彌散張量成像纖維束示蹤技術(shù)顯像弓形束及術(shù)中弓形束導(dǎo)航的可行性分析

趙 巖，陳曉雷，王 飛，孫國臣，王宇博，宋志軍，許百男

1中國人民解放軍總醫(yī)院神經(jīng)外科，北京100853 2南開大學(xué)醫(yī)學(xué)院，天津300071

·論著·

彌散張量成像纖維束示蹤技術(shù)顯像弓形束及術(shù)中弓形束導(dǎo)航的可行性分析

趙 巖1,2，陳曉雷1，王 飛1，孫國臣1，王宇博1，宋志軍1，許百男1

1中國人民解放軍總醫(yī)院神經(jīng)外科，北京1008532南開大學(xué)醫(yī)學(xué)院，天津300071

目的初步探討彌散張量成像纖維束示蹤技術(shù)顯像弓形束及術(shù)中弓形束導(dǎo)航在神經(jīng)外科手術(shù)中的可行性。方法85例接受術(shù)中磁共振及神經(jīng)導(dǎo)航輔助治療的大腦半球腫瘤患者分為左側(cè)大腦半球腫瘤組(n=55)和對照組(n=30)，術(shù)前均行常規(guī)磁共振成像及彌散張量成像檢查，通過纖維束示蹤技術(shù)顯像弓形束并與神經(jīng)導(dǎo)航系統(tǒng)整合指導(dǎo)手術(shù)，分別于術(shù)后2～4周、3～6個月隨訪患者的弓形束顯像及語言功能。結(jié)果所有患者手術(shù)前均實現(xiàn)了弓形束的顯像，左側(cè)大腦半球腫瘤組患者將三維顯像的弓形束圖像整合入神經(jīng)導(dǎo)航系統(tǒng)后通過顯微鏡下導(dǎo)航指導(dǎo)手術(shù)，在術(shù)后長期隨訪中僅4例存在語言功能障礙。結(jié)論彌散張量成像纖維束示蹤技術(shù)能夠顯像弓形束并與術(shù)中導(dǎo)航系統(tǒng)整合，改善外科手術(shù)對語言功能區(qū)腫瘤的治療效果，幫助患者最大程度保留語言功能，提高術(shù)后生活質(zhì)量。

彌散張量成像；纖維束示蹤技術(shù)；弓形束；神經(jīng)導(dǎo)航

上世紀(jì)90年代彌散張量成像(diffusion tensor imaging，DTI)以及基于DTI的纖維束示蹤技術(shù)(DTI-based tractography，DTT)的出現(xiàn)，使得活體研究大腦白質(zhì)纖維束成為可能。近年國內(nèi)外研究中應(yīng)用DTT顯像錐體束并與神經(jīng)導(dǎo)航相結(jié)合，結(jié)果與傳統(tǒng)解剖有很高的一致性[1-2]。本研究通過對85例顱內(nèi)腫瘤患者應(yīng)用DTI及DTT技術(shù)進行弓形束的顯像并應(yīng)用于術(shù)中導(dǎo)航，探討弓形束顯像及術(shù)中導(dǎo)航在神經(jīng)外科手術(shù)中的可行性及可靠性。

