BOLD_fMRI和DTI在神经外科中的应用_谢涛

发布时间：2016-12-01 07:04

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BOLD_fMRI和DTI在神经外科中的应用_谢涛

2015-10-14

　368

医学版)复旦学报(2010May,37(3)

FudanUnivJMedSci

BOLD-fMRI和DTI在神经外科中的应用

谢　涛(张晓彪(综述)　审校)

(复旦大学附属中山医院神经外科　上海　200032)

■

【摘要】　近年来,血氧水平依赖的脑功能成像(bloodoxygenleveldependentfMRI,BOLD-fMRI)和弥散张量成像技术(diffusiontensorimaging,DTI)的出现,使得对脑结构和功能的研究成为热点。本文就两者在神经外科疾病的诊断、治疗及预后的应用情况进行综述。

【关键词】　血氧水平依赖功能磁共振成像;　神经外科;　弥散张量成像【中图分类号】　R445.9　　【文献标志码】　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]根据脑功能活动区氧合血红蛋白(HbO2)含量的增加导致磁共振信号增强的原理得到了人脑的功能性磁共振图像,即血氧水平依赖的脑功能成像(bloodoxygenleveldependentfMRI,BOLD-fMRI)。1994年,Basser等[2]探究了人脑的弥散张量成像技术(diffusiondensorimaging,DTI)。在短短十余年时间,这两种新的影像学技术的在脑功能成像和白质纤维结构成像上的发展突飞猛进,使脑皮质功能区和皮质下传导束的研究融为一体。从而使神经外科手术理念从单一的脑皮质功能区的保护转变到同时保护白质功能传导束,极大地提高了手术的全切率,降低了术后病残率。

BOLD-fMRI和DTI的基本原理

BOLD的基本原理　脑组织内含有丰富的毛细血管,其内含有丰富的含氧和脱氧血红蛋白,脱氧血红蛋白在高场磁体中具有磁化敏感效应,可使脑组织的T2WI信号下降,而含氧血红蛋白不具有磁化敏感效应,不使脑组织信号产生变化。这样,在含氧和缺氧血红蛋白之间造成了一个天然的对比,可利用各种指令性行为活动或感官刺激激发相应的脑皮质功能域。此时功能域的局部微循环含氧血红蛋白增加,脱氧血红蛋白相对降低,在用对T2W敏感的MRI序列时,脱氧血红蛋白就相当于一种内源性造影剂。脱氧血红蛋白相

　Correspondingauthor　E-mail:[email protected]

■

对浓度降低,磁化敏感效应下降,信号强度升高,在最后的BOLD输出图像中,受激发的脑皮质功能域表现为局部高信号的激活区[3]。

DTI的基本原理　弥散(diffusion)是机体生理过程中实现物质转运功能的一个基本物理现象。自由分子在纯净液体中的弥散是各向同性(isotropy)的,弥散的平均距离只与液体分子的性质及平均温度有关,采用弥散系数来度量。脑组织中的水分子也在不断地进行着弥散运动,它不仅受组织细胞本身特征的影响,还与细胞内部结构等因素有关。在具有固定排列顺序的组织结构中,水分子在各个方向的弥散是不同的,通常更倾向于沿着纤维束走行的方向,而很少沿着垂直于纤维束走行的方向进行弥散,这种具有方向依赖性的弥散即

[4]

称为弥散的各向异性(anisotropy)。DTI是弥散成像的较高

级形式,可以定量评价脑白质的各向异性,全面描述水分子在各个方向上的运动,并显示了不同方向之间的相关性。其中最常用的参数是部分各向异性(fractionalanisotropy,FA),FA值是指水分子各向异性成分占整个弥散张量的比例,各向异性系数越大,表示组织的各向异性越强,组织结构排列越规律、越紧密。FA值能更稳定地反映扩散的各向异性,因而在临床已被广泛采用。弥散张量纤维束成像(diffusiontensor

