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(shù)規(guī)劃中的應(yīng)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(yīng)用

腦腫瘤是嚴(yán)重威脅人體健康的腫瘤之一，通常需手術(shù)治療，功能磁共振成像已越來越多地應(yīng)用于手術(shù)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(shù)，主要分為任務(wù)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(fù)雜，重復(fù)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(shí)運(yùn)作方式越來越受到學(xué)者的重視?；诖耍疚闹饕榻B靜息態(tài)磁共振成像（resting state，rs-fMRI）在腦腫瘤術(shù)中的應(yīng)用及進(jìn)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(shù)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來，自1990年Ogawa等[1]首先報(bào)道利用血氧水平依賴法（BLOD-fMRI）進(jìn)行磁共振腦功能成像技術(shù)，BOLD-fMRI技術(shù)已經(jīng)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(shù)基于fMRI的術(shù)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(yùn)動區(qū)、語言區(qū)）激活的任務(wù)，定位重要功能區(qū)。

就目前ts-fMRI臨床實(shí)踐情況，首先影響使用的是實(shí)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(wù)，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(wù)，由于個人在完成任務(wù)方式上的差異問題及完成任務(wù)時可能產(chǎn)生的頭動都可能使得定位失敗。在技術(shù)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(wù)，使得實(shí)驗(yàn)結(jié)果難以統(tǒng)計(jì)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(yùn)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(shí)運(yùn)作方式。因此，任務(wù)實(shí)驗(yàn)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(wù)態(tài)腦功能定位的術(shù)前定位結(jié)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(wù)檢查模式相反，rs-fMRI要求受試者在避免任何有結(jié)構(gòu)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(jìn)行成像。rs-fMRI關(guān)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(jīng)提取出體感、運(yùn)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(shù)據(jù)處理方法

2.2.1 種子點(diǎn)相關(guān)（seed correlation） 種子點(diǎn)相關(guān)是通過選擇健側(cè)功能區(qū)做種子點(diǎn)，將平均時間序列和全腦其他體素的時間序列逐一計(jì)算相關(guān)，得到功能定位結(jié)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(diǎn)相關(guān)技術(shù)，在與CSM結(jié)果的對比中發(fā)現(xiàn)利用種子點(diǎn)相關(guān)技術(shù)得到的功能定位結(jié)果可以做到接近以至于優(yōu)于ts-fMRI所得到的結(jié)果，并且更加穩(wěn)定。吳亮等[11]在18例運(yùn)動區(qū)腫瘤患者的檢查顯示基于種子點(diǎn)的rs-fMRI定位可以得到與皮層電刺激相當(dāng)?shù)亩ㄎ痪?，再次印證了rs-fMRI定位的良好精度。

但是通過種子點(diǎn)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(diǎn)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(dǎo)致種子點(diǎn)定位準(zhǔn)確性的問題[12]。再者是由于腫瘤的占位和推移的效應(yīng)，使得病灶側(cè)的種子點(diǎn)的選取變得困難[10]。如果使用標(biāo)準(zhǔn)坐標(biāo)進(jìn)行種子點(diǎn)定位，則腫瘤fMRI圖像會存在配準(zhǔn)上的困難[11]。目前可以通過multilayer perceptron（MLP）[13]訓(xùn)練計(jì)算機(jī)來進(jìn)行復(fù)雜RSN網(wǎng)絡(luò)的判讀，可以快速高效（利用Matlab英特爾酷睿i7處理器上運(yùn)行約2min）地得到較為可信的RSN網(wǎng)絡(luò)，并且對于解剖位移和破壞有較好的識別能力。但是計(jì)算機(jī)仍不能對于腦溝及腦回結(jié)構(gòu)有較好的識別，同時由于基于任務(wù)態(tài)參數(shù)設(shè)置的問題，從功能分離的角度設(shè)置的參數(shù)相對于整體評估腦功能區(qū)存在著誤差。

