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        磁共振功能性成像用于膠質(zhì)瘤術前術中的研究進展

        2018-03-21 01:23:11熊佳佳于韜
        磁共振成像 2018年5期
        關鍵詞:功能區(qū)膠質(zhì)瘤磁共振

        熊佳佳,于韜

        膠質(zhì)瘤(gliomas)是發(fā)生于神經(jīng)外胚層的腫瘤,起源于神經(jīng)膠質(zhì)細胞,是顱內(nèi)原發(fā)性腫瘤中發(fā)病率最高的腫瘤,約占中樞神經(jīng)系統(tǒng)腫瘤的27%,在惡性腫瘤中高達80%左右[1],依據(jù)世界衛(wèi)生組織(World Health Organization,WHO)分級系統(tǒng),分為4級,Ⅰ~Ⅱ級為低級別膠質(zhì)瘤,Ⅲ~Ⅳ級為高級別膠質(zhì)瘤。臨床上在進行病理組織確診前,影像學檢查如CT和MRI是其診斷的主要方法,與CT相比,MRI能夠多序列、多參數(shù)、多平面成像、無骨偽影干擾和具有高的組織分辨力等優(yōu)點。其主要治療方式為手術切除,在保護腦功能區(qū)的情況下提高手術全切率一直是臨床面臨的挑戰(zhàn)。完全切除腫瘤很困難,術后復發(fā)率高,隨著分子影像的逐漸發(fā)展,磁共振功能成像,包括磁共振波譜成像(magnetic resonance spectroscopy,MRS)、擴散張量成像(diffusion tensor imaging,DTI)和血氧水平依賴性功能磁共振成像(blood oxygen level dependent functional MRI,BOLD-fMRI)等體現(xiàn)了在腦膠質(zhì)瘤的診斷、惡性程度分級和療效評價方面獨特優(yōu)勢,還能進一步確定腫瘤與皮質(zhì)功能區(qū)和白質(zhì)纖維束的關系,對腫瘤的術前計劃、術中處理有著非常重要的指導作用,從而避免了術后損傷,降低手術并發(fā)癥,降低復發(fā)率,改善預后。

        1 常規(guī)MRI對膠質(zhì)瘤的診斷與術前規(guī)劃及術中監(jiān)測

        1.1 術前診斷膠質(zhì)瘤并分級判斷

        常規(guī)MRI在中樞神經(jīng)系統(tǒng)應用較為成熟,多方位和三維成像能夠更準確地定位病灶,能夠準確評估膠質(zhì)瘤的部位、大小、形態(tài)、邊界、瘤周水腫等,MRI診斷膠質(zhì)瘤的敏感性較高,特別是結(jié)合增強掃描,能清晰地顯示出病變蔓延的范圍、形態(tài),從而對膠質(zhì)瘤進行分級[2]。

        1.2 術中指導手術并判斷腫瘤邊界

        對于WHO Ⅰ級局灶性神經(jīng)膠質(zhì)腫瘤如毛細胞型星形細胞瘤一般可以完全手術切除,WHO Ⅱ級膠質(zhì)瘤,通常表現(xiàn)為彌漫浸潤性增長模式并有演變?yōu)棰蠹壔颌艏壞z質(zhì)瘤的傾向,單純手術治療完全緩解是不可能的[3],對于WHO Ⅱ~Ⅳ級膠質(zhì)瘤需以手術治療為主,輔以放化療治療。故術前準確診斷病情,區(qū)別高級別與低級別膠質(zhì)瘤是進行最優(yōu)手術規(guī)劃的前提,術中輔助檢查如術中B超、術中MRI (intraoperative magnetic resonance imaging,iMRI)和正電子發(fā)射計算機斷層掃描(positron emission computed tomography,PET)等能在手術的同時實時提供影像學資料,從而有助于精確切除腫瘤。

        iMRI自1996年哈佛大學Alexander等[4]第一次報道用于指導神經(jīng)腫瘤的手術以來,顯示出極大優(yōu)勢,我國最早引進術中磁共振技術的是上海華山醫(yī)院和解放軍總醫(yī)院,iMRI能消除腦移位影響而提高腫瘤全切率,確定正確的手術入路,準確定位顱腦深部微小病變,術中磁共振技術輔助手術治療膠質(zhì)瘤與傳統(tǒng)神經(jīng)導航引導下切除術相比,前者全切率明顯高于后者,iMRI組手術后6個月的無進展生存期明顯高于傳統(tǒng)組,但12個月的總體生存期沒有明顯差異[5]。

