Schlüsselwörter
Elektrische Stimulation - Intraoperatives Neuromonitoring - Motorisch Evozierte Potentiale
- Pyramidenbahn - Subkortikale Stimulation
Key words
Corticospinal tract - electrical stimulation - intraoperative neuromonitoring - motor
evoked potential - subcortical mapping
GTR gross total resection
MEP Motorisch evoziertes Potenzial
Einleitung – das Neuroonkologische Dilemma
Einleitung – das Neuroonkologische Dilemma
Während der Operation von Hirntumoren werden 2 Konzepte verfolgt: das Ausmass der
Resektion, welches mit dem Überleben korreliert, und die Vermeidung von neuen neurologischen
Defiziten, was sich in der Lebensqualität wiederspiegelt [1]
[2]. Deshalb sollte die Tumorentfernung nicht nur nach anatomischem Wissen sondern funktionsgeleitet
erfolgen [1]
[2]
[3]
[4]
[5]
[6].
Eine komplette Resektion oder fast komplette Resektion «gross total resection (GTR)»
bleibt der Goldstand für die meisten intrakraniellen Tumoroperationen und die Evidenz
hierfür steigt für sowohl höhergradige als auch niedriggradige Gliome [7]
[8]
[9]. In den präoperativen MRI Bildern werden bis zu 50% aller Hirntumoren fälschlicherweise
als «eloquent» und damit als inoperabel eingeschätzt [1]
[2]
[10]. Intraoperatives Mapping dient also nicht nur dazu, wichtige eloquente Bahnen zu
finden und die Funktion zu erhalten, sondern hilft auch zu verifizieren, ob ein vor
der Operation als eloquent angenommener Tumor intraoperativ wirklich eloquent liegt
[1].
Wenn man aber eine komplette Tumorentfernung anstrebt, ist oft der letzte und tiefste
Punkt des Tumors in der Nähe von eloquenten Bahnen und so eine Verletzung dieser und
ein bleibendes neurologisches Defizit eine Gefahr. So kann der neuroonkologische Vorteil
einer kompletten Tumorentfernung [7]
[9]
[10]
[11]
[12]
[13] durch ein neues neurologisches Defizit gemindert werden [14]. Deshalb ist das wichtige Konzept eine maximale aber sichere Tumorentfernung und
dieses kann durch intraoperative neurophysiologische Methoden geleitet werden. In
einer Metaanalyse von 90 Studien mit 8091 Patienten konnte gezeigt werden, dass intraoperatives
Mapping bei Operationen von eloquent gelegenen Gliomen die späte neurologische Defizitrate
von 8,2 auf 3,4% reduzieren kann und gleichzeitig den Prozentsatz der «gross total
resection» von 58 auf 75% verbessert [2].
Für diese funktionell geleitete neurochirurgische Operationstechnik gibt es 2 neurophysiologische
Methoden: das Mapping und das Monitoring.
Elektrisches kortikales Mapping wurde bereits früh zur Identifizierung eloquenter
kortikaler Areale etabliert [15]
[16]
[17]
[18]. Später wurde das subkortikale Mapping eingeführt, um wichtige Bahnen wie die Pyramidenbahn
intraoperativ lokalisieren zu können [2]
[3]
[4]
[19]
[20]
[21]
[22]. Eine gleichzeitig intraoperativ kontinuierliche Überwachung (Monitoring) evozierter
Potenziale wie z. B. der motorisch evozierten Potenziale (MEP) erlaubt eine Echtzeit-Rückmeldung
über die Integrität und Intaktheit des funktionellen Systems [5]
[6]
[23]
[24]
[25]
[26]. Beide Methoden, Mapping und Monitoring, sind weit verbreitet und haben die Sicherheit
von Tumoroperationen deutlich verbessert [1]
[5]
[16]
[20]
[22]
[23]
[26]
[27]
[28]. Im folgenden Artikel werden Mapping-Techniken zum Aufsuchen der Pyramidenbahn diskutiert.
Anästhesie
Mapping zur Lokalisation motorischer Areale kann im Rahmen einer Wachoperation [2]
[15]
[29]
[30] oder für die primär motorische Funktion und die Pyramidenbahn unter Allgemeinanästhesie
durchgeführt werden [4]
[5]
[6]
[28]
[31].