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　谢涛,等.BOLD-fMRI和DTI在神经外科中的应用tractography,DTT)、纤维跟踪技术(fibertractograph,FT)是近年来MR技术的一项重大进展,它是利用弥散张量数据在活体上三维显示脑白质纤维束的一种无创性成像方法。

BOLD-fMRI和DTI在神经外科疾病诊断与鉴别诊断中的应用

运用BOLD-fMRI和DTI鉴别不同类型的颅内占位性病变　由于不同类型的肿瘤的血运特点、血液流入效应、引流小静脉、血细胞比容、局部脑血容量(regionalcerebralbloodvolume,Rcbv)、细胞增殖特性及水肿区域的大小均能影响BOLD的信号强弱[5]。Holodny等[6]通过对10例位于或临近运动区的脑肿瘤进行对指运动研究,发现与对侧正常皮层激活区相比,肿瘤侧的被激活区体积明显缩小,尤以胶质母细胞瘤最明显。Schreiber等[7]报道了15例位于或临近感觉运动区的脑肿瘤,并将其分为胶质瘤组和非胶质瘤组,以对指运动激发,对照研究两组肿瘤对BOLD信号的影响,结果显示胶质瘤组被激活的肿瘤侧功能区体积比非胶质瘤组的小14%,两组间差异有显著统计学意义。

在弥散加权成像(diffusion-weightedimaging,DWI)成像中表观弥散系数(apparentdiffusioncoefficients,ADC)值代表每个体素内分子的综合微观运动,代表了人体内所有影响水分子运动的因素叠加成的一个观察值。使用ADC值和FA值有助于区分不同类型的占位病变。Lu等

[8-9]

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的不足,将其进行有效结合从而更有利于肿瘤性质及特征的评估。

BOLD-fMRI和DTI在神经外科疾病治疗中的应用BOLD-fMRI运用于定位病灶与皮层功能区之间的关系及功能神经导航的运用　由于占位效应致皮层功能区解剖结构的移位,及成人皮层的可塑性和重组性[17]致使肿瘤邻近部位的皮层功能区难以辨认,BOLD-fMRI可在术前无创显示脑内病灶与其相邻重要功能区之间的关系,确定相邻重要功能区的位置,对于术前选择最佳的手术路径以减少术后致残率方面起重要作用。Krings等[18]对中央沟区域肿瘤进行BOLD-fMRI研究观察了初级运动皮层、辅助运动区(supplementmotorarea,SMA)、运动前区及顶上小叶4个区域信号变化与偏瘫的关系,结果发现初级运动皮层激活程度随偏瘫程度增加而下降,然而肿瘤未侵犯的辅助运动区激活范围明显增大,辅助运动区激活范围随偏瘫程度增大而增大,可能是因为皮层运动系统发生了功能重组,具有运动皮层重组现象的术后恢复情况明显好于没有功能皮层重组者。Foki等[19]认为,对于岛盖部病变综合分析术前BOLD-fMRI有助于避免术后发生永久性运动和语言障碍。除了脑肿瘤外,fMRI在顽固性癫

手术中也有很好的应

用价值,利用

的致

fMRI技术可定位全脑皮层功能区及精确确定各类癫

灶,从而了解致痫灶与皮层功能区的关系,这对手术效果、手术风险的评估及手术方案的制定具有重要价值,且为术中病灶切除的手术方式及切除范围提供客观依据。fMRI能在术前评估由于治疗(手术、放疗等)或病变继续发展所产生的潜在的认知、语言、运动、感觉功能的丧失,将术前fMRI的图像融进导航系统,可达到功能神经导航(functionalneuronavigation),使得术者能在术中了解到病变和功能区位置,从而达到提高肿瘤切除率的同时最大化保护脑功能区的目的。Wilkinson等[20]和Gumprecht等[21]利用fMRI图像进行导航手术与普通导航手术相比都取得了理想的效果。

