王 滔，張陳誠，李殿友，孫伯民，傅 萌

1. 上海交通大學(xué)醫(yī)學(xué)院附屬瑞金醫(yī)院功能神經(jīng)外科，上海 200025；2. 上海交通大學(xué)醫(yī)學(xué)院附屬瑞金醫(yī)院放射科，上海 200025

腦深部電刺激（deep brain stimulation，DBS）治療帕金森?。≒arkinson's disease，PD）最常用的靶點為丘腦底核（subthalamic nucleus，STN）與蒼白球內(nèi)側(cè)部（globus pallidus internal，GPi）；向治療靶點準(zhǔn)確放置電極不僅能夠使患者獲得最優(yōu)的治療效果，還可以減少刺激相關(guān)的潛在不良反應(yīng)[1-2]。DBS達到與最佳藥物治療相當(dāng)或更優(yōu)的療效直接取決于DBS電極位置的準(zhǔn)確性，據(jù)報道1%～13.6%的患者因電極位置欠理想而需要再次手術(shù)[3-4]。

目前，DBS術(shù)中常用的成像方式包括X射線（通常為C型臂X光機）、計算機斷層掃描（computed tomography，CT） 或 磁 共 振 成 像（magnetic resonance imaging，MRI）等，術(shù)后則常用CT、MRI對電極位置進行評價[5]。既往的研究[6]顯示，X射線僅能夠判斷DBS電極沿電極單一方向的位移，無法顯示其與腦深部靶向核團的相對位置；CT影像需與術(shù)前MRI影像融合，以CT影像的分辨率顯示電極觸點與靶點的相對位置；MRI影像能夠直觀顯示腦深部電極與靶點的相對位置而不必與術(shù)前MRI影像融合，但融合影像能夠定量計算實際電極的位置與手術(shù)計劃的空間距離。當(dāng)前，DBS系統(tǒng)的電極位置評價仍以影像判斷為主，對判斷定位準(zhǔn)確性與選擇刺激觸點程控具有重要參考意義。

鑒于快速成像的CT影像能夠高分辨率顯示DBS電極，而相對耗時的MRI影像能夠清楚呈現(xiàn)腦組織與DBS電極的相對關(guān)系，本研究回顧性評價術(shù)后短期CT聯(lián)合術(shù)前MRI的融合影像、長期MRI影像對電極末端位置顯示的差異，并探討2種技術(shù)成像不同的原因，以期為臨床影像的選擇提供參考。

1 對象與方法

1.1 研究對象

本研究選取2016年1月—2017年12月期間于上海交通大學(xué)醫(yī)學(xué)院附屬瑞金醫(yī)院（簡稱瑞金醫(yī)院）功能神經(jīng)外科接受DBS治療的PD患者?；颊叩幕拘畔ⅲ挲g、性別等）源自瑞金醫(yī)院電子住院系統(tǒng)。所有患者均簽署了知情同意書。

患者的納入標(biāo)準(zhǔn)：①為原發(fā)性PD，符合英國UK腦庫PD臨床診斷標(biāo)準(zhǔn)或中國PD的診斷標(biāo)準(zhǔn)（2016版）[7-8]。②服用左旋多巴類藥物，既往療效良好，但目前療效明顯下降或出現(xiàn)運動癥狀波動與運動障礙，影響生活質(zhì)量。③ 未服藥時，PD病情關(guān)期Hoehn-Yahr分級為2.5～4期。排除標(biāo)準(zhǔn)：①患有帕金森綜合征與帕金森疊加綜合征，或伴有癡呆、嚴重抑郁癥。②未服藥時，PD病情關(guān)期Hoehn-Yahr分級為5期。③因存在諸如人工耳蝸、心臟起搏器、心臟除顫器等金屬植入物，僅采用CT影像定位而無法獲取MRI影像。④因存在惡病質(zhì)、嚴重心血管疾病等無法耐受DBS手術(shù)。

