Suitability and Limitations of Pointer-Based and Microscope-Based Neuronavigational Systems for Surgical Treatment of Intracerebral Tumours – a Comparative Study of 66 Patients

Frameless neuronavigational systems are a recent novelty for a precise approach to intracerebral tumours in open surgery. In this study 66 patients with a variety of intracranial tumours in various locations underwent surgical resection with neuronavigational guidance. Two different neuronavigational systems – the arm- and pointer-based ISG viewing wand and the miroscope-based MKM system – were compared for four different indications. Neuronavigation was used (a) in multiple tumours, e. g. brain metastases, (b) in solitary cortical or subcortical tumours located in eloquent brain areas, e. g. motor cortex or speech region, (c) in deep-situated brain tumours, including brain stem neoplasms, and (d) in infiltratively growing tumours to define the borders of the lesion. Using taped skin markers (MKM system) and a surface-fit algorithm (viewing wand) for registration, an accuracy of 1 to 2 mm deviation was achieved, which was sufficient for removal of all of the intracranial neoplasms investigated. Both systems proved to be safe and useful surgical tools regardless of the patient`s age, positioning of the patient during surgery or the location of the lesion. When these two systems were compared, the viewing wand was found to be preferable for resection of multiple brain tumours located in distant operative sides and solitary tumours in eloquent brain areas; this was because of the wide range of movement of the pointing device and the possibility of 3D reconstruction of the brain surface. As the MKM system provided the option of stereotactical guidance during the operative procedure, it was found to be superior in approaching small and deep-situated lesions. In certain cases brain shifting due to early drainage of the CSF led to minor underestimation of the real depth. For the precise definement of tumour borders of intraparenchymal neoplasms both system were equally suitable. However, intrusion of brain parenchyma into the resection cavity led to minor overestimation of the real tumour size in certain large intraparenchymal tumours.Rahmenfreie Neuronavigationssysteme stellen eine Neuerung in der offenen operativen Behandlung intrazerebraler Tumoren dar. In dieser Studie wurden 66 Patienten mit verschiedenen intrakraniellen Tumoren in unterschiedlichen Lokalisationen mit Hilfe der Neuronavigation operiert. Hierbei wurden zwei verschiedene Navigationssysteme – ein Arm- und Pointer-basierendes System (ISG Viewing Wand) und ein Mikroskop-basierendes System (MKM) – für vier verschiedene Indikationen miteinander verglichen. Die Neuronavigation wurde verwendet (a) bei multiplen Tumoren, wie z.B. Hirnmetastasen, (b) bei solitären kortikalen oder subkortikalen Prozessen in eloquenten Hirnarealen, wie z.B. Motorkortex oder Sprachregion, (c) bei tiefgelegenen Hirntumoren einschließlich Hirnstammtumoren und (d) bei infiltrativ wachsenden Tumoren zur Bestimmung der Tumorgrenzen. Die Verwendung von Hautklebemarkern (MKM-System) und eines Oberflächen-Anpassungsalgorithmus (Viewing Wand) zur Registrierung war mit einer Genauigkeit von 1 bis 2 mm Abweichung für die operative Entfernung aller intrakraniellen Tumoren ausreichend. Beide Systeme bestätigten sich als sichere und geeignete chirurgische Hilfsmittel unabhängig vom Alter der Patienten, der Lagerung des Patienten unter dem chirurgischen Eingriff und der Lokalisation der Raumforderung. Im Systemvergleich zeigte die Viewing Wand durch einen weiten Bewegungsraum des Pointers und der Möglichkeit einer dreidimensionalen Rekonstruktion der Hirnoberfläche Vorteile in der Entfernung von multiplen, in entfernten Hirnregionen gelegenen Tumoren sowie von solitären Prozessen in eloquenter Lokalisation. Das MKM-System war durch die Bereitstellung einer stereotaktischen Führung während des operativen Eingriffes in der Ansteuerung kleiner tiefgelegener Prozesse zu bevorzugen. Eine frühzeitige Liquordrainage führte zu einem brain shifting mit einer diskreten Unterschätzung der wirklichen Tiefe. Für eine genaue Festlegung der Tumorgrenzen von intraparenchymalen Tumoren waren beide Systeme vergleichbar geeignet. Das Relabieren von Hirngewebe in die Resektionshöhle führte jedoch in einigen Fällen von großen intraparenchymalen Tumoren bei beiden Systemen zu einer geringen Überschätzung der wirklichen Tumorgrenzen.Dieser Beitrag ist mit Zustimmung des Rechteinhabers aufgrund einer (DFG-geförderten) Allianz- bzw. Nationallizenz frei zugänglich

