Relação dos pontos-chave cirúrgicos no crânio com

UNIVERSIDADE DE SÃO PAULO
INSTITUTO DE PSICOLOGIA
LIANA GUERRA SANCHES DA ROCHA
Relação dos pontos-chave cirúrgicos no crânio
com áreas eloqüentes detectadas por
ressonância magnética funcional
São Paulo
2009
Liana Guerra Sanches da Rocha
Relação dos pontos-chave cirúrgicos no crânio
com áreas eloqüentes detectadas por
ressonância magnética funcional
Dissertação apresentada ao Instituto de
Psicologia da Universidade de São Paulo
como parte dos requisitos para obtenção do
título de mestre em Neurociências e
Comportamento
Área de concentração: Neurociências e
Comportamento.
Orientador: Prof. Dr. Edson Amaro Jr.
São Paulo
2009
AUTORIZO A REPRODUÇÃO E DIVULGAÇÃO TOTAL OU PARCIAL DESTE
TRABALHO, POR QUALQUER MEIO CONVENCIONAL OU ELETRÔNICO, PARA
FINS DE ESTUDO E PESQUISA, DESDE QUE CITADA A FONTE.
Catalogação na publicação
Biblioteca Dante Moreira Leite
Instituto de Psicologia da Universidade de São Paulo
Rocha, Liana Guerra Sanches da.
Relação dos pontos-chave cirúrgicos no crânio com áreas
eloquentes detectadas por ressonância magnética funcional / Liana
Guerra Sanches da Rocha; orientador Edson Amaro Junior. -- São
Paulo, 2009.
111 p.
Dissertação (Mestrado – Programa de Pós-Graduação em
Psicologia. Área de Concentração: Neurociências e Comportamento) –
Instituto de Psicologia da Universidade de São Paulo.
1. Imagem por ressonância magnética 2.
computadorizada por raios X 3. Neurocirurgia I. Título.
Tomografia
RC386.6.D52
Nome: Liana Guerra Sanches da Rocha
Título: Relação dos pontos chave cirúrgicos no crânio com áreas eloqüentes detectadas por
ressonância magnética funcional
Dissertação apresentada ao Instituto de
Psicologia da Universidade de São Paulo
como parte dos requisitos para obtenção do
título de mestre em Neurociências e
Comportamento.
Aprovado em:
Banca Examinadora:
Prof. Dr.:_______________________________________________________
Instituição:_____________________________ Assinatura:_______________
Prof. Dr.:_______________________________________________________
Instituição:_____________________________ Assinatura:_______________
Prof. Dr.:_______________________________________________________
Instituição:_____________________________ Assinatura:_______________
A minha família, Sergio, Elza e
Marcela; meu marido Mauricio e meu filho Artur, meus
mais preciosos bens.
AGRADECIMENTOS
Ao Prof. Dr. Edson Amaro Jr, grande encorajador deste trabalho, incentivador da ciência
brasileira, professor e amigo nestes anos de luta. Abriu espaço em sua concorrida agenda para
a orientação desta biomédica, incentivando cada vez mais pessoas a acreditarem que o prazer
de fazer ciência pode tardar, mas e possível.
Ao Prof. Dr. Guilherme Carvalhal Ribas, pela colaboração fundamental, gerando grande
admiração profissional e pessoal.
Aos colegas do Instituto do Cérebro - Instituto Israelita de Ensino e Pesquisa Albert Einstein,
por me levarem a sério desde o início, por me acolherem e ensinar tanto, e por reconhecerem
o trabalho do Biomédico.
Ao Dr. Cristofer A. Caos, Dra Paula R. Arantes, Dra Griselda Garrido, Dra Patrícia Lessa e
Dra Adriana Conforto, pela amizade, incentivo e ajuda na elaboração deste trabalho e fora
dele.
Ao setor de Ressonância Magnética do Hospital Albert Einstein, onde aprendi quase tudo que
sei, dando-me a oportunidade de trabalhar com ótimos profissionais e tecnologia de ponta.
A Dra Claudia Feitosa Santana, por ter me levado ao NeC, e por todo suporte burocrático do
inicio deste mestrado.
A Profa. Dra. Maria Teresa Araújo Silva, por ter aceitado nossa proposta de estudo.