Für die Allgemeinanästhesie ist die Standardempfehlung eine total Intravenöse Anästhesie
mittels Propofol und Remifentanyl [32]
[33]. Es kann aber auch eine geringe Dosis an inhalativen Anästhetika in ausgewählten
Fällen beigemischt werden. Kurz wirksame Muskelrelaxantien sollten nur zur Intubation
verabreicht werden und anschliessend sollte eine Erholung mit der «train-of-four»
Stimulation getestet werden [32].
Die Technischen Hintergründe
Die Technischen Hintergründe
Konstant-Strom Stimulatoren sind sicherer und zuverlässiger für das intraoperative
Mapping als Konstant-Spannungsstimulatoren, denn sie funktionieren unabhängig von
der Oberflächenimpedanz des Gewebes [29]. Bei der Verwendung von Konstant-Spannung Stimulatoren hängt der ausgegebene Strom
von der Gewebeimpedanz ab. Dies kann nicht nur die Sicherheit deutlich beeinträchtigen,
sondern ist ein zusätzliches Problem, wenn Stimulationsintensitäten mit dem Abstand,
z. B. der Pyramidenbahn, ins Verhältnis gesetzt werden sollen; hier sollten deshalb
Konstant-Strom Stimulatoren bevorzugt werden [6].
Klassische Stimulationspulse sind rechteckig und entweder monophasisch oder biphasisch
[29]. Für das kortikale Mapping wird eine anodale Stimulation und für das subkortikale
Mapping eine kathodale Stimulation empfohlen [34]
[29].
Das Stimulationsparadigma
Das Stimulationsparadigma
Für das intraoperative Mapping werden hauptsächlich 2 Paradigmen verwendet. Die klassische
Penfield-Technik verwendet eine Frequenz von 50 oder 60 Hz, meistens eine Pulsbreite
von 1 ms und eine Applikationsdauer von bis zu 4 Sekunden [15]
[16]
[17]
[20]. Unter Anästhesie ist die ausgelöste Antwort eine tonische Muskelkontraktion, welche
(abhängig von der Stimulationsintensität) nach wenigen Millisekunden beginnt und deren
Amplitude mit der Stimulusdauer wächst [4]
[35]
[36]. Dies kann die Bestimmung der motorischen Schwelle deutlich erschweren [32].
Ein anderes, eher neueres Konzept ist die «short train» oder auch Hochfrequenzstimulation.
Normalerweise sind dies 4–9 monophasische rechteckige Pulse mit einer Pulsbreite von
0,2–0,5 ms und einem Inter-Stimulus-Intervall von 2–4 ms (entsprechend 250–500 Hz),
sowie einer Wiederholfrequenz bis zu 2 Hz [5]
[19]
[24]
[33]
[37]. Unter Anästhesie triggert die zeitliche Summation mehrerer absteigender Pulse letztendlich
die MEP Antwort [24] mit einer definierten und einfach zu messenden Amplitude [6]
[32]
[35]. Deshalb ist zur Bestimmung von motorischen Schwellen der Reizantworten die «short-train»
Stimulation der Penfield Stimulation überlegen [4]
[6]
[19]
[32]. Quantifizierbare Warnkriterien können einfacher etabliert und verglichen werden.
Wenn man die Ladung betrachtet, die beide Paradigmen applizieren, dann wird offensichtlich,
wieso die Penfield Stimulation eine höhere intraoperative Anfallsrate auslöst als
die «short train» Stimulation [38]. Für die Penfield Stimulation sind intraoperative Anfälle von 5–20% beschrieben
[17]
[20]
[36]
[37]
[38]. Im Gegensatz dazu liegen bei der “short train” Stimulation die Raten bei 1–4% [5]
[37]
[38]
[39].
In einer kürzlich publizierten Studie wurde gezeigt, dass in bestimmten Fällen, also
Patienten mit einer schweren Epilepsie, Tumorinfiltration der Pyramidenbahn oder präoperativen
Strahlentherapie, die Penfield Stimulation scheitern kann und nur die “short train”
Stimulation zuverlässige Antworten auslöst [4].
