Katsaus Leikkauksenaikainen magneettikuvaus neurokirurgiassa Jani Katisko, Sanna Yrjänä, Markku Lappalainen, Teemu Leppänen ja John Koivukangas Magneettikuvauslaitteistojen kehittyminen avonaisemmiksi on mahdollistanut kuvauslaitteessa tehtävät neurokirurgiset toimenpiteet. Toimenpiteet vaihtelevat yksinkertaisemmista biopsioista aina neuroendoskooppisiin ja avoimiin leikkauksiin. Kudosnäytettä otettaessa kuvauslaitteella seurataan lähes ajantasaisesti biopsianeulan kulkua pitkin suunniteltua reittiä. Avoimissa leikkauksissa voidaan navigointijärjestelmän avulla sekä nähdä instrumentin paikka magneettikuvissa että päivittää kohdealueen kuvatietoa magneettikuvauslaitteella. Neurokirurgiassa leikkauksenaikaisesta magneettikuvauksesta voi tulla merkittävä hoidon laatua parantava ja sairaudesta syntyviä kokonaiskustannuksia alentava menetelmä. Artikkelissa kuvataan Suomen ensimmäisen leikkaussaliin sijoitetun magneettikuvauslaitteiston käyttöä ja siihen liittyvän neurokirurgisen kehitys- ja tutkimustyön nykyvaihetta. Duodecim 1999; 115: 1021 8 Neurokirurgiset leikkausmenetelmät ovat vilkkaan teknisen ja fysikaalisen tutkimusja kehitystyön sekä nykyään yhä enemmän myös terveystaloustieteellisen tutkimuksen kohteena. Hoitotulokset ovatkin parantuneet huomattavasti erilaisten teknis-fysikaalisten sovellusten ansiosta. Kehitystä on tapahtunut erityisesti kuvantamismenetelmissä ja niiden käyttötavoissa. Varsinkin viimeisten parin vuosikymmenen aikana aivojen uudet kuvantamistekniikat ja kuvaohjauksiset leikkausmenetelmät viimeksi neuronavigaatiot ovat merkittävästi parantaneet hoitotuloksia. Tähän asti laajimmassa käytössä olleet kuvaohjauksiset menetelmät ovat perustuneet sekä toimenpiteen aikaiseen kaikukuvaukseen että ennen toimenpidettä otettuihin magneetti- (MK) ja tietokonetomografiakuviin (TT). Hyvistä tuloksista huolimatta menetelmät sisältävät oleellisia puutteita. Merkittävimmät puutteet kaikukuvauksessa ovat heikko kudostenerotuskyky ja anturin vaatima kallon avaus. Magneetti- ja TTkuvien ongelmana on aiemmin kerätyn kuvatiedon vanheneminen toimenpiteen edetessä. Tilanteen parantamiseksi General Electric käynnisti vuonna 1988 konkreettisen projektin MK-ohjauksisten toimenpiteiden mahdollistamiseksi (Jolesz 1994). Perusajatuksena oli tavanomaisista magneettikuvauslaitteistosta poiketen magneettikentän muodostavien kelojen avoin rakenne. Myöhemmin myös muut merkittävimmät magneettikuvauslaitteistojen valmistajat, kuten Hitachi, Picker, Siemens ja Toshiba, ovat toteuttaneet oman avoimen rakenneratkaisunsa. Avoin rakenne on pienentänyt kuvauslaitteistojen staattisen magneettikentän voimakkuutta 0.5 teslaan ja helpottanut kirurgin pääsyä kohteeseen. Kohteiden saavutettavuuden parantuessa kirurgit ovat löytäneet erilaisia mahdollisuuksia tehdä mini-invasiivia operaatioita, kuten MK-ohjauksisia kasvainleikkauksia ja lämpökirurgisia toimenpiteitä. Oulun neurokirurgian klinikassa on kehitetty ja käytetty toimenpiteen aikaista kaikukuvausta 1021
