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BOLD_fMRI和DTI在神經(jīng)外科中的應(yīng)用_謝濤

2015-10-14

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醫(yī)學(xué)版)復(fù)旦學(xué)報(bào)(2010May,37(3)

FudanUnivJMedSci

BOLD-fMRI和DTI在神經(jīng)外科中的應(yīng)用

謝　濤(張曉彪(綜述)　審校)

(復(fù)旦大學(xué)附屬中山醫(yī)院神經(jīng)外科　上海　200032)

■

【摘要】　近年來,血氧水平依賴的腦功能成像(bloodoxygenleveldependentfMRI,BOLD-fMRI)和彌散張量成像技術(shù)(diffusiontensorimaging,DTI)的出現(xiàn),使得對腦結(jié)構(gòu)和功能的研究成為熱點(diǎn)。本文就兩者在神經(jīng)外科疾病的診斷、治療及預(yù)后的應(yīng)用情況進(jìn)行綜述。

【關(guān)鍵詞】　血氧水平依賴功能磁共振成像;　神經(jīng)外科;　彌散張量成像【中圖分類號(hào)】　R445.9　　【文獻(xiàn)標(biāo)志碼】　B

Advancesinresearchondiffusiontensorimagingandblood

oxygenleveldependentfMRIintheneurosurgery

XIETao,ZHANGXiao-biao

■

(DepartmentofNeurosurgery,ZhongshanHospital,FudanUniversity,Shanghai200032,China)

【Abstract】　Intherecentyears,theresearchoncerebralstructureandfunctionhasbeenahotspotsincethedevelopmentofbloodoxygenleveldependentfMRI(BOLD-fMRI)anddiffusiontensorimaging(DTI).AreviewisgivenonBOLD-fMRIandDTIperformedinthediagnosis,therapyandpost-operativeassessmentforneurosurgicaldiseases.

【Keywords】　bloodoxygenleveldependentfMRI;　neurosurgery;　diffusiontensorimaging

　　1990年,Ogawa等[1]根據(jù)腦功能活動(dòng)區(qū)氧合血紅蛋白(HbO2)含量的增加導(dǎo)致磁共振信號(hào)增強(qiáng)的原理得到了人腦的功能性磁共振圖像,即血氧水平依賴的腦功能成像(bloodoxygenleveldependentfMRI,BOLD-fMRI)。1994年,Basser等[2]探究了人腦的彌散張量成像技術(shù)(diffusiondensorimaging,DTI)。在短短十余年時(shí)間,這兩種新的影像學(xué)技術(shù)的在腦功能成像和白質(zhì)纖維結(jié)構(gòu)成像上的發(fā)展突飛猛進(jìn),使腦皮質(zhì)功能區(qū)和皮質(zhì)下傳導(dǎo)束的研究融為一體。從而使神經(jīng)外科手術(shù)理念從單一的腦皮質(zhì)功能區(qū)的保護(hù)轉(zhuǎn)變到同時(shí)保護(hù)白質(zhì)功能傳導(dǎo)束,極大地提高了手術(shù)的全切率,降低了術(shù)后病殘率。

BOLD-fMRI和DTI的基本原理

BOLD的基本原理　腦組織內(nèi)含有豐富的毛細(xì)血管,其內(nèi)含有豐富的含氧和脫氧血紅蛋白,脫氧血紅蛋白在高場磁體中具有磁化敏感效應(yīng),可使腦組織的T2WI信號(hào)下降,而含氧血紅蛋白不具有磁化敏感效應(yīng),不使腦組織信號(hào)產(chǎn)生變化。這樣,在含氧和缺氧血紅蛋白之間造成了一個(gè)天然的對比,可利用各種指令性行為活動(dòng)或感官刺激激發(fā)相應(yīng)的腦皮質(zhì)功能域。此時(shí)功能域的局部微循環(huán)含氧血紅蛋白增加,脫氧血紅蛋白相對降低,在用對T2W敏感的MRI序列時(shí),脫氧血紅蛋白就相當(dāng)于一種內(nèi)源性造影劑。脫氧血紅蛋白相