對象和方法

對象左側(cè)大腦半球腫瘤組：選取2009年2月至2010年12月于我院行術(shù)中磁共振及神經(jīng)導(dǎo)航輔助手術(shù)治療的左側(cè)大腦半球腫瘤患者55例，均為右利手，其中男性33 例、女性22例；年齡20～79歲，平均(43.12±11.34)歲；按腫瘤病理性質(zhì)分類，腦膜瘤(WHO Ⅰ級)1例、星形細胞瘤及少突膠質(zhì)細胞瘤(WHO Ⅱ級)20例、間變性星形細胞瘤及間變性少突膠質(zhì)細胞瘤(WHO Ⅲ級)16例、膠質(zhì)母細胞瘤(WHO Ⅳ級)16例、轉(zhuǎn)移瘤2例，所有病例在手術(shù)前均經(jīng)過常規(guī)磁共振成像(magnetic resonance imaging，MRI)、DTI、功能磁共振成像(functional magnetic resonance imaging， fMRI)檢查。在術(shù)前及術(shù)后隨訪時，根據(jù)西方失語成套測驗對患者語言功能進行評分，術(shù)前已出現(xiàn)嚴(yán)重語言功能障礙者12例(21.8%)、輕度語言功能障礙者25例(45.5%)、無明顯語言功能障礙者18例(32.7%)。對照組：為同期行術(shù)中磁共振及神經(jīng)導(dǎo)航輔助手術(shù)治療的右側(cè)大腦半球腫瘤患者30例，均為右利手，男性16例、女性14例；年齡22～68歲，平均(43.5±15.80)歲；腦膜瘤2例、星形細胞瘤及少突膠質(zhì)細胞瘤(WHO Ⅱ級)11例、間變性星形細胞瘤及間變性少突膠質(zhì)細胞瘤(WHO Ⅲ級)8例、膠質(zhì)母細胞瘤(WHO Ⅳ級)7例、轉(zhuǎn)移瘤2例，手術(shù)前及術(shù)后隨訪均無語言功能障礙。

MRI檢查采用德國西門子Espree 1.5T場強超導(dǎo)型MR。DTI采用單次投照彌散加權(quán)自旋回波序列。序列參數(shù)為：回波時間147 ms，重復(fù)時間9400 ms，矩陣尺度128×128，視場251 mm×251 mm，層厚3 mm，帶寬1502 Hz/px。彌散權(quán)重(High b value)1000 s/mm2，進行12個方向的彌散加權(quán)成像，同時進行1次0彌散加權(quán)(b0，low b value：0s/mm2)成像用于后期處理時消減成像區(qū)域外周噪聲。體素大小為1.9 mm×1.9 mm×3 mm。連續(xù)無間隔采集40層，共采集5次以提高信噪比，總掃描時間約10 min。

弓形束示蹤顯像及手術(shù)計劃MRI數(shù)據(jù)采集后，通過局域網(wǎng)絡(luò)將原始數(shù)據(jù)以DICOM格式傳入導(dǎo)航計劃工作站(BrainLab，德國)，制定手術(shù)計劃。首先將DICOM數(shù)據(jù)經(jīng)PatXfer 5.2(BrainLab，德國)進行格式轉(zhuǎn)換，然后應(yīng)用iPlan Cranial 2.6軟件(BrainLab，德國)將各種影像資料進行圖像融合(image fusion)。確定圖像融合準(zhǔn)確無誤后，分別在模型創(chuàng)建模塊中將腫瘤重建成三維圖像，在纖維束示蹤模塊中示蹤顯像弓形束，并轉(zhuǎn)換成三維圖像，以不同顏色標(biāo)示，最后將三維示蹤的結(jié)果通過局域網(wǎng)絡(luò)導(dǎo)入術(shù)中導(dǎo)航系統(tǒng)。

本研究進行弓形束示蹤成像采用的各向異性分?jǐn)?shù)值(fractional anisotropy，F(xiàn)A )為0.15，最小纖維示蹤角度30°，纖維束起始示蹤長度50 mm。應(yīng)用三感興趣區(qū)法(region of interests，ROI)進行弓形束示蹤顯像，第一個ROI放置在放射冠外側(cè)，軟件自動運算出通過此ROI的所有纖維束，以紅、綠、藍三種顏色的線條顯示，不同顏色表示纖維束的不同方向，紅色表示左右方向，綠色表示前后方向，藍色表示上下方向。通過第一個ROI得到的纖維束比較雜亂，需要再用兩個ROI將多余的纖維束去掉，選取Broca和Wernicke區(qū)附近的白質(zhì)作為ROI，將同時通過Broca區(qū)和Wernicke區(qū)的纖維束保留(圖1)。

術(shù)中導(dǎo)航系統(tǒng)采用德國Brain LAB神經(jīng)導(dǎo)航，型號為VectorVision?sky，該導(dǎo)航系統(tǒng)的主機設(shè)置在操作間，紅外線發(fā)射及探測器和顯示器由吊臂固定在手術(shù)間天花板上。