A B Kuva 1. A) Neuronavigaattorin osoitinvarsi, jonka avulla neurokirurgi näkee monitorista preoperatiivisten kuvien pohjalta lasketun leikkeen missä tahansa suunnassa. B) Leikkauksenaikainen kaikukuva (ylhäällä vasemmalla) ja sitä tarkasti vastaava leikkauksen aikana navigaattorin avulla rekonstruoitu magneettikuva (ylhäällä oikealla) (Koivukangas J ym. 1993, Schiffbauer 1998). vuodesta 1981 (Chandler ja Rubin 1986, Koivukangas J ym. 1989, Koivukangas J 1993) ja neuronavigointia vuodesta 1988 (Koivukangas ym. 1993) (kuvat 1A ja B). Tavoitteena on ollut mahdollisimman mini-invasiivinen leikkaustapa. Kehitettyä teknologiaa on arvioitu vuodesta 1986 (Koivukangas ja Koivukangas 1988, Koivukangas P 1993). Tätä kokemusta hyödynnetään meneillään olevassa leikkauksenaikaisen magneettikuvauksen hankkeessa, jossa on kahden vuoden tutkimus- ja kehitystyön tuloksena juuri käynnistynyt kliininen vaihe. 1022 J. Katisko ym.
MK-laitteen käyttö toimenpiteen ohjaamiseen Käytäntö on osoittanut, että ennen toimenpidettä käytetyt kuvantamismenetelmät ja toimenpiteen aikainen kaikukuvaus riittävät usein. Aivokasvainkirurgiassa tarvittaisiin kuitenkin operaation eri vaiheiden seuraamisessa ja toimenpiteiden varmistamisessa usein magneettikuvauksen kaltaista tarkkaa, hyvän pehmytkudoskontrastin omaavaa menetelmää. Kirjallisuudessa on esitetty, että magneettikuvauslaitteesta saatava hyöty riippuu tehtävästä toimenpiteestä. MK:lla voidaan toimenpiteen aikana päivittää navigointijärjestelmän kuvatieto, kontrolloida esimerkiksi aivokasvainten resektiota ja ohjata instrumentti, kuten biopsianeula tai endoskooppi, lähes ajantasaisten magneettikuvien perusteella kohteeseensa (Jolesz ja Blumenfeld 1994, Schenck ym. 1995, Moriarty ym. 1996, Black ym. 1997, Lufkin ym. 1997, Tronnier ym. 1997, Wirtz ym. 1997). MK-laitteen kenttävoimakkuuden merkitys toimenpiteen aikaisessa käytössä Yleisesti oletetaan, että MK-laitteen staattisen magneettikentän voimakkuudella on suora yhteys saatavan kuvan laatuun. Oletus perustuu pitkälti aikaisempiin kokemuksiin ajalta, jolloin heikkokenttälaitteet olivat halpoja kopioita vahvakenttälaitteistoista. Kuitenkin heikkokenttäisten laitteiden kehitys on merkittävästi parantanut niiden kuvanlaatua ja nopeuttanut kuvausta. Selvää on, että vahvakenttäisten laitteiden signaali-kohinasuhde (S/N-suhde) on parempi, mutta uudemmat magneetti- ja kelarakenteet sekä heikkoon kenttään tarkoitetut kuvaussekvenssit ovat kaventaneet eroa. Onkin pystytty osoittamaan, että normaalissa kuvaustilanteessa ei ole staattisen magneettikentän yleisesti pätevää optimaalista voimakkuutta (Parizel 1994). Toisaalta heikkokenttälaitteilla ei kyetä tekemään suurta