Sviluppo e applicazione di una tecnica per la ricostruzione trattografica e l'analisi del nervo facciale in immagini MR-DWI di pazienti con schwannoma vestibolare.

Acoustic neuroma, or vestibular schwannoma, is a benign tumor that represents a risk for neighbouring intracranial regions. Large tumors can have compressive effects on close structures, which can be the case with the facial nerve. Most of these lesions are removed surgically, but during the process, the facial nerve can undergo collateral damage resulting in transient or permanent facial paralysis. This study aimed to develop an imaging processing protocol to explore the potential of multi-directional diffusion-weighted magnetic resonance imaging (DW-MRI) in surgical planning by accurately reconstructing the facial nerve’s pathway and identifying possible radiological prognostic indicators of facial nerve damage. The study included 35 patients with vestibular schwannoma who underwent surgical resection and pre-surgical MRI examination. The MRI acquisition protocol, implemented on a 3T MRI scanner, included pre-contrast DW-MRI acquired on a single shell in 50 non-collinear directions (b-values: 0 and 1000), a DW-MRI-b0 image acquired with reverse phase encoding, a 3D T2-weighted scan, and a post-contrast T1-weighted scan. The developed in-house pipeline addressed the pre-processing stage according to the gold-standard routine for diffusion data correction, including top-up implementation to address susceptibility-induced distortion. The algorithm then estimated the three brain tissues' response functions to apply CSD and, finally, tractography. Streamlines generation was performed through the probabilistic tracking algorithm iFOD2, lessening the amplitude threshold of the fiber orientation distribution to allow low-signal integration. Finally, the facial nerve preliminary reconstruction has been improved by identifying some anatomical references from the morphological scans as new tracking or masking seeds to select the right bundle of fibers. The processing protocol also included lesions’ segmentation on the T1 image to allow volume quantification and microstructure assessment via computing the fractional anisotropy (FA), mean diffusivity (MD), radial diffusivity (RD), and axial diffusivity (AD) maps from the DW-MRI scan. The study revealed microstructural abnormalities due to higher FA and lower AD, RD, and MD in the nerve close to the lesion compared with the contralateral one. Correlations between microstructural, morphological and electrophysiological data have also been explored. The developed procedure allowed to successfully reconstruct the facial nerve in all 35 patients investigated, supporting the potential of DWI and tractography to visualize in-vivo and before the surgery the path and morphology of the facial nerve in the context of the tumour presence. In conclusion, the study results provide evidence in support of tractography as a valid approach to support surgical planning, eventually fostering the preservation of the facial nerve function when dealing with vestibular schwannomas.

Il neurinoma acustico, o schwannoma vestibolare, è un tumore benigno che rappresenta un rischio per le regioni intracraniche vicine. I tumori più grandi possono avere effetti compressivi sulle strutture vicine, come il nervo facciale. La maggior parte di queste lesioni viene rimossa chirurgicamente, ma durante il processo il nervo facciale può subire danni collaterali con conseguente paralisi facciale transitoria o permanente. Questo studio mira a: i) sviluppare un protocollo di elaborazione di immagini di risonanza magnetica pesata in diffusione (MR-DWI) in pazienti con neurinoma acustico, attraverso un’accurata ricostruzione del percorso del nervo facciale, per supportare la pianificazione chirurgica, e ii) identificare possibili indicatori prognostici radiologici del danno del nervo facciale, attraverso un’analisi della microstruttura. Lo studio ha incluso 31 pazienti con schwannoma vestibolare sottoposti a resezione chirurgica ed esame pre-chirurgico di risonanza magnetica acquisito su uno scanner 3T MRI. Il protocollo di acquisizione MRI ha incluso la sequenza MR-DWI acquisita in single-shell in 50 direzioni non-collineari (b-values: 0 e 1000), un'immagine MR-DWI-b0 acquisita con codifica di fase inversa, una scansione volumetrica 3D pesata in T2 e una sequenza volumetrica pesata in T1 post-contrasto. Per sviluppare la pipeline di elaborazione delle immagini, sono state utilizzate le seguenti librerie: MRTrix3Tissue, FSL, SPM, 3D Slicer e ANTs. La procedura sviluppata include una prima fase di pre-processing per la correzione dei dati di diffusione e il ricampionamento delle immagini, seguita dalla stima delle funzioni di risposta dei tre tessuti cerebrali utilizzate per ottenere le mappe di diffusione, applicare la Constrained Spherical Deconvolution (CSD) e, infine, la trattografia. La generazione delle streamlines è stata eseguita attraverso l'algoritmo di tracciamento probabilistico iFOD2. Infine, il nervo facciale è stato ricostruito sulla base di riferimenti anatomici visibili sulle scansioni morfologiche. Il protocollo di elaborazione ha incluso anche la segmentazione delle lesioni sull'immagine pesata in T1 per consentire la quantificazione del volume e la valutazione della microstruttura del tumore tramite il calcolo degli indici di anisotropia e diffusività a partire dalle scansioni MR-DWI. È stata esplorata la possibilità di identificare marcatori prognostici tra i dati microstrutturali ricavati radiologicamente e dati morfologici ed elettrofisiologici disponibili. In linea con i risultati ottenuti in studi precedenti, questo studio fornisce evidenza delle alterazioni microstrutturali della materia bianca che si verificano nei pazienti con neurinoma acustico, caratterizzate da un aumento dell’anisotropia e una diminuzione della diffusione nel nervo facciale del lato patologico rispetto al lato sano controlaterale. La lunghezza del nervo può fornire informazioni prognostiche sulla condizione della struttura, mettendo in evidenza una possibile compressione dovuta alla lesione vicina. Lo studio ha rivelato anche un potenziale valore prognostico di alcuni parametri elettrofisiologici. In accordo con i risultati disponibili in letteratura, i valori di CAMP, riflesso palpebrale, e della scala di Koos di classificazione dei tumori si sono rivelati essere anch’essi associati ad alterazioni microstrutturali della materia bianca. In conclusione, la procedura sviluppata ha permesso di ricostruire con successo il nervo facciale adiacente alla lesione in tutti i pazienti studiati, fornendo evidenza del potenziale della trattografia nel visualizzare in vivo, e prima dell’intervento, il percorso e la morfologia del nervo facciale nel contesto patologico.