研究获得了当地机构审查委员会的伦理批准,用于临床和影像学数据的回顾性审查。
病人群
14例根据标准临床标准被认为适合DBS的难治性ET患者接受了基于概率tracography的VIM靶向DBS (表1).
基于概率tracography的VIM靶向患者信息和编程参数(n = 14)
特征 | 价值 |
---|---|
患者信息 | |
手术年龄,是的 | 66.2±7.3 |
性 | |
男性 | 8 |
女 | 6 |
疾病持续时间,年 | 16.1±16.2 |
诊断时年龄,岁 | 49.7±18.8 |
编程参数 | |
振幅,马 | 1.89±0.91 (0.35-4.00) |
频率,赫兹 | 160±28 (128-220) |
脉冲宽度,μ秒 | 56±16 (20-90) |
定向编程,% | 48.1 |
数值显示为平均值±标准差,数字,或平均值±标准差(范围)。
图像采集
为了消除潜在的运动伪影并最大限度地提高患者的舒适度,所有扫描都制定了标准化的全身麻醉方案,包括诱导药物、七氟醚浓度、血流动力学参数(如平均动脉压)和呼吸参数(如潮末二氧化碳水平、呼吸频率、氧浓度、潮气量)。所有患者均使用3-T Philips Achieva扫描仪和8通道头部线圈进行扫描。为了进行分割和DBS轨迹规划,患者接受t2加权、质子密度加权和钆增强t1加权成像。
结构扫描是使用之前研究中提到的扫描参数获得的。21轴向DWI取与t1加权成像相同的解剖位置(32个扩散编码方向;B = 850秒/毫米2;TR 12 msec;TE 83毫秒;矩阵尺寸128 × 128;体素尺寸2.0 × 2.0 × 2.0 mm3.).DWI的平均采集时间为15分钟,总扫描时间约为50分钟。
感兴趣区域的手工和半手工分割
对于每个患者,首先使用CranialSuite进行基于地图集的自动分割。22使用FreeSurfer图像分析套件对每位患者的t1加权体积(1毫米各向同性分辨率)进行皮质重建和体积分割。23手部运动区的皮质容量面罩,24产生初级感觉皮层和齿状核的小脑白质。使用ITK-SNAP软件手动分割上脑梗小脑面具,作为排除面具(图1).25作者之一(C.M.M.)手动监督所有由CranialSuite和FreeSurfer提供的自动重建,以纠正因注册和自动标记皮层和皮层下结构而引入的错误。
扩散数据处理和束成像
使用扩散MRI (ACID)工具箱中的伪影校正对扩散数据进行运动伪影校正和涡流畸变校正。26在这两种追踪方法中,均采用手运动区作开云体育世界杯赔率为起始掩膜,同侧丘脑作为航路点区域,对侧齿状核作为终止掩膜,脑柄作为排除掩膜来排除假阳性流线。同样地,用感觉区作为起始掩膜,同侧丘脑作为路点,脑梗作为排除掩膜,脊髓组背柱作为终止掩膜来描绘与VC的连接。
使用图形处理单元(GPU)集群获得概率束成像估计所需的平均时间约为30分钟。利用FMRIB软件库中的扩散工具箱(Diffusion Toolbox, FDT)生成概率纤维束成像。基于FDT的BedpostX工具(FSL版本6.0)的结果,估计每个体素的纤维取向分布,每个体素计算三个交叉纤维。流线是通过使用体素级主扩散分布的局部样本来生成的,以构建一个空间连通性分布,该分布描述了任何两个遥远点之间通过扩散场的路径的概率。27提取VIM和VC的概率图(pm)作为Probtrackx的输出,以生成一个丘脑图,描绘连接到运动和感觉区域的概率密度高的区域。为了减少虚假的发现,确定性和概率性的轨迹密度图都由体素组成,其在丘脑内的最高体素强度为10%或更低。28这造成了VIM和VC之间的人为分离,在解剖标本中无法观察到。
术前轨迹规划