        術中能通過T2WI、FLAIR像和T1WI增強等來突顯病灶,確定影像學邊界,區(qū)別瘤體與瘤周水腫,判斷切除是否徹底,隨著術中磁共振的不斷發(fā)展,術中磁共振的場強不斷提高,由固定磁體到移動磁體,由一開始的需要移動患者到磁共振室,到現(xiàn)在無需移動患者就能實現(xiàn)實時磁共振成像,由最初的只提供解剖信息到最后與功能信息的融合,進一步豐富了其在膠質(zhì)瘤手術中的應用。

        1.3 術中MRI局限性

        雖然iMRI能及時更新導航數(shù)據(jù),有效地克服術中“腦漂移”對神經(jīng)導航的影響,但iMRI的使用成本高,MRI導航手術室的建設比較復雜,需要考慮使用范圍、安裝運輸、結(jié)構(gòu)設計和電磁屏蔽處理等多方面因素,費時長,術中需要在開顱的情況下使用無菌塑料覆蓋術區(qū),移動器械等是否會增加感染的機會仍有待研究,在指導累及功能區(qū)的手術操作上能力有限,隨著功能MRI的不斷發(fā)展,有望在分子水平提供更多的信息指導膠質(zhì)瘤的術前術中計劃。但功能MRI的術中應用仍然會進一步增加成像時間,增加感染機會。

        2 磁共振波譜

        2.1 MRS可用于鑒別腫瘤性病變與非腫瘤學病變

        MRS能無創(chuàng)檢測活體內(nèi)代謝物信息的變化[6],MRS可以檢測到與腫瘤相關的膽堿代謝物(Cho)水平升高、N-乙酰天冬氨酸(NAA)水平降低和Cho/NAA比值的升高,磁共振波譜越接近正常組織波譜,越傾向于良性病變和發(fā)育異常[7]。故可在生化水平早期判斷腦功能變化,在腦腫瘤診斷,確定腫瘤邊界,分析侵犯程度方面有很大價值[8-9]。

        2.2 對膠質(zhì)瘤惡性程度分級和浸潤范圍的判斷

        腦膠質(zhì)瘤的無創(chuàng)準確分級對于確定正確的治療計劃是非常重要的,在某些情況下可以避免不必要的侵略性手術治療,董衛(wèi)敏等[6]研究發(fā)現(xiàn)高級別膠質(zhì)瘤與低級別膠質(zhì)瘤相比,膽堿/肌酸(Cho/Cr)和CHO/NAA比值要高,高級別組病灶與健側(cè)的代謝物比值 rNAA和rCr明顯低于低級別組,提示腫瘤級別越高,神經(jīng)元破壞越嚴重,NAA峰下降越明顯,惡性膠質(zhì)瘤出現(xiàn)壞死時會導致Cr峰下降。Raschke等[8]用LCModel軟件定量MRS結(jié)果將波譜分解成正常和異常組織的比例,以鑒定腫瘤程度,浸潤和總體等級,對Ⅱ級和Ⅳ級膠質(zhì)瘤的鑒別準確性能達到85%。腫瘤的局部浸潤與腫瘤復發(fā)預后有一定關系,許來艷[10]發(fā)現(xiàn)腫瘤周圍有水腫組的腫瘤組織、瘤周組織與正常對照組間的NAA/Cr、Cho/Cr和NAA/Cho比值差異均有統(tǒng)計學意義,術后病理證實腫瘤周圍水腫和其鄰近的組織均見細胞浸潤情況,且增強區(qū)邊緣以外3 cm仍然存在惡性膠質(zhì)瘤細胞,故對術中水腫區(qū)域及周邊的MRS檢測有重要預測價值。

