MRI at 3 T of brain functions and fibre tracts adjacent to intracranial tumors

Abstract

The aims of the studies were:



to evaluate the spatial resolution of fMRI at 3 T by studying fingersomatotopy in area 3 b of the primary sensory area (Paper 1);



to investigate the potential of fMRI at 3T as a clinical tool for preoperative evaluation of patients with intracranial tumors (Paper 2);



to investigate the effect of glioma resection on the spatial extent of fMRI activation as compared to the normal within-subject variability (Paper 3);



to determine whether the apparent diffusion coefficient (ADC) and fractional anisotropy (FA) can distinguish tumor-infiltrated edema of gliomas from pure edema of meningiomas and metastases (Paper 4).



Results:



Strict somatotopic organisation in the primary sensory cortex was shown in the group average; at the subject level the thumb was located laterally, anteriorly and inferiorly to the little finger in 94 % of subjects (Paper 1).



The sensorimotor and language areas close to intracranial tumors were identified in 95 % of patients. Paradigm effectiveness ranged from 79 to 95 %. The median quality of the activation maps was high. fMRI contributed to the decision to operate, the surgical approach and the extent of the resection in 9, 13 and 12 patients, respectively (Paper 2).



BOLD activation obtained from fMRI with motor, sensory and language stimulation pre- and postoperatively in glioma patients yielded differences in the spatial extent similar to those obtained from repeated examinations in healthy controls (Paper 3). Values and lesion-to-brain ratios of ADC and FA in peritumoral edema did not differ between high grade gliomas, meningiomas and metastases (Paper 4).



Conclusions:



Our results suggest that the spatial resolution of fMRI using a clinical protocol is adequate for localisation of the sensory representation of a finger (Paper 1). Preoperative fMRI for mapping of motor, sensory and language functions at 3 T is feasible and contributes to neurosurgical decision making (Paper 2).



Longitudinal pre- and postoperative fMRI studies may be performed in patients with gliomas without concerns for potential effects of the decreased tumor volume on the BOLD effect as a possible source of error (Paper 3).



Values and lesion-to-brain ratios of ADC and FA may not be useful to distinguish pure edema from tumor-infiltrated edema in peritumoral areas with T2-signal changes (Paper 4).

Abstract (Swedish)

Popular Abstract in Swedish

Hjärntumörer är relativt vanligt förekommande och antalet nydiagnostiserade fall per år är i ökande. Vid utredning och uppföljning av patienter med misstänkt eller fastställd hjärntumör spelar bildgivande tekniker en betydande roll, med som förstahands metod magnetisk resonanstomografi (MR). Under det senaste decenniet har MR utvecklats från att framställa bilder på hjärnan till att inkludera mätning av fysiologiska variabler, som hjärnans blodflöde (perfusion), vattenmolekylernas rörelse (diffusion) inklusive avbildning av nervbanorna(Diffusion Tensor Imaging, DTI), bestämning av hjärnans kemiska sammansättning (MR spektroskopi, MRS) och mätning av nervcellsaktivitet (funktionell MR, fMRI). Teknikerna är tillgängliga för kliniskt bruk och har fått ytterligare intresse och spridning med introduktionen av MR-kameror med den högre fältstyrka 3 Tesla (T), att jämföra med tidigare gängse 1.5 T. I samband med installationen av 3 T MR-kamera på Neuroröntgen i Lund i januari 2002, kunde fMRI utföras i större utsträckning och med modern teknik. Då initierades detta avhandlingsarbete.



I avhandlingen undersöks värdet av två av dessa tekniker, fMRI och DTI, vid utredningen av hjärntumörer. fMRI mäter ändringar i syresättningen i små blodkärl när nervcellerna aktiveras, exempelvis när handens känselbark stimuleras genom att rytmiskt stryka över handen med ett strävt föremål. Resultatet är en så kallad aktiveringskarta av hjärnan, där varje bildelement färgkodats beroende på dess aktivitetsgrad. Diffusion Tensor Imaging (DTI) är en typ av diffusions MR där vattenmolekylernas rörelse mäts i många riktningar. Metoden ger en uppfattning om huruvida denna rörelse föredrar något riktning i olika vävnader i hjärnan, till exempel sker den i den vita substansen företrädesvis utmed nervbanorna.



I delarbete 1 undersöktes upplösningen vid fMRI genom att kartlägga fingrarnas representation i area 3 b i den sensoriska barken hos tjugo friska försökspersoner. En strikt ordning, såsom känd från tidigare undersökningar, återfanns på gruppnivå med tummen lokaliserad nedom, framför och vid sidan om lillfingret och däremellan de övriga fingrarna i vanlig ordning. På individnivå återfanns tummen nedom, framför och vid sidan om lillfingret hos 94 % av försökspersonerna och de övriga fingrarna mer utspridda däremellan.