DTI运用于了解病灶与周边重要神经纤维束的解剖位置关系　近年来,DTI技术及随之发展起来的弥散张量纤维束成像技术、纤维跟踪技术和FA彩色编码图技术可使大脑白质纤维走形及其周边组织的解剖位置关系得以清晰显示,从而最大程度切除病灶的同时减少对功能纤维的永久性损伤。Witwer等[22]对9例胶质瘤患者术前行DTI检查,采用后处理图像指导手术计划的制定与修正,结果术中均顺利切除肿瘤,术后症状均得到改善,没有新的神经功能丧失。Nimsky等[23]利用DTI数据在神经导航上进行纤维束示踪(DTI-FT技术),FT在DTI数据基础上对纤维束进行二维或三维可视化,形象地显示纤维束的空间位置和走行,将其纤维束重建图像注册到导航系统中来指导肿瘤的切除,从而优化了手术方案并提高了手术的准确性。Wu等[24]通过对涉及锥体束的脑肿瘤(特别是胶质瘤)应用DTI重建以锥体束为主的脑白质纤维束,将DTI与传统导航影像融合,应用于脑肿瘤切除手术,发现DTI影像可提供病灶与邻近锥体束之间的三维可视化解剖信息,指导最大范围切除肿瘤并有效保护锥体束,显著提高肿瘤的全切除率,降低患者术后致残率,甚至改善术前已存在的运动功能障碍,并缩短住院时间。

BOLD-fMRI和DTI图像融合在神经导航手术中的运用

利用

DTI研究了12例高度恶性胶质瘤和12例转移性脑肿瘤的瘤周水肿ADC值和FA值情况,发现ADC值的变化在鉴别胶质瘤与转移瘤时有意义,后者明显高于前者;并发现肿瘤浸润系数(tumorinfiltrationindex,TII)能较好地区分肿瘤侵润性的水肿和单纯性血管性水肿,从而对手术方式等产生一定的影响。Toh等

[10]

研究发现原发性大脑恶性淋巴瘤实质

强化部分的FA值和ADC值明显低于多形性成胶质细胞瘤;Dutt等[11]发现由于蛛网膜囊肿与表皮样囊肿所含内容物的不同致FA值和ADC值的不同,故而使两者易于区分;Ebisu等[12]利用DTI技术较好地区分了脑脓肿和坏死或囊性变的肿瘤。

运用BOLD-fMRI和DTI鉴别肿瘤良恶性及恶性程度分级　Chen等[13]研究了在运动皮层区胶质瘤的患者年龄和肿瘤级别(Ⅰ～Ⅳ级)对BOLD信号的影响,结果显示随着年龄和肿瘤恶性程度的增加,BOLD信号强度对肿瘤的反应有所不同。Liu等[14]研究显示,BOLD图像上的信号强度至少与肿瘤的类别和肿瘤距离初级、次级运动中枢的位置有关,对不同类型肿瘤的BOLD图像的识别可对手术规划起到积极的作用。Toh等[15]研究显示,不典型脑膜瘤和典型脑膜瘤ADC值和FA值有较明显的统计学差异,典型脑膜瘤有更低的瘤内FA值,更高的ADC值及球形张量系数,DTI能在区分不典型和典型脑膜瘤中起重要作用。LeBihan等[16]也发现密集的肿瘤细胞能抑制水分子的有效运动,肿瘤ADC值与病理分级有相关性,以胶质母细胞瘤等高度恶性肿瘤的ADC值最低,间变性星形细胞瘤的ADC值居中,Ⅰ～Ⅱ级星形细胞瘤的ADC值最高。ADC值也能用来区分正常白质、脑水肿区和强化的肿瘤边缘,反映胶质瘤细胞的增殖状况,并可作为胶质瘤恶性程度和侵袭性的指标。由此,fMRI和DTI能弥补常规MRI对颅内占位病变诊断信息