        2.3 術中確定腫瘤邊界,識別殘余腫瘤

        膠質(zhì)瘤的侵襲能力強,術中顯微鏡觀察的腫瘤邊界并非腫瘤的實際邊界,完全切除腫瘤困難較大,術中實時MRS有可能成為高場強iMRI的一個重要發(fā)展方向,通過對腦膠質(zhì)瘤手術切緣組織性質(zhì)的實時分析,引導手術切除范圍更逼近實際的腫瘤組織學邊界。Roder等[9]發(fā)現(xiàn)術中常規(guī)MR成像顯示可疑的12例腫瘤殘留患者中,MRS能正確診斷其中10例組織信號的改變,在所有高級別膠質(zhì)瘤中,對于強化和不強化的腫瘤殘留,MRS均有陽性發(fā)現(xiàn),故MRS雖然能夠增加神經(jīng)系統(tǒng)并發(fā)癥風險,但也能幫助實現(xiàn)腫瘤全切術,降低復發(fā)率。

        2.4 MRS的優(yōu)點及局限性

        MRS可以在生化水平鑒別膠質(zhì)瘤和分類,特異性判斷良惡性程度,對于術中殘存腫瘤有較高的敏感性和特異性,三維氫質(zhì)子磁共振波譜成像(3D1HMRSI)的應用將有助于術前腫瘤分級,判斷腫瘤浸潤范圍,將其代謝信息與常規(guī)MRI結(jié)合整合到導航系統(tǒng)中將有助于提高腫瘤切除程度,但因腫瘤異質(zhì)性,MRS重復性低,故不能獨立診斷,且MRS存在空間分辨力低、檢查時間長、易受皮下脂肪和顱骨干擾等缺點。

        3 擴散張量成像

        3.1 術前計劃及判斷預后

        DTI和纖維示蹤技術(diffusion tensor tractography,DTT)能夠定性、定量分析神經(jīng)纖維細微變化,直觀三維地顯示腦白質(zhì)纖維與腦腫瘤間的關系及其受侵程度,與經(jīng)顱磁刺激結(jié)合能減少手術時間,癲癇發(fā)作,準確定位皮層下功能區(qū),從而在最大程度保護功能區(qū)的情況下提高手術績效,基于經(jīng)顱磁刺激數(shù)據(jù)的擴散張量成像纖維示蹤(diffusion tensor imaging fiber tractography,DTI FT)越來越多地用于功能區(qū)腦腫瘤患者的術前規(guī)劃和術中指導,基于經(jīng)顱磁刺激數(shù)據(jù)的DTI FT與基于三維感興趣區(qū)域的DTI纖維示蹤相比,在顯示語言相關的纖維束方面,前者優(yōu)于后者,而單獨對于弓形束的顯示,基于三維感興趣區(qū)域的DTI纖維示蹤顯示的更好,表現(xiàn)出其獨特優(yōu)勢[11]?;诮?jīng)顱磁刺激數(shù)據(jù)的DTI FT還可以用于手術相關的運動障礙的個體術前風險評估,在某些各向異性分數(shù)(fractional anisotropy,F(xiàn)A)水平,術后發(fā)生相關的短暫或永久性運動功能缺損組與未發(fā)生組的高級別膠質(zhì)瘤患者相比,病變至皮質(zhì)脊髓束(corticospinal tract,CST)距離有統(tǒng)計學上顯著性差異,且病變至CST距離≥12 mm的患者未發(fā)生任何新的手術相關的永久性麻痹[12]。故隨著DTT技術的不斷發(fā)展,能識別哪些病人可以完全手術切除和手術獲益最大,有長的生存期,根據(jù)術前DTI信息,可以改變治療策略、制訂更精確的治療計劃、降低術后神經(jīng)損傷和有更好的術后結(jié)果。

        3.2 判斷腫瘤周圍受影響的白質(zhì)纖維類型、區(qū)別低級別與高級別膠質(zhì)瘤

        通過DTI顯示的腫瘤周圍白質(zhì)纖維束的完整性和走形來協(xié)助區(qū)別低級別與高級別膠質(zhì)瘤及制訂手術計劃,包括四種類型:(1)位移:纖維束信號正常,位置和方向改變;(2)水腫:纖維束信號降低,位置和方向正常;(3)浸潤:纖維束信號降低并中斷;(4)破壞:纖維束信號消失。對于不同患者可組合出現(xiàn)[13]。一般膠質(zhì)瘤級別越高對纖維束的破壞越嚴重。

