Neue MRT-Technologie verbessert Bildgebungsführung für die Neurochirurgie

Das Gehirn steuert die wichtigen Funktionen des Körpers, hält uns am Leben, ermöglicht uns die Interaktion mit der Welt und produziert die Gedanken und Meinungen, die uns zu Menschen machen.

Wenn ein Tumor eindringt, muss der Neurochirurg eingreifen, um den Krebs so vollständig wie möglich zu entfernen, ohne Teile des Gehirns abzuschneiden, die diese wichtigen Funktionen steuern. Zur Orientierung nutzen Chirurgen die Magnetresonanztomographie (MRT). Während die MRT zum aktuellen Behandlungsstandard gehört, gibt es erhebliche Hindernisse für eine präzise Führung der Krebsresektion – so dass ein dringender Bedarf besteht, die radiologische Visualisierung von Tumorrändern und -infiltration zu verbessern und die Effizienz der Kartierung der Gehirnfunktion zu verbessern.

Das UNM Health Sciences Center hat kürzlich ein neues Patent angemeldet MRT-Datenerfassungs- und Analysetechnologie um Chirurgen in Echtzeit präzise Informationen über Tumore und das umgebende Hirngewebe zu liefern. Die Technologie ist mit vorhandenen MRT-Scannern kompatibel und führt zwei Arten von MRT-Scans gleichzeitig durch und liefert so in nur drei Minuten aussagekräftige Daten.

Für die mehr als 1.3 Millionen Menschen in den USA, die mit einem Gehirntumor leben, könnte diese paradigmenwechselnde Technologie dazu beitragen, die Ergebnisse nach einer Operation zu verbessern.

Verbesserung der MRT-Effizienz und -Präzision

Die MRT-Untersuchung beruht auf der Allgegenwart von Wasserstoff in lebendem Gewebe (Wasser – H ₂O – ist das am häufigsten vorkommende Molekül im Körper), ein starkes Magnetfeld, das den Spin des Protons im Wasserstoffatom polarisiert, und ein Funksender, der eine Protonenspinresonanz erzeugt, die dazu führt, dass die Protonen im lebenden Gewebe Funksignale aussenden, die wir können zu einem Bild verarbeiten.

Neurochirurgen nutzen diese Bilder, um Informationen über das Gehirn vor, während und nach der Operation zu sammeln. Zu den wichtigsten Arten der MRT gehören:

• Strukturelle MRT: Signale aus verschiedenen Hirngewebekompartimenten, wie der grauen Substanz im Kortex und der darunter liegenden weißen Substanz, die zu einem hochauflösenden Bild verarbeitet werden können, das verschiedene Hirngewebestrukturen mit hohem Kontrast sichtbar macht.
• Funktionelle MRT (fMRT): Hebt metabolisch aktives Gewebe hervor, indem bei zunehmender Gehirnaktivität ein erhöhter Blutfluss zu diesen Bereichen festgestellt wird, der in Karten von Funktionsbereichen des Gehirns verarbeitet werden kann. Da auch im Ruhezustand immer Gehirnaktivität herrscht, können die Signalschwankungen im Gehirn auch zu Karten funktioneller Netzwerke des Gehirns verarbeitet werden (Ruhezustands-fMRT).
• Diffusions-MRT (dMRT): Misst die Wasserdiffusionsfähigkeit und ermöglicht die Verarbeitung von Signalen in Karten von Faserbahnen der weißen Substanz, die verschiedene kortikale Bereiche verbinden.
• MR-spektroskopische Bildgebung (MRSI): Misst Signale von einer Vielzahl intrazellulärer organischer Moleküle (Metaboliten) außer Wasser, die für verschiedene Gewebetypen spezifisch sind und Informationen über die Biochemie des Gehirns liefern. Diese Metabolitensignale können zu Spektralmustern und Konzentrationskarten der Metaboliten verarbeitet werden. Die Konzentrationen dieser Moleküle sind in Hirntumoren verändert und können bei der Identifizierung von Tumortypen helfen. 

Funktionelle MRT- und MR-spektroskopische Bildgebung können Chirurgen bei der Entfernung von Krebsgewebe unterstützen. Die Erfassung dieser MRT-Daten ist jedoch sehr zeitaufwändig und wird normalerweise in mehreren Sitzungen separat durchgeführt. Die MR-spektroskopische Bildgebung ist technisch sehr anspruchsvoll und wird daher in der klinischen Praxis nicht routinemäßig durchgeführt.