轨迹规划首先选择VIM的间接靶点,该靶点位于前连连与后连连连接距离的1 / 4处,第三脑室外侧壁外侧10.5 mm处,连连平面水平处。29,30.通过使用概率牵引描记术对目标进行修改,通过接近间接目标的VIM PM的最高概率体素优化轨迹,同时也完全避免VC PM。由于所有患者都接受了分段电极植入以实现电流转向,因此靶区延伸至连接平面以下。因此,为了利用丘脑内的电流转向,第一个分段接触被植入在正中平面的水平(与丘脑下方最深的接触)。鉴于间接靶向用于图像引导、图像验证的DBS作为ET治疗的已知成功,31还努力避免目标修改大于2毫米。入口点选择在冠状缝线的后方,并进行了修改,以最大限度地插入VIM PM。最后的调整是避免血管,避免沟,并与侧脑室保持至少4毫米的距离。7
图像引导,图像验证DBS
患者接受机器人辅助、图像引导、图像验证的DBS植入。计划的轨迹首先转移到立体定向机器人(Renishaw)。然后在放置Leksell头架(Elekta)之前,将患者置于一般气管内麻醉下。每位患者仰卧在手术台上,头部通过Leksell框架固定在机器人上。登记程序后,使用两个测试轨迹作为验证。
对于每一个轨迹,机器人都被用来规划切口,然后在机械臂的引导下钻出一个3.2 mm直径的毛刺孔。一个1.6 mm直径的射频探头通过机械臂沿着计划的轨迹前进,同时测量动态阻抗以估计探头相对于灰质和白质的位置。然后在透视引导下将射频探头与DBS电极交换。在用颅骨微型板将电极固定在颅骨上之前,从电极上取下针芯。术中锥束CT确认电极最终位置。图2演示了基于间接瞄准的平均坐标,包含牵引成像数据后修改的计划坐标,以及植入电极相对于计划坐标的误差。
患者在DBS植入后进行常规随访和程序优化。术后震颤改善的记录要么是定性的,要么包括术后TETRAS评分,量化DBS的改善程度。
确定性Tractography
对所有患者进行术前确定性气管造影,以与术前靶向的前瞻性概率气管造影进行比较。对于确定性尿道造影,MRtrix工具箱(https://github.com/jdtournier/mrtrix3)用于分析扩散敏化数据集,并使用无张量约束球面反褶积模型生成光纤取向分布估计。同样的分割运动区和感觉区用于概率束成像,被用作起始种子确定性束成像与类似的方法。开云体育世界杯赔率我们从覆盖运动或感觉皮层的种子区域随机启动5000条流线,这些流线受到前面提到的目标、包含和排除面具的约束。结果是每个患者的VIM和VC都有一组确定的流线。
使用流线计数方法生成运动纤维和感觉纤维的左右丘脑流线的轨迹密度图像(TDIs)。通过给定相交体素的流线数被计数并映射为数值。我们掩盖了TDIs,以生成一幅丘脑图,描绘了连接运动区和感觉区的高密度流线。
跟踪方法之间和内部的比较开云体育世界杯赔率
我们比较了确定性和概率方法来量化VIM和VC之间的分离。开云体育世界杯赔率在用确定性束描记术创建的pm中,甚至在阈值之前,也可以观察到VIM和VC之间的显著重叠。因此,除了在术前规划中提供确定性的pm外,我们不能使用相同的方法进行直接定位,从而在跟踪方法之间进行比较。开云体育世界杯赔率我们计算了重心(CoGs)的加权和来量化两种方法之间的方差,类似于以前的方法。开云体育世界杯赔率21CoG等价于具有分布质量的物体的重心概念,但在成像分析的上下文中,强度取代了质量(图3).CoG由成像强度倾斜,而不是由最高体素强度或结构的解剖中心倾斜,而是考虑了区域内的密度。这是一种常用的方法,用于量化方法或组之间的差异,或在个体内部纵向的差异。开云体育世界杯赔率16,32为了量化VIM和VC之间的分离,我们计算了每个区域的cog之间的距离(在x-、y-和z-方向上)(图3 b).此外,为每种跟踪方法计算VIM和VC之间的Dice相似系数(DSC),以量化TDIs和pm之间的重叠程度(图3 c).DSC是医学影像研究中广泛使用的一种测量方法,通过计算来量化两个分割物体之间的重叠程度,1表示分割之间完全匹配,0表示没有重叠。33采用独立样本t检验比较跟踪方案之间的距离和dsc。
与间接定位的比较
如前所述,为了为间接瞄准提供参考,我们通过使用基于间接地图集的目标,检查了概率和确定性方法确定的cog之间的距离。开云体育世界杯赔率29对于每个患者和跟踪方法,沿轴向切片测量VIM和VC齿轮与间接目标之间的欧几里得距离和沿x轴和y轴的距离。