Die Auswahl der Stimulationssonde
Die Auswahl der Stimulationssonde
Es gibt verschiedene Mappingsonden. Die am häufigsten verwendeten Stimulationssonden
sind bipolare Sonden, meistens mit 2 sphärischen Elektroden mit einem Abstand von
5 mm [15]
[17]. Diese Sonden sind sehr selektiv und aktivieren besonderes das Gewebe unter den
beiden Elektroden. Ist die gesuchte Struktur – z. B. die Pyramidenbahn – weiter vom
Stimulationsort entfernt, dann wird das elektrische Feld weniger homogen und die Auslösung
einer Reizantwort unwahrscheinlicher [6]
[19]
[32].
Eine alternative Möglichkeit ist die Stimulation mit einer Monopolaren Sonde [40]. Hier ist die Stimulationssonde selber die aktive Elektrode und der Strom fliesst
zu einer weiter weg platzierten Referenzelektrode [41]. Das so generierte radiäre elektrische Feld ermöglicht, dass der Strom senkrecht
das Axon aktiviert und so eine effektivere Stimulation auslöst [19]. Diese monopolaren Stimulationssonden sind zuverlässiger, wenn man mit quantitativen
motorischen Schwellenwerten arbeiten möchte und versucht eine Distanz zur Pyramidenbahn
abzuschätzen [6]
[41].
Sind beide Sonden (bipolar und monopolar) mit derselben Intensität und demselben Stimulationsparadigma
eingestellt, dann ist die monopolare Stimulation sensitiver mit einer frühen Antwort,
aber weniger fokalen Stimulation. Eine bipolare Stimulation ist spezifischer und selektiver,
aber es sollte beachtet werden, dass eine Reizantwort nur dann ausgelöst wird, wenn
die Sonde bereits sehr nah an der aufzusuchenden Struktur ist.
Die traditionelle Kombination ist eine bipolare Sonde mit dem Penfield Paradigma und
die monopolare Stimulation mit dem «short train» Paradigma, aber auch andere Kombinationen
sind möglich [4]
[19].
Subkortikales Mapping und der Abstand zur Pyramidenbahn
Subkortikales Mapping und der Abstand zur Pyramidenbahn
Wenn intraoperatives Mapping dazu genutzt wird, um eine maximale aber sichere Tumorentfernung
zu ermöglichen [1], dann ist eine wichtige Frage, wie weit die Pyramidenbahn vom aktuellen Resektionsort
und damit aktuellen Stimulationsort entfernt ist.
Die Auslösung einer Reizantwort hängt von der Ladung ab, welche wiederum mit der Stimulationsintensität
und Pulsbreite korreliert [19]. Und die Stromdichte vermindert sich mit der Entfernung vom Stimulationsort. Dies
bedeutet, dass mit höherer Stimulationsintensität grössere Gewebeareale durchdrungen
werden und vice versa [6]. Dies bedeutet, dass mit höherer Stimulationsintensität MEP Antworten bereits ausgelöst
werden können, obwohl die Pyramidenbahn noch weiter entfernt ist. Mit geringerer Stimulationsintensität
werden MEP nur in der näheren Umgebung ausgelöst. Dieses Verhältnis zwischen Stimulationsintensität
und Distanz der Sonde zur Pyramidenbahn wurde von vielen Arbeitsgruppen untersucht,
um einen MEP Schwellenwert (in mA) mit der Entfernung (in mm) zur Pyramidenbahn zu
korrelieren [42]
[43]
[44]
[45]
[46].
Wenn man alle diese verschiedenen Studien vergleicht, dann ist darauf zu achten, dass
z. T. verschiedene Stimulationssonden, eine unterschiedliche Anzahl von Pulsen im
Train und unterschiedliche Pulsbreiten sowie Polaritäten verwendet wurden. So kann
es ratsam sein, eine definierte Pulsbreite und Anzahl von Stimuli zu definieren und
subkortikal monopolar kathodal zu stimulieren [3]
[6]
[31]
[32]. Bis jetzt konnte noch keine definitive Aussage zu diesem Abhängigkeitsverhältnis
gemacht werden, aber die vage Faustregel «1 mA korreliert mit 1 mm» wird zunehmend
für kathodale monopolare «short train» Stimulation verwendet.
Mapping Alarmkriterien
Bei welchem Stimulationswert (in mA) sollte man nun mit der Tumorresektion aufhören?