S/N-suhdetta vaativia tutkimuksia, kuten spektroskopiaa eikä aivojen toiminnallisten alueiden kartoittamista eli funktionaalista magneettikuvausta. Taulukko 1. Heikkokenttäisen magneettikuvauksen edut leikkauksenaikaisessa käytössä. Edut Avoin rakenne Pieni hajakenttä Vähäinen melu Pieni resonanssitaajuus ja kapeampi taajuuskaista Kirurgin parempi pääsy kohteeseen Heikompi vaikutus toimenpidetilassa oleviin laitteisiin ja välineisiin Miellyttävä työskentely-ympäristö leikkaussalihenkilökunnalle Magnetoitumiseroista ja kemialli- sesta siirtymästä aiheutuvat vääristymät vähäisempiä Sallii monipuolisen toimenpide- ympäristön (kaikukuvaus, fysiologiset mittaukset) Sähkömagneetin sammutettavuus Merkitys Toimenpiteiden aikaisessa käytössä heikkokenttälaite on monessa suhteessa käytännöllisempi kuin vahvakenttälaite. Tärkeimmät edut ovat potilaan esillä olo, kuvauslaitteen ympäristössä olevien hajakenttien heikkous, alhaisemmat hankintakustannukset, vähäisemmät magnetoitumiseroista ja kemiallisesta siirtymästä aiheutuvat vääristymät sekä miellyttävyys potilaan kannalta (taulukko 1). Käyttötarkoituksella on olennainen merkitys päätettäessä MK-laitteen hankinnasta. Kuvaussalin erityisvaatimuksia Leikkaussali, jossa käytetään magneettikuvauslaitetta, on suunniteltava erityisen huolellisesti normaaliin leikkaussaliin verrattuna. OYS:ssa suunnittelun peruslähtökohtana ovat olleet ergonomia ja kuvauslaitteesta aiheutuvat erityisvaatimukset, kuten magneettiset voimat ja häiriötekijät (kuva 2). Lisävaatimuksia asettaa tilojen käyttö myös radiologisissa interventioissa ja diagnostisessa kuvantamisessa. Näin varmistetaan kuvauslaitteen säännöllinen kokopäiväinen käyttö ja hyödynnetään avoimen rakenteen suomat mahdollisuudet monipuolisesti. MK-laitteen häiriöherkkyyden takia kuvaustila tulee suojata Faradayn häkillä ulkoisia radiotaajuisia (RF) signaaleja vastaan. Suojattava tila on käytettävä mahdollisimman tarkasti hyväksi, koska RF-suojan hinta nousee suojatun tilan koon kasvaessa (kuva 3). Leikkauksenaikainen magneettikuvaus neurokirurgiassa 1023
Kuva Hannu Marjamaa Kuva 2. Avoin laite (0,23 T) on asennettu OYS:aan toimenpiteen aikaista käyttöä varten. Kuva 3. Leikkaussalia ympäröi kauttaaltaan muuttuvia sähkömagneettisia signaaleja vaimentava alumiinisuoja. Tähän mennessä leikkauksenaikaisen magneettikuvauksen ergonomiaan on kiinnitetty vain vähän huomiota, vaikka asia on hyvin tärkeä, kestäväthän neurokirurgiset toimenpiteet yleensä useita tunteja. Vaikka avointen MK-laitteiden kehittäminen on mahdollistanut leikkauksenaikaisen kuvantamisen, nämä laitteet vaikeuttavat rakenteestaan riippumatta leikkaussalityöskentelyä. Massiivinen ja kiinteästi paikoilleen asennettu magneettikuvauslaite vähentää leikkaussalihenkilökunnalta työskentelytilaa, toimii näköesteenä ja vaikeuttaa leikkaus- 1024 J. Katisko ym.