Ao Dr. Ricardo Z. Vêncio, incentivador fundamental para o inicio de minha carreira como
pesquisadora, e grande colega de “brainstorms”.
Aos colegas Felipe Tancredi e Arthur Felipe por toda e a ajuda e companheirismo no
aparelho de 3T.
A Dra Paula Ricci Arantes pela inspiração no trabalho em pesquisa e pelo companheirismo
profissional e pessoal;
Aos meus amigos de longa data, por compreenderem que estudar é uma das razões do meu
viver e por isso perdoarem as tantas ausências..
As famílias Guerra Sanches e Bacani Soares da Rocha, minhas inspirações.
A meus Avós Julio, Benedita e Alberto, que sempre olham por mim.
A Deus, por cada minuto da minha vida.
O homem sonha monumentos,
mas só ruínas semeia
para a pousada dos ventos.
Paulo Eiró, poeta santamarense.
RESUMO
Rocha LGS. Relação dos pontos chave cirúrgicos no crânio com áreas eloqüentes detectadas
por ressonância magnética funcional. [dissertação]. São Paulo: Instituto de Psicologia,
Universidade de São Paulo;2009. 111p.
INTRODUÇÃO: Os exames de neuroimagem são essenciais na rotina pré-cirúrgica de
pacientes com lesão encefálica. A ressonância magnética (RM) e a tomografia
computadorizada (TC) são métodos consagrados que fornecem valiosas informações
anatômicas das lesões e áreas adjacentes. A ressonância magnética funcional (RMf) é um
método mais recente que pode dar suporte a neurocirurgia demonstrando as áreas que
apresentam resposta hemodinâmica durante a realização de determinadas tarefas. Por outro
lado, o neurocirurgião deve associar estas novas técnicas aos conhecimentos da anatomia
empregados no ato cirúrgico. Ribas (2005) estabeleceu um sistema de pontos-chave aplicados
à anatomia microcirúrgica, que representam relações entre a superfície do crânio e a
superfície do cérebro – e demonstra erros menores que 2 cm entre estes pontos e os sulcos e
giros cerebrais num estudo em cadáveres. Entretanto, a metodologia não permitiu avaliar a
relação com areas cerebrais que mostram atividade hemodinâmica durante a realização de
tarefas somatossentivas e motoras. O objetivo desta dissertação foi de avaliar métodos de
fusão de imagens geradas por TC, RM e RMf com intuito de verificar as relações
craniométricas com os sulcos e giros, e a relação destes pontos com os aspectos funcionais
das áreas motora e somatosensitiva. MÉTODOS: Foram realizados exames de RM e RMf
com paradigmas motor e somatosensitivo em aparelho de três Tesla (3T) em dez sujeitos que
realizaram TC de crânio prévia, (dois com lesão cerebral e oito sem alterações cerebrais
visíveis a TC). Escolhemos quatro dos dez pontos-chave estudados por Ribas para avaliação
neste trabalho: a intersecção entre os sulcos frontal inferior e pré-central; a intersecção entre
os sulcos frontal superior e o pré–central; o ponto rolândico superior; e a intersecção entre os
sulcos intraparietal e o sulco pós-central devido às suas relações com areas classicamente
relacionadas à função motora e somatossensitiva. Os dados de TC, RM e RMf foram
analisados por diferentes programas e os resultados comparados. O processo final teve intuito
de co-registrar espacialmente as três técnicas e permitir medidas de distâncias em imagens
nas três dimensões (3D). RESULTADOS: determinamos um fluxograma de processos
computacionais que permitiram mensurar a congruência espacial entre as técnicas de TC,
RM, RMF. Não foi encontrada ferramenta computacional que, isoladamente, permitisse todo
o conjunto de funcionalidades necessárias para atingir o objetivo. A implementação do
processo de fusão das três modalidades mostrou-se viável com a utilização quatro softwares
de acesso gratuito (Osirix, Register, Mricro e FSL). Em qutro voluntários foram
determinadas as distâncias espaciais entre os pontos-chave na superfície cerebral e na
superfície do crânio, a média das quais foi de 2,5cm (±0,6cm) - levando-se em que esta
medida inclui as dimensões da tábua ossea e espaços liquóricos, este valor se encontra dentro
do que foi demonstrado por Ribas. Porém, a média das distâncias entre pontos na superfície
do crânio e pontos de maior resposta na RMf, e entre estes e pontos-chave da superfície do
cérebro foi maior, respectivamente de 5,0cm (±1,7cm) e 3,6cm (±2,1cm). Estes achados
mostram variabilidade funcional inter-individual, aparentemente maior que a anatômica. Os
dados destes estudo mostram que a técnica é viável, e ampliação da casuística pode permitir a
análise estatística, necessária para utilização deste método na prática clínica.
