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多模态MRI技术结合神经导航术中超声在枕叶视觉功能

发布时间:2017-11-06 04:11 来源:西藏阜康医院
  多模态MRI技术是在常规MRI的基础上,对多种功能MRI技术的一种柔性组合[1]。目前用于神经外科手术的多模态MRI主要有常规MRI、血氧水平依赖功能磁共振成像(blood oxygenation level dependent functional magnetic resonance imaging, BOLD-fMRI)、弥散张量成像(diffusion tensor imaging DTI)、灌注加权成像(perfusion-weighted imaging, PWI)等,多模态MRI技术结合神经导航已经成为神经外科手术的重要辅助工具之一。2012年1月—2014年11月我们利用多模态MRI技术结合神经导航及术中超声对20例大脑枕叶视觉功能区胶质瘤进行显微外科手术,取得了很好的疗效,现总结如下。

  1 资料与方法

  1.1 一般资料

  回顾性分析2012年1月—2014年11月安徽医科大学附属省立医院神经外科收治的20例大脑枕叶视觉功能区胶质瘤患者的临床资料,所有病例经病理证实为脑胶质瘤,临床、病理资料完整。患者均知情同意并经过医院伦理委员会审核同意(批文号201212)。其中男9例,女11例;年龄27~72岁,平均49.9岁。主要症状为视物模糊9例,癫痫5例,头晕3例,头痛、呕吐等高颅压症状3例。复发胶质瘤3例。均采用多模态MRI技术结合神经导航进行显微外科手术。病例纳入标准:(1)肿瘤位于大脑枕叶视觉功能区,且术后病理确诊为胶质瘤;(2)能配合完成所需要的多模态影像检查,图像质量具有分析价值;(3)临床资料和随访资料完整。排除标准:(1)不能配合多模态影像检查者;(2)图像有运动伪影和其他因素造成质量降低而影响分析者。

  1.2 多模态影像检查方法

  扫描设备为荷兰Philips公司Achieva 3.0T超导型MR扫描仪,16通道标准头线圈进行头部扫描,扫描前佩戴标准3M除噪耳机。

  1.2.1 常规导航扫描序列

  采用FSE序列。T1WI轴位面:TR=250 ms,TE=3 ms;T2WI横断面:TR=3 200 ms,TE =80 ms。层厚均为5 mm,层距1 mm;采样矩阵250×250,激励次数为2。

  增强扫描对比剂为钆喷替酸葡甲胺,剂量为0.1 mmol/kg体质量,从肘静脉注入,注射速率0.3 mL/s,获得T1WI导航轴位增强图像,低级别胶质瘤可直接选择T2WI轴位像进行扫描。

  1.2.2 视觉BOLD-fMRI检查

  采用平面回波成像(echo planar imaging,EPI)序列采集,参数:TR=3 000 ms, TE=50 ms,Flip角为90°,FOV 230 mm×230 mm,采样矩阵96×96,重建矩阵128×128,层厚5 mm,层距0.5 mm,激励次数为1。3D-T1采用T1FFE,参数:TR=25 ms,TE= 6.2 ms,Flip角为90°,FOV 230 mm×230 mm,采样矩阵96×96,重建矩阵128×128,层厚0.8 mm,层距0 mm,激励次数为1。

  1.2.3 视觉刺激模式

  采用组块刺激模式,患者采用睁眼闭眼闪光刺激,任务由3个激活期和3个静息期组成,每期持续30 s(图1)。在刺激状态,用于视觉刺激的屏幕上显示闪烁的棋盘格图像,闪烁频率约为8 Hz。患者接受刺激时尽量不要闭眼。

  图1视觉血氧水平依赖功能MRI检查 1A 视觉刺激组块模式图 1B 在刺激状态时屏幕显示由颜色相反、交替显示的2幅互补图像a和b组成的闪烁棋盘格图像

  1.2.4 DTI检查

  采用单次激发EPI弥散成像脉冲序列,b值取1 000 s/mm2,弥散敏感梯度方向数16个。扫描参数:TR=11 500 ms,TE=55ms,FOV 230 mm×230 mm,采样矩阵128×128,重建矩阵256×256,扫描层数64层,层厚2 mm,层距0 mm,激励次数为1。采用前后连合线定位线总计获取64层图像,覆盖整个大脑半球和脑干;采集时间6 min 51 s。