結(jié) 果

弓形束示蹤成像分別在術(shù)前對左側(cè)大腦半球腫瘤組和對照組患者左側(cè)大腦半球進行弓形束示蹤成像，結(jié)果顯示均能示蹤顯像弓形束，但在相同的參數(shù)下，對照組患者的弓形束形態(tài)比較一致，重復(fù)性較好，而左側(cè)大腦半球腫瘤組患者的弓形束由于腫瘤的影響，解剖變異比較大(圖1)。

弓形束術(shù)中導(dǎo)航將術(shù)前計劃與Brain LAB神經(jīng)導(dǎo)航系統(tǒng)結(jié)合，成功實現(xiàn)了顯微鏡下腫瘤和弓形束的導(dǎo)航，腫瘤和弓形束以投影的方式顯示在顯微鏡視野中(圖2)，幫助術(shù)者在手術(shù)過程中直觀了解腫瘤與周圍傳導(dǎo)束和功能區(qū)的毗鄰關(guān)系，評價腫瘤切除進度。

術(shù)后隨訪在術(shù)后2～4周隨訪時，對照組未出現(xiàn)語言功能障礙，左側(cè)大腦半球腫瘤組有28例(50.9%)出現(xiàn)不同程度的語言功能障礙，主要表現(xiàn)為傳導(dǎo)性失語(n=17，60.7%)、命名性失語(n=6，21.4%)和混合性失語(n=5，17.9%)，其中5例患者為術(shù)后新發(fā)癥狀。在進行弓形束示蹤時發(fā)現(xiàn)，出現(xiàn)語言障礙的患者出現(xiàn)纖維束較術(shù)前減少的現(xiàn)象，有10例在FA=0.15的條件下無法得出纖維束示蹤結(jié)果，降低FA至0.1才能夠顯示纖維束。

在術(shù)后3～6個月隨訪時，左側(cè)大腦半球腫瘤組有4例仍存在語言功能障礙，其中3例傳導(dǎo)性失語、1例命名性失語，考慮為腫瘤復(fù)發(fā)所致。在進行弓形束示蹤顯像時，4例患者的弓形束較術(shù)前明顯減少。

所有患者在隨訪期間無1例死亡。左側(cè)大腦半球腫瘤組在術(shù)后2～4周隨訪時有7例出現(xiàn)右側(cè)肢體肌力下降；在術(shù)后3～6個月隨訪時，所有患者均未出現(xiàn)其他語言功能之外的神經(jīng)功能障礙，如肢體運動功能障礙、感覺障礙、癲癇、視野缺損等。

討 論

語言是人類大腦中最復(fù)雜的高級功能之一，語言功能網(wǎng)絡(luò)和大腦的其他神經(jīng)認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)存在廣泛而有序的聯(lián)系，并且相互作用，這些復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)連接是以傳導(dǎo)束為解剖學(xué)基礎(chǔ)的，其中弓形束最早被發(fā)現(xiàn)且具有最重要的意義，被認(rèn)為是連接Broca區(qū)和Wernicke區(qū)的重要傳導(dǎo)通路[3]。當(dāng)前對于語言相關(guān)通路的理解基于19世紀(jì)以來神經(jīng)解剖學(xué)家們的先驅(qū)工作，如Geschwind[4]通過解剖固定的腦組織標(biāo)本并追蹤腦組織切片中染色髓質(zhì)進行人類大腦的神經(jīng)解剖研究。

自上世紀(jì)90年代DTI技術(shù)出現(xiàn)后，基于DTI的纖維束示蹤技術(shù)研究成為熱點，并有了開創(chuàng)性的研究進展[5]。Fernández-Miranda等[1]將人腦白質(zhì)纖維束的示蹤結(jié)果與尸體解剖做了對比研究，證實基于DTI的纖維束示蹤結(jié)果與實際解剖結(jié)構(gòu)相吻合。Nimsky等[6]應(yīng)用定量的方法對基于iPlan軟件的錐體束示蹤做了可重復(fù)性研究，得出了重復(fù)性較好且示蹤結(jié)果更符合實際的錐體束示蹤方法，結(jié)果與傳統(tǒng)解剖有較高的一致性，并與術(shù)中磁共振及神經(jīng)導(dǎo)航系統(tǒng)整合，用于膠質(zhì)瘤手術(shù)中，結(jié)果證實術(shù)中磁共振系統(tǒng)結(jié)合錐體束的導(dǎo)航能夠幫助手術(shù)醫(yī)生最大程度切除腫瘤的同時，保護錐體束不受損害。Bello等[7]在膠質(zhì)瘤的手術(shù)中應(yīng)用皮層下電刺激發(fā)現(xiàn)DTI纖維束示蹤得到的錐體束和語言傳導(dǎo)束結(jié)果與電刺激的陽性位點有較好的一致性。