Palavras-chave: Imagem por Ressonância Magnética; Tomografia Computadorizada por
Raios X; Neurocirurgia; fusão de imagens; registro de imagens
ABSTRACT
Rocha LGS. Relation of surgical key-points in skull with eloquent areas detected by
functional magnetic resonance [dissertation]. São Paulo: “Instituto de Psicologia,
Universidade de São Paulo”;2009. 111p.
INTRODUCTION: Neuroimaging studies have a pivotal role in pre-surgical assessment of
patients with brain lesions. Magnetic Resonance Imaging (MRI) and Computerized
Tomography (CT) are established techniques providing anatomic information of the lesion
and surrounding areas. Functional MRI (fMRI) is a recent method applied to probe brain
function via hemodynamic response of brain regions involved in certain tasks, and thus
provide useful information to the neurosurgeon. On the other hand, these new techniques
have to be added to the knowledge necessary to the neurosurgery act. Ribas (2005) have
established a system based on key-points aimed to guide microsurgical interventions. The
system consists of anatomical relationships between points in the surfaces of the skull and the
cerebrum – and is reported to have errors below 2 cm of the intended cerebral sulci and giri
in a post-mortem study. Nevertheless, this method does not allow for studying the
relationship of the cerebral regions showing hemodynamic response to somatosensory and
motor tasks. Our aim was to evaluate image fusion techniques applicable to CT, MRI and
fMRI in order to verify the craniometrical relations between skull surface, cerebral surface
and areas with maximal hemodynamic response to somatosensory and motor tasks.
METHODS: We performed MRI and fMRI studies in ten subjects who had a CT scan
performed for other reasons (8 healthy volunteers and 2 patients with localized brain lesions)
using somatosensory and motor paradigms in a 3T MRI system. We have selected four out of
the ten key points determined by Ribas to perform this analysis: the intersection between the
inferior frontal and pre-central sulci; the intersection between the superior frontal and precentral sulci; the superior rolandic point; and the intersection between the intraparietal and
post-central sulci. This choice was based on the classical localization of brain regions
associated with somatossensory and motor functions. CT, MRI and fMRI data were analysed
using different software packages, and the results were compared. The final goal of the
process was to spatially co-register the three techniques and distance measurements in three
dimensions (3D). RESULTS: we have established a pipeline using different computational
processes to measure the spatial anatomic congruency between the key points shown in CT,
MRI and fMRI images. We did not find a single software package enabling all the
functionalities necessary to accomplish our goals. The implementation of the three imaging
modalities fusion process was feasible using four public domain softwares (Osirix, Register,
Mricro e FSL). We have determined the distances between the key points in four subjects (e
patient). The average distance between the skull surface and brain surface points was 2.5cm
(±0.6cm) – and taking into account the calvarium thickness and cerebro-spinal fluid
dimensions, this value is within what was observed in Ribas’s study. The average distance
between the key points in the skull surface and the fMRI maximum response point, and the
average between the brain surface and the fMRI maximum response point was larger,
respectively 5.0cm (±1, 7cm) and 3.6cm (±2,1cm). These findings show that the intersubject functional variability is apparently larger then the inter-subject anatomical variability.
Our results show that image fusion between CT, MRI and fMRI is possible. We believe that
an increased number of subjects and appropriate statistical analysis will help to guide the
possible application of this method in clinical routine.
Keywords: Magnetic Resonance Imaging; functional Magnetic Resonance Imaging,
Computed Tomography; Neurosurgery; image fusion; image registration.
