靜息態(tài)磁共振腦功能成像在腦腫瘤手術規(guī)劃中的應用

孫驍俊袁建華丁忠祥

靜息態(tài)磁共振腦功能成像在腦腫瘤手術規(guī)劃中的應用

孫驍俊1袁建華2丁忠祥2

腦腫瘤；腦功能磁共振成像；靜息態(tài)；應用

腦腫瘤是嚴重威脅人體健康的腫瘤之一，通常需手術治療，功能磁共振成像已越來越多地應用于手術方案的制定。腦功能磁共振成像（functional magnetic resonance imaging，fMRI）是利用血氧水平依賴性磁共振成像技術，主要分為任務態(tài)（taskstate，ts-fMRI）和靜息態(tài)功能磁共振成像（resting state，rs-fMRI）。ts-fMRI可以有針對性觀察腫瘤所在特定區(qū)域的腦功能情況，但操作復雜，重復性不夠理想，而rs-fMRI因其操作簡便，且可能更接近大腦的真實運作方式越來越受到學者的重視?；诖?，本文主要介紹靜息態(tài)磁共振成像（resting state，rs-fMRI）在腦腫瘤術中的應用及進展。

1 腦功能磁共振成像（functional magnetic resonance imaging,fMRI）

腦功能磁共振成像是在MRI技術的基礎上發(fā)展起來，自1990年Ogawa等[1]首先報道利用血氧水平依賴法（BLOD-fMRI）進行磁共振腦功能成像技術，BOLD-fMRI技術已經有了迅速發(fā)展，目前作為功能區(qū)定位的常用方法。目前臨床絕大多數基于fMRI的術前定位均使用ts-fMRI[2]。通過讓患者完成能夠引起功能區(qū)（如運動區(qū)、語言區(qū)）激活的任務，定位重要功能區(qū)。

就目前ts-fMRI臨床實踐情況，首先影響使用的是實際操作中的困難，ts-fMRI的檢查要求患者

配合完成指定的任務，而一些患者存在配合上的困難，如老人、兒童、昏迷者，就無法完成檢查。即使患者完成了任務，由于個人在完成任務方式上的差異問題及完成任務時可能產生的頭動都可能使得定位失敗。在技術上，對于同一個功能區(qū)的檢查，不同的研究者可能會采用不同的任務，使得實驗結果難以統(tǒng)計和比較。目前臨床主要用于定位一些較為初級的功能區(qū)，如體感、運動、聽覺和視覺區(qū)以及語言區(qū)，而很少涉及高級功能區(qū)（注意、工作記憶、執(zhí)行控制等）的定位。近幾十年的研究[3]表明，“功能整合（functional integration）”可能更接近大腦的真實運作方式。因此，任務實驗激活的腦區(qū)并不能代表同屬一個“功能系統(tǒng)”的所有腦區(qū)[4]，基于任務態(tài)腦功能定位的術前定位結果可能會發(fā)生意外的功能區(qū)損失。

2 靜息態(tài)fMRI（resting state，rs-fMRI）

2.1 基本原理 與ts-fMRI的任務檢查模式相反，rs-fMRI要求受試者在避免任何有結構的思維活動的狀態(tài)下即靜息狀態(tài)下完成檢查。通過采集安靜狀態(tài)下的低頻信號（＜0.1Hz）來進行成像。rs-fMRI關注的靜息態(tài)功能連接（resting-state functional connectivity，RSFC）[4]，是不同腦區(qū)的自發(fā)活動在同一功能系統(tǒng)中時間上統(tǒng)一的整合。目前已經提取出體感、運動、聽覺、視覺、語言區(qū)等初級功能區(qū)及注意、工作記憶、執(zhí)行控制等高級功能區(qū)。這種功能連接在不同的功能系統(tǒng)被觀察到而且具有普適性（麻醉或睡眠時仍然存在[5]）和穩(wěn)定性[6-7]。由于是大腦自發(fā)活動，相比ts-fMRI沒有了干擾，從而具有更高的信噪比[8]。同時在操作上也更加簡便。

2.2 rs-fMRI數據處理方法

2.2.1 種子點相關（seed correlation） 種子點相關是通過選擇健側功能區(qū)做種子點，將平均時間序列和全腦其他體素的時間序列逐一計算相關，得到功能定位結果[9]。Zhang等[10]在17例健康人和4例腦腫瘤患者的檢查中使用種子點相關技術，在與CSM結果的對比中發(fā)現利用種子點相關技術得到的功能定位結果可以做到接近以至于優(yōu)于ts-fMRI所得到的結果，并且更加穩(wěn)定。吳亮等[11]在18例運動區(qū)腫瘤患者的檢查顯示基于種子點的rs-fMRI定位可以得到與皮層電刺激相當的定位精度，再次印證了rs-fMRI定位的良好精度。

但是通過種子點得到RSFC存在著其自身的局限性。首先是對于一些特定的腦區(qū)的功能區(qū)（如語言區(qū)）的種子點的選擇上存在的被試者差異，不同的被試者語言區(qū)的先天差異導致種子點定位準確性的問題[12]。再者是由于腫瘤的占位和推移的效應，使得病灶側的種子點的選取變得困難[10]。如果使用標準坐標進行種子點定位，則腫瘤fMRI圖像會存在配準上的困難[11]。目前可以通過multilayer perceptron（MLP）[13]訓練計算機來進行復雜RSN網絡的判讀，可以快速高效（利用Matlab英特爾酷睿i7處理器上運行約2min）地得到較為可信的RSN網絡，并且對于解剖位移和破壞有較好的識別能力。但是計算機仍不能對于腦溝及腦回結構有較好的識別，同時由于基于任務態(tài)參數設置的問題，從功能分離的角度設置的參數相對于整體評估腦功能區(qū)存在著誤差。