B A Kuva 4. Ensimmäinen neurokirurginen leikkaus suoritettiin magneettikentän ollessa aluksi poissa päältä. Näin kyettiin käyttämään kuvaajan vieressä myös magnetoituvia instrumentteja. Kuvaus suoritettiin aivan leikkauksen lopussa. A) Avomagneettikuvaaja ja monipuolinen leikkausympäristö sallivat vaativien leikkausten suorittamisen. B) Anestesiapuolella käytetään MK-ympäristöön kehitettyä monitoria ja respiraattoria. Lattialla näkyy 5 G:n raja. tason korkeuden säätöä. Salin suunnittelussa tulee kiinnittää huomiota leikkausryhmän työskentelyasentoihin, välineisiin ja laitteisiin ulottumiseen, tarvittavaan liikkumistilaan sekä potilasletkujen ja johtojen sujuvaan kulkuun. MKlaite asettaa erityisvaatimuksia myös leikkaussalin valaistukselle. Biopsioita ja endoskooppisia leikkauksia tehtäessä ergonomia tulee optimoida, vaikka MKlaitteen avoimen rakenteen mukaan on tyydyttävä joko sivu- tai korkeussuunnassa rajalliseen työskentelytilaan. Sivulta avoimet MK-laitteet sopivat ergonomian kannalta pystysuorasti avoimia paremmin erityisesti avoimiin aivoleikkauksiin, joissa ei tarvita jatkuvaa kuvausta. Potilas voidaan vetää toimenpiteiden ajaksi magneetin avoimesta sivusta leikkausryhmän ulottuville. Kun ilmenee tarvetta kuvata leikkausaluetta uudelleen, potilas voidaan liu uttaa helposti kiskoilla olevalla leikkauspöydällä kuvaustilaan. Näin vältetään työskentely ahtaassa tilassa magneettinapojen välissä (kuva 4A, B). Leikkaussalivarustuksessa on huomioitava kuvauslaitteen staattisesta magneettikentästä ja hajakentistä aiheutuvat veto-, vääntö- ja kiertovoimat. Lisäksi sähkölaitteiden käyttö ilman suojausta on riskialtista, koska laite ja kuvaaja häiritsevät toisiaan hyvin todennäköisesti. MK-ympäristössä käytettävät välineet ja laitteet voidaan jakaa kahteen luokkaan: MK-yhteensopiviin ja MK-turvallisiin. Jälkimmäisen ryhmän laite tai väline voi heikentää magneettikuvien diagnostista laatua ollessaan kuvausalueella, mutta sen käyttö ei aiheuta minkäänlaista magneettisista vetovoimista yms. johtuvaa riskiä. MK-yhteensopiva laite tai väline on myös MK-turvallinen, mutta ei heikennä kuvan laatua. Vain sähköinen magneettikuvauslaite voidaan sammuttaa rutiinimaisesti. Kuvauslaitteiston ottaminen uudelleen käyttöön kestää alle kymmenen minuuttia. Tällöin varsinkin erilaisten kalliiden, magneettikuvausympäristöön sopimattomien laitteiden kuten mikroskoopin ja kaikukuvauslaitteen käyttö on mahdollista. Leikkauksenaikainen magneettikuvaus neurokirurgiassa 1025
Kuva 5. MK-ympäristössä käytettävä 36-tuumainen näyttölaite, jonka resoluutioksi voidaan asettaa 1024 x 768 tai 1280 x 1024. Kuva 6. Optiseen navigointijärjestelmään sisältyy infrapunalähettimen ja -kameran lisäksi referenssilevy kuvaajassa ja instrumentteihin liitettävät heijastimet (ei kuvassa). Järjestelmällä voidaan mm. ohjata kuvausta halutusta suunnasta sekä suunnata ja paikallistaa instrumentteja leikkauksen aikana. Kuvauksen aikana kuvausalueella käytettävien välineiden ja laitteiden on oltava MK-yhteensopivia. Näitä ovat kehittäneet useat yritykset. Varsinkin erilaisista titaaniseoksista valmistettujen instrumenttien tarjonta on laajaa. Laitteissa on vielä puutteita, mutta kehitystyötä tehdään tiiviisti. Kuvatiedon visualisointi toimenpiteen eri