1.2 成像流程

擬手術(shù)患者術(shù)前不安裝Leksell頭架（Elekta，瑞典），采集3.0 T頭顱MRI影像（Signa HDx 3.0 T，GE Healthcare，美國），包括橫斷位、冠狀位的T1加權(quán)成像（T1 weighted image，T1WI）增強影像（經(jīng)靜脈推注10.0 mL釓噴酸葡胺注射液）與T2加權(quán)成像（T2 weighted image，T2WI）。T1WI采用三維磁化準(zhǔn)備快速梯度回波（three-dimensional magnetization prepared rapid gradient-echo，3D-MPRAGE） 序列，成像參數(shù)如下：回波時間（echo time，TE） =2.0 ms、反轉(zhuǎn)時間（inversion time，TI） =450.0 ms、重復(fù)時間（repetition time，TR） =6.5 ms、 翻 轉(zhuǎn) 角（flip angle，F(xiàn)A） =15.0°、帶寬（bandwidth） =31.3 Hz、掃描野（field of view，F(xiàn)OV） =24.0 cm、矩陣（matrix） =320×256、激發(fā)次數(shù)（number of excitation，NEX） =1次、層厚=2.0 mm、層間隔=0 mm，成像時間=3′3″。T2WI采用快速自旋回波（fast spin echo，F(xiàn)SE）序列，成像參數(shù)如下：TE=129.1 ms、TR=3 000.0 ms、FA=90.0°、 帶 寬 =31.3 Hz、FOV=24.0 cm、 矩 陣 =320×192、NEX=1次、層厚=2.0 mm、層間隔=0 mm，成像時間 =3′31″。選取前聯(lián)合 - 后聯(lián)合（anterior commissureposterior commissure，AC-PC）平面作為參考平面，采用常規(guī)方法對患者全顱進行成像，橫斷位成像平行于參考平面，冠狀位成像垂直于參考平面，平均每例患者掃描15～20 min。

手術(shù)當(dāng)日，經(jīng)局部麻醉后將Leksell頭架安裝至患者頭顱，完成術(shù)前CT成像（LightSpeed 16 Slice CT Scanner，GE Healthcare，美國），獲取全顱平行基環(huán)平面的橫斷位CT影像，Helical掃描層厚3.75 mm，無縫重建層厚0.625 mm。將術(shù)前MRI與CT影像傳輸?shù)絃eksell三維手術(shù)計劃系統(tǒng)（Elekta，瑞典）進行影像配準(zhǔn)融合及三維重建，手術(shù)計劃靶點由神經(jīng)外科醫(yī)生確定。

于患者住院期間（即術(shù)后3～5 d）再次獲取CT影像以評價DBS電極（3387型號電極，Medtronic，美國）末端觸點位置，成像參數(shù)與術(shù)前一致，取患者仰臥位、不帶頭架進行成像。利用手術(shù)計劃系統(tǒng)將術(shù)后CT影像與術(shù)前影像融合，評價DBS電極末端觸點與手術(shù)計劃靶點坐標(biāo)的空間差距。

于患者長期程控隨訪期間（通常為術(shù)后3～6個月）按需獲取MRI影像，評價顱內(nèi)電極位置與偏移情況。鑒于患者已手術(shù)植入DBS設(shè)備，故獲取1.5 T MRI橫斷位影像。T1WI采用三維快速擾相梯度回波（three-dimension fast spoiled gradient-echo，3D-FSPGR）序列，成像參數(shù)如下：TE=2.4 ms、TI=350.0 ms、TR=8.1 ms、FA=20.0°、 帶寬=16.7 Hz、FOV=26.0 cm、矩陣=224×224、NEX=1次、層厚 =2.0 mm、層間隔 =0 mm，成像時間 =5′5″。T2WI采用快速恢復(fù)快速自旋回波（fast recovery fast spin echo，F(xiàn)RFSE） 序 列， 成 像 參 數(shù) 如 下：TE=107.9 ms、TR=5400.0 ms、FA=90.0°、帶寬 =10.4 Hz、FOV=26.0 cm、矩陣=256×224、NEX=3次、層厚=2.0 mm、層間隔=0 mm，成像時間=3′52″。利用手術(shù)計劃系統(tǒng)將術(shù)后MRI影像與術(shù)前影像融合，評價DBS電極末端觸點與手術(shù)計劃靶點坐標(biāo)的空間差距。

