nTMS based tractography in patients with brainstem tumors

Abstract

Objective: Surgery on the brainstem level is associated with a high-risk postoperative morbidity due to the close spatial relation and density of vital neuronal structures. Recently, we have introduced the combination of navigated transcranial magnetic stimulation (nTMS) and diffusion tensor imaging (DTI) tractography as a new tool to define functionally relevant fiber tracts on the brainstem level to support operative planning and risk stratification in brainstem cavernomas. In this study we now aim to evaluate this method and prove its clinical impact for the surgery of intrinsic brainstem tumor and metastasis.

Methods: Patients with brainstem tumors were examined preoperatively with nTMS and DTI tractography. The nTMS stimulation spots that elicited EMG responses on the cortical level were used as seed points for the DTI tractography. A fractional anisotropy (FA) value of 75% of the individual FA threshold (FAT) was used to track descending corticospinal (CST) and -bulbar tracts (CBT). The distance between the tumor and the somatotopic tracts (hand, leg, face) was defined and diffusion parameters (fractional anisotropy (FA), apparent diffusion coefficient (ADC)) were correlated to the patients’ outcome.

Results: 17 patients were enrolled in this study, of which 10 patients underwent surgi-cal resection, 6 patients received a stereotactic biopsy and 1 patient received con-servative treatment. The tumor entities were mainly glioma (WHO I-II° 35.3%, III-IV°: 35.3%) followed by meningioma (17.7%) and metastasis (11.7%). In all patients nTMS mapping and somatotopic tractography were performed successfully. The FA values revealed a tract alteration by the tumor (p=0.049) and correlated with clinical symp-toms. This effect was even higher in infiltrative tumors (p=0.009). A tumor-tract distance (TTD) above 2mm was the critical limit to achieve a complete tumor resection.

Conclusion: nTMS based DTI tractography combined with local diffusion analysis has a great potential to stratify the risk for postoperative morbidity and might therefore improve the outcome in patients with brainstem tumors. Our technique allows for an individually customized treatment strategy in these patients.

Hintergrund: Aufgrund der hohen Dichte lebensnotwendiger neuronaler Strukturen be- steht bei neurochirurgischen Interventionen im Bereich des Hirnstammes ein erhöhtes Risiko für ein neues postoperatives Defizit. Die Faserbahndarstellung basierend auf der navigierten transkraniellen Magnetstimulation (nTMS) nimmt bereits eine wichtige Rolle in der präoperativen Planung bei Hirnstammkavernomen ein. Jedoch wurde diese Me- thode noch nicht bei Menschen mit Hirnstammtumoren untersucht. Unser Ziel war es, bei diesen Fällen mittels nTMS basierter Traktographie, basierend auf Diffusionstensor Bild- gebungen (DTI), eine verlässliche Darstellung der absteigenden motorischen Faserbah- nen des Hirnstammes zu generieren. Zusätzlich sollten die segmentalen Diffusionspara- meter und das klinische Potential der Methoden evaluiert werden. Methodik: Die Patient:innen wurden präoperativ mittels nTMS und DTI untersucht. Die Stimulationspunkte mit richtig-positiven EMG-Antworten wurden als Ausgangspunkte des standardisierten DTI Fiber Trackings verwendet. Zur Generierung wurde jeweils ein spe- zifischer Wert der fraktionellen Anisotropie (FA) errechnet. Diesen setzten wir bei 75% des individuellen FA Grenzwerts (FAT). Distanzberechnungen zwischen den Corticospi- nalen Faserbahnen (CST), den Corticobulbären Faserbahnen (CBT) und dem Tumor wurden durchgeführt. Die Diffusionsparameter, FA und der apparent diffusion coefficient (ADC) wurden mit dem Outcome der Patient:innen verglichen. Ergebnisse: 17 Fälle konnten in die Studie eingeschlossen werden, 10 erhielten eine chirurgische Resektion und 6 erhielten eine stereotaktische Biopsie. Die Diagnosen un- terteilten sich in Gliome (WHO I-II° 35,3%, III-IV°: 35,3%), Meningiome (17,7%) und Me- tastasen (11,7%). Das nTMS Mapping sowie die somatotopische Traktographie konnten bei allen Patient:innen erfolgreich durchgeführt werden. Die FA Werte des Hirnstamms zeigten eine Affektion durch den Tumor (p=0,049) und gingen mit den jeweiligen Symp- tomen einher. Infiltrativ wachsende Tumore wiesen eine höhere Affektion (p=0,009) und einen verschlechterten postoperativen Outcome auf. Bei Patient:innen mit einer Tumor- Trakt Distanz von unter 2mm konnte lediglich eine subtotale Resektion erzielt werden. Postoperativ zeigten sich keine neuaufgetretenen motorischen Defizite der Extremitäten. Conclusio: Die nTMS basierte DTI Traktographie kombiniert mit der lokalen Analyse der Diffusionsparameter hat ein großes Potential, die postoperative Morbidität und Outcomes bei Hirnstammtumoren zu stratifizieren. Unsere Technik spiegelt strukturelle Veränderun- gen wider und verbessert die chirurgische Planung bei Hirnstammtumoren und gewähr- leistet somit eine individuell zugeschnittene Therapiestrategie für diese Patient:innen.