结果
病人
术前扫描、规划、图像引导、图像验证的DBS植入均无不良事件发生,平均随访8.6个月。一些患者接受了我们机构外运动障碍专家的规划和后续随访;因此,只有9例患者在程序优化后进行了术前和术后评估,他们的TETRAS评分平均改善了68%。所有患者经DBS后震颤改善≥54.8%,1例患者TETRAS评分改善80% (表2).其余患者有定性的震颤改善,并对DBS结果满意。尽管一些患者报告了与刺激相关的短暂性感觉异常或头晕,但所有患者的这些症状都得到了缓解,并且没有持续的刺激诱导的不良反应。
患者在使用和不使用DBS时测定TETRAS评分(n = 9)
临床结果 | 平均值±标准差(范围) |
---|---|
随访时间,天 | 263±212 (42-629) |
分数上 | |
从星展银行 | 18.2±4.5 (10.0 ~ 24.5) |
在星展银行 | 5.9±2.2 (3.0-9.5) |
改进,% | 68.0±6.5 (54.8-80.0) |
14例患者可获得详细的编程参数,他们的平均设置包括刺激集中在两个中间电极接触周围,振幅为1.89 mA,频率为160 Hz,脉冲宽度为56 μsec (表1).48.1%的患者采用电流引导进行定向刺激。
VIM和VC的束图分析
概率方法成功地描绘了14名患开云体育世界杯赔率者的运动、感觉皮层和丘脑的通路,并覆盖了所有60个核。在14例患者中有1例,确定性方法未能描绘出从感觉区到丘脑的任何联系(开云体育世界杯赔率图4患者10)。
跟踪方案比较
总的来说,确定性方法重建了狭窄而稀疏的流线束,这些流线束源于运动和感觉皮层中更小、更可变的区域。总的来说,在阈值化之前,概率方法重建了一组从丘脑投射出来的更连续的流线,以及更大的运动和感觉区域;在阈值化后,概率方法识别纤维的灵敏度较低,但特异性高于确定性方法。两种方法的重建似乎都将运动纤维与丘脑腹外侧相连,感觉纤维开云体育世界杯赔率与腹后外侧核相连。对于同一核,不同的追踪方法和患者内部的欧几里得距离差异很大;开云体育世界杯赔率CoG坐标差异大至4.9 mm,差异超过一半> 2.5 mm (表3).概率方法始终认为VIM纤维比确定性方法识别的纤维更前、外侧和优越,而概率方法识别的VC纤维始终比确定性方法识别的纤维更后、外侧和优越(图4).
齿轮沿轴向切片的平均距离和欧氏距离
跟踪方法 | x轴距离(mm)* | y轴距离(mm)__ | 欧氏距离(mm) |
---|---|---|---|
CoG btwwn跟踪方法开云体育世界杯赔率 | |||
VIM (n = 14) | −0.43 | 0.54 | 2.44 |
VC (n = 13) | −0.41 | −0.60 | 2.28 |
VIM和VC的描述(n = 13) | |||
确定齿轮 | |||
VIM到VC | 0.59 | 0.95 | 2.78 |
概率齿轮 | |||
VIM到VC | 0.64 | 2.16 | 5.05 |
VIM CoG w/间接目标‡ | |||
确定性(n = 14) | −0.79 | −0.81 | 8.18 |
概率(n = 14) | −1.85 | −1.68 | 9.48 |
数值从内侧(正)显示到外侧(负)。
数值从前(正)到后(负)依次显示。
VIM CoG和间接目标之间的大欧几里得距离很大程度上是由于前者的位置更优越。通过VIM CoG延伸到间接目标水平的弹道在间接目标后侧平均为1.13 mm(概率)或2.5 mm(确定性)。
不同跟踪方法对VIM和VC的描述开云体育世界杯赔率
当比较VIM和VC之间的欧几里得距离时,用概率方法确定的cog之间的距离几乎是用确定性方法确定的两倍。平均而言,概率方法检测到VIM比VC前距多2毫米,而确定性方法检测到分离距离平均多1毫米(表3).
