多模态MRI技术介绍

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1、多模态MRI技术介绍多模态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

2、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2772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

3、 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：

4、TR=3 200 ms , TE =80 ms。层厚均为5 mm，层距1 mm;采 样矩阵250x250,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 mmx230 mm, 采样矩阵96x96,重建矩阵128x128,层厚5 mm

5、 ,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 mmx230 mm,采样矩阵96x96,重建矩阵 128x128,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。fr* in-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

6、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1.2.4DTI 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 mmx230 mm,采样矩阵128x128,重建矩阵 256x256, 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。1.2.5PWI 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（S

7、E-EPI）技术，参数为TR=1 400 ms , TE=41 ms，矩阵 128x128,翻转角度 30, FOV 为 230 mmx230 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56 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

8、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Brai nlab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

9、博医来公司,该系统配备超声扇形凸 阵探头-型号IGSo ni clovs,探头直径25 mmx15 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3d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

10、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P0.05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。位2

11、A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

12、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(0.51 cm)以上，术后所有患者未

13、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皿、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 口级4例，皿级7例，V级9例。2.4术后症状改善情况以及视力视野情况随访130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 V级，分别于术后7个月和15个月复发;1例为WHO 皿级，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

14、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(P0.05)。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

15、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

16、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，是目前唯一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

17、。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

18、。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

19、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

20、 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皿级，2例WHO IV级）因肿瘤浸润同侧视 辐射而未强求全切除

21、，其余病变均获得全切除。术后随访130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

22、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

23、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0.51 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

24、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

25、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1 熊赤，牛朝诗.多模态磁共振成像在脑胶

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