Workflow and hardware for intraoperative hyperspectral data acquisition in neurosurgery

To prevent further brain tumour growth, malignant tissue should be removed as completely as possible in neurosurgical operations. Therefore, differentiation between tumour and brain tissue as well as detecting functional areas is very important. Hyperspectral imaging (HSI) can be used to get spatial information about brain tissue types and characteristics in a quasi-continuous reflection spectrum. In this paper, workflow and some aspects of an adapted hardware system for intraoperative hyperspectral data acquisition in neurosurgery are discussed. By comparing an intraoperative with a laboratory setup, the influences of the surgical microscope are made visible through the differences in illumination and a pixel- and wavelength-specific signal-to-noise ratio (SNR) calculation. Due to the significant differences in shape and wavelength-dependent intensity of light sources, it can be shown which kind of illumination is most suitable for the setups. Spectra between 550 and 1,000 nm are characterized of at least 40 dB SNR in laboratory and 25 dB in intraoperative setup in an area of the image relevant for evaluation. A first validation of the intraoperative hyperspectral imaging hardware setup shows that all system parts and intraoperatively recorded data can be evaluated. Exemplarily, a classification map was generated that allows visualization of measured properties of raw data. The results reveal that it is possible and beneficial to use HSI for wavelength-related intraoperative data acquisition in neurosurgery. There are still technical facts to optimize for raw data detection prior to adapting image processing algorithms to specify tissue quality and function.:Abstract Introduction Materials and methods (Clinical workflow and setup for hyperspectral imaging process, Characteristics of the lighting, Characteristics of the hyperspectral imaging camera, Spectral data acquisition and raw data pre-processing in neurosurgery, Spectral data evaluation) Results (Spectral characteristics of the lighting, SNR of the HSI camera, Data acquisition and raw data preprocessing during neurosurgical operation, Spectral data evaluation) Discussion Conclusion

Surgical Management of Single and Multiple Brain Metastases: Results of a Retrospective Study