  1.2.5 PWI检查

  主要针对复发胶质瘤患者。在常规增强序列扫描前扫描,选择脂肪抑制梯度回波-平面回波(SE-EPI)技术,参数为TR=1 400 ms,TE=41 ms,矩阵128×128,翻转角度30°,FOV为230 mm×230 mm,层厚5 mm,激励次数1次;根据常规T2WI上病变范围采用多层采集方式,选择13个层面覆盖整个肿瘤组织,每层面采集50幅图像,成像时间为78 s,共采集650幅灌注原始图像。扫描前自动匀场,使用MR机配套高压注射器,对比剂为钆喷替酸葡甲胺,剂量为0.1 mmol/kg体质量,注射速率5~6 mL/s,套管针经肘静脉注射,随后以相同速率注射20 mL生理盐水冲刷。注射对比剂同步启动PWI扫描。

  1.3 图像处理与手术计划制定

  术前将多模态fMR参数序列(PWI、DTI及BOLD-fMR)影像学资料传输至Brainlab工作站,利用导航系统的iPlan手术计划系统(iPlan Cranial 3.0版本)将图像进行融合。以T1WI像为参考影像,DTI图像及BOLD-fMRI图像为工作影像,采用自动融合模式进行。利用多模态MRI技术(常规MRI、BOLD-fMRI、DTI和PWI )对大脑枕叶胶质瘤的恶性度、浸润边界、血流灌注、病灶与视皮层及视辐射的毗邻关系(推挤、浸润或破坏)进行全面评估,进行脑结构影像与脑功能影像结合定位,设计手术方案。

  1.4 术中导航及实时超声

  在Brain-Lab导航系统(德国博医来公司,该系统配备超声扇形凸阵探头-型号IGSoniclovs,探头直径25 mm×15 mm,发射频率为5~7.5 MHz)引导下,设计合适的手术入路、界定病灶切除范围。术中实时应用超声检查,协助判断肿瘤切除程度,并对病变周围的视皮层及视辐射进行"预警"。在显微镜下切除病变,当多模态MRI及术中导航提示肿瘤浸润或破坏同侧视辐射时,为减少神经功能的损害而不强求肿瘤全切除。

  1.5 术后处理及随访方法

  术后2周开始放疗,放疗结束后至少完成6个疗程的化疗,化疗药物为替莫唑胺。术后3 d和1、3、6个月及此后每6个月复查MR,并进行视力、视野等神经功能评估。

  以手术前、后影像学检查的容积定量分析为标准,评估胶质瘤切除程度:全切除,100%病灶切除;次全切除,90%≤病灶切除<100%;部分切除,病灶切除<90%[2]。

  1.6 统计学方法

  应用SPSS 17.0统计软件处理观察数据。计数资料采用Fisher确切概率法分析。以P<0.05为差异有统计学意义。

  2 结果

  2.1 多模态MRI采集与处理

  20例患者均顺利完成了多模态MRI采集与处理,图像清晰,实现了脑结构影像与脑功能影像结合定位(图2)。受肿瘤影响,视皮层可见移位和分散;视辐射单纯受推挤共12例、受浸润和/或破坏共8例,见图3、图4。3例复发胶质瘤通过PWI检查与放射性坏死鉴别,确定肿瘤的实体区和高灌注区。

  图2多模态影像对枕叶病灶进行脑结构影像与脑功能影像结合定位 2A 左枕占位灶,术后病理证实为胶质母细胞瘤(WHO Ⅳ级) 2B 三维重建显示肿瘤(红色)、血氧水平依赖功能MRI显示视觉皮层(黄色)以及弥散张量成像显示视辐射(绿色) 2C 三维剖面图显示肿瘤(红色)、视觉皮层锥体束(黄色)以及视辐射(绿色色)的空间位置关系