I delarbete 2 undersöktes tjugo patienter med intrakraniell tumör nära rörelse- och känselbarken eller språkfunktionen preoperativt med fMRI för att kartlägga dessa funktioners läge och bedöma avståndet till tumören. Den funktionen som låg närmast tumören enligt vad kunde förväntas från anatomin, identifierades hos 95 % av patienterna. Stimulering med hand- eller fotrörelse påvisade den motoriska barken hos 90 % av patienterna. Med borstning av hand eller fot påvisades känselbarken hos 95 %. Språkuppgifterna, bilda ord på viss bokstav och rimma, ak



tiverade språkområdena i pann- och tinningloberna i mellan 79 % och 95 % av fallen. Aktiveringskartorna höll hög eller adekvat kvalitet hos 90 % av patienterna. fMRI var av värde för att bedöma huruvida patienten skulle opereras (9 patienter), för att planera operationen tekniskt (13) och för att bestämma operationens omfattning(12).



I delarbete 3 undersöktes om variationerna i fMRI-aktiviteten efter operation för hjärntumör skiljer sig från variationen hos friska försökspersoner. Sex patienter med gliom undersöktes före operationen samt en vecka och två månader efter operationen; sex friska försökspersoner undersöktes tre upprepade gånger med jämförbart interval. Antalet bildelement som aktiverades vid stimulering av rörelse, känsel och språk i den respektive del av hjärnan bestämdes och låg till grunden för beräkning av ett så kallat lateralitetsindex (LI), där aktiveringen i höger och vänster hjärnhalva jämförs. Variationen hos patienterna skilde sig ej från den hos friska försökspersoner.



I delarbete 4 undersöktes om två parametrar som kan beräknas från DTI-sekvenser, nämligen apparent diffusion coefficient (ADC) och fractional anisotropy (FA) är av värde för att skilja mellan tumörinfiltrerat ödem hos patienter med gliom och rent ödem hos patienter med meningeom och hjärnmetastaser. Trettio patienter (18 gliom, 7 meningeom och 5 metastaser) inkluderades. ADC och FA bestämdes (a) i området runt tumören med signalökning och (b) på motsvarande ställe i den andra hjärnhalvan. Kvoten mellan området runt tumören och dess motsvarighet i den andra hjärnhalvan beräknades. Någon skillnad i ADC eller FA mellan gliom, meningeom och metastaser framkom inte i varken värde eller kvot.



Sammanfattningsvis talar våra resultat för att ett kliniskt fMRI-protokoll har tillräcklig hög upplösning för att identifiera enstaka fingrar. Preoperativ fMRI med kartläggning av rörelse, känsel och språkfunktionen kan utföras vid 3 T i klinsik miljö med gott resultat och är av värde för den neurokirurgiska bedömningen. Longitudinella fMRI-studier som inkluderar patienter pre- och postoperativt, kan utföras hos gliompatienter utan att resultaten drabbas av variationer i utbredningen av fMRI-aktiviteten. Värden och kvoter av ADC och FA är ej säkert av värde för att skilja mellan tumörinfiltrerat ödem och rent ödem.

• author: van Westen, Danielle
• supervisor: Elna-Marie Larsson
• opponent: professor Nakstad, Per Hjalmar, Ullevål Universitetssjukhus, Oslo, Norge
• organization: Neuroradiology (research group); Diagnostic Radiology, (Lund)
• publishing date: 2006
• type: Thesis
• publication status: published
• subject: Radiology, Nuclear Medicine and Medical Imaging
• keywords: medical instrumentation, Klinisk fysiologi, radiologi, tomografi, medicinsk instrumentering, radiology, tomography, Clinical physics, Medicin (människa och djur), Medicine (human and vertebrates), somatosensory cortex, diffusion magnetic resonance imaging, neoplasms, Functional Magnetic Resonance Imaging
• defense location: Föreläsningssal 3, Centralblocket, Universitetssjukhuset, Lund.
• defense date: 2006-06-01 13:00:00
• ISBN: 91-85481-86-6
• language: English
• LU publication?: yes
• additional info: D van Westen, P Fransson, J Olsrud, B Rosen, G Lundborg and EM Larsson. 2004. Fingersomatotopy in area 3b: an fMRI-study BMC Neurosci., vol 20 pp 5-28.; D Van Westen, G Skagerberg, J Olsrud, P Fransson and EM Larsson. 2005. Functional magnetic resonance imaging at 3T as a clinical tool in patients with intracranial tumors Acta Radiol, vol 46 pp 599-609.; D van Westen, J Olsrud, P Fransson, G Skagerberg and E-M Larsson. . The spatial extent of fMRI activation in motor, sensory and language areas does not change after glioma resection Neuroradiology, (submitted); D van Westen, J Lätt, E Englund, S Brockstedt and E-M Larsson. 2006. Tumor extension in high grade gliomas assessed with diffusion MRI: values and lesion-to-brain ratios of apparent diffusion coefficient and fractional anisotropy Acta Radiol, vol 47 pp 311-319.
• id: ac376fe3-f2c1-471f-931a-811948d0f4bd (old id 546823)
• date added to LUP: 2016-04-01 15:35:39
• date last changed: 2020-05-12 23:03:14