LISTA DE FIGURAS
Figura 1- Esquema da divisão parcial do Sistema Nervoso. O segmento estudado neste
trabalho está em destaque. Adaptado de Dangelo e Fattini, 2004.__________
26
Figura 2 - Reconstrução tridimensional de tomografia computadorizada de crânio,
demonstrando a superfície da calota craniana e as suturas escamosa (a) coronal (b),
sagital (c) e lambdóide (d)._____________________________________________
27
Figura 3 - Vista lateral direita do encéfalo humano. A seta mostra o SC; a linha
tracejada azul mostra o GPreC e a vermelha o GPosC. Reconstrução 3D de imagens
por RM._____________________________________________________________
28
Figura 4 - Equipamento de TC – Toshiba Aquillion 64 canais.__________________
31
Figura 5 - Aparelho de RM – Siemens Trio (3T).____________________________
34
Figura 6 - Curva da função da resposta hemodinâmica a um estímulo de curta duração.
Adaptado de Amaro Junior, 2006 com autorização do autor.____________
36
Figura 7 - Demonstração da marcação do ponto 4 utilizando as imagens de TC ____
59
Figura 8 - Demonstração da marcação do ponto 5 utilizando as imagens de TC.____
59
Figura 9 - Demonstração da marcação do ponto 6 utilizando as imagens de TC.____
60
Figura 10 - Demonstração do ponto 3 (setas) utilizando imagens 3D de RM._______
61
Figura 11 - Pontos de resposta máxima estatística na atividade motora realizada com a
mão esquerda__________________________________________________________
63
Figura 12 - Pontos de resposta máxima estatística na atividade motora realizada com a
mão direita.____________________________________________________________
63
Figura 13 - Corte de RM onde foram marcados os pontos dos plexos coróides bilaterais
para fusão com a TC.___________________________________________
65
Figura 14 - Demonstração da congruência entre as modalidades de TC (parte óssea,
externa) e RM (parte encefálica, interna).___________________________________
65
Figura 15 - Fusão de imagens das modalidades (a) TC e RMf e (b) RM e RMf pelo
CAT3D. As setas demonstram os voxels com valor estatístico ao programa XBAM_
66
Figura 16 - Tela do programa Slicer, mostrando os volumes de TC e RM já carregados
e a incongruência inicial entre eles.______________________________
67
Figura 17 - Tela do programa Slicer, mostrando o resultado do alinhamento manual
das duas modalidades. A janela superior pode mostrar qualquer plano. __________
67
Figura 18: Fluxo do processo de fusão adotado para o trabalho, com os programas
utilizados e suas funções. _______________________________________________
68
Figura 19 - Tela de trabalho do software Register: (a) volumes de TC e RM
carregados desalinhados e (b) após colocação dos pontos, a imagem fundida resultante
aparece na terceira coluna. ______________________________________
69
Figura 20 - Exemplo da marcação do ponto-chave número 3 (setas)._____________
70
Figura 21 - Exemplo da marcação do ponto chave número 4.___________________
71
Figura 22- Exemplo de marcação do ponto-chave número 5.___________________
72
Figura 23 - Exemplo de marcação do ponto-chave número 6.___________________
72
Figura 24 - Visualização 3D da TC do estudo, demonstrando as fissuras acidentes
anatômicos da calota craniana.___________________________________________
73
Figura 25 - Visualização 3D das imagens de RM e RMf, no plano transversal, vista
superior. As áreas em amarelo foram determinadas pelo software de análise como
áreas de aumento do consumo de oxigênio em tarefa motora com a mão direita.____
74
Figura 26 – Imagens 3D mostrando fusão de TC e RM, com a posição dos pontoschave na superfície do crânio (setas) e a imagem do cérebro co-registrada subjacente._
74
Figura 27 - Direção dos deslocamentos entre os ponto-chave do crânio e da superfície
do cérebro; gráfico om médias e desvios-padrão dos deslocamentos nos 3 eixos para
cada ponto.____________________________________________________________
80
LISTA DE TABELAS
Tabela 1 - Tipos de ponderação de contrate e suas respectivas características
temporais, em milissegundos (ms). Adaptado de Westbrook e Kaut,1996._________
33
Tabela 2 - Dados dos participantes do estudo: C=sujeitos com TC normal P= sujeitos
com lesão encefálica em TC. ___________________________________________
57
Tabela 3 - Resultados das medias e desvios padrão dos grupos de voluntários