　Correspondingauthor　E-mail:xiaobiaozhang@yahoo.com.cn

■

對濃度降低,磁化敏感效應(yīng)下降,信號(hào)強(qiáng)度升高,在最后的BOLD輸出圖像中,受激發(fā)的腦皮質(zhì)功能域表現(xiàn)為局部高信號(hào)的激活區(qū)[3]。

DTI的基本原理　彌散(diffusion)是機(jī)體生理過程中實(shí)現(xiàn)物質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn)功能的一個(gè)基本物理現(xiàn)象。自由分子在純凈液體中的彌散是各向同性(isotropy)的,彌散的平均距離只與液體分子的性質(zhì)及平均溫度有關(guān),采用彌散系數(shù)來度量。腦組織中的水分子也在不斷地進(jìn)行著彌散運(yùn)動(dòng),它不僅受組織細(xì)胞本身特征的影響,還與細(xì)胞內(nèi)部結(jié)構(gòu)等因素有關(guān)。在具有固定排列順序的組織結(jié)構(gòu)中,水分子在各個(gè)方向的彌散是不同的,通常更傾向于沿著纖維束走行的方向,而很少沿著垂直于纖維束走行的方向進(jìn)行彌散,這種具有方向依賴性的彌散即

[4]

稱為彌散的各向異性(anisotropy)。DTI是彌散成像的較高

級(jí)形式,可以定量評價(jià)腦白質(zhì)的各向異性,全面描述水分子在各個(gè)方向上的運(yùn)動(dòng),并顯示了不同方向之間的相關(guān)性。其中最常用的參數(shù)是部分各向異性(fractionalanisotropy,FA),FA值是指水分子各向異性成分占整個(gè)彌散張量的比例,各向異性系數(shù)越大,表示組織的各向異性越強(qiáng),組織結(jié)構(gòu)排列越規(guī)律、越緊密。FA值能更穩(wěn)定地反映擴(kuò)散的各向異性,因而在臨床已被廣泛采用。彌散張量纖維束成像(diffusiontensor

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　謝濤,等.BOLD-fMRI和DTI在神經(jīng)外科中的應(yīng)用tractography,DTT)、纖維跟蹤技術(shù)(fibertractograph,FT)是近年來MR技術(shù)的一項(xiàng)重大進(jìn)展,它是利用彌散張量數(shù)據(jù)在活體上三維顯示腦白質(zhì)纖維束的一種無創(chuàng)性成像方法。

BOLD-fMRI和DTI在神經(jīng)外科疾病診斷與鑒別診斷中的應(yīng)用

運(yùn)用BOLD-fMRI和DTI鑒別不同類型的顱內(nèi)占位性病變　由于不同類型的腫瘤的血運(yùn)特點(diǎn)、血液流入效應(yīng)、引流小靜脈、血細(xì)胞比容、局部腦血容量(regionalcerebralbloodvolume,Rcbv)、細(xì)胞增殖特性及水腫區(qū)域的大小均能影響B(tài)OLD的信號(hào)強(qiáng)弱[5]。Holodny等[6]通過對10例位于或臨近運(yùn)動(dòng)區(qū)的腦腫瘤進(jìn)行對指運(yùn)動(dòng)研究,發(fā)現(xiàn)與對側(cè)正常皮層激活區(qū)相比,腫瘤側(cè)的被激活區(qū)體積明顯縮小,尤以膠質(zhì)母細(xì)胞瘤最明顯。Schreiber等[7]報(bào)道了15例位于或臨近感覺運(yùn)動(dòng)區(qū)的腦腫瘤,并將其分為膠質(zhì)瘤組和非膠質(zhì)瘤組,以對指運(yùn)動(dòng)激發(fā),對照研究兩組腫瘤對BOLD信號(hào)的影響,結(jié)果顯示膠質(zhì)瘤組被激活的腫瘤側(cè)功能區(qū)體積比非膠質(zhì)瘤組的小14%,兩組間差異有顯著統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。