  图3多模态影像显示枕叶病灶对视辐射的影响 3A 在轴位FA图上右侧的视辐射由于受到肿瘤的侵犯,失去了各向异性 3B 三维重建纤维束图, 见右侧视辐射走形中断 3C 弥散张量成像显示右侧视辐射(绿色)由于肿瘤(红色)的占位效应而走行中断

  图4灌注加权成像多模态影像显示枕叶病灶对视辐射的影响 4A 常规T1WI见左侧侧脑室枕角内侧病灶明显强化 4B 灌注加权成像显示左侧侧脑室枕角内侧高灌注,肿瘤内最高局部脑血容量比值2.04 4C 灌注曲线图示红色曲线为可能胶质瘤复发区,提示下降支降幅明显,上升支较短

  图5多模态MRI影像与神经导航及术中超声融合,术中实时纠正导航脑移位(黄线勾画范围为肿瘤部分) 5A 多模态MRI影像与神经导航融合 5B 术中实时超声肿瘤组织显示为高信号

  图6手术前后视野改善情况(红色为视野缺损区域) 6A 术前 6B 术后

  2.2 多模态MRI神经导航指导手术进程

  通过多模态MRI引导下的神经导航系统,结合术中超声(图5),实时指导肿瘤切除。本组患者脑胶质瘤切除范围与视皮层及视辐射的控制在安全距离(0.5~1 cm)以上,术后所有患者未出现新的神经功能缺失症状或体征。

  2.3 手术切除情况及术后病理

  根据术后复查MRI显示,影像学全切除17例(85.0%,17/20);大部分切除3例(15.0%,3/20),其中1例WHO Ⅲ、2例WHO Ⅳ级,因肿瘤浸润同侧视辐射而未强求全切除。术后病理诊断:胶质瘤WHO Ⅱ级4例,Ⅲ级7例,Ⅳ级9例。

  2.4 术后症状改善情况以及视力视野情况

  随访1~30个月,3例术后复发,均为肿瘤大部分切除病例,其中2例为WHO Ⅳ级,分别于术后7个月和15个月复发;1例为WHO Ⅲ级,术后13个月复发。术后1个月随访视力视野较术前改善12例(60%,12/20)(图6),视力视野同术前无明显变化8例(40%,8/20)。其中2例患者术后出现视野缺损加重,给予积极治疗1个月后视力恢复术前水平。

  视辐射受单纯推挤组术后视力视野改善达10/12,浸润和/或破坏组术后视力视野改善2/8。两组差异有统计学意义(P<0.05)。

  3 讨论

  在脑胶质瘤的治疗手段当中,由于手术治疗仍占主要地位,手术切除程度对于胶质瘤的预后具有十分重大的意义。然而,胶质瘤因其侵袭性的生长特性极易侵犯视觉皮层和神经纤维束,因此最大限度地切除病变,最小限度地损伤神经功能是显微神经外科手术所追求的目标[3]。枕叶神经功能的保护,除了保护视皮层外,还要保护视辐射的完整性。常规的手术是利用普通MR和解剖学特点判断功能区,因此,术中带有很大的盲目性,导致肿瘤的全切除率低、易复发、致残率高。本研究中采用的多模态MR成像技术,正是通过融合常规MRI、fMRI、DWI和PWI,实现脑结构影像与脑功能影像结合,达到了肿瘤可视化,直观地反映了枕叶视皮层、视辐射的走向、病变的位置以及三者间的空间位置关系,据此可制定出合理的手术方案[4]。