submetidos ao teste VAMS ._____________________________________________
58
Tabela 4 - Dados adquiridos da RMf: C= voluntário sadio P= voluntário com TC
com lesão.___________________________________________________________
62
Tabela 5 – Distâncias médias (em mm) entre os pontos-chave e a relação crânio –
encéfalo. Legenda: NA= ponto não avaliado para este sujeito. SFI: Sulco Frontal
Inferior; SFS: Sulco Frontal Superior______________________________________
78
LISTA DE GRAFICOS
Gráfico 1 - Distâncias médias (em mm) dos sujeitos para o ponto 3 entre crânio –
função.______________________________________________________________
Gráfico 2 - Distâncias médias (em mm) dos sujeitos para o ponto 4 entre crânio –
função.______________________________________________________________
Gráfico 3 - Distâncias médias (em mm) dos sujeitos para o ponto 5 entre crânio –
função______________________________________________________________
75
75
76
Gráfico 4 - Distâncias médias (em mm) dos sujeitos para o ponto 6 entre crânio –
função.______________________________________________________________
76
Gráfico 5 - Distâncias médias (em mm) dos sujeitos para o ponto 3 entre encéfalo –
função. _____________________________________________________________
76
Gráfico 6 - Distâncias médias (em mm) dos sujeitos para o ponto 4 entre encéfalo –
função.______________________________________________________________
77
Gráfico 7 - Distâncias médias (em mm) dos sujeitos para o ponto 5 entre encéfalo –
função.______________________________________________________________
77
Gráfico 8 - Distâncias médias (em mm) dos sujeitos para o ponto 6 entre encéfalo –
função.______________________________________________________________
78
Gráfico 9 – Distâncias médias (em mm) e desvios-padrão entre crânio e cérebro para
o ponto-chave.________________________________________________________
79
Gráfico 10 – Distâncias médias (em mm) e desvios-padrão entre crânio e funções
agrupadas, para o ponto-chave.___________________________________________
79
Gráfico 11 – Distâncias médias (em mm) e desvios-padrão entre cérebro e funções
agrupadas, para o ponto-chave.___________________________________________
79
LISTA DE ABREVIATURAS E SIGLAS
3D: três dimensões
AC: comissura anterior
ASM: área suplementar motora
BOLD: Blood oxigenation level dependent
CEP: Comitê de ética em pesquisa
Deoxi-Hb: desoxi-hemoglobina
DICOM: Digital Imaging Comunications in Medicine
EPI: Echo planar image
EUA: Estados Unidos da America
FLAIR: fluid atenuation inversion recovery
FOV: field of view
FPQ: Fundamental Power Quocient
GBAM: Group Brain Activation Mapping
GPosC: giro pós-central
GPreC: giro pré-central
HIAE: Hospital Israelita Albert Einstein
IIEPAE: Instituto Israelita de Ensino e Pesquisa Albert Einstein
IOP: Institute of Psychiatry , King´s College, Londres, Inglaterra
LCR: liquido cefaloraquidiano
LFP: Local field potentials
M1: área motora primária
MDP: Medina Diagnóstica e Preventiva - Departamento
OxiHb: Oxi-hemoglobina
PACE: prospective aquisition correction
PACS: Picture Archiving and Communication System
PC: comissura posterior
pM: área pré motora
RF: radiofrequencia
RM: ressonância magnética
RMf: ressonância magnética funcional
RSR: relação sinal ruido
RX: Raios X
S1: córtex somatossensitivo primário
SAR: Specific Absorption Rate
SFI: sulco frontal inferior
SFS: sulco frontal superior
SNC: sistema nervoso central
SPECT: single próton emission computadorized tomography
TC: Tomografia Computadorizada
TE: tempo ao eco
TR: tempo de repetição
UPDRS: Unified Parkinson´s Disease Rating Scale, escala unificada para estadiamento da
doença de Parkinson
VME: vetor de magnetização efetiva
XBAM: X Brain Activation Mapping, mapeamento de ativações cerebrais
LISTA DE SÍMBOLOS
Bo
campo magnético externo
cm
centímetro
H+
Próton de hidrogênio
H
hidrogênio
mm
milímetro
ms
milissegundos
mT
mili Tesla
s
segundo
T
Tesla
ω
freqüência de precessão ou de Larmor
γ
razão giromagnética
SUMÁRIO
1. INTRODUÇÃO____________________________________________________
18
2. OBJETIVO _______________________________________________________
23
3. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA _______________________________________
25
3.1. Introdução a neuroanatomia______________________________________
25
