Curso MNPS 2017: Functional Neurosurgery Planning

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Curso de Atualização e Técnicas Avançadas em MNPS – 2017 (ver 10.36.00) Planejamento de Neurocirurgia Funcional Armando Alaminos Bouza. Físico-Médico Equipe de desenvolvimento do MNPS/CAT3D Mevis Informática Médica LTDA. Brasil São Paulo. Junho de 2017

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Curso de Atualização e Técnicas Avançadas em MNPS – 2017 (ver 10.36.00)

Planejamento de Neurocirurgia Funcional

Armando Alaminos Bouza.Físico-Médico

Equipe de desenvolvimento do MNPS/CAT3DMevis Informática Médica LTDA. Brasil

São Paulo. Junho de 2017

-Registro baseado em pontos: AC, PC, IHP.-Reformatar CT/MRI para ficar paralelo a mapas dos atlas.-Sistema de coordenada comissural.-Identificando a estrutura que contém o cursor do mouse.-Alvos baseados em coordenadas das comissuras.-Mapas sobre CT, atlas com MRI fundida a CT.-Representação gráfica dos modelos mais comuns de eletrodos (DBS).-Modelo de campo elétrico e VTA criado pelos DBS.

Tradicionalmente o pré-planejamento de procedimentos de neurocirurgia funcional com alvo nos gânglios da base é feito dentro de um espaço estereotáxico e com mapas criados para vincular núcleos e estruturas com coordenadas cartesianas.

O MNPS tem diversos recursos orientados especificamente às necessidades da neurocirurgia funcional e estereotáxica.

Com a introdução do modo “Virtual Fiducials” é importante entender e poder utilizar o sistema de coordenadas comissurais, inclusive para procedimentos fora da área de funcional.

O modelo de registro Atlas-cérebro é baseado em pontos de referência. A literatura clássica de neurocirurgia funcional é unânime na utilização dos pontos :

AC – comissura anterior (anterior commissure )PC – comissura posterior (posterior commissure)

Esta informação geométrica é insuficiente para um registro 3D completo. Necessitamos um ponto a mais.

A linha AC-PC define a rotação em torno do eixo Z e X. Falta definir a rotação em torno do eixo Y.

Desde 1992 (na era do NSPS) introduzimos o ponto IHP (inter-hemispheric point). Ele marca um ponto no plano central sagital (mid sagittal plane) que define um triângulo com vértices AC-PC-IHP .

Estes três pontos permitem registrar os mapas estereotáxicos no cérebro do paciente. O MNPS somente habilita os mapas após a criação dos POIs AC, PC, IHP.

Note que o triângulo formado por AC-PC-IHP não pode ter área zero (0.0). Por isso recomendamos que os lados AC-PC e PC-IHP formem ângulo próximo a 90 graus.

Atlas clássicos de neurocirurgia funcional.

Existem trabalhos recentes com novidades na histologia, largura dos cortes e conservação da arquitetura, um deles está em desenvolvimento na USP.Note que mapas de atlas diferentes apresentam discrepâncias entre eles, pois foram criados a partir de modelos (cadáveres) diferentes. Mapas de planos diferentes, dentro do mesmo atlas, também são diferentes! O Moreltem correções neste sentido (atlas canônico), ainda assim cada plano é diferente dos outros.Outra idéia moderna são os atlas funcionais probabilísticos. Um deles é o LPBA40, que depois discutiremos.

Como fixar AC, PC, IHP ( 1 )

IHP baixo

Como definir AC, PC, IHP (2)

IHP alto

z

X

Y

MCP = (0,0,0)Tomado de: “Neurofunctional Systems: 3D Reconstructions with Correlated Neuroimaging”. By Hans-Joachim Kretschmann, Wolfgang Weinrich, Wolfram Fiekert

Sistema de coordenadas comissurais.Coordenadas comissurais são um sistema cartesiano que tem como base os pontos AC e PC. No MNPS a origem do sistema está no ponto médio inter-comissural.

Depois de criar os POIs AC, PC e IHP, o MNPS passa a reportar as coordenadas comissurais da posição do cursor.

Mapas registrados sobre a CT estereotáxica e a MRI fundida: O MNPS contém mapas digitais baseados na arquitetura de atlas clássicos. Utilizamos uma representação interna vetorial que permite escalar e deformar os mapas.

Atlas Menu : Onde está o cursor ?Para abrir “Atlas Menu” <CTRL-F6> ou click em “?”

Até a versão 10.33.03 este era o único recurso para identificar um núcleo no mapa ativo da janela principal.