Verschiedene Studien haben gezeigt, dass mit tieferen Stimulationsintensitäten das
Risiko der mechanischen Verletzung der Pyramidenbahn steigt [5]
[6]
[31]
[44]. Unter Verwendung von subkortikaler monopolarer kathodaler «short train» Stimulation
hatten wir in einer Studie diese Abhängigkeit genau untersucht und eine Wahrscheinlichkeitsbeziehung
zwischen Verletzung der Pyramidenbahn und tiefster Stimulationsintensität aufgestellt.
Wir konnten aber ebenfalls zeigen, dass Werte bis und unter 3 mA immer noch sicher
sein können, vorausgesetzt direkt kortikal überwachte MEP sind stabil und subkortikales
Mapping wird mit sehr hoher Häufigkeit wiederholt [6]
[41]. Es existiert also ein Sicherheitskorridor zwischen niedrigen Stimulationsschwellen
und Verletzung der Pyramidenbahn und somit bleibenden postoperativen motorischen Defiziten
[6]
[41]. Jedoch einen definierten tiefsten Mappingwert zum Aufhören der Tumorresektion festzulegen,
hängt von vielen Faktoren ab, wie Tumorhistopathologie, geplantes Ziel der Resektion,
Infiltration des Tumors in andere eloquente Areale und Art der Blutstillung – und
deshalb variiert das klinisch interne Sicherheitslimit zwischen verschiedenen neurochirurgischen
Zentren [3]
[4]
[5]
[6]
[31]
[43]
[44]
[45]
[46].
Konventionelles intermittierendes und punktuelles Mapping kann die Gefahr eines nicht
ausreichenden zeitlichen und räumlichen “Abtastens” bewirken – und dann können permanente
motorische Defizite durch eine mechanische Verletzung der Pyramidenbahn trotz moderaten
und scheinbar sicheren Stimulationswerten auftreten [6]. Deswegen ist zu empfehlen, subkortikales Mapping nicht intermittierend – sondern
kontinuierlich – direkt während der Tumorentfernung durchzuführen. Dies ist absolut
notwendig, wenn sehr tiefe Stimulationswerte von/unter 3 mA in der direkten Nähe zur
Pyramidenbahn verwendet werden.
Kontinuierliches dynamisches Mapping
Kontinuierliches dynamisches Mapping
Wir haben kürzlich ein neues Mapping-Protokoll beschrieben: Wir haben ein Instrument
entwickelt, welches eine kontinuierliche subkortikale Stimulation ermöglicht, ohne
dabei den chirurgischen Workflow der Tumorentfernung zu unterbrechen [3]. Dies wurde erreicht, indem wir eine monopolare Stimulationssonde in einen klassischen
chirurgischen Sauger integriert haben ([Abb. 1]) [3]. Die positive MEP Antwort wurde mit einem Alarm-Ton verbunden, um ein Echtzeit-Feedback
für den Chirurgen zu ermöglichen ([Abb. 2]) [3]. In einer initialen Studie konnten wir die Sicherheit und Zuverlässigkeit der Methode
bei hocheloquent gelegenen Tumoren demonstrieren – mit einer Rate von 3% bleibender
motorischer Defizite (aufgrund einer vaskulären und nicht einer mechanischen Läsion
der Pyramidenbahn) [3]. In einer weiteren Studie konnten wir bei Glioblastomen eine komplette Resektion
des Kontrastmittel aufnehmenden Anteils (CRET) von 69% und eine permanente Defizitrate
von 4% (vaskuläre Läsionen) trotz Tumornähe zur Pyramidenbahn zeigen [14].
Abb. 1 Dynamischer Mapping Sauger. Die Sauger-Spitze enthält gleichzeitig eine monopolare
Stimulationssonde. Der Stimulationssauger wird mittels eines Konnektors am Griff verbunden.
Der Sauger ist elektrisch isoliert bis auf die Spitze. Der Sauger kann für die für
subpiale Dissektion benutzt werden und gleichzeitige Stimulation zu jedem Zeitpunkt
und an jeder Stelle der Tumorresektion. Quelle: Neurochirurgie Inselspital, Bern.
Abb. 2 Mapping-Fenster. Freilaufendes EMG-Fenster (links) und getriggertes EMG Fenster (rechts).
Ein akustischer Alarm Ton wird ausgelöst, sobald eine getriggerte MEP Antwort eine
definierte Amplitude übersteigt. Die Stimulationsintensität kann manuell schrittweise
gemindert werden, wenn die Resektionsgrenze sich der Pyramidenbahn nähert. In dieser
Abbildung Gesichtsmuskeln (orange), Armmuskeln (gelb) und Bein (blau). Quelle: Neurochirurgie
Inselspital, Bern.