2.2.2 獨(dú)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(shù)支持，ICA[14]是一種數(shù)據(jù)驅(qū)動的腦成像數(shù)據(jù)多元分析工具，于2004年成功應(yīng)用于基于rs-fMRI數(shù)據(jù)的RSFC網(wǎng)絡(luò)提取[15]。ICA技術(shù)可以通過數(shù)學(xué)運(yùn)算將各種噪聲從正常信號中分離出去，從而得到功能網(wǎng)絡(luò)的信號。該技術(shù)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(jìn)行定位上。Kokkonen等[16]嘗試使用ICA技術(shù)研究8例腦腫瘤患者，結(jié)果發(fā)現(xiàn)需要以損失精度為代價(jià)來進(jìn)行空間平滑處理。Zhang等[10]使用ICA技術(shù)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(xiàn)有的使用中我們發(fā)現(xiàn)ICA對于使用者的要求較高，需要觀察者有較高的解剖學(xué)基礎(chǔ)才能從中提取出有效信息，在數(shù)據(jù)的獲取上存有一定的困難性。由于該技術(shù)在腦腫瘤術(shù)前定位的應(yīng)用處于剛起步階段，現(xiàn)有的報(bào)道顯示實(shí)驗(yàn)的樣本數(shù)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(shí)前期的研究結(jié)果。

3 靜息態(tài)fMRI的相關(guān)檢查技術(shù)及進(jìn)展

3.1 術(shù)中磁共振（iMRI） 隨著手術(shù)的進(jìn)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(shù)操作等都會使腦組織產(chǎn)生位移，使得術(shù)前的影像資料的精度下降[18]。Reinges等[19]在實(shí)際應(yīng)用中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)硬腦膜開放到達(dá)1h后，有半數(shù)的患者腦表面因?yàn)樯鲜龅挠绊懸蛩乜沙霈F(xiàn)超過10mm的定位偏差，尤其當(dāng)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(shù)中rs-fMRI定位，取得了較好的定位精度和患者預(yù)后。

通過術(shù)中磁共振可以提供多種信息，包括基礎(chǔ)的解剖信息、腫瘤的邊界及與周圍組織的關(guān)系。同時還可以通過BOLD和DTI（diffusion tensor imaging，DTI）技術(shù)提供功能區(qū)和傳導(dǎo)束的相關(guān)信息。Nimsky等[21]在37例膠質(zhì)瘤切除術(shù)中發(fā)現(xiàn)，隨著手術(shù)切除的進(jìn)行，錐體束的移位可以達(dá)到15mm以上。術(shù)中磁共振對于穿刺活檢和并發(fā)癥的檢出也有其獨(dú)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(biāo)靶點(diǎn)，提高膠質(zhì)瘤診斷的陽性率[22]。同時通過術(shù)中磁共振的監(jiān)測，可以及時發(fā)現(xiàn)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(yù)后。Nimsky等[23]報(bào)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(shù)中磁共振也存在著手術(shù)室需要磁屏蔽改造、設(shè)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(kuò)散來無創(chuàng)地觀察白質(zhì)纖維束的空間方向性和完整性的技術(shù)。DTI定量檢測指標(biāo)主要有各向異性分?jǐn)?shù)（fractional anisotropy，F(xiàn)A）和表觀擴(kuò)散系數(shù)（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(jié)構(gòu)排列緊密度和白質(zhì)纖維束受累程度,定量分析病變組織和正常組織的擴(kuò)散特征，在大腦白質(zhì)纖維成像方面具有獨(dú)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(shù)前采用DTI成像技術(shù)，結(jié)果表明評定腦腫瘤與DTI之間關(guān)系對設(shè)計(jì)術(shù)前入路和決定術(shù)中切除范圍具有指導(dǎo)意義。

4 靜息態(tài)腦功能檢查技術(shù)的展望

目前臨床對于腦功能的檢查已經(jīng)廣泛開展，在使用中我們發(fā)現(xiàn)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(xiàn)，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(yuǎn)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(yīng)用。同時DTI技術(shù)對于大腦解剖特別是網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的良好顯示能力使得其成為研究熱點(diǎn)之一。

綜上所述，如果能聯(lián)合利用rs-fMRI技術(shù)快速便捷的優(yōu)勢和DTI對于纖維追蹤的優(yōu)勢，結(jié)合新型后處理技術(shù)提取出多個大腦功能網(wǎng)絡(luò)，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(zhì)量和效率，為神經(jīng)外科手術(shù)計(jì)劃提供更加詳細(xì)的信息，具有較高的價(jià)值。

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（收稿：2016-06-18 修回：2016-07-27）

國家衛(wèi)生計(jì)生委科學(xué)研究基金-浙江省醫(yī)學(xué)衛(wèi)生重大科技計(jì)劃項(xiàng)目（No.201342245）；浙江省醫(yī)藥衛(wèi)生平臺骨干人才計(jì)劃項(xiàng)目（No.2013RCA001）；浙江省自然科學(xué)基金項(xiàng)目（No.LY16H180007）

1溫州醫(yī)科大學(xué)（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