vaiheissa Toimenpiteen eri vaiheissa kuvatieto voidaan esittää filmillä tai liikuteltavalla videoprojektorilla (kuva 5). Totunnaiseen diagnostiseen magneettikuvaukseen kehitetyt visualisointiohjelmistot eivät vastaa ominaisuuksiltaan toimenpiteen aikaisen käytön vaatimuksia. OYS:n neurokirurgian tutkimusyksikössä kehitetään visualisointikäyttöliittymää leikkauksenaikaiseen kuvantamiseen (kuva 7). Diagnostisessa vaiheessa leikkauksen suunnittelua varten otettujen magneettikuvien pohjalta voidaan potilaan päästä muodostaa kolmiulotteinen malli, josta kohdetta on mahdollista tarkastella mistä tahansa suunnasta läpivalaistuna tai leikekuvana. Useilla eri kuvaussekvensseillä saatua tietoa voidaan käyttää hyväksi mallin muodostamisessa. Kirurgi voi suunnitteluvaiheessa merkitä malliin haluamiaan asioita: huomautuksia, avauksen paikan, kohteen paikan, välietappeja kohteeseen mentäessä tai kiellettyjä alueita. Toimenpiteen aikana visualisoinnilla voidaan seurata optisesti paikannettua instrumenttia, esimerkiksi biopsianeulaa, imukärkeä tai endoskooppia, tuottamalla ajantasaista kuvatietoa joko potilaan tai instrumentin suhteen (kuvat 6 ja 7) lasketuissa akselistoissa. Leiketaso voidaan valita halutulta etäisyydeltä instrumentin kärjestä, jolloin vaikkapa biopsiaa tehtäessä koh- 1026 J. Katisko ym.
Kuva 7. OYS:n neurokirurgian tutkimusyksikössä kehitettävän visualisointikäyttöliittymän kehitysversio. Ylhäällä nähdään perinteiset koronaali-sagittaali-aksiaalisuuntaiset kuvat ja alhaalla Oulussa alunperin neurokirurgiaan suunnitellut instrumentin suunnan mukaan lasketut leikkeet. Leikkauksenaikainen magneettikuvaus neurokirurgiassa 1027
teesta saadaan ajantasaisen kuvatiedon rinnalle etukäteistietoa. Ohjelmisto valvoo suunnitteluvaiheessa asetettujen merkkien noudattamista varoittaen lähestyttäessä kiellettyjä alueita. Kirurgi voi pyytää MK-laitteelta uutta leikettä tai kuvapakkaa haluamallaan sekvenssillä haluamastaan paikasta sekä suunnasta. Saatu kuvatieto on mahdollista liittää paikkatietolaskennan avulla aikaisempiin kuviin, ja näin säilytetään yhtäpitävyys todellisen tilanteen ja tietokoneen kuvatiedon välillä. Lisäksi magneettikuvien oheen voidaan liittää ajantasaisesti kaikukuvaa tai endoskooppikameran kuvaa. Leikkaustulos nähdään ennen toimenpiteen päättymistä otetuista kuvista, ja näin varmistetaan toimenpiteen onnistuminen. Varjoaineiden käyttö tässä vaiheessa on suotavaa. Lopuksi Aikaisemman navigointikokemuksen myötä OYS:n leikkauksenaikaisen MK-hankkeen kliininen vaihe on alkanut neurokirurgian, radiologian, lastenkirurgian ja anestesian klinikoiden yhteistyönä. Monitieteisessä hankkeessa tähdätään innovatiivisen klinikan mallin (Koivukangas J 1996, http://cc.oulu.fi/~emk/koivuk.htm) mukaisesti parantamaan entisestään operatiivisten alojen hoitotuloksia. Uuden leikkausmenetelmän käyttöönotto etenee vaiheittain. MK-laitteen kuvausominaisuuksiin on perehdytty ja leikkausskenaarioita laadittu ja harjoiteltu ennen varsinaisia toimenpiteitä. Menetelmää sovelletaan aivokasvainten leikkaushoitoon ja artikkelin mennessä painoon on tehty viisi glioomaleikkausta. Näyttöön perustuvan lääketieteen periaatteiden mukaisesti uuden teknologian prospektiivinen arviointi kulkee rinnan itse hoidon kehittämisen