Intraoperatieve functionele Ultrasound (fUS)-beeldvorming tijdens wakkere en niet-wakkere hersenoperaties

Een scala aan technieken en hulpmiddelen hebben in de afgelopen tijd
bijgedragen aan ons begrip van het functioneren van ons brein. Een van de
huidige technieken met de grootste potentie is ultrasound imaging. Door recente
technische ontwikkelingen is een nieuwe techniek, highframe-rate (HFR)
ultrasound, mogelijk gemaakt. Deze techniek kan beelden maken in duizend frames
per seconde. Vanwege de hoge temporele resolutie, is deze techniek zeer
gevoelig voor kleine Doppler verschuivingen (ook wel µDoppler genoemd), zoals
wordt veroorzaakt door stromend bloed in breinvasculatuur. The HFR ultrasound
technologie om lokale toennames in CBV ten gevolge van neurale activiteit te
meten wordt functional ultrasound of functionele ultrasound genoemd (fUS). De
klinische applicatie van deze innovatieve techniek kan grote voordelen hebben
voor de neurochirurgie.

Dagelijks staan neurochirurgen voor de moeilijke taak om pathologisch weefsel
zoals tumor, AVM's of ischemisch weefsel van functioneel en gezond weefsel te
onderscheiden, met als uiteindelijk doel om de resectie van pathologisch
weefsel te maximaliseren en de postoperatieve neurologische schade te bepreken.
Echter, goede beeldvorming en onderscheiding van gezond neurologisch weefsel en
pathologisch weefsel, zowel in een pre- als intra-operatieve setting, blijft
een belangrijke beperking in de behandeling van patiënten. Met de introductie,
adaptatie en applicatie van fUS binnen de neurochirurgie, wordt het vakgebied
uitgerust met een hulpmiddel wat betere mogelijkheden biedt om tijdens een
chirurgische ingreep gezond en pathologisch weefsel te onderscheiden. Door
gebruik te maken van de karakteristieke neurovasculaire veranderingen die
specifiek in functioneel of pathologisch weefsel plaatsvinden, kan fUS
beeldgestuurde besluitvorming mogelijk maken tijdens neurochirurgische
dissecties. Door het extra gebruik van een contrastmiddel kan de
beeldkwaliteit van de vaatstructuur en dynamiek aanzienlijk toenemen. De hogere
signaal-ruisverhouding die gepaard gaat met het gebruik van het contrastmiddel
kan de beelddiepte vergroten om diepere tumoren te bereiken, een hogere
resolutie bereiken om kleinere bloedvaten te visualiseren en tot een betere
afbakening van tumorgrenzen leiden.

Met de mogelijke voordelen die fUS biedt, heeft het onderzoeksteam als doel om
een eerste 'proof-of-principle' studie uit te voeren in de kliniek door gebruik
te maken van fUS als een intra-operatieve tool tijdens wakkere hersenoperaties
voor de indicatie van hersentumorverwijdering.

Ten eerste om het vermogen van fUS te beoordelen om onderscheid te maken tussen
functionele en niet-functionele hersengebieden met behulp van taakspecifieke
hersenactiviteit tijdens een wakkere neurochirurgische procedure. Ten tweede,
om het vermogen van fUS te beoordelen om onderscheid te maken tussen gezond en
pathologisch weefsel, zoals (vasculair) tumorweefsel en arterioveneuze
malformaties (AVM's), op basis van verschillen in microvasculatuur, zowel bij
de wakkere patiëntengroep (tumor) als bij patiënten onder narcose (tumor en
AVM). Daarnaast zullen we het cerebrale bloedvolume (CBV) van gezond versus
tumorweefsel beoordelen met behulp van contrastversterkte echografie (CEUS).

Groep A: Patiënten die wakkere neurochirurgie ondergaan voor tumorverwijdering.
Op basis van de (uitgebreide) klinische pre-operatieve fMRI en functionele
kaart gemaakt met behulp van intraoperatieve elektrocorticale stimulatie
mapping (ESM) (de gouden standaard tijdens routinematige wakkere
craniotomiechirurgie), zullen we functionele en aangrenzende niet-functionele
hersengebieden identificeren en in beeld brengen die verband houden met
specifieke taken met behulp van fUS. De gebruikte taken variëren van
spierbewegingen tot spreken en worden afgewisseld met controletaken. Daarnaast
zullen we patiënten onderwerpen aan een postoperatieve fMRI om de
fUS-gedefinieerde functionele gebieden dieper in de hersenen verder te
valideren. Dit zal alleen worden uitgevoerd bij de wakkere patiëntengroep.
Daarnaast zullen we fUS CBV-beeldvorming uitvoeren van gezond vs. tumorweefsel
voor en na tumorresectie. De fUS-beeldvorming duurt in totaal maximaal 22
minuten, de totale scantijd in de fMRI bedraagt maximaal. 1,5 uur.
Groep B: Patiënten die een niet wakkere neurochirurgie ondergaan voor
verwijdering van een tumor of AVM. We zullen fUS-beeldvorming van gezond versus
tumor- of AVM-weefsel uitvoeren voor en na tumorresectie. De fUS-beeldvorming
duurt in totaal maximaal 22 minuten.
Groep C: Patiënten die een niet wakkere neurochirurgie ondergaan voor
verwijdering van een tumor of AVM. We zullen fUS- en CEUS-beeldvorming van
gezond vs. tumor- of AVM-weefsel uitvoeren. De metingen worden herhaald nadat
de tumorverwijdering is voltooid, maar voordat de schedel wordt gesloten. De
totale beeldvormingstijd tijdens de chirurgische ingreep bedraagt maximaal 22
minuten.