在彌散加權(quán)成像(diffusion-weightedimaging,DWI)成像中表觀彌散系數(shù)(apparentdiffusioncoefficients,ADC)值代表每個(gè)體素內(nèi)分子的綜合微觀運(yùn)動(dòng),代表了人體內(nèi)所有影響水分子運(yùn)動(dòng)的因素疊加成的一個(gè)觀察值。使用ADC值和FA值有助于區(qū)分不同類型的占位病變。Lu等

[8-9]

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的不足,將其進(jìn)行有效結(jié)合從而更有利于腫瘤性質(zhì)及特征的評估。

BOLD-fMRI和DTI在神經(jīng)外科疾病治療中的應(yīng)用BOLD-fMRI運(yùn)用于定位病灶與皮層功能區(qū)之間的關(guān)系及功能神經(jīng)導(dǎo)航的運(yùn)用　由于占位效應(yīng)致皮層功能區(qū)解剖結(jié)構(gòu)的移位,及成人皮層的可塑性和重組性[17]致使腫瘤鄰近部位的皮層功能區(qū)難以辨認(rèn),BOLD-fMRI可在術(shù)前無創(chuàng)顯示腦內(nèi)病灶與其相鄰重要功能區(qū)之間的關(guān)系,確定相鄰重要功能區(qū)的位置,對于術(shù)前選擇最佳的手術(shù)路徑以減少術(shù)后致殘率方面起重要作用。Krings等[18]對中央溝區(qū)域腫瘤進(jìn)行BOLD-fMRI研究觀察了初級(jí)運(yùn)動(dòng)皮層、輔助運(yùn)動(dòng)區(qū)(supplementmotorarea,SMA)、運(yùn)動(dòng)前區(qū)及頂上小葉4個(gè)區(qū)域信號(hào)變化與偏癱的關(guān)系,結(jié)果發(fā)現(xiàn)初級(jí)運(yùn)動(dòng)皮層激活程度隨偏癱程度增加而下降,然而腫瘤未侵犯的輔助運(yùn)動(dòng)區(qū)激活范圍明顯增大,輔助運(yùn)動(dòng)區(qū)激活范圍隨偏癱程度增大而增大,可能是因?yàn)槠舆\(yùn)動(dòng)系統(tǒng)發(fā)生了功能重組,具有運(yùn)動(dòng)皮層重組現(xiàn)象的術(shù)后恢復(fù)情況明顯好于沒有功能皮層重組者。Foki等[19]認(rèn)為,對于島蓋部病變綜合分析術(shù)前BOLD-fMRI有助于避免術(shù)后發(fā)生永久性運(yùn)動(dòng)和語言障礙。除了腦腫瘤外,fMRI在頑固性癲

手術(shù)中也有很好的應(yīng)

用價(jià)值,利用

的致

fMRI技術(shù)可定位全腦皮層功能區(qū)及精確確定各類癲

灶,從而了解致癇灶與皮層功能區(qū)的關(guān)系,這對手術(shù)效果、手術(shù)風(fēng)險(xiǎn)的評估及手術(shù)方案的制定具有重要價(jià)值,且為術(shù)中病灶切除的手術(shù)方式及切除范圍提供客觀依據(jù)。fMRI能在術(shù)前評估由于治療(手術(shù)、放療等)或病變繼續(xù)發(fā)展所產(chǎn)生的潛在的認(rèn)知、語言、運(yùn)動(dòng)、感覺功能的喪失,將術(shù)前fMRI的圖像融進(jìn)導(dǎo)航系統(tǒng),可達(dá)到功能神經(jīng)導(dǎo)航(functionalneuronavigation),使得術(shù)者能在術(shù)中了解到病變和功能區(qū)位置,從而達(dá)到提高腫瘤切除率的同時(shí)最大化保護(hù)腦功能區(qū)的目的。Wilkinson等[20]和Gumprecht等[21]利用fMRI圖像進(jìn)行導(dǎo)航手術(shù)與普通導(dǎo)航手術(shù)相比都取得了理想的效果。