与间接定位的比较
概率和确定性方法都发现,相对于基于地图集的参考资料,VIM CoG更加侧向开云体育世界杯赔率、后验和优越。患者特定的解剖结构和概率束的位置导致计划的目标,平均而言,更多的后方(0.64±1.01 mm)和更多的外侧(0.30±0.96 mm)。当使用概率法时,目标坐标的变异性也增加了:x轴坐标范围为间接目标的1.24内侧至2.49 mm外侧,y轴坐标范围为间接目标的1.49 mm前方至2.71 mm后方。规划靶材与间接靶材在交叉平面上的平均±SD (range)径向距离为1.33±0.79 (0.06-2.76)mm。
VIM的概率CoG始终比确定性CoG距离间接目标远约1-2 mm (表3).
目标和禁止区域的划定
尽管阈值分割后检测到的纤维更少,但根据dsc,概率法显示从VC中明显更清晰地勾画出VIM (p < 0.001)。根据确定性方法,VIM和VC之间的CoG距离为1.4 - 5.4 mm,而概率方法为2.8 - 7.3 mm (表3).此外,确定性方法的DSC显著更大(p < 0.001),这意味着确定性方法比概率方法发现了更多的运动和感觉纤维之间的重叠。
讨论
据我们所知,这是第一个在接受DBS的ET患者中使用前瞻性直接靶向VIM和概率束造影的报道。这种方法使我们在图像引导、图像验证的DBS后,患者的震颤平均减少了68.0%,没有不良事件或持续刺激诱导的不良反应。在初始编程阶段,振幅通常增加到3-5 mA;然而,如果更大的值不能提供额外的治疗益处,则设置实现最大治疗益处所需的最小振幅,以使电池消耗最小化。值得注意的是,这些结果是在平均刺激幅度小于2 mA和脉冲宽度小于60 μsec的情况下实现的,而且大多数程序本质上不是定向的。这些参数表明,不需要更大体积的组织激活来克服次优电极位置。除了首次前瞻性靶向研究外,我们首次系统比较了在接受DBS的ET患者中,概率和确定性纤维束造影对VIM和VC的描述,并强调了概率纤维束造影对术前VIM靶向的临床意义。
概率与确定性的尿道造影
VIM大小约为4 × 4 × 6mm,后方以VC为界,位于腹侧后外侧核的下部。34-36VIM位于小脑-丘脑-皮层网络的中心,这可能是由DBS通过病理活动调节的,以成功控制震颤。37我们发现,在所有患者中,概率纤维跟踪在分离VIM和VC区域方面比确定性纤维束造影更敏感和更具体。中所示的结果图可以很容易地理解这一点图4.虽然概率方法划定了VIM和VC之间的边界,但确定性方法经常出现重叠;对于患者10,确定性方法未能完全重建纤维。定性上,概率方法比确定性方法检测到VIM的CoG更靠近前侧开云体育世界杯赔率,VC更靠近后侧,平均相差1-2 mm。在定量上,概率束描记术能够估计白质束通过大脑中给定体素的概率。27因此,使用该技术可以更广泛地检测到目标区域内的纤维,这表明在检测显性和非显性纤维通路方面,概率束成像比确定性束成像更敏感。
与间接目标的距离
传统上,识别VIM依赖于地图集定义的与前、后粘连相关的坐标作为地标,以及其他可识别的结构,如丘脑之间的侧边界和内囊边界。5然而,这种方法无法解释个体的可变性;因此,我们假设基于atlas的定位可能是一种更保守的轨迹规划方法,其结果是VIM位置更靠近内侧以避免内囊,更靠近前部以避免VC。这一假设有助于解释为什么对ET患者在睡眠期间进行DBS的间接靶向也被证明是有效的。30.我们发现,概率目标和确定性目标提供的位置都比传统间接坐标更侧向和后方,概率目标甚至比确定性目标更侧向和后方(表3).这种差异直接影响了手术计划,手术目标比间接目标更偏向外侧和后方。因此,VIM的理想目标可能比传统瞄准方法提供的位置更侧向和后方;开云体育世界杯赔率我们的病人的临床结果证实了这一点,所有病人均获得良好的治疗效果(表2).此外,最近基于质子密度加权MRI直接可视化的VIM靶向研究报告了更多的横向靶向,38功能结果相当,与历史队列相比刺激和言语相关的不良反应更少。30.