MRI: 磁共振成像; 方框內(nèi)為感興趣區(qū)位置MRI: magnetic resonance imaging; The positions of region of interests are shown as white panesA.弓形束示蹤顯像的三維立體圖像；B, C, D. 弓形束分別在MRI T1加權(quán)像中軸狀位(B)、矢狀位(C)和冠狀位(D)的截圖A.3-D visualization of the arcuate fasciculus tractography; B, C, D.The visualization of arcuate fasciculus in the axial(B), sagittal(C), and coronal plane(D) of T1 weighted MRI

A，B，C. 腫瘤在T1增強像軸(A)、矢(B)、冠位(C)上的MRI影像；D. 腫瘤(十字光標(biāo))、語言功能皮層與弓形束(箭頭)在顯微鏡視野中的三維顯像；E. 腫瘤(十字光標(biāo))、語言功能皮層及弓形束(箭頭)在頭皮的投影；F. 弓形束(箭頭)和腫瘤(十字光標(biāo))在大腦皮層的投影A, B, C. The visualization of tumor in the axial(A), sagittal(B), and coronal planes(C) of T1 weighted MRI with contrast; D. 3-D visualization of tumor (tracking cross), language functional cortex and arcuate fasciculus (arrow) in microscope video; E. The aerial image of tumor(tracking cross), language functional cortex and arcuate fasciculus(arrow) on skin; F. The outlines of tumor(tracking cross) and arcuate fasciculus(arrow) on brain cortex

雖然椎體束的示蹤及術(shù)中導(dǎo)航已經(jīng)應(yīng)用于神經(jīng)導(dǎo)航，并取得了滿意的效果，但弓形束的示蹤及導(dǎo)航罕見報道。這是由于錐體束示蹤顯像相對容易，而弓形束的示蹤顯像相對復(fù)雜，有一定的角度，而且受DTI成像質(zhì)量及纖維束示蹤算法條件所限[8]。不同的示蹤軟件、不同ROI體積及選擇順序和FA閾值都會對示蹤結(jié)果產(chǎn)生較大影響，甚至同一操作者不同次示蹤結(jié)果之間都會存在差別。纖維束追蹤算法是一種遞歸算法，從起始ROI內(nèi)的體素開始，根據(jù)每個體素的主彌散方向不斷延長。在這個過程中，追蹤距離越長，出現(xiàn)偏差的可能就越大。尤其在遇到某個體素的主彌散方向不太明確時，更容易出現(xiàn)錯誤追蹤[9]。本研究綜合已發(fā)表文獻的技術(shù)參數(shù)，將第一個ROI置于弓形束纖維最集中部位，即額顳頂交界區(qū)，椎體束的外側(cè)，然后再用另外的ROI保留Broca和Wernicke區(qū)的連接纖維束，同時去掉不在ROI內(nèi)錯誤追蹤的纖維。應(yīng)用此方法，本研究3名操作者分別對30例對照組患者的左側(cè)大腦半球進行了弓形束示蹤，所得結(jié)果與Catani等[3]的報道一致。