1.3 統(tǒng)計學(xué)方法

采用SPSS 23.0軟件對研究數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析。符合正態(tài)分布的定量資料以表示，采用配對樣本t檢驗進行分析；不符合正態(tài)分布的定量資料以M（Q1，Q3）表示，采用配對樣本的非參數(shù)檢驗Wilcoxon符號秩和檢驗進行分析。P≤0.05表示差異具有統(tǒng)計學(xué)意義。

2 結(jié)果

2.1 人口統(tǒng)計學(xué)信息分析

本研究共入選49例PD患者，男性22例、女性27例，年齡40～82歲，平均年齡（62.8±8.2） 歲。其中1例患者因帕金森癥狀改善欠佳而由雙側(cè)STN靶點調(diào)整為雙側(cè)GPi，即接受2次手術(shù)治療，納入研究統(tǒng)計2項記錄。因此，共計有36例患者植入DBS電極至雙側(cè)GPi，7例患者為雙側(cè)STN，另有7例患者為單側(cè)GPi與對側(cè)STN的不對稱靶點。

2.2 影像學(xué)分析

48例患者獲取了術(shù)前3.0 T MRI影像，2例因植入DBS設(shè)備而獲取1.5 T MRI影像。于術(shù)后住院期間，平均（2.6±1.2）d獲取患者CT影像，用于評價電極位置；于長期程控隨訪期間，平均（7.4±5.9）個月獲取1.5 T MRI影像，用于評價電極位置。因此，針對所有患者，共獲得了50組術(shù)后CT融合影像與術(shù)后MRI影像。

分別將同一患者的術(shù)后CT影像（圖1）與術(shù)后MRI影像（圖2）融合至術(shù)前影像，以獲得空間坐標(biāo)值從而比較空間差距，即按照左右側(cè)DBS電極分別比較同側(cè)電極內(nèi)外（X軸）、前后（Y軸）、頂?shù)祝╖軸）以及空間距離。結(jié)果（表1）顯示術(shù)后CT融合影像與術(shù)后MRI影像中，DBS電極在內(nèi)外、前后、頂?shù)?個方向及空間距離間差異均具有統(tǒng)計學(xué)意義（右側(cè)電極內(nèi)外、頂?shù)追较虺猓?；因此，整體而言2種成像方法在各自時間節(jié)點對術(shù)后DBS電極末端觸點位置的顯示存在較大差異。

圖1 DBS術(shù)后患者CT影像與術(shù)前MRI影像的融合影像Fig 1 Fused image of CT images after DBS surgery and preoperative MRI images of patients

此外，將同一患者的術(shù)后CT影像所示的電極末端觸點空間坐標(biāo)值與術(shù)后MRI影像坐標(biāo)值間的差值進行排列并分析其分布情況（圖3）。手術(shù)計劃系統(tǒng)的影像空間以右、后、頂部為坐標(biāo)原點，坐標(biāo)值朝左、前、底部按照空間距離逐漸增加。依據(jù)表1所示空間差距以及手術(shù)計劃系統(tǒng)三維坐標(biāo)系實值分布提示，雙側(cè)電極在術(shù)后長期與短期相比均存在向內(nèi)側(cè)、后方、底部與腦組織發(fā)生相對位移的趨勢。

圖2 DBS術(shù)后患者MRI影像與術(shù)前影像的融合影像Fig 2 Fused image of MRI images after DBS surgery and preoperative images of patients

表1 DBS電極在術(shù)后CT融合影像與術(shù)后MRI影像中的立體定向空間差異Tab 1 DBS electrodes differences of stereotactic space between postoperative CT fused images and the postoperative MRI images

圖3 患者術(shù)后CT、MRI影像所示電極末端觸點坐標(biāo)差異的頻數(shù)分布直方圖Fig 3 Histogram of the frequency distribution of the differences among last contacts of electrodes shown in the CT and MRI images of the patients after operation