基于区域的齿轮与间接目标之间的大欧几里得距离主要是由于齿轮的位置更优越。与此同时,必须记住,间接靶点是DBS电极的终点,这样植入在间接靶点的电极将通过基于束的CoGs的前部和内侧平均1.13 mm(概率法)或2.5 mm(确定性法)。
概率尿道造影的临床应用
在ET患者中,概率跟踪比确定性跟踪对小脑-丘脑纤维的跟踪更有约束和可靠。2本研究的结果对临床采用基于概率牵引描记术的定位具有重要意义,因为可靠、一致的VIM和VC描绘可以避免因意外刺激感觉纤维而引起的并发症。10此外,人们错误地认为确定性束成像算法产生的假阳性结果较少,更适合某些患者的手术规划,而概率束成像对交叉纤维的分辨率没有额外的好处。39我们的结果表明,无论是定量上还是定性上,概率束成像对VIM和VC的分离都有显著的改善,因为根据概率束成像,VIM和VC之间的CoG距离始终更大(表3);此外,根据DSC值(图5 b).这两种基于扩散的方法之间的巨大差异很大程度上可以归因于DWI固有的空间分辨率,它依赖于回波平面成像,本质上局限于2-3开云体育世界杯赔率毫米的各向同性分辨率。这种有限的分辨率通常不足以识别各向异性信息,特别是在包含许多重叠中继点和输入的区域,如丘脑。4因此,一种能够解决交叉和发散纤维问题的跟踪方法对于绘制丘脑细分是必不可少的。
以前的研究比较了概率和确定性方法在手术前定位丘脑下核的性能开云体育世界杯赔率16还有内苍白球。21然而,到目前为止,还没有研究对ET患者的VIM和VC进行系统的概率和确定性的气管造影比较。39此外,尽管之前的研究已经确定了临床结果与基于连接的VIM和丘脑分割之间的回顾性相关性,40没有人使用导管造影术进行前瞻性靶选择。我们的研究比较了使用一致的成像参数和采集方法、临床可行的扫描参数以及大多数中心可用的后处开云体育世界杯赔率理方法的VIM和VC描述的前瞻性tracography方法。
局限性和未来工作
虽然我们的研究证明了概率束成像用于VIM定位的可行性和精确性,但该技术并非没有局限性。概率牵引成像在计算上很麻烦,而且很耗时。在没有批量处理的情况下,估计每个体素的交叉纤维数量可能需要长达15个小时。41这样的处理可以被纳入外科医生的工作流程,他们在手术前一天例行规划轨迹,但这对于那些在手术前立即例行进行立体定向规划的外科医生来说并不容易适应。处理能力的技术进步,如GPU处理,可能有助于缩短处理时间。随着越来越多的中心认识到先进的靶向技术的优势,适当的软件和计算能力可能会更多地用于临床应用。
为了更好地理解概率性气管造影的临床意义,未来的研究需要结合刺激场建模和接受基于气管造影规划的患者的长期结果。在未来的工作中,我们打算分析PMs和电极放置之间的关系,以量化概率束造影在术前计划之外对临床结果的影响。最后,未来的多机构合作将大大加快获得和转化为临床环境的气管造影。4
结论
运动丘脑的术前靶向有可能提高已知功能和解剖目标的准确性,促进我们对震颤病理生理学的理解,并将该领域推向DBS靶向发展的下一阶段。在这项研究中,我们证明了我们早期经验的安全性和有效性,使用基于前瞻性概率tracography的VIM靶向用于麻醉下ET患者的图像引导,图像验证的DBS。此外,我们还展示了在临床上可行的时间框架内,概率束造影如何允许更大程度地分离VIM和VC纤维。
披露的信息
梁博士是雅培PROGRESS试验的研究员。
作者的贡献
构思与设计:Muller, Alizadeh, Matias, Wu。数据采集:全部作者。数据分析和解释:Muller, Alizadeh, Matias, Mohamed, Wu。文章起草:Muller, Alizadeh, Matias, Wu。批判性地修改文章:Muller, Alizadeh, Matias, Thalheimer, Mohamed, Wu。审稿版本:所有作者。批准了手稿的最终版本代表所有作者:穆勒。统计分析:Muller, Alizadeh, Wu。行政/技术/物资支持:Thalheimer, Romo, Martello, Liang, Mohamed, Wu。研究指导:Thalheimer, Romo。