Lo scopo della tesi e' quello di studiare un applicazione clinica dedicata alla chirurgia dei tumori cerebrali basata sulle immagini di diffusione MR. L'obbiettivo della chirurgia dei tumori cerebrali e' quello di massimizzare la resezione dei tessuti patologici preservando le aree eloquenti corticali e sottocorticali. La risonanza magnetica e le tecniche avanzate elaborazione di immagini permettono al neurochirurgo di definire come la lesione cambia l'anatomia del paziente. In questa tesi descriviamo i principi ed i metodi basati sulla diffusione MR e definiamo un protocollo neuro radiologico necessario per la pianificazione della strategia chirurgica che minimizza il rischio nella resezione di un tumore maligno sito in area eloquente. Nonostante gli artefatti ed i limiti delle tecnologie coinvolte, il metodo proposto offre un supporto intra-operatorio in grado di rappresentare la relazione spaziale tra la lesione e le aree eloquenti circostanti. Basato sull'integrazione della DTI e gli strumenti di localizzazione intraoperatoria (neuronavigatore e monitoraggio neurofisiologico) il metodo proposto permette di correlare e verificare i risultati ottenuti in fase di pianificazione. Da Gennaio 2011 a Dicembre 2013 144 pazienti con tumore cerebrale in area eloquente sono stati studiati con DTI trattografia e pianificatore pre-operatorio. Di questi, 94 sono stati poi trattati chirurgicamente.

The purpose of the thesis is to investigate a clinical application of Diffusion Tensor Imaging in brain surgery. Brain Surgery aims to maximize lesion resection while preserving surrounding vital cortical and subcortical area. MRI techniques enables neurosurgeons to define how lesions change the individual anatomy in relation to brain function mapping. In this thesis we describe principles and methods of diffusion model and specific neuro radiological protocols for pre surgical planning (minimal risk strategy) of malignant brain tumors in eloquent area. Despite artifacts and limits, the developed framework based on DTI integrated with intra-operative localization supports neurosurgeon to analyze surgical strategies while preserving brain functions. We compare methods, procedures and different implementation of algorithms affecting the complex multi-modal processing of imaging protocol. Clinical information (deficit quantification), and intra-operative neurophysiological stimulations with morphological characteristics of fiber bundles corrupted by tumor is widely examined. From January 2011 to December 2013, 144 patients with lesions in eloquent areas were submitted to pre-operative DTI tractography and 94 of 144 were treated surgically.

Analysis of Diffusion Tensor Imaging for neurosurgical applications: tumor removal in eloquent areas.

MIRTUONO, Pasquale
2014

Abstract

Lo scopo della tesi e' quello di studiare un applicazione clinica dedicata alla chirurgia dei tumori cerebrali basata sulle immagini di diffusione MR. L'obbiettivo della chirurgia dei tumori cerebrali e' quello di massimizzare la resezione dei tessuti patologici preservando le aree eloquenti corticali e sottocorticali. La risonanza magnetica e le tecniche avanzate elaborazione di immagini permettono al neurochirurgo di definire come la lesione cambia l'anatomia del paziente. In questa tesi descriviamo i principi ed i metodi basati sulla diffusione MR e definiamo un protocollo neuro radiologico necessario per la pianificazione della strategia chirurgica che minimizza il rischio nella resezione di un tumore maligno sito in area eloquente. Nonostante gli artefatti ed i limiti delle tecnologie coinvolte, il metodo proposto offre un supporto intra-operatorio in grado di rappresentare la relazione spaziale tra la lesione e le aree eloquenti circostanti. Basato sull'integrazione della DTI e gli strumenti di localizzazione intraoperatoria (neuronavigatore e monitoraggio neurofisiologico) il metodo proposto permette di correlare e verificare i risultati ottenuti in fase di pianificazione. Da Gennaio 2011 a Dicembre 2013 144 pazienti con tumore cerebrale in area eloquente sono stati studiati con DTI trattografia e pianificatore pre-operatorio. Di questi, 94 sono stati poi trattati chirurgicamente.
Diffusion tensor imaging (DTI); Coregistration; medical image processing; Geometrical Modeling; Pre-surgical Planning
The purpose of the thesis is to investigate a clinical application of Diffusion Tensor Imaging in brain surgery. Brain Surgery aims to maximize lesion resection while preserving surrounding vital cortical and subcortical area. MRI techniques enables neurosurgeons to define how lesions change the individual anatomy in relation to brain function mapping. In this thesis we describe principles and methods of diffusion model and specific neuro radiological protocols for pre surgical planning (minimal risk strategy) of malignant brain tumors in eloquent area. Despite artifacts and limits, the developed framework based on DTI integrated with intra-operative localization supports neurosurgeon to analyze surgical strategies while preserving brain functions. We compare methods, procedures and different implementation of algorithms affecting the complex multi-modal processing of imaging protocol. Clinical information (deficit quantification), and intra-operative neurophysiological stimulations with morphological characteristics of fiber bundles corrupted by tumor is widely examined. From January 2011 to December 2013, 144 patients with lesions in eloquent areas were submitted to pre-operative DTI tractography and 94 of 144 were treated surgically.
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