Preoperative navigated transcranial magnetic stimulation in patients with motor-eloquent brain lesions

Abstract

Navigated transcranial magnetic stimulation (nTMS) of the motor cortex is a non-invasive technique which allows for preoperative determination of motor-eloquent cortical areas. Including this information into surgical planning of motor-eloquent brain lesions is expected to allow for better resection rates while preserving motor function. To test this hypothesis, this thesis retrospectively evaluates all patients receiving preoperative nTMS mapping of the motor cortex at the Department of Neurosurgery since its introduction in June 2013 to December 2018 (nTMS-group). This group includes 127 patients with motor-eloquent brain lesions (glioma, metastases, meningioma and cavernoma). A control collective of 379 patients with lesions of the same entities, who were treated between 2009 and 2018 without nTMS-mapping, was retrospectively established. Out of this group, a 1:1 match collective was selected (control group). The outcome of both cohorts was compared with respect to motor function, resection status, craniotomy size, duration of surgery, and hospital stay. Pair-matching demonstrated a homogeneous distribution of demographic characteristics (age, sex), preoperative motor function, and brain lesion (histology, location, tumour size). In the nTMS-group gross total resection was achieved significantly more frequently (84.3 % vs. 73.2 %, p = 0.02), while motor outcome was similar in both groups. Size of craniotomy, duration of surgery and hospital stay were also comparable in both groups. The subgroup analysis by lesion entity shows that the significantly improved resection rate mainly originates from the subgroup of malignant glioma WHO°III/IV (nTMS group 72.3 % vs. control-group 53.2 %, p = 0.049). Consequently, overall survival was analysed for patients with malignant glioma. Univariate analysis demonstrated a prognostic effect of patient age < 60 years, resection status, and intact motor function (no preoperative paresis). In the multivariate analysis, patient age and gross total resection were independently associated with survival of patients with malignant glioma.

Multivariate analysis demonstrated that the use of preoperative nTMS-motor mapping, better preoperative motor function and comparatively smaller brain lesions were independent prognostic factors for achieving gross total resection. The subgroups of patients with metastases, meningiomas and cavernous malformations did not show any differences for gross total resection rate, postoperative motor function, craniotomy size, duration of surgery or hospital stay between the nTMS and control groups. Taken together, the results highlight that in the subgroup of patients with malignant glioma, preoperative nTMS-mapping of the motor cortex allows for significantly improved gross total resection rates without compromising motor outcome. The increased resection rate is a critical factor for the survival of patients with malignant glioma. Hence, implementing nTMS-mapping in the resection of motor-eloquent brain lesions, particularly malignant glioma, contributes to better surgical outcome and likely improved prognosis.

Die navigierte transkranielle Magnetstimulation des Motor-Kortex ist eine nicht-invasive Technik, die eine präoperative Kartierung motor-eloquenter kortikaler Areale erlaubt. Die Einbeziehung dieser Information bei der Resektion motor-eloquent gelegener Hirnläsionen soll eine bessere Resektionsrate ermöglichen, ohne die motorische Funktion zusätzlich zu schädigen. Um diese Hypothese zu überprüfen, wird in dieser Arbeit retrospektiv das Kollektiv von Patienten mit durchgeführter nTMS-Kartierung des Motor-Kortex untersucht, die seit der Einführung der nTMS-Technik im Juni 2013 bis Ende des Jahres 2018 an der Klinik für Neurochirurgie operiert wurden (nTMS-Gruppe). Dies waren insgesamt 127 Patienten mit motor-eloquenten zerebralen Raumforderungen (Gliome, Metastasen, Meningeome und Kavernome). Ein Kontroll-Kollektiv von 379 Patienten mit Läsionen aus der gleichen Entitätsgruppe, die zwischen 2009 und 2018 ohne nTMS-Untersuchung behandelt wurden, wurde retrospektiv erstellt. Aus diesem wurde ein 1:1 Match-Kollektiv gebildet (Kontroll-Gruppe). Das Outcome beider Kohorten wurde anhand der Parameter Kraftgrad, Resektionsstatus, Größe der Kraniotomie, OP-Dauer und Krankenhausaufenthalt verglichen. Nach durchgeführtem Pair-matching zeigten sich zwei homogene Kollektive mit vergleichbarer Demographie (Alter, Geschlecht), präoperativer motorischer Funktion und Hirnläsionen (Histologie, Lokalisation, Tumorgröße). In der nTMS-Gruppe konnte signifikant häufiger eine Komplettresektion erreicht werden als in der Kontroll-Gruppe (84,3 % vs. 73,2 %, p = 0,02), wobei die motorische Funktion in beiden Gruppen vergleichbar war. Die Größe der Kraniotomie, OP-Dauer und der Krankenhaus-aufenthalt waren in beiden Gruppen ebenfalls vergleichbar. In der Subgruppen-Analyse getrennt nach Histologie zeigte sich, dass die signifikant verbesserte Resektionsrate durch die Subgruppe der malignen Gliome WHO°III/IV abgebildet wurde (nTMS-Gruppe 72,3 % vs. Kontroll-Gruppe 53,2 %, p = 0,049). Daher wurde das Gesamtüberleben der Patienten mit malignen Gliomen untersucht. Die univariate Analyse zeigte eine prognostische Assoziation des Gesamtüberlebens mit den Parametern Patientenalter < 60 Jahren, Komplettresektion und Intaktheit des motorischen Systems (keine präoperative Parese). In der multivariaten Analyse zeigten sich Patientenalter und Komplettresektion als unabhängige Faktoren für ein signifikant verbessertes Überleben bei Patienten mit malignen Gliomen. Prädiktoren für das Erreichen einer Komplettresektion waren in der multivariaten Analyse die Verwendung der präoperativen nTMS-Kartierung, die präoperative motorische Funktion und die Tumorgröße. Für die Subgruppen der Patienten mit Metastasen, Meningeomen und Kavernomen konnten keine Unterschiede bezüglich der Resektionsrate, postoperativen motorischen Funktion, Kraniotomiegröße, OP-Dauer oder Krankenhausaufenthalt festgestellt werden. In Zusammenschau zeigen die Ergebnisse, dass in der Subgruppe der malignen Gliome mit Hilfe der nTMS-Kartierung eine signifikant bessere Resektionsrate erreicht wird, ohne die motorische Funktion hierbei zu beeinträchtigen. Die verbesserte Resektionsrate ist ein kritischer Faktor für das Überleben von Patienten mit malignen Gliomen. Die Implementierung der nTMS-Kartierung in die Resektion motor-eloquenter Läsionen, insbesondere maligner Gliome, kann daher zu einem verbesserten chirurgischen Ergebnis und verbesserter Prognose dieser Patienten beitragen.