2.2.2 獨立成分分析（independent component analysis，ICA）就目前rs-fMRI的發(fā)展，需要的是更加高效的軟件處理技術支持，ICA[14]是一種數據驅動的腦成像數據多元分析工具，于2004年成功應用于基于rs-fMRI數據的RSFC網絡提取[15]。ICA技術可以通過數學運算將各種噪聲從正常信號中分離出去，從而得到功能網絡的信號。該技術可以發(fā)揮rs-fMRI功能定位同時提取多個功能系統(tǒng)的優(yōu)勢，特別是對高級功能系統(tǒng)進行定位上。Kokkonen等[16]嘗試使用ICA技術研究8例腦腫瘤患者，結果發(fā)現需要以損失精度為代價來進行空間平滑處理。Zhang等[10]使用ICA技術完成1例病人的評估，天壇醫(yī)院王引言等[17]完成3例。從現有的使用中我們發(fā)現ICA對于使用者的要求較高，需要觀察者有較高的解剖學基礎才能從中提取出有效信息，在數據的獲取上存有一定的困難性。由于該技術在腦腫瘤術前定位的應用處于剛起步階段，現有的報道顯示實驗的樣本數還過少，存在著較大的差異性。有待將來系統(tǒng)性、大樣本的研究來證實前期的研究結果。

3 靜息態(tài)fMRI的相關檢查技術及進展

3.1 術中磁共振（iMRI） 隨著手術的進行，一系列的操作如：體位、開顱、脫水藥劑的使用、腦組織的腫脹、腫瘤組織的切除、腦脊液的丟失、手術操作等都會使腦組織產生位移，使得術前的影像資料的精度下降[18]。Reinges等[19]在實際應用中發(fā)現，當硬腦膜開放到達1h后，有半數的患者腦表面因為上述的影響因素可出現超過10mm的定位偏差，尤其當患者合并可能使腦體積發(fā)生較大改變的疾病時。Roder等[20]在12例患者上使用術中rs-fMRI定位，取得了較好的定位精度和患者預后。

通過術中磁共振可以提供多種信息，包括基礎的解剖信息、腫瘤的邊界及與周圍組織的關系。同時還可以通過BOLD和DTI（diffusion tensor imaging，DTI）技術提供功能區(qū)和傳導束的相關信息。Nimsky等[21]在37例膠質瘤切除術中發(fā)現，隨著手術切除的進行，錐體束的移位可以達到15mm以上。術中磁共振對于穿刺活檢和并發(fā)癥的檢出也有其獨特優(yōu)勢。通過磁共振波譜，通過選擇Cho/Cr和NAA水平較高的位置為目標靶點，提高膠質瘤診斷的陽性率[22]。同時通過術中磁共振的監(jiān)測，可以及時發(fā)現腦出血、腦缺血、腦水腫、腦梗塞等并發(fā)癥的發(fā)生，從而提高患者的預后。Nimsky等[23]報道在該系統(tǒng)的幫助下，腫瘤切除率從76%提高到96%，明顯提高了腫瘤的切除程度。但是術中磁共振也存在著手術室需要磁屏蔽改造、設備昂貴、掃描時間過長等問題。

3.2 彌散張量成像（diffusion tensor imaging，DTI）DTI是通過檢測水分子的三維擴散來無創(chuàng)地觀察白質纖維束的空間方向性和完整性的技術。DTI定量檢測指標主要有各向異性分數（fractional anisotropy，FA）和表觀擴散系數（Apparent diffusion coefficient，ADC）。通過與MRI圖像疊加后生成的DTI彩圖，可以評估組織結構排列緊密度和白質纖維束受累程度,定量分析病變組織和正常組織的擴散特征，在大腦白質纖維成像方面具有獨特的優(yōu)勢，為疾病的診斷和鑒別診斷提供更多的信息[24-25]。鄒元杰等[26]對78例腦腫瘤術前采用DTI成像技術，結果表明評定腦腫瘤與DTI之間關系對設計術前入路和決定術中切除范圍具有指導意義。

4 靜息態(tài)腦功能檢查技術的展望

目前臨床對于腦功能的檢查已經廣泛開展，在使用中我們發(fā)現rs-fMRI相比較于ts-fMRI有著操作便利的優(yōu)勢，論證rs-fMR能否作為ts-fMRI的替代是今后的探索方向。牛晨等[27]通過對12例腦腫瘤患者的研究發(fā)現，腫瘤距離中央溝的距離會明顯影響rs-fMRI的定位精度，距離越遠定位精度受到的影響就越小，若不克服這種腫瘤占位引起的偏差，還是會大大影響rs-fMRI在臨床上的應用。同時DTI技術對于大腦解剖特別是網絡結構的良好顯示能力使得其成為研究熱點之一。

綜上所述，如果能聯(lián)合利用rs-fMRI技術快速便捷的優(yōu)勢和DTI對于纖維追蹤的優(yōu)勢，結合新型后處理技術提取出多個大腦功能網絡，特別是高級功能區(qū)將對腦功能研究有較大的幫助。在解剖信息和功能信息的雙重支持下提高腦功能成像質量和效率，為神經外科手術計劃提供更加詳細的信息，具有較高的價值。

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（收稿：2016-06-18 修回：2016-07-27）

國家衛(wèi)生計生委科學研究基金-浙江省醫(yī)學衛(wèi)生重大科技計劃項目（No.201342245）；浙江省醫(yī)藥衛(wèi)生平臺骨干人才計劃項目（No.2013RCA001）；浙江省自然科學基金項目（No.LY16H180007）

1溫州醫(yī)科大學（溫州 325035）；2浙江省人民醫(yī)院放射科（杭州 310014）

袁建華，Tel：13857180081；E-mail：yjhhzzj@sina.com