Diffusion Tensor Imaging corticospinal tractography for evaluation of motor pathways radiation exposure in Gamma Knife radiosurgery treatments

Obiettivo. Lo scopo di questa ricerca era dimostrare la fattibilità tecnica e l’utilità clinica dell’integrazione della trattografia basata sull’Imaging del Tensore di Diffusione (DTI) nei piani di trattamento con Gamma Knife (GK) per le malformazioni artero-venose, al fine di calcolare la dose che interessa il fascio corticospinale. Ci siamo proposti di raccogliere dati per valutare la tolleranza alle radiazioni del fascio corticospinale e per sviluppare modelli di rischio riguardanti i deficit motori conseguenti al trattamento. Materiale e Metodi. Lo studio di DTI è stato realizzato con una Risonanza Magnetica (RM) a 3 Tesla con tecnica di imaging parallelo in 34 pazienti affetti da malformazione artero-venosa cerebrale situata in prossimità del fascio corticospinale e sottoposti a radiochirurgia con Gamma Knife. Dopo l’elaborazione dei dati di RM, la via motoria bilaterale veniva ricostruita tridimensionalmente. Un software specifico per la registrazione multimodale è stato sviluppato. I tratti di fibre ricostruiti erano registrati sui dati di RM T1 volumetrici, entrambi ottenuti a 3 Tesla. Quindi le risultanti immagini venivano registrate con lo studio di RM ad 1 Tesla, eseguito in condizioni stereotassiche, per realizzare l’integrazione della trattografia nel piano di trattamento. In 14 pazienti la valutazione dell’esposizione radiante del fascio corticospinale è stata realizzata in maniera retrospettiva successivamente alla procedura radiochirurgica; nei rimanenti pazienti l’integrazione della trattografia è stata applicata in maniera prospettica durante la realizzazione del piano di cura. Risultati. Le fibre del fascio corticospinale sono state visualizzate sia nel caso di malformazioni artero-venose emorragiche che non emorragiche. Il numero di fibre ricostruite dal lato affetto era significativamente più basso nei pazienti con un deficit motorio preesistente al trattamento. Le complicazioni motorie post-radiochirurgiche erano significativamente correlate con il volume del fascio corticospinale ricevente una dose ≥ 12 Gy (P = 0,010). La dose integrale del fascio corticospinale era parimenti significativamente correlata allo sviluppo di deficit motori (P = 0,048). Sono stati elaborati modelli di dose-risposta per stimare la probabilità di sviluppare complicazioni motorie utilizzando l’analisi mediante regressione logistica. La sede della malformazione artero-venosa nei nuclei della base e la dislocazione del fascio corticospinale rispetto al suo decorso anatomico erano correlati con volumi più alti di fascio corticospinale esposti ad una dose ≥ 12 Gy. L’incidenza di complicazioni motorie è risultata più bassa nel gruppo prospettico rispetto al retrospettivo (5,0% contro 14,2%, rispettivamente). Conclusioni. L’integrazione della trattografia basata su DTI a 3 Tesla nei piani di trattamento con GK per malformazioni artero-venose localizzate in prossimità del fascio corticospinale è una procedura realizzabile ed attendibile e può essere compatibile con un impiego routinario. Il volume del fascio corticospinale che riceve una dose ≥ 12 Gy e la dose integrale del fascio corticospinale sono fattori predittivi per lo sviluppo di deficit motori. La visualizzazione del fascio corticospinale permette di ottimizzare la pianificazione del trattamento radiochirurgico, realizzando così trattamenti specifici per il paziente con una riduzione della morbidità.

Objective. The aim of this research was to demonstrate the technical feasibility and the clinical usefulness of Diffusion Tensor Imaging (DTI) tractography integration in the Gamma Knife (GK) treatment planning for arterio-venous malformations (AVMs) in order to calculate the dose delivery involving the corticospinal tract (CST). We purposed to collect data for the assessment of the CST radiation tolerance and for the development of risk models concerning treatment-related motor deficits. Material and Methods. DTI study was performed using a 3 Tesla Magnetic Resonance (MR) unit with parallel imaging technique in 34 patients harbouring cerebral AVMs in proximity of the CST undergoing GK radiosurgery. After the data processing, three-dimensional tracking of the bilateral motor pathway was carried out. An in-house software for multimodal registration was developed. The reconstructed fiber tracts were matched on T1 volumetric data set, both obtained at 3 Tesla. Then the resulting images were registered with the 1 Tesla MR study performed under stereotactic conditions for the integration in the treatment planning. In 14 patients the evaluation of CST radiation exposure was retrospectively performed after the radiosurgical procedure; in the remaining patients the integration of CST tractography was prospectively applied during the realization of the treatment planning. Results. The fibers of CST were highlighted in both non-hemorrhagic and hemorrhagic AVMs. The amount of reconstructed fibers on the affected side was significantly lower in patients with a preoperative motor deficit. Post-radiosurgical motor complications were strongly correlated to the volume of the CST receiving ≥ 12 Gy (P = 0.010). The integral dose of the CST was significantly related to the development of motor deficits as well (P = 0.048). Dose-response models were elaborated to estimate the probability of developing motor complications using logistic regression analyses. The location of the AVM in the basal ganglia and the displacement of the CST from its anatomical course were correlated with higher volumes of the CST receiving ≥ 12 Gy. The rate of motor complications resulted lower in the prospective group than in the retrospective (5.0% vs 14.2%, respectively). Conclusions. The integration of tractography based on 3 Tesla DTI in the GK treatment planning for AVMs in proximity of the CST is feasible and reliable and can be compatible within a routine clinical setting. The volume of the CST receiving ≥ 12 Gy and the integral dose of the CST are predictors of developing motor deficits. The visualization of the CST allows to optimize the radiosurgical planning, realizing patient-tailored treatments with a reduction of the morbidity.