3 討論

本研究通過術(shù)后短期CT與術(shù)前3.0 T MRI的融合影像、術(shù)后長期隨訪采集的MRI影像對比分析DBS電極末端觸點所示空間位置發(fā)現(xiàn)，前者的顯示結(jié)果并未明顯優(yōu)于后者，但2種成像方法在各自時間節(jié)點對術(shù)后DBS電極末端觸點位置的顯示存在較大差異。本研究還發(fā)現(xiàn)，DBS電極在內(nèi)外、前后、頂?shù)兹S方向均有明確位移，兩者成像誤差達到0～4.7 mm，且雙側(cè)電極的相對位移均存在向內(nèi)側(cè)、后方、底部發(fā)生的趨勢；該誤差范圍將顯著影響依據(jù)術(shù)后影像判斷的DBS電極觸點與靶向核團的相對空間關(guān)系，但其二者間相對位置的變化趨勢可提示在術(shù)后長期過程中存在潛在的位移規(guī)律。由此可見，術(shù)后短期DBS電極位置仍有可能在顱內(nèi)發(fā)生變化，而既往研究[9-11]提示多種因素的影響對DBS電極觸點位置的評價不容忽視。本研究主要考慮以下潛在影響因素對術(shù)后短期電極位置的判斷。

3.1 腦漂移

DBS手術(shù)期間顱骨被鉆孔后可導(dǎo)致空氣進入，從而使腦實質(zhì)發(fā)生相對顱骨的非線性變形——主要由腦脊液（cerebrospinal fl uid，CSF）流失所致腦漂移——患者仰臥位時積氣將前腦朝枕骨方向推擠。然而，在術(shù)后短期成像時患者的氣顱并未完全消退，DBS電極可能因此未能嚴格按照手術(shù)計劃被植入腦深部核團，造成電極觸點未完全處于靶點的植入誤差范圍；即使顱內(nèi)空氣逐漸被吸收，腦實質(zhì)變形亦逐漸恢復(fù)，但其空間位置未必能夠與術(shù)前一致，從而亦可能使DBS電極相對腦實質(zhì)發(fā)生位移。

據(jù)報道，與年齡、術(shù)前腦室容積、手術(shù)時間相比，腦漂移對患者DBS電極植入的影響更為顯著[9-11]。術(shù)后顱內(nèi)空氣容積與AC的移位顯著相關(guān)，且因此導(dǎo)致的在單側(cè)植入DBS電極手術(shù)中AC-PC連線朝對側(cè)移位、雙側(cè)手術(shù)中AC-PC連線朝后側(cè)移位等情況已屢見不鮮[12-13]。隨顱內(nèi)硬膜下積氣被吸收，DBS電極可沿電極路徑向上平均位移（3.3±2.5）mm，位移程度與術(shù)后硬膜下積氣量顯著相關(guān)。為減少所觀察到的位移，部分醫(yī)師在植入DBS電極時選擇比經(jīng)測試刺激后有良好反應(yīng)的最腹側(cè)點更深的位置作為實際電極的植入深度值點[14]，或者需要設(shè)計多條路徑以準(zhǔn)確定位靶點；然而，補償性調(diào)整電極位置未必適合所有的患者，且路徑的增加也可能增加患者腦出血等的潛在風(fēng)險，因此減少CSF流失對腦漂移至關(guān)重要。目前，常通過縮小硬腦膜切口，減少手術(shù)時間，減少CSF吸引，用生理鹽水沖洗顱骨鉆孔并以生物蛋白膠封閉，達到減少CFS流失的目的。

本研究中患者的積氣多分布于前額與鉆孔附近，該情況給術(shù)后電極位置的改變造成了顯著影響。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，靠前、靠頂部的積氣隨術(shù)后的恢復(fù)逐漸被吸收后，受擠壓的腦組織亦可逐漸恢復(fù)至術(shù)前形態(tài)，即向前、向頂部發(fā)生小的形變，而DBS電極相對于恢復(fù)后腦組織發(fā)生的位移傾向即為雙側(cè)均向內(nèi)側(cè)、后側(cè)與深部。當(dāng)前，腦漂移仍難以規(guī)避且是亟待解決的手術(shù)相關(guān)問題之一；而當(dāng)建立相應(yīng)物理模型時，研究者們需考慮電極與腦組織共同位移傾向（上述研究[12-13]提示）與兩者相對位移傾向（本研究提示），以優(yōu)化模擬表現(xiàn)。