Background: Advancement in diagnosis and treatment of various cancer entities led to an increasing incidence of brain metastases in the last decades. Surgical excision of single and multiple brain metastases is one of the central treatment options beside radiotherapy, radiosurgery and chemotherapy. To evaluate the benefit of surgery with/without whole-brain radiation therapy (WBRT) in single brain metastases and the influence of image guidance for brain metastases resection, 104 patients were retrospectively evaluated for post-operative outcome. Patients and Methods: Between January 1994 and December 1999 150 patients were surgically treated for brain metastases at the Department of Neurosurgery at the Technical University of Dresden. Outcome could be evaluated in 104 patients with respect to special treatment strategies and survival time (69 patients with single and 35 patients with multiple lesions). Results: Most metastases originated from primary lung and breast tumours. Karnofsky performance score improved on average by 10 after surgery. The extent of the extracerebral tumour burden was the main influence on survival time. Patients’ age below 70 years was combined with prolonged survival time (median survival time, MST: 4.5 months vs. 7 months). Patients with solitary cerebral metastasis had a MST of 16 months, whereas patients with singular lesions had a MST of 7 and 4 months, depending on the extent of the extracerebral tumour growth. Additional post-operative WBRT with 30 Gy was combined with an increase in MST in patients with single brain metastasis (surgery + WBRT: MST 13 months; surgery only: MST 8 months). In addition, the rate of recurrent cerebral tumour growth was distinctly higher in the non-WBRT group. Neuronavigation did not significantly improve post-operative survival time. In 80% of patients extracerebral tumour growth limited patients’ survival. Conclusion: Surgery is an initial treatment option in patients with single and multiple brain metastases especially with large tumours (> 3 cm). Post-operative WBRT seems to prolong survival time in patients with single brain metastasis by decreasing local and distant tumour recurrence. Neuronavigational devices permit a targeted approach. Multiple processes can be extirpated in one session without prolonging the hospitalisation time for the patient. However, neuronavigational devices cannot assure complete tumour resection.Hintergrund: Fortschritte in der Diagnostik und Therapie von Krebserkrankungen haben in den letzten Jahrzehnten zu einer steigenden Inzidenz von Hirnmetastasen geführt. Die chirurgische Entfernung singulärer und multipler Hirnmetastasen stellt neben Strahlentherapie, Radiochirurgie und Chemotherapie eine zentrale Therapieoption dar. Um die Wertigkeit der chirurgischen Behandlung von singulären Hirnmetastasen mit/ohne Ganzhirnbestrahlung (WBRT) und den Einfluss der Neuronavigation zu untersuchen, wurden 104 Patienten retrospektiv bezüglich ihres postoperativen «Outcomes» untersucht. Patienten und Methoden: Zwischen Januar 1994 und Dezember 1999 wurden 150 Patienten mit Hirnmetastasen in der Klinik für Neurochirurgie der Technischen Universität Dresden operiert. Das «Outcome » von 104 Patienten konnte bezüglich der verschiedenen Behandlungsstrategien und Überlebenszeit ausgewertet werden (69 Patienten mit singulären und 35 Patienten mit multiplen Läsionen). Ergebnisse: Die meisten Metastasen stammen von Lungen- und Mammakarzinomen. Nach operativer Behandlung verbesserte sich der Karnofsky-Index um durchschnittlich 10. Das Ausmaß der extrazerebralen Tumormasse stellte die Haupteinflussgröße für die Überlebenszeit dar. Ein Lebensalter unter 70 Jahren war mit einer verlängerten Überlebenszeit verbunden (mittlere Überlebenszeit, MÜZ: 4,5 Monate vs. 7 Monate). Patienten mit solitären Metastasen hatten eine MÜZ von 16 Monaten, während Patienten mit singulären Läsionen, abhängig vom Ausmaß des extrazerebralen Tumorwachstums, eine MÜZ von 7 bzw. 4 Monaten aufweisen. Eine zusätzliche postoperative WBRT mit 30 Gy zeigte eine Verbesserung der MÜZ bei Patienten mit singulären Hirnmetastasen (OP + WBRT: MÜZ 13 Monate; OP allein: MÜZ 8 Monate). Gleichzeitig war die Rate der zerebralen Tumorrezidive in der Nicht-WBRT Gruppe deutlich höher. Die postoperative Überlebenszeit wurde durch Verwendung der Neuronavigation nicht signifikant verbessert. In 80% der Patienten limitierte das extrazerebrale Tumorwachstum die Überlebenszeit. Fazit: Bei Patienten mit singulären und multiplen Metastasen stellt die initiale chirurgische Tumorentfernung eine Therapiealternative insbesondere bei großen Tumoren (> 3 cm) dar. Eine postoperative WBRT scheint die ÜLZ der Patienten mit singulären Hirnmetastasen durch Begrenzung des Auftretens von Rezidivtumoren zu verlängern. Die Neuronavigation erlaubt eine gezielte Zugangsplanung. Multiple Prozesse können einzeitig operiert werden, ohne dass die postoperative stationäre Verweildauer verlängert wird. Hingegen wird eine radikale Tumorentfernung durch Verwendung der Neuronavigation nicht gewährleistet.Dieser Beitrag ist mit Zustimmung des Rechteinhabers aufgrund einer (DFG-geförderten) Allianz- bzw. Nationallizenz frei zugänglich