        3.3 術中指導

        DTI和DTT在指導膠質(zhì)瘤手術時,能夠矯正纖維束移位,最大化切除腫瘤,減少術后神經(jīng)功能損傷,提高手術安全性。椎體束屬于皮質(zhì)脊髓束傳導通路,是重要白質(zhì)纖維束,涉及椎體束的腦腫瘤切除后,各級肢體運動功能障礙發(fā)生幾率高,故術中在不損害椎體束的情況下最大切除腫瘤至關重要。劉俊華[14]研究應用DTI 重建以有效錐體束(effetive fibers of pyramidal tract,EPT)為主的腦白質(zhì)纖維束,優(yōu)化手術入路,指導術中最大限度地切除腫瘤并保護EPT的試驗組,與在常規(guī)磁共振圖像指導下行腫瘤切除的對照組相比,腫瘤全切率沒有明顯差異,但是術后功能致殘率和KPS評分均有顯著差異,說明DTI技術對于累及EPT的膠質(zhì)瘤,術前可提供病灶與EPT間的三維解剖信息,指導術者最大范圍切除腫瘤的同時保護EPT。從而明顯降低術后致殘率,改善患者術后生活質(zhì)量。

        3.4 DTI的優(yōu)點及局限性

        DTI能夠三維地顯示腫瘤與周圍纖維束的關系,判斷白質(zhì)纖維的形態(tài)、方向、走形及受累情況,術前個體化評估手術相關運動風險,術中指導手術以免損傷重要白質(zhì)纖維束,從而能夠明顯降低術后并發(fā)癥。但DTI仍存在對磁場的均勻性要求較高、患者的不配合會導致偽影的發(fā)生和近顱底發(fā)生偽影多等缺點。

        4 血氧水平依賴性功能磁共振成像

        4.1 術前定位功能區(qū)及識別腫瘤相關成分

        BOLD-fMRI成像在確定皮質(zhì)功能區(qū)的應用目前越來越用于臨床術前評估,劉寧等[15]發(fā)現(xiàn)BOLD-fMRI功能成像所獲得結(jié)果與術中對大腦皮層直接電刺激所獲得的結(jié)果具有較高的一致性,能夠在術前直觀的定位運動及語言等功能區(qū)位置,評估手術的可行性,并且能夠根據(jù)擬腫瘤切除邊緣與主皮層功能區(qū)的距離判斷術后并發(fā)癥。

        目前,大多數(shù)研究者通過BOLD-fMRI觀察腫瘤與功能皮質(zhì)的關系從而指導手術,主要集中在腫瘤周圍腦皮質(zhì)研究上,而靜息狀態(tài)血氧飽和度依賴性fMRI (resting state fMRI,RS-fMRI)可用于研究腫瘤相關成分,從而區(qū)分腫瘤組織與非腫瘤組織,低級別與高級別膠質(zhì)瘤。Wu等[16]發(fā)現(xiàn)SIC(信號強度相關)在低級別膠質(zhì)瘤組高于高級別組,fALFF(低頻振蕩振幅分數(shù))同樣能區(qū)別低級別與高級別膠質(zhì)瘤,故可用于術前分級,指導手術計劃,一般腫瘤區(qū)域與周圍正常區(qū)域相比表現(xiàn)為更加明亮的形態(tài)特征,更高的RS-fMRI信號,故術中應用可以提高腫瘤全切率,RS-fMRI可以在不依賴患者執(zhí)行任務活動能力的基礎上實現(xiàn)功能成像,未來將會有更大的臨床應用空間。

        4.2 術中指導手術

        傳統(tǒng)上是通過術中喚醒麻醉,皮層誘發(fā)電位及皮層電刺激等侵入性方法定位參與運動、感覺、語言和認知功能的皮質(zhì)區(qū)和皮層下通路,然而這些有創(chuàng)方法需要更大的開顱空間從而增加患者手術損傷。BOLD-fMRI術中定位功能區(qū)更加無創(chuàng)簡便,能夠減少侵入性方法導致的癲癇發(fā)作,且傳統(tǒng)方法不能區(qū)分腫瘤邊界,特別是低級別膠質(zhì)瘤,從而導致腫瘤殘留或是過多切除正常腦組織,降低低級別膠質(zhì)瘤的中位生存期[17-18]。

