Multimodal navigation system for brain mapping notification and brain shift estimation

The necessity of localization of intracranial targets such as tumors or lesions during surgical interventions has been perceived since the beginning of the XX century. In 1949 the stereotactic system was developed by Leksell. This system (still used today for certain neurosurgical interventions, such as biopsies or depth electrodes insertion) is fixed to the patient head and is based on the use of a tridimensional coordinates system for the precise localization. This system has a cumbersome structure that the patient must wear preoperatively during imaging. There has been thus the necessity to have tools more handy and flexible such as neuronavigators which continuously monitor the position of the patient head and the position of the surgical tool used during the operation. A registration procedure with the preoperative images is required. Among the others, commercial navigation systems currently used for neu- rosurgery are the StealthStation (Medtronic, Minneapolis, US) and the Vector Vision (BrainLab, Feldkirchen, Germany). Some researchers have integrated the Medtronic neuronavigator and the open-source visualization environment 3D Slicer (www.slicer.org). 3D Slicer was used for monitoring and limiting the surgical robot working area [14]. In other studies the navigation software has been adapted for adding intraoperative annotation and sound feedback [20]. The integration of another commercial system (BrainLab) with the open-source software Bioimage Suite (www.bioimagesuite.com, an integrated medical im- age analysis suite) had the finality to improve the visualization environment used for intraoperative navigation [23, 31]. One of the main limitation that affect modern neuronavigation accuracy is brain shift: a phenomena that de facto invalidates the hypothesis of the equiva- lence between the surgical reality and the diagnostic preoperative images. It was demonstrated that the phenomena can reduce the accuracy of the navigation up to 2.5 cm [7] and that the main brain shift occurs in the gravity direction [27]. Brain shift is due to to the leakage of cerebro spinal fluid (CSF) with consequent intracranial pressure drop and happens mainly after the dura mater opening. Some authors demonstrated that there is not a direct correlation between the entity of the brain shift and the dimensions of the craniotomy, the patient ori- entation and the usage of hyperosmotic drugs such as mannitol. Nevertheless those factors are for sure concauses of the phenomena. This thesis work is aimed at providing the surgeon with a navigation system that would allow a more complete visualization with respect to the commercial systems. In particular the aim has been the integration of an existing navigation system inside an open source software for the analysis and the visualization of preoperative data. Specific thesis objectives pursued are: • implementing an intraoperative annotation functionality; • collection of cortex fiducials during the operation to estimate the brain shift. 3D Slicer [9] is a software platform for the analysis and visualization of medical images and for research in image guided therapy. Features include: support for 3 4 many modalities, including: Magnetic Resonance Imaging (MRI), Computed Tomography (CT), UltraSound (US), Diffusion Tensor Imaging (DTI); flexible display capabilities with a variety of predefined layout for slice reformats and 3D views; automated and interactive segmentation tools; surface reconstruction from image data; extensible & scriptable development platform (C++/Python). The Medtronic navigator (StealthStation TREON Plus) was integrated in 3DSlicer through a Windows client that accesses data from the navigator and send processed data to 3DSlicer. The software make use of proprietary (Stealth- Link) and open-source (OpenIGTLink[31]) protocols for the communications over the hospital network. The possibility to acquire intraoperative points through the pointer and visualize them in the 3D Slicer scene was implemented. The feature was developed for two purposes: 1. visualization of cortical electrostimulated points on the Slicer scene, al- lowing the user to set the annotation description and the color; 2. analyzing the shift of cortical points caused by brain shift, through the annotation of the same cortical features at different time during surgery, in order to analyze the displacement of those features. Brain shift was studied analyzing the evolution of cortical points in 7 resective surgeries performed at “Claudio Munari” centre for epilepsy surgery at Niguarda Cà Granda Hospital, Milan. The experimental protocol consisted in the follow- ing phases: • acquisition of the gravity vector direction with respect to the patient; • acquisition of the performed craniotomy border; • acquisition of 3-7 cortical points in different phases of the intervention. Shift vectors were defined as the difference between corresponding points ac- quired at different time frame. They represent the direction and the entity of the shift occurred for each cortical point. Craniotomy plane was defined as the plane approximating the points of the craniotomy border acquired; the brain inward direction was defined as the vector normal to the craniotomy plane; the craniotomy orientation was defined as the angle between the brain inward di- rection and gravity vector. Data acquired were processed with Matlab® and the Visualization ToolKit (VTK). The following quantitates were estimated: 1. module and direction of the shift vectors; 2. correlation between shift vectors, the craniotomy opening and the cran- iotomy orientation during surgery. Patients underwent a median shift of 5 mm (maximum 7 mm and minimum 2.6 mm). Three patients with a brain shift lower than the measured system accuracy (4,21 mm) were discarded. 5 The median angle between shift vectors and the gravity vector results 34°, and the median angle between shift vectors and the inward brain direction results 50°. The main direction of brain shift is thus gravity. A deeper analysis was performed on the discarded patients leading to the results that the non feasibility of those data is due to one the following reasons: • brain shift occurred in cortical regions in which none or few points were acquired; • brain shift occurred in opposite directions at different cortical regions. It was not found a correlation of the brain shift with the extent of the craniotomy, but a correlation with the craniotomy orientation was found differently from the state of the art [27]. In conclusion, this thesis project reached its first objective providing surgeons at the centre of Niguarda Hospital with a navigation system additional to the one currently used, with improved functionalities and more features. These functionalities allowed the realization of a preliminary study of the complex phenomena of brain shift. Results of this study are in partial agreement with the state of art but an increased number of patient is necessary. In the future acquisition methodologies can be improved and the sample size could surely increase. The work can be directed to several ways: the system optimization, its integration with surgical robotic systems, the usage of the systems for clinical studies of different nature.