Current Treatment Strategies in Brain Metastases

Brain metastases are treated with surgery, radiotherapy, radiosurgery, and chemotherapy. In this review, recently published studies concerning different treatment strategies are presented with respect to solitary lesions, multiple metastases, and recurrent tumor growth. Selection criteria for the appropriate therapy are: control of the primary tumor, extent of extracerebral metastases, time interval between diagnosis of the primary tumor and the development of cerebral lesions, number of cerebral metastases, Karnofsky performance scale score, and age. Treatment approaches were evaluated with respect to median survival time and quality of life. A singular brain metastasis can be treated with surgery or with radiosurgery. Especially when the primary tumor is under control, there are few extracerebral lesions which are stable, the Karnofsky performance scale score is above 70, the lesion is larger than 3 cm in diameter and surgically accessible surgery is the treatment of choice. Postoperative adjuvant radiotherapy may delay relapse. Median survival time ranges between 10 to 18 months. Radiosurgery can be applied in lesions smaller than 3 cm in diameter and is the treatment of choice in lesions which are surgically not accessible. Multiple metastases are treated either by conventional radiotherapy, radiosurgery or surgery. Commonly, no more than 3 lesions are approached by either surgery or radiosurgery. Median survival time ranges between 6 to 9 months for both treatment concepts, but without therapy only is 4–6 weeks. According to the clinical and neurological condition of the patient, recurrent brain metastases can be treated by operation, reirradiation, or radiosurgery. The efficacy of chemotherapy depends on the chemosensitivity of the primary tumor and the ability to penetrate the blood-brain barrier. Long-term survivors with cancer disease encourage to perform active treatment strategies.Hirnmetastasen werden durch Operation, Ganzhirnbestrahlung, Radiochirurgie und Chemotherapie behandelt. In dieser Übersichtsarbeit werden kürzlich publizierte Studien bezüglich der Therapiekonzepte für solitäre Läsionen, multiple Metastasen und Tumorrezidive vorgestellt. Auswahlkriterien für eine angemessene Behandlung sind: Kontrolle des Primärtumors, Ausmaß der extrakraniellen Metastasen, Zeitintervall zwischen Diagnose des Primärtumors und dem Auftreten der Hirntumoren, Anzahl der zerebralen Metastasen, Karnofsky-Performance-Scale-Score und Lebensalter. Behandlungskonzepte wurden nach der medianen Überlebenszeit und Lebensqualität ausgewertet. Singuläre Hirnmetastasen können operativ oder radiochirurgisch behandelt werden. Insbesondere wenn der Primärtumor unter Kontrolle ist, wenige extrazerebrale Läsionen bestehen und diese stabil sind, der Karnofsky-Performance-Scale-Score über 70 ist, die Tumoren größer als 3 cm im Durchmesser und chirurgisch erreichbar sind, ist die Operation die Methode der Wahl. Postoperative adjuvante Strahlentherapie kann erneute Progression verzögern. Die mediane Überlebenszeit liegt zwischen 10 und 18 Monaten. Für Läsionen, die kleiner als 3 cm sind und chirurgisch nicht erreicht werden können, ist die Radiochirurgie die Therapie der Wahl. Multiple Metastasen können durch konventionelle Ganzhirnbestrahlung, Radiochirurgie oder Operation behandelt werden. Im allgemeinen werden nicht mehr als 3 Herde operativ oder radiochirurgisch angegangen. Die mediane Überlebenszeit liegt bei beiden Therapieformen zwischen 6 und 9 Monaten, ohne Behandlung hingegen bei nur 4–6 Wochen. Entsprechend dem klinischen und neurologischen Zustand der Patienten können Rezidive von Hirnmetastasen durch chirurgische Entfernung, erneute Bestrahlung oder durch Radiochirurgie therapiert werden. Die Wirkung der Chemotherapie hängt von der Chemosensitivität des Primärtumors und der Durchlässigkeit der Blut-Hirn-Schranke für das Chemotherapeutikum ab. Langzeitüberleber motivieren zu aktiven Behandlungsstrategien.Dieser Beitrag ist mit Zustimmung des Rechteinhabers aufgrund einer (DFG-geförderten) Allianz- bzw. Nationallizenz frei zugänglich

Classification of malignant gliomas by infrared spectroscopy and linear discriminant analysis