  BOLD-fMRI成像技术是通过MR信号反映功能活动区局部血氧饱和及血流量变化情况,间接反映神经元活动,从而达到功能监测的目的。因此,BOLD-fMRI可以对皮层功能区显像,明确肿瘤与皮层功能区的解剖关系,以及皮层功能区自身状况。其优点是其既可以用无创的方式描绘大脑的功能,又可以描绘出大脑的解剖结构。本组病例中所有患者的视皮层都被很好的激活,但由于枕叶胶质瘤及其水肿的影响,视皮层出现了移位、不连续以及两侧激活区不对称的现象,仅评肉眼或普通MR是很难辨别的。BOLD-fMRI能够在术前可视化的显示枕叶病变与视皮层的位置关系,为优化手术方案提供了较为直接的依据[5]。

  DTI技术是利用组织中水分子扩散运动存在的各向异性来探测组织微观结构,是目前##可以在活体上无创研究神经纤维束的位置、走向、排列顺序和它们之间的相互关系,能够直观地显示脑白质内纤维束在3D空间的结构,提前获得重要传导系统的位置及走行,有助于了解脑肿瘤内部及周围组织结构[6]。DTI技术结合神经导航系统,可立体显示肿瘤与周围神经纤维的关系,便于策划手术预案及降低手术并发症。Jia等[7]认为,DTI技术可完全重建锥体束的走形,能术前预测肿瘤切除的程度,并能提高术后的Karnofsky功能状态评分。王丽君等[8]认为,MR DTI可帮助重建锥体束的3D结构,有助于直观了解脑胶质瘤对锥体束的侵袭程度从而保证最小限度的损伤。脑肿瘤对白质纤维束,包括视辐射的影响有下列3种情况:(1)移位。患侧纤维束由于肿瘤的占位效应,其位置和对侧相比其只有移位,而其仍保持完整性。(2)浸润。由于肿瘤细胞的侵袭性关系,白质纤维束被浸润,可见其有部分被破坏而中断。(3)破坏。纤维束被破坏的可见其连续性中断[9]。本组病例中12例患者视辐射受到胶质瘤及其水肿的影响而出现不同程度的移位,术后视辐射完整保留,其中10例患者视力视野障碍明显改善。8例患者视辐射受到浸润和(或)破坏,为保留视辐射结构完整,其中3例只能做到肿瘤大部分切除,有2例患者术后视力视野障碍明显改善。

  PWI是在分子水平反映组织微血管分布和血流灌注情况的一种功能性成像方法,可直接反映血管的增殖程度,根据脑血容量(cerebral blood volume, CBV)的变化可以量化地反映肿瘤内部微血管密度及血管分布情况,有助于术前判断病变恶性程度、界定病变范围以及评价手术效果及预后[10],有助于鉴别胶质瘤复发与放射性坏死。目前PWI用于鉴别放射性坏死与肿瘤复发的主要参数为CBV,因典型放射性坏死缺乏新生血管,血管内皮细胞坏死、血管壁纤维素性坏死和玻璃样变、血管源性水肿、血管管腔狭窄等改变,故CBV值下降;而复发的肿瘤由于有大量新生血管,血供增加,所以CBV值升高[11]。本组病例中PWI检查主要针对3例复发胶质瘤患者,与放射性坏死鉴别,确定肿瘤的实体区和高灌注区,为最大程度切除肿瘤提供影像学依据。

  BOLD-fMRI、DTI和PWI具有互补性,多模态MRI技术将三者融合,提供了常规成像所不能提供的脑肿瘤解剖结构及功能信息。术前利用多模态MRI技术对枕叶病灶的恶性度、浸润边界、血流灌注、病灶与视皮层及视辐射的毗邻关系进行全面评估,进行"脑结构影像与脑功能影像结合定位";再将多模态MRI融合神经导航系统,实现影像学与神经导航计划系统融合。术中在神经导航辅助下,设计合适的手术入路、界定病灶切除范围,并对其周围的视皮层及视辐射进行"预警",选择合适的脑沟入路,有效避免损伤功能区及锥体束[12],实现最大限度地切除病灶、最小限度地损害神经功能。Berntsen等[13]认为,术前BOLD-fMRI和DTI检查可以提供术者选择合适手术方式。本组病例中3例胶质瘤(1例WHO Ⅲ级,2例WHO Ⅳ级)因肿瘤浸润同侧视辐射而未强求全切除,其余病变均获得全切除。术后随访1~30个月,8例患者视力视野较术前有所改善,12例患者视力视野同术前无明显变化,其中2例患者术后出现视野缺损加重,给予积极治疗1个月后视力恢复术前水平。