        4.3 BOLD-fMRI的優(yōu)點及局限性

        BOLD-fMRI具有非侵襲性、無放射性、空間分辨率高、可重復應用等優(yōu)點,而且在定位腦功能活動區(qū)方面具有較高的敏感性,因此是最早應用于臨床腦腫瘤患者術前功能區(qū)定位的影像學技術[19]。RS-fMRI還能在靜息態(tài)對腫瘤組織進行定位。然而,BOLD-fMRI是通過血氧飽和度的對比變化而成像的方法,不能直接顯示神經(jīng)元的活動,因此血管的狀態(tài)將影響成像的結(jié)果,膠質(zhì)瘤血氧消耗增加以及腫瘤區(qū)域血管增生將影響周圍功能區(qū)的BOLD信號精度?;颊叩牟慌浜霞斑\動也會導致BOLD-fMRI不能顯示皮質(zhì)的功能活動。BOLD-fMRI能可靠定位皮層功能區(qū),但不能提供皮層下纖維束的位置和完整性等信息,皮層下纖維束對避免術后神經(jīng)損傷非常重要,因此術前結(jié)合BOLD和DTI將是臨床趨勢,BOLD和DTI的術中聯(lián)合應用可以個性化提供上述重要高級神經(jīng)功能區(qū)的皮層投影的分布和位置信息。

        4.4 DTI與BOLD-fMRI聯(lián)合用于對膠質(zhì)瘤的診斷與術前計劃及術中監(jiān)測

        術前結(jié)合BOLD和DTI能夠讓外科醫(yī)生在了解腫瘤周圍功能信息的基礎上了解腫瘤與周圍的連接關系。通過DTI與BOLD-fMRI術前獲得運動區(qū)和錐體束圖像信息,并用導航系統(tǒng)重建,然后投影到顯微鏡下,在顯微鏡下進行導航手術,并記錄手術前后的肌力變化、運動功能、Karnofsky性能評分(KPS)和手術并發(fā)癥,發(fā)現(xiàn)結(jié)合BOLD-fMRI、DTI和功能神經(jīng)導航用于功能區(qū)腫瘤手術是可行的,有助于最大限度地切除病變,減少神經(jīng)損傷和手術后恢復[20]。聯(lián)合使用fMRI-DTI和直接電刺激指導功能區(qū)腦腫瘤相比于只使用神經(jīng)導航能顯著提高腫瘤切除程度,降低手術相關缺陷的風險,改善生存率[21]。有研究對48例涉及語言功能區(qū)的膠質(zhì)瘤患者進行iMRI功能神經(jīng)導航,BOLD-fMRI用于描繪Broca和Wernicke功能皮層,擴散張量成像行纖維示蹤描繪弓狀纖維束,將重建的語言結(jié)構(gòu)融合到導航系統(tǒng)指導手術,79.2%完成腫瘤全切術,20.8%行次全切術,只有一例發(fā)展為遠期新發(fā)語言功能障礙[22]。膠質(zhì)瘤對瘤周水腫區(qū)的浸潤會影響FA值,單獨運用DTI得到的纖維束圖像會受到FA閾值的選擇、種子點的選擇、個體差異、腫瘤對正常組織的破壞等多方面的影響,故應聯(lián)合多種功能影響來合理化的進行術前評估和術中監(jiān)測。逐漸提高手術效率,避免二次手術。且多模態(tài)(T1 MRI、fMRI和DTI)深度學習功能的術前應用,在預測高級別膠質(zhì)瘤生存時間方面發(fā)揮重要作用,預測準確性達到89.9%,從而能為術前治療計劃提供必要的指導[23]。

        5 結(jié)語

        MRI功能成像的不斷發(fā)展,使位于腦功能區(qū)和腦深部的膠質(zhì)瘤患者手術安全性、精確性大幅度提高,方便了術前準確分級、制定合適手術計劃,術中實時指導糾正腦組織移位,發(fā)現(xiàn)未切除的殘余腫瘤,提高手術成功切除率,聯(lián)合運用能夠避免對腫瘤周圍重要的神經(jīng)、血管和語言運動功能區(qū)的損傷。降低術后損傷,但同時存在成像時間長,影像失真等問題,未來更好的結(jié)合各自優(yōu)勢,綜合運用各種磁共振技術仍然是一項巨大挑戰(zhàn)。

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