DTI運(yùn)用于了解病灶與周邊重要神經(jīng)纖維束的解剖位置關(guān)系　近年來,DTI技術(shù)及隨之發(fā)展起來的彌散張量纖維束成像技術(shù)、纖維跟蹤技術(shù)和FA彩色編碼圖技術(shù)可使大腦白質(zhì)纖維走形及其周邊組織的解剖位置關(guān)系得以清晰顯示,從而最大程度切除病灶的同時(shí)減少對功能纖維的永久性損傷。Witwer等[22]對9例膠質(zhì)瘤患者術(shù)前行DTI檢查,采用后處理圖像指導(dǎo)手術(shù)計(jì)劃的制定與修正,結(jié)果術(shù)中均順利切除腫瘤,術(shù)后癥狀均得到改善,沒有新的神經(jīng)功能喪失。Nimsky等[23]利用DTI數(shù)據(jù)在神經(jīng)導(dǎo)航上進(jìn)行纖維束示蹤(DTI-FT技術(shù)),FT在DTI數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上對纖維束進(jìn)行二維或三維可視化,形象地顯示纖維束的空間位置和走行,將其纖維束重建圖像注冊到導(dǎo)航系統(tǒng)中來指導(dǎo)腫瘤的切除,從而優(yōu)化了手術(shù)方案并提高了手術(shù)的準(zhǔn)確性。Wu等[24]通過對涉及錐體束的腦腫瘤(特別是膠質(zhì)瘤)應(yīng)用DTI重建以錐體束為主的腦白質(zhì)纖維束,將DTI與傳統(tǒng)導(dǎo)航影像融合,應(yīng)用于腦腫瘤切除手術(shù),發(fā)現(xiàn)DTI影像可提供病灶與鄰近錐體束之間的三維可視化解剖信息,指導(dǎo)最大范圍切除腫瘤并有效保護(hù)錐體束,顯著提高腫瘤的全切除率,降低患者術(shù)后致殘率,甚至改善術(shù)前已存在的運(yùn)動(dòng)功能障礙,并縮短住院時(shí)間。

BOLD-fMRI和DTI圖像融合在神經(jīng)導(dǎo)航手術(shù)中的運(yùn)用

利用

DTI研究了12例高度惡性膠質(zhì)瘤和12例轉(zhuǎn)移性腦腫瘤的瘤周水腫ADC值和FA值情況,發(fā)現(xiàn)ADC值的變化在鑒別膠質(zhì)瘤與轉(zhuǎn)移瘤時(shí)有意義,后者明顯高于前者;并發(fā)現(xiàn)腫瘤浸潤系數(shù)(tumorinfiltrationindex,TII)能較好地區(qū)分腫瘤侵潤性的水腫和單純性血管性水腫,從而對手術(shù)方式等產(chǎn)生一定的影響。Toh等

[10]

研究發(fā)現(xiàn)原發(fā)性大腦惡性淋巴瘤實(shí)質(zhì)

強(qiáng)化部分的FA值和ADC值明顯低于多形性成膠質(zhì)細(xì)胞瘤;Dutt等[11]發(fā)現(xiàn)由于蛛網(wǎng)膜囊腫與表皮樣囊腫所含內(nèi)容物的不同致FA值和ADC值的不同,故而使兩者易于區(qū)分;Ebisu等[12]利用DTI技術(shù)較好地區(qū)分了腦膿腫和壞死或囊性變的腫瘤。

