UNIVERSIDADE DE SÃO PAULO INSTITUTO DE PSICOLOGIA

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. Tomografia computadorizada por raios X 3. Neurocirurgia I. Título.

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

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 central sulci; the intersection between the superior frontal and pre-central 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 inter-subject functional variability is apparently larger then the inter-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

pontos-chave 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

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

LISTA DE GRAFICOS

Gráfico 1 - Distâncias médias (em mm) dos sujeitos para o ponto 3 entre crânio –

função.______________________________________________________________ 75 Gráfico 2 - Distâncias médias (em mm) dos sujeitos para o ponto 4 entre crânio –

função.______________________________________________________________ 75 Gráfico 3 - Distâncias médias (em mm) dos sujeitos para o ponto 5 entre crânio –

função______________________________________________________________ 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

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

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 _________________________________ 54 5. RESULTADOS ____________________________________________________ 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)