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对于邻近脑功能区的病变只有对脑皮质功能区和皮质下重要白质纤维束的同时保护,才有可能实现真正意义上的脑功能完整性的保护。fMRI与DTI的融合实现了脑结构与功能的完美结合。Krings等[25]将两种方法联合应用于肿瘤手术中,可以显示侵及运动通路的肿瘤其皮质下白质纤维束与功能区的关系,从而对于不同类型、不同生长方式的肿瘤,对功能区皮质和白质纤维束侵犯情况有一个整体的了解,对于制定手术计划尤为重要。Rasmussen等

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将12例患者fMRI与DTT

图像融合注册到导航工作站,发现fMRI的图像对术前定位起主要作用而DTT图像在肿瘤切除过程中起主要作用。通过术前MRI图像和术中三维超声图像的再注册,可以减少脑移位对融合图像导航产生的影响。近来,Feigl等[27]研究显示,利用实时fMRI-t图与普通MRI注册进行导航手术取得了良好的效果,从而避免了繁琐的融合图像的后处理工作。功能磁共振成像技术对显示脑皮层、脑白质功能有重要价值,功能神经图像在神经导航系统中的融合是神经导航发展的必然趋势,这使神经导航系统不但能指导病变的显露和切除,而且还注重了对正常脑的功能的保护。

在神经外科疾病预后评价中的应用　运用BOLD-fMRI技术观察运动中枢病变患者治疗前后的中枢激活体积的变化,能定量评价临床康复治疗效果。DWI可获得间接的细胞构成信息,对评价胶质瘤放疗后肿瘤的复发、进展与放射性脑实质损害有重要价值。术后DTI能量化评估肿瘤切除后白质纤维束的保留情况[28],并能利用ADC值监测肿瘤对放、化疗的反应,区分肿瘤复发和放射性坏死[29]。

存在的问题与展望

随着BOLD-fMRI和DTI技术的出现和不断发展,脑功能区域的研究和脑白质纤维结构的研究必然走向交叉,最终实现活体、无创地对人脑进行皮质功能和皮质下结构结合的研究,从而更好地解释神经系统疾病发病机制以及正常人脑功能和结构基础。但两者都存在着一定的局限性,部分容积效应的影响、图像伪影的处理、感兴趣区的选择等均受人为因素的影响,仍需要进一步的研究。

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(下转第378页)

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者病情进展快,意识障碍,血压下降,血钠低,脑干反射消失,脑电图有改变,考虑是否有中枢神经系统受累。因当时患者呼吸机辅助呼吸,不能行MRI影像学检查,但结合患者脑电图检查仅表现为少量中低幅慢波。脑电图波形异常受很多因素影响,辅助呼吸、药物、情绪、电解质紊乱等均可导致波形的改变,不超过15%的Q波可见于正常人。综合患者临床特征,脑脊液化验蛋白细胞分离,肌电图检查周围神经损伤表现,病情好转后的颅MRI检查结果(正常)及治疗效果,排除中枢神经系统病变。同时,结合患者双侧瞳孔散大,无自主呼吸,所有反射均消失,包括查脑干反射均消失,临床疑似脑死亡[3]。进一步查脑电图示:双侧大脑半球背景抑制,可见少量中低幅慢波,诱发电位:SEP各波未引出,BAEP各波正常。TCD:大脑中动脉、椎基底动脉流速大致正常。电生理及TCD检查不支持脑死亡。患者当时表现的“临床脑死亡”,并不是真正的“脑死亡”,而是患者所有颅神经和脊神经支配的传出神经均受累所造成的去输出状态。全传出神经阻断在临床极为罕见(即使是闭锁综合征,也有眼球的有

复旦学报(医学版)　2010年5月,37(3)　

限运动),在临床上极易被误诊为脑死亡,提醒我们诊断脑死亡应慎重,临床和实验室判定标准相结合。【关键词】　极重变异型;　格林巴利;　脑死亡【中图分类号】　R742.1　　【文献标志码】　B

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