Gliomas are the most frequent primary brain tumors. Their malignancies are graded from 1 to 4. Malignant gliomas are astrocytoma grade 3 and glioblastoma grade 4. An IR spectroscopic approach is presented to diagnose brain tissue at the molecular level probing chemical and structural properties without external markers. IR spectroscopic maps were recorded in transmission mode by sequential acquisition of IR spectra. Training spectra of various tissue types are selected from IR spectroscopic maps in accordance with histological assessment of hematoxylin and eosin stained parallel tissue sections. A decrease of the lipid‐to‐protein ratio in IR spectra is correlated with the malignancy of gliomas. This chemical property is described by the band intensity ratio 2850 to 1655 cm–1. Two additional molecular descriptors are identified at 1545 cm–1/1655 cm–1 and (1231 + 1450) cm–1/1655 cm–1, which are associated with hemoglobin and collagen, respectively. This metric is used to train a classification model based on linear discriminant analysis. The model is applied to classify normal brain tissue, astrocytoma grade 2, astrocytoma grade 3, glioblastoma, hemorrhage, and leptomeninges in IR spectroscopic maps of cryosections from two glioma patients. As independent test samples, single IR spectra from cryosections of 51 patients are subjected to the classification model. Normal brain tissue is assigned with 100% accuracy; malignant gliomas are assigned with 93% accuracy. The high success rate demonstrates that IR spectroscopy can complement established methods such as histopathology or immunohistochemistry to characterize dried cryosections

Surgery of Low-Grade Gliomas Near Speech-Eloquent Regions: Brainmapping versus Preoperative Functional Imaging

The identification of eloquent areas is of utmost importance in the surgery of tumors located near speech-eloquent brain areas, since the classical concept of a constant localization was proven to be untrue and the spatial localization of these areas may show large interindividual differences. Some neurosurgical centers apply intraoperative electrophysiological methods that, however, necessitate the performance of surgery in the awake patient. This might be a severe burden both for the patient and the operating team in a procedure that lasts several hours; in addition, electrical stimulation may generate epileptic seizures. Alternatively, methods of functional brain imaging (e.g., PET, fMRI, MEG) may be applied, which allow individual localization of speech-eloquent areas. Matching of these image data with a conventional 3D-CT or MRI now allows the exact transfer of this information into the surgical field by neuronavigation. Whereas standards concerning electrophysiological stimulation techniques that could prevent a permanent postoperative worsening of language are available, until now it remains unclear whether the resection of regions shown to be active in functional brain imaging will cause a permanent postoperative deficit.Die Identifikation sprachaktiver Areale ist von höchster Bedeutung bei der Operation von Tumoren in der Nähe des vermuteten Sprachzentrums, da das klassische Konzept einer konstanten Lokalisation des Sprachzentrums sich als unrichtig erwiesen hat und die räumliche Ausdehnung dieser Areale eine hohe interindividuelle Varianz aufweisen kann. Einige neurochirurgische Zentren benutzen deshalb intraoperativ elektrophysiologische Methoden, die jedoch eine Operation am wachen Patienten voraussetzen. Dies kann sowohl für den Patienten als auch das Operations-Team eine schwere Belastung bei diesem mehrstündigen Eingriff darstellen, zusätzlich können epileptische Anfälle durch die elektrische Stimulation generiert werden. Alternativ können Modalitäten des «functional brain imaging» (PET, fMRT, MEG usw.) eingesetzt werden, die die individuelle Lokalisation sprachaktiver Areale gestatten. Die Bildfusion dieser Daten mit einem konventionellen 3D-CT oder MRT erlaubt den exakten Transfer dieser Daten in den OP-Situs mittels Neuronavigation. Während Standards bei elektrophysiologischen Stimulationstechniken existieren, die eine permanente postoperative Verschlechterung der Sprachfunktion weitgehend verhindern, bleibt die Relevanz sprachaktiver Areale bei den neuesten bildgebenden Techniken bezüglich einer Operations-bedingten Verschlechterung der Sprachfunktion bisher noch unklar.Dieser Beitrag ist mit Zustimmung des Rechteinhabers aufgrund einer (DFG-geförderten) Allianz- bzw. Nationallizenz frei zugänglich