Darüber hinaus haben die aufgabenbasierte fMRT und die intraoperative Kartierung, die derzeit den klinischen Standard der Versorgung darstellen und von den Patienten Aufgaben zur Aktivierung von Gehirnbereichen ausführen müssen, ihre eigenen Herausforderungen. Aufgrund des Gehirntumors, ihres Alters oder aus anderen Gründen sind Patienten möglicherweise nicht in der Lage, Aufgaben auszuführen. Für die intraoperative Kartierung der Sprachfunktion müssen die Patienten während der Operation wach sein und Aktivitäten ausführen, um Teile ihres Gehirns zu aktivieren, damit diese Bereiche kartiert werden können – dies kann für die Patienten stressig sein. Hier kann die Ruhezustands-fMRT als Ergänzung eingesetzt werden, um Daten bei Patienten zu erhalten, die Aufgaben nicht gut genug ausführen können, um für die chirurgische Anleitung klinisch nützlich zu sein.

Unsere Technologie bietet einen neuen Hochgeschwindigkeitsansatz zur Kartierung funktioneller Netzwerke des Gehirns und der Gehirnbiochemie in einer Bildgebungssitzung und erfasst Hunderte verschiedener Ruhezustandsdarstellungen der gesamten Gehirnfunktion und mehrschichtige Metabolitenkarten innerhalb von Scanzeiten von nur 3 Minuten. Dies eröffnet eine Reihe von Möglichkeiten, die chirurgische Entfernung von Hirntumoren zu verbessern und gleichzeitig den eloquenten Kortex zu schonen, insbesondere den frontalen Kortex, der mit herkömmlicher, aufgabenbasierter fMRT nicht ausreichend abgebildet werden kann.

Neurochirurgen konzentrieren sich seit langem auf Regionen des Gehirns, die motorische, sprachliche, visuelle und auditive Systeme steuern, sodass der frontale Kortex weitgehend nicht kartiert ist. Diese Technologie könnte die Art und Weise, wie Neurochirurgen Entscheidungen treffen, revolutionieren, unter anderem durch ein neues Verständnis des frontalen Kortex des Gehirns, einem wichtigen Zentrum der Kognition.

Die Fähigkeit, sowohl funktionelle als auch metabolische Informationen gleichzeitig zu sammeln, könnte Neurochirurgen ein neues Maß an Präzision bei der Abgrenzung räumlicher Grenzen zwischen Hirntumoren und dem angrenzenden eloquenten Kortex bieten, um die Tumorresektion zu maximieren und gleichzeitig wichtige Gehirnfunktionen zu erhalten.

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Verbundforschung zur Verbesserung der Patientenergebnisse

Das UNM HSC Klinik für Neurologie hat in Zusammenarbeit mit unseren Partnern von den National Institutes of Health Zuschüsse für den Small Business Technology Transfer erhalten University of Minnesota und für University of Pittsburgh Entwicklung einer Echtzeitanalyse der Gehirnaktivität im präoperativen Umfeld mit weit verbreiteten MRT-Scannern und im intraoperativen Umfeld mit intraoperativen MRT-Scannern.

Diese Technologie wird für die präoperative und intraoperative Kartierung bei Patienten mit Hirntumoren validiert, um zu beurteilen, ob es machbar ist, Neurochirurgen Planungsinformationen über die Hirngewebefunktion in der Nähe eines Tumors und intraoperative Aktualisierungen der Gewebefunktion während der Operation zur Verfügung zu stellen.

Die neue simultane fMRT- und MRSI-Technologie wird weiterentwickelt, um eine Echtzeit-fMRT-Kartierung des eloquenten Kortex im Ruhezustand und eine Online-Kartierung von im Gewebe vorhandenen Hirnmetaboliten wie Aminosäuren, Lipiden, Cholin, Kreatin und anderen zu ermöglichen. Der Vergleich der Menge dieser Metaboliten mit normalem Hirngewebe kann dabei helfen, den Stoffwechselstatus des Gewebes und die Art des Hirntumors zu bestimmen.

Wir arbeiten daran, diese Technologien für die klinische Anwendung allgemein verfügbar zu machen, damit sie für die größtmögliche Anzahl von Patienten den größtmöglichen Nutzen bringen können. Unsere Forschung umfasst die Verbesserung von Datenerfassungstechniken zur Beantwortung wichtiger klinischer Fragen. Da diese Art bahnbrechender Forschung jedoch nicht im luftleeren Raum durchgeführt werden kann, arbeiten wir mit Partnern im ganzen Land und auf der ganzen Welt zusammen.

UNM HSC-Auszubildende profitieren von dieser Gelegenheit, die Kommunikations- und Teamfähigkeiten zu entwickeln, die sie für eine enge Zusammenarbeit mit Wissenschaftlern führender Forschungszentren auf der ganzen Welt benötigen. Darüber hinaus entdecken sie den nötigen Unternehmergeist, um bahnbrechende Entdeckungen zu machen und gemeinsame Arbeiten mit führenden Wissenschaftlern weltweit zu veröffentlichen.

Unser Hauptanliegen ist für uns alle stets die Verbesserung der Patientenergebnisse im realen Umfeld. Unsere Arbeit besteht darin, sowohl bei der Pflege als auch bei den chirurgischen Ergebnissen für Patienten einen Unterschied zu machen.

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