雖然在對照組的研究中本研究獲得了良好的弓形束示蹤結(jié)果，但在左側(cè)大腦半球腫瘤組的弓形束示蹤中遇到一定的困難。主要存在以下幾方面原因：(1)膠質(zhì)瘤細胞的生長具有侵襲性，鄰近弓形束的腫瘤可能破壞弓形束；(2)腫瘤的占位效應(yīng)(mass effect)對周圍正常的腦組織具有壓迫作用；(3)腫瘤周圍往往伴有不同程度的細胞水腫。其中腫瘤細胞的浸潤和瘤周水腫能夠改變弓形束的FA值，根據(jù)電生理學(xué)的結(jié)果，如果在某一位置FA值低于0.1的條件下，還沒有纖維束被軟件追蹤出來，那么這個位置的纖維束可能已經(jīng)被破壞，失去了正常生理功能[10]。腫瘤的占位效應(yīng)能夠改變正常腦組織的解剖結(jié)構(gòu)，尤其鄰近Broca和Wernicke區(qū)的腫瘤，往往改變了語言功能區(qū)正常的解剖位置，使得在選擇ROI時面臨困難。本研究先通過fMRI結(jié)果確定Broca和Wernicke區(qū)的位置，然后據(jù)此確定ROI的位置。在左側(cè)大腦半球腫瘤組的患者中，體積比較大的腫瘤對弓形束的浸潤、推擠和周圍水腫往往同時出現(xiàn)，弓形束被腫瘤推擠后的解剖變異非常大，弓形束的示蹤具有一定難度，需要分析腫瘤的生長特點，在fMRI的幫助下仔細分辨正常的腦組織。

術(shù)中導(dǎo)航的誤差主要存在于注冊誤差和連接顯微鏡誤差兩方面。注冊時規(guī)范操作，盡可能多地匹配注冊點能夠減小注冊誤差，如果發(fā)現(xiàn)注冊誤差較大，應(yīng)該重新進行注冊。本研究注冊誤差保持在0.3 mm以內(nèi)。連接顯微鏡時需要術(shù)者嚴(yán)格按照操作程序進行，連接顯微鏡的誤差范圍在0.5 mm以內(nèi)。

20世紀(jì)90年代起，國內(nèi)各大神經(jīng)外科醫(yī)學(xué)中心相繼從國外引進神經(jīng)導(dǎo)航系統(tǒng)，應(yīng)用于臨床工作，提高了手術(shù)效果[11-12]。經(jīng)過20余年的發(fā)展，神經(jīng)導(dǎo)航系統(tǒng)在各個方面均得到了進一步的改進和完善，影像學(xué)資料越來越精細和準(zhǔn)確，逐漸從單純的解剖學(xué)導(dǎo)航向功能神經(jīng)導(dǎo)航發(fā)展。手術(shù)醫(yī)生已不再滿足于腫瘤的最大切除率，而是在最大程度切除腫瘤的同時保留神經(jīng)功能。本研究將腫瘤及弓形束等重要傳導(dǎo)束進行術(shù)前計劃，并與神經(jīng)導(dǎo)航系統(tǒng)相結(jié)合，術(shù)者在手術(shù)顯微鏡中能夠直觀看到腫瘤和傳導(dǎo)束的空間毗鄰關(guān)系，從而減少了神經(jīng)功能損傷的概率。有報道對于語言功能區(qū)的膠質(zhì)瘤，術(shù)后語言功能的保留能夠提高患者的生活質(zhì)量，延長生存期[13]。本研究左側(cè)大腦半球腫瘤組中50.9%的患者術(shù)后早期由于術(shù)區(qū)水腫存在不同程度的語言功能障礙，但在長期隨訪中92.7%的患者語言功能得到了恢復(fù)，且未見腫瘤復(fù)發(fā)，患者的生存期正在進一步隨訪中。

綜上，彌散張量成像纖維束示蹤技術(shù)能夠顯像弓形束并與術(shù)中導(dǎo)航系統(tǒng)整合，在手術(shù)前幫助手術(shù)醫(yī)生制定個體化手術(shù)方案，從而提高外科手術(shù)對語言功能區(qū)腫瘤的治療效果，幫助患者最大程度地保留語言功能，提高術(shù)后生活質(zhì)量。

[2] Nimsky C, Ganslandt O, Fahlbusch R, et al. Implementation of fiber tract navigation [J]. Neurosurgery, 2006, 58(6):292-303.

[3] Catani M, Jones DK, Ffytche DH, et al. Perisylvian language networks of the human brain [J]. Ann Neurol, 2005, 57(2):8-16.

[4] Geschwind N. The organization of language and the brain [J]. Science, 1970, 170(4):940-944.