La necessità di localizzare target intracranici quali tumori o lesioni durante in- terventi chirurgici è stata percepita fin dagli inizi del XX secolo. Nel 1949 il sistema stereotassico fu sviluppato da Leksell. Questo sistema (tutt’oggi utiliz- zato per alcuni interventi chirurgici, come biopsie o inserimento di elettrodi di profondità) è fissato alla testa del paziente ed è basato sull’uso di un sistema tridimensionale di coordinate per la precisa localizzazione. Questo sistema ha una struttura ingombrante che il paziente deve indossare prima dell’intervento per sottoporsi all’esame radiologico. C’è stata dunque la necessità di avere stru- menti più maneggevoli e flessibili come i neuronavigatori i quali monitorano continuamente la posizione della testa del paziente e la posizione di uno stru- mento chirurgico utilizzato durante l’operazione. Una procedura di registrazione con le immagini preoperatorie è richiesta. Tra gli altri, i sistemi di navigazione correntemente utilizzati in neurochirur- gia sono: StealthStation (Medtronic, Minneapolis, USA) e Vector Vision (Brain- Lab, Feldkirchen, Germania). Alcuni ricercatori hanno integrato il neuronav- igatore Medtronic e l’ambiente open-source di visualizzazione 3D Slicer (www. slicer.org). 3D Slicer è stato utilizzato per il monitoraggio e la limitazione dell’area di lavoro di un robot chirurgico [14]. In altri studi il software di nav- igazione è stato adattato per aggiungere funzionalità di annotazione intraoper- atoria e feedback sonoro [20]. L’integrazione di un altro sistema commerciale (BrainLab) con il software open-source Bioimage Suite (www.bioimagesuite. com, un ambiente integrato per analisi di immagini mediche) ha avuto la fi- nalità di migliorare l’ambiente di visualizzazione utilizzato per la navigazione intraoperatoria [23, 31]. Una delle principali limitazioni che colpisce l’accuratezza dei moderni sistemi di neuronavigazione è il brain shift: un fenomeno che di fatto invalida l’ipotesi di equivalenza tra la realtà operatoria e le immagini diagnostiche preoperatorie. E’ stato dimostrato che il fenomeno può ridurre l’accuratezza della navigazione fino a 2,5 cm [7] e che il brain shift avviene principalmente in direzione della gravità [27]. Il brain shift è dovuto alla fuoriuscita di liquido cerebrospinale con conseguente caduta di pressione intracranica ed inizia a verificarsi dopo l’apertura durale. Alcuni autori hanno dimostrato che non c’è correlazione di- retta tra l’entità del brain shift e le dimensioni della craniotomia, l’orientamento del paziente e l’uso di farmaci iperosmotici come il mannitolo. Tuttavia questi fattori sono senza dubbio concause del fenomeno. Questo lavoro di tesi si propone di fornire al chirurgo un sistema di nav- igazione che possa consentire una visualizzazione più completa rispetto ai sis- temi commerciali. In particolare l’obiettivo è stato l’integrazione di un sistema di navigazione esistente all’interno di un software open-source per l’analisi e la visualizzazione di dati preoperatori. Obiettivi specifici perseguiti sono stati: • l’implementazione di un sistema di annotazione intraoperatoria; • l’acquisizione di punti fiduciali corticali durante alcune operazioni per sti- mare il brain shift. 6 7 3D Slicer [9] è una piattaforma software per l’analisi e la visualizzazionedi immagini mediche e per ricerche nell’ambito della chirurgia guidata dalle im- magini. Le sue caratteristiche includono: supporto per molte modalità di im- magini diagnostiche tra cui: Risonanza Magnetica (RM), Tomagrafia Assiale Computerizzata (TAC), Ultrasuoni (US), Imaging con Tensore di Diffusione (DTI); possibiltà di visualizzazione flessibile con una varietà di formati pre- definiti for la visualizzazione delle immagini bidimensionali dell’esame e dei modelli tri-dimensionali; strumenti per la segmentazione automatica e inter- attiva; ricostruzione di superfici dalle immagini; piattaforma di sviluppo esten- sibile (C++/Python). Il