Atlas Menu : Onde está o cursor ?Mapa coronal

Até a versão 10.33.03 este era o único recurso para identificar um núcleo no mapa ativo da janela principal.

Na versão 10.33.04 o MNPS passou a informar continuamente o núcleo sobre o qual está o cursor. A informação está no título da janela (caption of window)

Ajuste fino dos mapas.

Propostas de alvos comuns na neurocirurgia funcional.Cinco alvos estão pré-configurados no MNPS

Além dos alvos pré-configurados o usuário pode criar outros segundo as suas preferências pessoais.Para isso deve editar o arquivo MNPS.INI, pode ser com o editor ASCII NotePad. Cada alvo no início de uma linha do texto. A sintaxe é:

FUNCT_TARGET = Xc Yc Zc name_target

Onde “FUNCT_TARGET” é uma palavra chave, Xc, Yc, e Zc são as coordenadas do alvo no sistema comissural. Por último “name_target” é o nome do alvo.Exemplo:

FUNCT_TARGET = 5.2 9.6 -7.5 Fx-hT

Representando a mediana das coordenadas utilizadas para estimular região do fornix segundo: “Bilateral deep brain stimulation of the fornixfor Alzheimer’s disease: surgical safety in the Advance trial”, Journal ofNeurosurgery December 18, 2015.

Agora temos um novo alvo criado pelo usuário via o arquivo MNPS.INI:

Axial Coronal

O máximo número de alvos que o MNPS suporta são 64. Como ele já vem préconfigurado com 5, o usuário pode definir somente 59 alvos no arquivo MNPS.INI, usando a sintaxe:

FUNCT_TARGET = Xc Yc Zc name_target

Lembre que, embora o nome do alvo (name_target ) possa tolerar até 32 char, o POI que gera o MNPS para os alvos está limitado a 8 char. O nome longo aparece no menu de seleção dos alvos, porém o POI criado será truncado.

Como mover o cursor do MNPS a um ponto do cérebro conhecidas suas coordenadas comissurais.

É possível achar na literatura referências de pontos de interesse ou alvos da cirurgia funcional. Se o plano do MNPS já tem definidos os POIs AC, PC e IHP o sistema pode movimentar o cursor para as coordenadas Xc,Yc,Zcde forma muito simples. Com o comando do teclado <CTRL-X> ou pelo menu da ajuda (F1) selecione “Goto Commissural XYZ”.

No exemplo mostrado, queremos ir para 12.0 mm a direita, 1.5 mm posterior a “mid commissural point” e 2.5 mm caudal ao plano horizontal AC-PC.O MNPS fará pular o cursor até o plano AC-PC horizontal Z=-2.5 e para o pixels mais próximo do X,Y solicitado.

Mostrar núcleos de funcional na janela 3D

Editor de POIs em modo comissural: Ativar com SHIFT + Click no botão do editor de POIs

Click no botão < ? > (ajuda) da barra de ferramentas 3D ou, diretamente, tecla F6

Selecione os núcleos que deseja mostrar e o modo de apresentar, sólido ou arames

Resultados das apresentações dos núcleos em 3D

modo “wire-frame”

“solid”

Representação dos eletrodos DBS

No MNPS os DBS são vinculados a trajetórias. Vamos relembrar como criamos trajetórias.

O botão indicado na barra de ferramentas inicia a criação de uma trajetória entre um POI pré-existente e um novo POI que vamos criar. O novo POI é o destino da trajetória.

(POI pré-existente)

Nome para novo POI destino

Caso o POI pré-existente seja “OUT” significa que vamos a criar a trajetória baseada em ângulos alfa e beta. O novo POI sempre é o ponto distal ou mais profundo.

betaalfa

Ângulos alfa e beta da trajetória

Beta

Alfa

Outra forma de criar trajetórias. Com o editor de POIs.

Crie um POI para entrada e um POI para destino. Abra o editor de POIs. No campo “FROM” do POI destino insira o nome do POI da entrada. No campo “Z-Bar” seleciones a posição de fixar a barra Z para cada trajeto. Feche o editor com OK.

Como representar em forma precisa a localização dos contatos ativos do DBS:

• O DBS tem que ser uma trajetória.• A ponta do DBS tem que ser o destino da

trajetória.• O nome do POI destino tem que incluir o carácter

* (asterísco). Ver exemplo

Como definir o modelo de DBS do plano.

Variante 1, Pelo menu da funcional:

Como definir o seu modelo de DBS (2).