[5] Catani M, Mesulam M. The arcuate fasciculus and the disconnection theme in language and aphasia: history and current state [J]. Cortex, 2008, 44(5):953-961.

[6] Nimsky C, Ganslandt O, Hastreiter P, et al. Preoperative and intraoperative diffusion tensor imaging-based fiber tracking in glioma surgery [J]. Neurosurgery, 2005, 56(1):130-137.

[7] Bello L, Gambini A, Castellano A, et al. Motor and language DTI fiber tracking combined with intraoperative subcortical mapping for surgical removal of glioma [J]. Neuroimage, 2008, 39(1):369-382.

[8] Bernal B, Ardila A. The role of the arcuate fasciculus in conduction aphasia [J]. Brain, 2009, 132(8):2309-2316.

[9] Basser PJ, Jones DK. Diffusion-tensor MRI: theory, experimental design and data analysis-a technical review [J]. NMR Biomed, 2002, 15(11):456-467.

[10] Berman JI, Berger MS, Mukherjee P, et al. Diffusion-tensor imaging-guided tracking of fibers of the pyramidal tract combined with intraoperative cortical stimulation mapping in patients with gliomas [J]. J Neurosurg, 2004, 101(6):66-72.

[11] Slavin KV. Neuronavigation in neurosurgery: current state of affairs [J]. Expert Rev Med Devices, 2008, 5(7):1-3.

[12] 張慶原, 李桂香, 張劍寧. 神經(jīng)外科導(dǎo)航輔助下鄰近功能區(qū)腦膠質(zhì)瘤的手術(shù)治療 [J]. 立體定向和功能性神經(jīng)外科雜志, 2007, 20(2):97-99.

[13] Ahmadi R, Dictus C, Hartmann C, et al. Long-term outcome and survival of surgically treated supratentorial low-grade glioma in adult patients [J]. Acta Neurochir, 2009, 151(5):1359-1365.

ApplicationofDiffusionTensorImaging-basedArcuateFasciculusTractographyandIntraoperativeArcuateFasciculusNavigation

ZHAO Yan1,2, CHEN Xiao-lei1, WANG Fei1, SUN Guo-chen1,WANG Yu-bo1, SONG Zhi-jun1, XU Bai-nan1

1Department of Neurosurgery, Chinese PLA General Hospital, Beijing 100853, China2Medical School of Nankai University, Tianjin 300071, China

XU Bai-nan Tel: 010-66938038, E-mail: sjwkk@sina.com

ObjectiveTo investigate the feasibility of applying diffusion tensor imaging (DTI)-based arcuate fasciculus tractography and intraoperative arcuate fasciculus navigation for neurosurgery.MethodsTotally 85 patients with interhemispheric tumors who had undergone intra-operative magnetic resonance imaging (MRI) and neuronavigation were divided into sinistrocerebral tumor (SCT) group (n=55) and sham group (n=30). All patients accepted routine MRI and DTI preoperatively. The results from both DTI-based arcuate fasciculus tractography and neuronavigation were applied to guide the surgery. All patients were followed up at 2-4 weeks and 3-6 months postoperatively.ResultsAll patients smoothly

the pre-operative DTI-based arcuate fasciculus tractography. The three dimensional arcuate fasciculus was successfully integrated with the neuronavigation and achieved microscope heads-up display. Long-term follow-up showed that there were only 4 patients suffered from persistent language dysfunction.ConclusionsThe combined application of DTI-based arcuate fasciculus tractography and intraoperative arcuate fasciculus navigation is feasible for guiding brain surgery. It can improve the surgical outcomes of intracranial tumor involving language functional area. The technology also maximizes the retention of language function and improves the post-operative quality of life.

diffusion tensor imaging; tractography; arcuate fasciculus; neuronavigation

ActaAcadMedSin, 2011,33(5):499-503

許百男 電話：010-66938038，電子郵件：sjwkk@sina.com

R651.1

A

1000-503X(2011)05-0499-05

10.3881/j.issn.1000-503X.2011.05.005

國家自然科學(xué)基金(NSFC 30800349)Supported by the National Natural Sciences Foundation of China (NSFC 30800349)

2011-04-15)