Omdat functionele mapping met behulp van ESM en echografie al een integraal
onderdeel is van wakkere craniotomiechirurgie, blijft de aard en omvang van de
belasting voor de patiënt beperkt. De patiënt zal geen last hebben van het
beeldvormingsproces met behulp van fUS en de specifieke taken die we de patiënt
zullen vragen uit te voeren zullen zeer vergelijkbaar zijn met de taken die al
tijdens ESM worden uitgevoerd. De taken samen zullen niet langer duren dan 22
minuten, waardoor de extra tijd die nodig is voor de operatie tot een minimum
wordt beperkt. Omdat fUS-beeldvorming sterk lijkt op elk type echografie dat al
in een klinische setting en tijdens wakkere craniotomiechirurgie wordt
gebruikt, zijn er bovendien geen extra risico's verbonden aan deelname. Ook
liggen de blootstellingsniveaus voor de fUS-beeldvormingsreeksen (insonificatie
met niet-gefocusseerde bundels) ruim onder de FDA-limieten. Voor de
niet-wakkere patiëntengroep (zowel tumoren als AVM*s) geldt een vergelijkbare
situatie als hierboven beschreven, met het verschil dat patiënten alleen tumor-
of AVM-beeldvorming zullen ondergaan en niet wakker zullen zijn om de 22
minuten bewust te beleven. uitbreiding van de chirurgische ingreep.
Het ultrasone contrastmiddel dat in CEUS wordt gebruikt, Sonovue is veilig
(Sonovue - European Public Assessment Report, 2020) en geregistreerd voor
Doppler-metingen. Het wordt al routinematig gebruikt op de afdeling
Cardiologie van EMC voor hartfunctiebeoordelingen. De meest voorkomende
bijwerkingen in klinische onderzoeken zijn hoofdpijn (2,3%), pijn op de
injectieplaats (1,4%) en lokale reacties op de injectieplaats, waaronder
hematoom, warmte en paresthesie (1,7%). Er is een zeer kleine kans op een
allergische reactie na toediening van ultrasone contrastmiddelen (0,01%).*
Mocht er een allergische reactie optreden tijdens de studie dan zal de
anesthesioloog de patient behandelen met de meest geschikte medicatie en
bijpassende dosering.

Er zijn geen aanvullende bloedonderzoeken nodig. De risico's die aan deelname
verbonden zijn, kunnen als verwaarloosbaar worden beschouwd en de lasten als
minimaal.
Tenslotte wordt aan de wakkere patiëntengroep specifiek gevraagd om nog eens
1,5 uur fMRI-scanning te ondergaan, verdeeld over een pre- en postoperatieve
sessie. Omdat de preoperatieve sessie al deel uitmaakt van de standaard
klinische procedure, verwachten we een beperkte extra belasting voor de
patiënten. Voor de postoperatieve sessie is de duur beperkt tot max. 1 uur en
de sessie wordt na de chirurgische ingreep gepland op een tijdstip dat het
beste uitkomt voor de patiënt. Er zijn geen risico*s verbonden aan het
ondergaan van de fMRI-scan. De langere verblijfsduur in de scanner kan echter
leiden tot extra psychologische belasting/ongemak, vooral als de patiënt al
angstig is voor de scan. Alles overziend verwachten wij dat de omvang van de
belasting voor de wakkere patiëntengroep (hoewel iets hoger dan de verdoofde
patiënten) acceptabel is.
Patiëntdeelname aan het onderzoek zal echter leiden tot het voordeel van het
verder bepalen en vergroten van het potentiële gebruik van fUS als een nieuw en
zeer krachtig intra-operatief beeldvormingsinstrument, dat het vermogen heeft
om gebieden met functioneel weefsel diep in de hersenen weer te geven en te
vergroten. laten verschillen in weefselvasculariteit zien, zelfs wanneer tumor-
of AVM-weefsel in een intraoperatieve setting vergelijkbaar lijkt met gezond
weefsel.