  术中神经导航可能因为多种原因发生脑移位从而影响其精确性。本组加用术中超声纠正脑移位,术中将超声图像与MRI融合,实时超声图像可不断纠正MR导航的图像移位,从而达到导航定位的精准,提高肿瘤全切除率,使用方便快捷。准确判断颅内胶质瘤边界和肿瘤的残余才能提高切除率,利用术中超声可以有效解决这个问题。在术中评估颅内胶质瘤完全切除标准,应以术毕原来导航勾画的范围超声显示未见明显病灶原始回声影为准,即病灶切除前显示的异常回声(包括高回声或混杂回声),而切除完后超声显示低回声残腔影信号[14]。术中注意减少脑脊液丢失等导致脑移位的操作至关重要。在导航指引下选择合适脑沟切开,并注意减少脑脊液丢失;其次从远离锥体束及功能区皮层先切除肿瘤,当导航指引接近远离锥体束及功能区皮层时减少电凝使用等可最大程度保障其解剖结构的完整。

  枕叶功能区病变容易侵犯视觉皮层和视辐射,从而造成患者的视觉障碍。有研究表明,术后出现功能缺失与肿瘤边界到功能区的距离有关。Krishnan等[15]认为,肿瘤与功能区距离<5 mm,手术后将有神经功能缺损的高风险,距离10 mm内将借助皮层电剌激监测,距离>10 mm将可以安全的全切除肿瘤。因此,本组病例中病灶切除范围与视皮层及视辐射的安全距离控制在0.5~1 cm以上,术后所有患者未出现新的神经功能缺失。另外,本组病例中视辐射受单纯推挤组术后视力视野改善达10/12,浸润和/或破坏组术后视力视野改善2/8,两者差异有统计学意义,说明锥体束受浸润或破坏容易导致术后神经功能障碍,提示术者合理选择治疗方式并注意术中操作。

  通过本组病例的研究,笔者对枕叶视觉功能区手术中应用多模态MRI技术和神经导航技术总结以下几点:(1)多模态MRI技术与神经导航融合能够进行"脑结构影像与脑功能影像结合定位",术中实现视皮层、视辐射与枕叶病变的空间关系可视化,优化手术方案,选择最理想的手术入路,寻找合理的脑自然间隙,准确定位和切除病灶,实时指导手术的进行。在体现微创个性化的同时,提高了病变的全切率而最大限度保护了神经功能,降低了手术并发症,改善了病人的术后生活质量。(2)对于年龄较大或文化层次较低的患者,其理解不了执行的任务并不能很好的配合,往往导致数据采集的失败。因此多模态MR技术的开展需要严格选择合适的临床病例。(3)BOLD-fMRI反映的是被激活脑区域的微血管动力学变化,而不是神经元的直接激活。因此患者的配合程度,刺激模式及后处理方法的不同等都会影响fMRI的准确性。(4)视辐射投射路径较为特殊,其与周围脑白质纤维束交错混杂,个体差异较大,目前还没有可靠方法能够精确地验证其可靠性。(5)神经导航存在术中移位的问题。纠正术中脑移位的最好方法是术中MR,但由于其价格昂贵,临床应用受到限制。为了解决脑移位带来的误差,笔者通过小骨窗尽量减少不必要的脑暴露,减少脑脊液流失及减轻脑组织牵拉等措施可降低脑移位的程度,同时利用术中超声以及皮层刺激技术来纠正术中脑移位。

  但由于本研究样本数量有限,故需要进行前瞻、随机、对照的大样本研究来进一步证实多模态MRI技术结合神经导航及术中超声在枕叶视觉功能区胶质瘤手术中的应用价值,这也是我们下一步的工作方向。

  参考文献

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  文章出处:中华解剖与临床杂志

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