La nuova tecnologia MRI migliora la guida all'imaging per la neurochirurgia
Il cervello controlla le funzioni importanti del corpo, mantenendoci in vita, permettendoci di interagire con il mondo e producendo pensieri e opinioni che ci rendono umani.
Quando un tumore invade, il neurochirurgo deve intervenire per rimuovere il cancro nel modo più completo possibile senza asportare parti del cervello che controllano queste importanti funzioni. I chirurghi utilizzano la risonanza magnetica (MRI) per guidarli. Sebbene la risonanza magnetica faccia parte dell’attuale standard di cura, esistono barriere significative per una guida precisa della resezione del cancro, creando l’urgente necessità di migliorare la visualizzazione radiologica dei margini e dell’infiltrazione del tumore e di migliorare l’efficienza della mappatura della funzione cerebrale.
L'UNM Health Sciences Center ha recentemente brevettato un nuovo Tecnologia di acquisizione e analisi dei dati MRI per fornire ai chirurghi informazioni precise e in tempo reale sui tumori e sul tessuto cerebrale circostante. La tecnologia è compatibile con gli scanner MRI esistenti ed esegue due tipi di scansioni MRI contemporaneamente, producendo dati di grande impatto in soli tre minuti.
Per più di 1.3 milioni di persone negli Stati Uniti che vivono con un tumore al cervello, questa tecnologia rivoluzionaria potrebbe aiutare a migliorare i risultati dopo l’intervento chirurgico.
Migliorare l'efficienza e la precisione della risonanza magnetica
La scansione MRI si basa sull'ubiquità dell'idrogeno nei tessuti viventi (acqua - H 2O - è la molecola più abbondante nel corpo), un forte campo magnetico che polarizza lo spin del protone nell'atomo di idrogeno e un trasmettitore radio per creare una risonanza dello spin protonico che fa sì che i protoni nei tessuti viventi emettano segnali radio che possiamo trasformarlo in un'immagine.
I neurochirurghi utilizzano queste immagini per raccogliere informazioni sul cervello prima, durante e dopo l’intervento chirurgico. Alcuni dei tipi principali di risonanza magnetica includono:
- RM strutturale: Segnali provenienti da diversi compartimenti del tessuto cerebrale, come la materia grigia nella corteccia e nella sostanza bianca sottostante, che possono essere elaborati in un'immagine ad alta risoluzione che rivela diverse strutture del tessuto cerebrale con elevato contrasto.
- MRI funzionale (fMRI): Evidenzia i tessuti metabolicamente attivi rilevando un aumento del flusso sanguigno in queste aree quando aumenta l'attività cerebrale, che può essere elaborato in mappe delle aree funzionali del cervello. Poiché l'attività cerebrale è sempre presente, anche quando il cervello è a riposo, le fluttuazioni del segnale nel cervello possono essere elaborate anche in mappe delle reti funzionali cerebrali (fMRI a riposo).
- MRI a diffusione (dMRI): Misura la diffusività dell'acqua e consente di elaborare i segnali in mappe di tratti di fibre della sostanza bianca che collegano diverse aree corticali.
- Imaging spettroscopico RM (MRSI): Misura i segnali provenienti da una moltitudine di molecole organiche intracellulari (metaboliti) diverse dall'acqua che sono specifiche per diversi tipi di tessuto e che forniscono informazioni sulla biochimica del cervello. Questi segnali dei metaboliti possono essere elaborati in modelli spettrali e mappe di concentrazione dei metaboliti. Le concentrazioni di queste molecole vengono modificate nei tumori cerebrali e possono aiutare a identificare i tipi di tumore.
La risonanza magnetica funzionale e l'imaging spettroscopico MR possono essere utilizzati per guidare i chirurghi nella rimozione del tessuto canceroso, ma la raccolta di questi dati MRI richiede molto tempo e di solito viene eseguita separatamente in più sessioni. L'imaging spettroscopico RM è tecnicamente molto impegnativo e quindi non viene eseguito di routine nella pratica clinica.