運(yùn)用BOLD-fMRI和DTI鑒別腫瘤良惡性及惡性程度分級(jí)　Chen等[13]研究了在運(yùn)動(dòng)皮層區(qū)膠質(zhì)瘤的患者年齡和腫瘤級(jí)別(Ⅰ～Ⅳ級(jí))對BOLD信號(hào)的影響,結(jié)果顯示隨著年齡和腫瘤惡性程度的增加,BOLD信號(hào)強(qiáng)度對腫瘤的反應(yīng)有所不同。Liu等[14]研究顯示,BOLD圖像上的信號(hào)強(qiáng)度至少與腫瘤的類別和腫瘤距離初級(jí)、次級(jí)運(yùn)動(dòng)中樞的位置有關(guān),對不同類型腫瘤的BOLD圖像的識(shí)別可對手術(shù)規(guī)劃起到積極的作用。Toh等[15]研究顯示,不典型腦膜瘤和典型腦膜瘤ADC值和FA值有較明顯的統(tǒng)計(jì)學(xué)差異,典型腦膜瘤有更低的瘤內(nèi)FA值,更高的ADC值及球形張量系數(shù),DTI能在區(qū)分不典型和典型腦膜瘤中起重要作用。LeBihan等[16]也發(fā)現(xiàn)密集的腫瘤細(xì)胞能抑制水分子的有效運(yùn)動(dòng),腫瘤ADC值與病理分級(jí)有相關(guān)性,以膠質(zhì)母細(xì)胞瘤等高度惡性腫瘤的ADC值最低,間變性星形細(xì)胞瘤的ADC值居中,Ⅰ～Ⅱ級(jí)星形細(xì)胞瘤的ADC值最高。ADC值也能用來區(qū)分正常白質(zhì)、腦水腫區(qū)和強(qiáng)化的腫瘤邊緣,反映膠質(zhì)瘤細(xì)胞的增殖狀況,并可作為膠質(zhì)瘤惡性程度和侵襲性的指標(biāo)。由此,fMRI和DTI能彌補(bǔ)常規(guī)MRI對顱內(nèi)占位病變診斷信息

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對于鄰近腦功能區(qū)的病變只有對腦皮質(zhì)功能區(qū)和皮質(zhì)下重要白質(zhì)纖維束的同時(shí)保護(hù),才有可能實(shí)現(xiàn)真正意義上的腦功能完整性的保護(hù)。fMRI與DTI的融合實(shí)現(xiàn)了腦結(jié)構(gòu)與功能的完美結(jié)合。Krings等[25]將兩種方法聯(lián)合應(yīng)用于腫瘤手術(shù)中,可以顯示侵及運(yùn)動(dòng)通路的腫瘤其皮質(zhì)下白質(zhì)纖維束與功能區(qū)的關(guān)系,從而對于不同類型、不同生長方式的腫瘤,對功能區(qū)皮質(zhì)和白質(zhì)纖維束侵犯情況有一個(gè)整體的了解,對于制定手術(shù)計(jì)劃尤為重要。Rasmussen等

[26]

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將12例患者fMRI與DTT

圖像融合注冊到導(dǎo)航工作站,發(fā)現(xiàn)fMRI的圖像對術(shù)前定位起主要作用而DTT圖像在腫瘤切除過程中起主要作用。通過術(shù)前MRI圖像和術(shù)中三維超聲圖像的再注冊,可以減少腦移位對融合圖像導(dǎo)航產(chǎn)生的影響。近來,Feigl等[27]研究顯示,利用實(shí)時(shí)fMRI-t圖與普通MRI注冊進(jìn)行導(dǎo)航手術(shù)取得了良好的效果,從而避免了繁瑣的融合圖像的后處理工作。功能磁共振成像技術(shù)對顯示腦皮層、腦白質(zhì)功能有重要價(jià)值,功能神經(jīng)圖像在神經(jīng)導(dǎo)航系統(tǒng)中的融合是神經(jīng)導(dǎo)航發(fā)展的必然趨勢,這使神經(jīng)導(dǎo)航系統(tǒng)不但能指導(dǎo)病變的顯露和切除,而且還注重了對正常腦的功能的保護(hù)。