No Menu inicial do MNPS ir a “Options” e selecionar “Set DBS Model”

Na janela que se abre selecione o modelo de DBS que irá implantar.

Na data desta aula o MNPS contém 5 modelos com geometria implementada, dois de Medtronic, dois da Saint Jude e um da Boston. Outros serão adicionados na medida que entrem no nosso mercado.

MNPS mostrando dois modelos de DBS.Representa apenas contatos ativos

Medtronic, 1.5 mm spacing St. Jude 1.5 mm spacing

Representação do contato ativo em 2D. O corte que intercepta um contato tem todo o diâmetro preenchido da cor cinza. Os cortes que não interceptam contatos apresentam o diâmetro do DBS sem cor sólido.Seguem dois exemplos em axial.

Representação dos DBS sobre cortes 2D paralelos aos mesmosObserve que os contatos podem ser observados superpostos aos mapas.

Um novo módulo do MNPS permite simular a distribuição do campo elétrico associado aos parâmetros de programação dos DBS, dentro de certos limites. Utiliza o método de elementos finitos (FEM), quase-estático, considera tecido isotrópico.Abrir o menu da funcional, <CTRL-F6>, e selecione “VTA Switch” . Este switch liga e desliga o campo elétrico.

Caso já esteja com os eletrodos ativados e pretenda mudar os parâmetros de programação selecione “DBS: Parameters”

O tempo de cálculo varia com o número de contatos ativos, o nível de zoom, a região que está sendo mostrada e o poder da sua CPU no PC.

Apresentação do campo elétrico sobre imagens 2D. Representa curvas de igual

módulo do vetor campo elétrico, ou seja |E|. As curvas dentro da área com

sombra vermelha estão dentro do “Volume Tissue Activation” (VTA).

A relação entre |E| e VTA está baseada na literatura. Ver referências no final.

Para apresentar o VTA em 3D, basta ter o campo elétrico ativado e invocar a renderização 3D

Pode-se apresentar o VTA superposto a núcleos dos atlas, a tratos, ROIs, etc. Neste caso mostramos o VTA superposto ao STn e também mostramos o núcleo rubro.

Como utilizar o LONI LPBA40 (eventualmente outros com a mesma metodologia).

- Importar o LPBA40, como nosso importador Dicom, que também suporta NIFTI. (já foi feito). Fazer isto para o volume “template” e “label”.

- Criar novo plano para ambos volumes.- Criar POIs para registro por POIs no volume template.- Exportar ambos para fusão.- Para registrar um cérebro real, marque os mesmos POIs que

utilizou na template (devem ser mais do que 4 POIs).- Inicie a fusão, que será feita por POIs. É muito provável que

não seja uma boa fusão, pois são cérebros totalmente diferentes.

- Volte ao menu da fusão (ALT-F5) e modifique o módulo de rigidez para 256, para poder deformar o LPBA40.

• Feche e volte abrir a fusão (F5 seguido de outro F5). Agora o registro foi feito com o LPBA40 deformado para aproximar ao cérebro real.

• Se está satisfeito com o resultado do registro / fusão, vai até o menu da fusão de selecione: “Load Sequence with Same Registration”. Escolha o volume de “LABEL”.

• Click no botão de brilho e contraste.

Pulse a Tecla P até aparecer no título da janela do windows (caption) o texto “LPBA40-Colors”. Com isto o MNPS ativa a identificação de estruturas pelo código de identificação de estruturas do LPBA40.

Utilizando a Tecla <M> ou <CTRL-M> modifique o nível de transparência do LPBA 40 para observar a anatomia do cérebro real.

sem MIX com MIX

Exemplo com cursor sobre Giro do cíngulo

Observe que para qualquer local onde situe o cursor do MNPS (com click) o sistema indica o nome da estrutura Segundo o LPBA40. O nome ficano “caption”da janela.

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vol.39, Issue 3 (2008).10. Laboratory of Neuro Imageging. «LONI Probabilistic Brain Atlas (LPBA40)»

http://loni.usc.edu/atlases/Atlas_Detail.php?atlas_id=12

Resumo:

O planejamento de alvos para neurocirurgia funcional depende da localização dos POIs: AC, PC e IHP. Estes pontos são a base do registro atlas-cérebro e o do registro coordenadas comissurais-cérebro.

É responsabilidade do operador criar os POIs: AC, PC e IHP. Não existe modo automático para criar estes POIs em forma segura.

Após criar os POIs antes mencionados, o MNPS disponibiliza ao usuário grande número de recursos para funcional: diversos atlas vetorizados, representação de DBS, coordenadas comissurais.