3.2. Os pontos-chave _______________________________________________
29
3.3. A Tomografia Computadorizada (TC)______________________________
30
3.4. A Ressonância Magnética (RM)___________________________________
31
3.5. A ressonância magnética funcional (RMf)___________________________
34
3.6. Princípios de formação de imagem ________________________________
38
3.6.1. Imagens tridimensionais _____________________________________
38
3.7. Fusão de imagens ______________________________________________
40
4. MÉTODOS ______________________________________________________
42
4.1. Casuística ____________________________________________________
43
4.2. Questionários de avaliação. ______________________________________
45
4.3. Dados de imagem ______________________________________________
45
4.3.1. Tomografia Computadorizada_________________________________
45
4.3.2. Ressonância Magnética ______________________________________
46
4.3.2.1. Posicionamento dos participantes __________________________
46
4.3.2.2. Parâmetros de aquisição de imagens ________________________
46
4.3.3. Ressonância Magnética funcional ______________________________
47
4.3.3.1. Parâmetros de aquisição de imagens _______________________
47
4.3.3.2. Paradigmas ___________________________________________
48
4.4. Processamento de imagens _______________________________________
48
4.4.1. Processamento da Ressonância Magnética funcional _______________
48
4.4.2. Processo de fusão de imagens _________________________________
50
4.4.3. Identificação dos pontos ______________________________________
52
4.4.4. Reconstruções tridimensionais _________________________________
53
4.5. Mensuração das correspondências _________________________________
5. RESULTADOS ____________________________________________________
54
56
5.1. Questionários _________________________________________________
57
5.2. Dados da imagem ______________________________________________
58
5.2.1. Tomografia Computadorizada__________________________________
58
5.2.2. Ressonância Magnética _______________________________________
60
5.3. Processamento das imagens ______________________________________
61
5.3.1. Processamento da Ressonância Magnética funcional _______________
61
5.3.2. Fusão de imagens ___________________________________________
64
5.3.3. Identificação dos pontos ______________________________________
70
5.3.4. Reconstruções Tridimensionais ________________________________
73
5.4. Mensuração das distâncias entre os pontos ___________________________
75
6. DISCUSSÃO ______________________________________________________
81
6.1. Questionários _________________________________________________
82
6.2. Dados de imagem ______________________________________________
82
6.2.1. Tomografia Computadorizada_________________________________
82
6.2.2. Ressonância Magnética e Ressonância magnética funcional__________
84
6.3 Processamento das imagens ______________________________________
85
6.3.1. Reconstruções tridimensionais _________________________________
87
6.3.2. Identificação dos pontos anatômicos ____________________________
87
6.3.3. Processo de fusão de imagens _________________________________
88
6.4. Mensuração das distâncias entre os pontos ___________________________
89
6.5. Disponibilidade das técnicas ______________________________________
90
6.6. Aplicações praticas _____________________________________________
91
6.7. Limitações ____________________________________________________
91
6.8. Perspectivas futuras ____________________________________________
92
7. CONCLUSÕES ___________________________________________________
93
REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS ___________________________________
95
ANEXOS ___________________________________________________________
104
Esta dissertação esta de acordo com:
Universidade de São Paulo. Sistema Integrado de Bibliotecas da USP.
Diretrizes para apresentação de dissertações e teses da USP : documento
eletrônico e impresso Parte IV (Vancouver) / Sistema Integrado de Bibliotecas da
USP ; Vânia Martins Bueno de Oliveira Funaro, coordenadora ... [et al.] . - - 2. ed.
rev. ampl. - - São Paulo : Sistema Integrado de Bibliotecas da USP, 2009.
96 p. - - (Cadernos de Estudos ; 9)
Referências: International Commitee of Medical Journals Editors (Vancouver)