navigatore Medtronic (StealthStation TREON Plus) è stato integrato in 3D Slicer attraverso un Windows client che accede ai dati del navigatore e invia i dati elaborati a 3DSlicer. Il software utilizza protocolli di comunicazione pro- prietari (StealthLink) e open-source (OpenIGTLink [31]) per la comunicazione all’inerno della rete dell’ospedale. E’ stata inoltre implementata la possibilità di acqusisire punti intraoperatori attraverso il pointer e di visualizzarli in 3D Slicer. La funzione è stata sviluppata per due scopi: 1. visualizzazione di punti corticali stimolati elettricamente nella scene di Slicer, consentendo all’utente di impostare la descrizione e il colore dell’annotazione; 2. analizzare lo spostamento di punti corticali casusato dal brain shift, at- traverso l’annotazione della stesso punto corticale in diverse fasi dell’intervento, per analizzare lo spostamento del punto. Il brain shift è stato studiato analizzando l’evoluzione di punti corticali in 7 procedure di chirurgia resettiva effettuate al centro di chirurgia dell’epilessia “Claudio Munari” all’ospedale Niguarda Cà Granda di Milano. Il protocollo sperimentale è consistito nelle seguenti fasi: • Acquisizione della direzione del vettore gravità rispetto al paziente; • Acquisizione dei bordi della craniotomia effettuata; • Acquisizione di 3-7 punti corticali in diverse fasi dell’intevento. I vettori spostamento sono stati definiti come differenza tra punti corrispondenti acquisiti in tempi diversi, essi rappresentano la direzione e l’entità dello sposta- mento subito per ciascun punto corticale; il piano di craniotomia è stato definito come il piano approssimante i punti acquisiti del bordo della craniotomia, la di- rezione entrante nel cervello è stata definita come il vettore normale al piano di craniotomia; l’orientamento della craniotomia è stato definito come l’angolo tra la direzione entrante nel cervello e il vettore gravità. I dati acquisiti sono stati analizzati con Matlab® e il Visualization ToolKit (VTK). Le seguenti quantità sono state stimate: 1. modulo e direzione dei vettori spostamento; 2. correlazione tra i vettori spostamento, la craniotomia e il suo orientamento durante l’operazione. 8 I pazienti hanno subito un brain shift mediano di 5 mm (massimo 7 mm e minimo 2.6 mm). Tre pazienti con un brain shift minore dell’accuratezza del sistema misurata (4,21 mm) sono stati scartati. L’angolo mediano tra i vettori spostamento e il vettore gravità è risultato 34°, e l’angolo mediano tra i vettori spostamento e la direzione interna al cervello è risultato 50°. La direzione principale di brain shift è perciò la gravità. Un’analisi approfondita effettuata sui pazienti scartati ha portato al risultato che la non affidabilità di tali analisi è dovuta a una delle seguenti ragioni: • il brain shift è avvenuto in regioni corticali in cui nessuno o solo pochi punti sono stata acquisiti; • il brain shift è avvenuto in direzioni opposte per diverse regioni corticali. Non è stata trovata correlazione tra brain shift e l’estensione della craniotomia, ma una correlazione con l’orientamento della stessa è stato trovato a differenza delle stato dell’arte [27]. In conclusione, il progetto di tesi ha raggiunto il suo primo obiettivo for- nendo ai chirurghi del centro dell’ospedale Niguarda un sistema di navigazione addizionale a quello correntemente in uso, con funzionalità aggiuntive. Queste funzionalità hanno consentito la realizzazione di uno studio preliminare del com- plesso fenomeno del brain shift. I risultati di questo studio sono in buona parte in accordo con lo stato dell’arte ma un numero maggiore di pazienti sarebbe necessario. Nel futuro i metodi di acquisizione potranno essere migliorati e il campione di dati potrà aumentare. Il lavoro potrà essere continuato in diversi modi: l’ottimizzazione del sistema, la sua integrazione con sistemi di chirurgia robotica, l’uso del sistema per studi clinici di diversa natura.