Kürzlich wurde das Konzept des dynamischen Mapping ebenfalls verwendet – aber mit
direkter Stimulation über den CUSA [47]
[48]. In sehr seltenen Fällen könnte dies mit Mapping Ergebnissen interferieren [49]. Eine Integration in einen klassischen Sauger erscheint aus unserem Standpunkt ergonomischer,
da dann das kontinuierliche Mapping bei allen chirurgisch wichtigen Schritten inklusive
subpialer Dissektion (mit verschiedenen Instrumenten) und Hämostase benutzt werden
kann [3]
[14]. Eine Integration der Stimulationssonde in ein chirurgisches Instrument (CUSA oder
Sauger) kann die Zuverlässigkeit, Akzeptanz und die ergonomische Handhabung des subkortikalen
Mappings erhöhen ([Abb. 3] und [4]) [3]
[47]
[48].
Abb. 3 Fallbeispiel MRI. Oben: präoperative axiale FLAIR und sagittale T2 Schicht eines
Tumors im superioren und medialen Gyrus frontalis. Mitte: Darstellung der Pyramidenbahn
(DTI Fiber tracking mit navigierten TMS Punkten als Startpunkt) im Verhältnis zum
Tumor (da es sich hier um eine Navigations-Bildgebung handelt, sind die Seiten invertiert).
Unten: postoperative axiale FLAIR und sagittale T2 Schicht welche eine komplette Resektion
eines Lower Grade Gliom (Oligodendriogliom WHO II LOH 1p/19q) zeigen. Der Patient
hatte direkt nach der Operation ein SMA Syndrom der supplementär motorischen Areale
(SMA), welches innerhalb eines Monates vollständig reversibel war. Zum intraoperativen
Mapping und Monitoring siehe [Abb. 4]. Quelle: Neurochirurgie Inselspital, Bern.
Abb. 4 Fallbeispiel Neuromonitoring und Mapping-Konzept. Der Tumor ist anterior des Gyrus
präzentralis lokalisiert. So kann eine Streifenelektrode zur direkten Stimulation
und Überwachung der MEP platziert werden (DCS MEP). Die chirurgische Herausforderung
liegt aber vielmehr in einem späteren Schritt. Sobald die Tumorresektion beginnt und
in der Tiefe reseziert wird, ist keine subpiale Schicht mehr vorhanden und anatomische
Landmarken helfen nicht viel weiter. Hier ist subkortikales Mapping essentiell, um
den genauen Verlauf der Pyramidenbahn zu finden. Quelle: Neurochirurgie Inselspital,
Bern.
Mögliche Fallstricke
Mapping kann nur Informationen über den Ort der Stimulation und distal davon angeben.
Ist das Ziel eine Information über die komplette Integrität des primär motorischen
Systems zu erhalten, dann werden zusätzlich MEP Monitoring-Methoden benötigt [5]
[6]
[41]. Ischämie z. B. durch unbeabsichtigte Koagulation eines Gefäss-Perforators kann
nur so erkannt werden [25]
[26]. Deshalb sollten Mapping Techniken mit Monitoring Techniken kombiniert werden. Solange
die MEP (v. a. direkt kortikal evozierte MEP) stabil sind, ist ein permanentes motorisches
Defizit sehr unwahrscheinlich [5]
[6]
[23]
[25]
[26]
[41]. Der Nachteil ist, dass MEP Veränderungen plötzlich auftreten können und in zirka
40% der Fälle irreversibel sein können [6]
[25]
[41].
Kontinuierliches subkortikales Mapping erlaubt eine Echtzeit Überwachung am Ort der
Tumorresektion. Dies kann durch die Integration der Stimulationssonde in ein chirurgisches
Instrument wie z. B. den Sauger erreicht werden. Mithilfe von der Variation der Stimulationsintensität
kann der Abstand zur Pyramidenbahn abgeschätzt werden. Diese Methoden sind v. a. von
Vorteil, wenn das Ziel ist, das Resektionsausmaß zu erhöhen und eine Tumorentfernung
sehr nahe der Pyramidenbahn durchgeführt wird. Eine Analyse der Auswirkung auf das
Langzeitüberleben der Patienten ist aber noch ausstehend.