kanssa. Kirjallisuutta Black P, Moriarty T, Alexander III E, ym. Development and implementation of intraoperative magnetic resonance imaging and its neurosurgical applications. Neurosurgery 1997; 41: 831 45. Chandler W F, Rubin J M. Intraoperative use of real-time ultrasound in neurosurgery. Contemp Neurosurg 1986; 8: 1 7. Jolesz F A. MRI-Guided Interventions. The Coolidge Scientific Review, 1994; (2). Jolesz F A, Blumenfeld S M. Interventional use of magnetic resonance imaging. Magn Reson Q 1994; 10 (2): 85 96. Koivukangas J. Development of ultrasound guided brain tumour surgery. Kirjassa: Thomas D G T, toim. Stereotactic and image directed surgery of brain tumours. London: Churchill Livingstone, 1993, s. 111 24. Koivukangas J. The Oulu Neuronavigation Project and Beyond. Technology transfer between research institutes and industry. Kirjassa: Kouvalainen E ym., toim. Lääketieteen tekniikan ohjelma. Oulun yliopisto, 1996. Koivukangas J, Louhisalmi Y, Alakuijala J, Oikarinen J. Ultrasound-controlled neuronavigator-guided brain surgery. J Neurosurg 1993; 79: 36 42. Koivukangas J, Tervonen O, Alasaarela E, Ylitalo J, Nyström S. Completely computer-focused ultrasound imaging: first clinical imaging results. J Ultrasound Med 1989; 8: 675 83. Koivukangas P, Koivukangas J. Role of quality of life in therapeutic strategies in brain tumors. Health Policy 1988; 10: 241 57. Koivukangas P. A two-wave mimic model for the construction of health status index based on the health production function (väitöskirja). Oulun yliopisto, 1993. Lufkin R B, Gronemeyer D H W, Seibel R M M. Interventional MRI: update. Eur Radiol 1997; 7 Suppl 5: 187 200. Moriarty T M, Kikinis R, Jolesz F A, Black P, Alexander III E. Magnetic resonance imaging therapy. Intraoperative MR imaging. Neurosurg Clin North Am 1996; 7: 323 31. Parizel P M R J. The influence of field strength on magnetic resonance imaging: A comparative study in physicochemical phantoms, isolated brain specimens and clinical applications (väitöskirja). Universiteit Antwerpen, Departement Geneeskunde, 1994. Schenck J F. The role of magnetic susceptibility in magnetic resonance imaging: MRI magnetic compatibility of the first and second kind. Med Phys 1996; 23: 815 50. Schenck J F, Jolesz F A, Roemer P B, ym. Superconducting open-configuration MR imaging system for image-guided therapy. Radiology 1995; 195: 805 14. Schiffbauer H. Neuronavigation in brain tumor surgery: clinical betaphase of the Oulu Neuronavigator System (väitöskirja). Medizinischen Fakultät der Westfälische Wilhelms-Universität, 1998. Tronnier V M, Wirtz C R, Knauth M, ym. Intraoperative diagnostic and interventional magnetic resonance imaging in neurosurgery. Neurosurgery 1997; 40: 891 902. Wirtz C R, Bonsanto M M, Knauth M, ym. Intraoperative magnetic resonance imaging to update interactive navigation in neurosurgery: method and preliminary experience. Comput Aid Surg 1997; 2: 172 9. JANI KATISKO, FM, tutkija jani.katisko@oulu.fi SANNA YRJÄNÄ, FM, tutkija MARKKU LAPPALAINEN, tekn. yo, tutkija TEEMU LEPPÄNEN, tekn. yo, tutkija JOHN KOIVUKANGAS, professori, ylilääkäri OYS:n neurokirurgian klinikka, tutkimusyksikkö Kajaanintie 50, 90220 Oulu Jätetty toimitukselle 21.9.1998 Hyväksytty julkaistavaksi 21.12.1998 1028