在神經(jīng)外科疾病預(yù)后評價(jià)中的應(yīng)用　運(yùn)用BOLD-fMRI技術(shù)觀察運(yùn)動(dòng)中樞病變患者治療前后的中樞激活體積的變化,能定量評價(jià)臨床康復(fù)治療效果。DWI可獲得間接的細(xì)胞構(gòu)成信息,對評價(jià)膠質(zhì)瘤放療后腫瘤的復(fù)發(fā)、進(jìn)展與放射性腦實(shí)質(zhì)損害有重要價(jià)值。術(shù)后DTI能量化評估腫瘤切除后白質(zhì)纖維束的保留情況[28],并能利用ADC值監(jiān)測腫瘤對放、化療的反應(yīng),區(qū)分腫瘤復(fù)發(fā)和放射性壞死[29]。

存在的問題與展望

隨著BOLD-fMRI和DTI技術(shù)的出現(xiàn)和不斷發(fā)展,腦功能區(qū)域的研究和腦白質(zhì)纖維結(jié)構(gòu)的研究必然走向交叉,最終實(shí)現(xiàn)活體、無創(chuàng)地對人腦進(jìn)行皮質(zhì)功能和皮質(zhì)下結(jié)構(gòu)結(jié)合的研究,從而更好地解釋神經(jīng)系統(tǒng)疾病發(fā)病機(jī)制以及正常人腦功能和結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)。但兩者都存在著一定的局限性,部分容積效應(yīng)的影響、圖像偽影的處理、感興趣區(qū)的選擇等均受人為因素的影響,仍需要進(jìn)一步的研究。

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(下轉(zhuǎn)第378頁)

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者病情進(jìn)展快,意識(shí)障礙,血壓下降,血鈉低,腦干反射消失,腦電圖有改變,考慮是否有中樞神經(jīng)系統(tǒng)受累。因當(dāng)時(shí)患者呼吸機(jī)輔助呼吸,不能行MRI影像學(xué)檢查,但結(jié)合患者腦電圖檢查僅表現(xiàn)為少量中低幅慢波。腦電圖波形異常受很多因素影響,輔助呼吸、藥物、情緒、電解質(zhì)紊亂等均可導(dǎo)致波形的改變,不超過15%的Q波可見于正常人。綜合患者臨床特征,腦脊液化驗(yàn)蛋白細(xì)胞分離,肌電圖檢查周圍神經(jīng)損傷表現(xiàn),病情好轉(zhuǎn)后的顱MRI檢查結(jié)果(正常)及治療效果,排除中樞神經(jīng)系統(tǒng)病變。同時(shí),結(jié)合患者雙側(cè)瞳孔散大,無自主呼吸,所有反射均消失,包括查腦干反射均消失,臨床疑似腦死亡[3]。進(jìn)一步查腦電圖示:雙側(cè)大腦半球背景抑制,可見少量中低幅慢波,誘發(fā)電位:SEP各波未引出,BAEP各波正常。TCD:大腦中動(dòng)脈、椎基底動(dòng)脈流速大致正常。電生理及TCD檢查不支持腦死亡。患者當(dāng)時(shí)表現(xiàn)的“臨床腦死亡”,并不是真正的“腦死亡”,而是患者所有顱神經(jīng)和脊神經(jīng)支配的傳出神經(jīng)均受累所造成的去輸出狀態(tài)。全傳出神經(jīng)阻斷在臨床極為罕見(即使是閉鎖綜合征,也有眼球的有

復(fù)旦學(xué)報(bào)(醫(yī)學(xué)版)　2010年5月,37(3)　

限運(yùn)動(dòng)),在臨床上極易被誤診為腦死亡,提醒我們診斷腦死亡應(yīng)慎重,臨床和實(shí)驗(yàn)室判定標(biāo)準(zhǔn)相結(jié)合�！娟P(guān)鍵詞】　極重變異型;　格林巴利;　腦死亡【中圖分類號(hào)】　R742.1　　【文獻(xiàn)標(biāo)志碼】　B

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(收稿日期:2009-08-12;編輯:段佳)

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(收稿日期:2009-07-10;編輯:段佳)

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  本文關(guān)鍵詞：BOLD-fMRI和DTI在神經(jīng)外科中的應(yīng)用，，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

本文編號(hào)：200114