Inoltre, la fMRI basata su attività e la mappatura intraoperatoria, che rappresentano l’attuale standard clinico di cura e che richiede ai pazienti di eseguire compiti per attivare le aree cerebrali, presentano le proprie sfide. I pazienti potrebbero non essere in grado di svolgere attività a causa della presenza del tumore al cervello, della loro età o per altri motivi. La mappatura intraoperatoria della funzione linguistica richiede che i pazienti siano svegli durante l'intervento chirurgico, eseguendo attività per coinvolgere parti del cervello in modo che queste aree possano essere mappate: questo può essere stressante per i pazienti. È qui che la fMRI in stato di riposo può essere utilizzata in aggiunta per ottenere dati in pazienti che non possono eseguire compiti abbastanza bene da essere clinicamente utili per la guida chirurgica.
La nostra tecnologia fornisce un nuovo approccio ad alta velocità per mappare le reti funzionali cerebrali e la biochimica cerebrale in un'unica sessione di imaging, raccogliendo centinaia di diverse rappresentazioni dello stato di riposo dell'intera funzione cerebrale e mappe di metaboliti multistrato in tempi di scansione di soli 3 minuti. Ciò apre una serie di opportunità per migliorare la rimozione chirurgica dei tumori cerebrali risparmiando la corteccia eloquente, in particolare nella corteccia frontale, che non può essere adeguatamente visualizzata con la fMRI convenzionale basata su attività.
I neurochirurghi si concentrano da tempo sulle regioni del cervello che controllano i sistemi motori, linguistici, visivi e uditivi, lasciando la corteccia frontale in gran parte non mappata. Questa tecnologia potrebbe rivoluzionare il modo in cui i neurochirurghi prendono decisioni, in parte fornendo una nuova comprensione della corteccia frontale del cervello, un importante centro cognitivo.
La capacità di raccogliere simultaneamente informazioni funzionali e metaboliche potrebbe fornire ai neurochirurghi un nuovo livello di precisione per delineare i margini spaziali tra i tumori cerebrali e la corteccia eloquente adiacente per massimizzare la resezione del tumore preservando importanti funzioni cerebrali.
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Ricerca collaborativa per migliorare i risultati dei pazienti
L'HSC dell'UNM Dipartimento di Neurologia ha ricevuto finanziamenti per il trasferimento tecnologico di piccole imprese dal National Institutes of Health in collaborazione con i nostri partner presso il Università del Minnesota e la Università di Pittsburgh sviluppare un'analisi in tempo reale dell'attività cerebrale in ambito preoperatorio utilizzando scanner MRI ampiamente disponibili e in ambito intraoperatorio utilizzando scanner MRI intraoperatori.
Questa tecnologia sarà convalidata per la mappatura prechirurgica e intraoperatoria in pazienti con tumori cerebrali per valutare la fattibilità di fornire ai neurochirurghi informazioni di pianificazione sulla funzione del tessuto cerebrale vicino a un tumore e aggiornamenti intraoperatori della funzione del tessuto durante l'intervento.
La nuova tecnologia fMRI e MRSI simultanea sarà ulteriormente sviluppata per consentire la mappatura fMRI in stato di riposo in tempo reale della corteccia eloquente e la mappatura online dei metaboliti cerebrali presenti nei tessuti come aminoacidi, lipidi, colina, creatina e altri. Confrontando la quantità di questi metaboliti con il tessuto cerebrale normale può aiutare a determinare lo stato metabolico del tessuto e il tipo di tumore al cervello.
Stiamo lavorando per rendere queste tecnologie ampiamente disponibili per l'applicazione clinica, in modo che possano offrire il massimo beneficio per il maggior numero di pazienti. La nostra ricerca prevede il miglioramento delle tecniche di acquisizione dati per rispondere a importanti domande cliniche. Tuttavia, questo tipo di ricerca innovativa non può essere portata a termine nel vuoto, quindi collaboriamo con partner in tutta la nazione e in tutto il mondo.
I tirocinanti dell'UNM HSC beneficiano di questa opportunità per sviluppare le capacità di comunicazione e lavoro di squadra di cui hanno bisogno per lavorare a stretto contatto con gli scienziati nei principali centri di ricerca di tutto il mondo. Inoltre, scoprono lo spirito imprenditoriale necessario per fare scoperte rivoluzionarie e pubblicare documenti congiunti con i principali scienziati di tutto il mondo.
Per tutti noi, la nostra principale preoccupazione è sempre quella di migliorare i risultati dei pazienti nel contesto del mondo reale. Il nostro lavoro è fare la differenza sia nella cura che nei risultati chirurgici per i pazienti.
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