3.2 影像融合

DBS手術(shù)定位與術(shù)后評價最常用的影像變換手段即為影像配準(zhǔn)與融合，而這些手段多以術(shù)前定位、術(shù)后無框架頭顱CT影像與術(shù)前影像融合以評價電極位置，且有條件的手術(shù)中心在術(shù)中常用頭顱CT和（或）MRI影像與術(shù)前影像融合以評價電極位置[15]。由于術(shù)前影像可用于確定解剖結(jié)構(gòu)，術(shù)后影像用于確定電極位置，共同配準(zhǔn)（co-registration）則是實現(xiàn)上述精確影像的關(guān)鍵步驟[16-17]。影像配準(zhǔn)與融合算法對融合影像質(zhì)量具有決定性作用，因此不精確的配準(zhǔn)最終會導(dǎo)致影像誤差增加。而在臨床實踐中尤其是術(shù)后MRI影像方面，有時僅采集到部分大腦影像而非全顱，將其準(zhǔn)確配準(zhǔn)到術(shù)前影像對于配準(zhǔn)算法頗具挑戰(zhàn)性，而在某些情況下甚至需要手動配準(zhǔn)術(shù)后影像。

3.3 電極識別

因具有金屬材質(zhì)的特性，DBS電極可在CT與MRI影像中呈現(xiàn)相應(yīng)偽影；其中，CT影像主要以電極末端4個刺激觸點為中心呈現(xiàn)出放射狀偽影，而MRI影像主要以觸點為中心呈現(xiàn)出4個橢圓狀偽影，即電極刺激觸點在平面影像中以“增粗”的形狀呈現(xiàn)（MRI中局部空間扭曲）——偽影橫截面長軸大于實際電極直徑，從而可以通過人工直視來判斷電極末端觸點中心存在的可以預(yù)見的誤差。在計算機重建電極步驟中，既往研究[18-20]利用相應(yīng)模型證明MRI影像與CT影像的電極偽影中心正是對應(yīng)的顱內(nèi)電極中心。為此，通過計算機重建DBS電極，實現(xiàn)電極末端觸點中心的自動識別以客觀評價電極在不同時間節(jié)點的相對位移，可能是減少人工偏移的更優(yōu)方案。

對DBS電極在腦深部位置的驗證不僅可以發(fā)揮最大的治療作用，減少潛在的不良反應(yīng)并降低未來需要額外重新定位手術(shù)的可能性，還可以對術(shù)后程控刺激觸點的篩選提供參考，避免在刺激靶點外區(qū)域引起不必要的相關(guān)不良反應(yīng)。

本研究為單中心回顧性研究設(shè)計，尚存在一些局限性，包括術(shù)后復(fù)查CT與MRI的成像時間節(jié)點并未嚴格固定，術(shù)后掃描時間節(jié)點跨度較大，術(shù)后短期顱內(nèi)水腫、積氣等變化對時間的變化率較大，術(shù)后遠期可能存在隨年齡的腦變化等。如前所述，人工直視定位電極末端觸點中心受電極周圍偽影的干擾，給觸點中心的識別增加了一定的難度；盡管融合影像的配準(zhǔn)程度在人眼直視下對齊良好，但融合誤差仍可能對其所測結(jié)果形成潛在差異。另外，鑒于術(shù)后評價影像均取自橫斷位影像，冠狀位與矢狀位平面的影像重建分辨率低于橫斷位影像，故判斷這兩個平面所示電極末端觸點位置存在潛在的不準(zhǔn)確性。正因如此，真實觸點中心的判斷應(yīng)源于電極觸點的橫斷面影像，因而影像配準(zhǔn)融合算法的優(yōu)劣對與影像評價具有至關(guān)重要的作用。

目前，利用立體定向手術(shù)精準(zhǔn)植入DBS設(shè)備已為越來越多的患者提供了較好的生活質(zhì)量。細致的手術(shù)定位是治療的基礎(chǔ)，嚴格的定位評價是對個體治療的有效保障。術(shù)后短期的CT影像與術(shù)前影像融合受多種因素影響，因而對于DBS術(shù)后最終電極位置的評價相對有限。本研究發(fā)現(xiàn)，與術(shù)后短期患者相比，DBS電極在術(shù)后長期患者顱內(nèi)存在微小的相對位移傾向；該結(jié)果不僅為當(dāng)前臨床實踐操作提出了亟待完善的要求，同時也是建立腦漂移物理模型的研究基礎(chǔ)之一，可為優(yōu)化手術(shù)植入DBS電極提供參考。