磁共振导航微创技术在脑肿瘤的诊治现状与进展

李成利，武乐斌

磁共振导航微创技术包括磁共振介入(interventional MRI, iMRI)和磁共振导引手术治疗，磁共振导引手术治疗也称为“术中磁共振”(intraoperative MRI, iMRI)，磁共振成像用于脑肿瘤诊治已有20多年的历史。在此期间，经历了一系列的技术进展，从有框架的立体定向设备到无框架的导航系统，从术中磁共振成像到术中磁共振结合导航系统实时导引。近年来磁共振成像技术无论是硬件还是软件都有了飞速发展，磁场强度越来越大，设备体积越来越小，成像时间越来越短，成像分辨率越来越高，使磁共振辅助外科手术成为可能。术中磁共振的应用使医生的手术操作与术中成像接近同步进行，能够使术者观察到肉眼不能直接观察到的手术野，随时调整手术操作。目前术中磁共振辅助手术主要应用于神经外科，它能够克服单纯基于术前影像的神经导航系统的局限性，提供实时更新的图像，使术中产生的导航误差得到及时纠正。同时术中磁共振能够提供清晰、精确的图像，可以多方向切线成像、任意平面重建、又无放射性损害，而且还能够整合功能性磁共振、弥散张量成像、磁共振波谱、磁共振血管造影等新技术，给予手术医师更多的指导性信息。

1 磁共振导航系统的硬件及软件设备进展

1.1 磁共振介入的磁场系统

目前临床用于脑肿瘤诊疗中导引的MR设备场强从0.12 T至3.0 T。许多常规用于MR诊断的技术，如MRS、fMRI、DWI、DTI、MRA、MRV也已经开始应用于1.5 T或更高场强的MR术中导引，这也是目前高场磁共振用于介入治疗越来越受到关注的原因。

用于介入治疗的磁共振扫描仪设计上要求术者能最大程度地接近患者。目前其形状主要有以下几种：①Biplanar；②Double Nonut；③Cylindrical；④XMR。

1.2 磁共振介入导引方式

磁共振介入导引的方式主要有：①Freehand Technique；②磁共振兼容的有框架的立体定向导引系统；③无框架的立体定向导引系统；④光学导引示踪系统；⑤非光学导引的立体定向示踪系统(active tracking)；⑥Augmented Reality Techniques；⑦影像融合技术。

2 MR介入技术在脑肿瘤微创诊疗中的应用

2.1 脑肿瘤穿刺活检术

MR导引的颅内病变穿刺活检术以其微创、安全，越来越受到临床医生的重视。术中虚拟针的存在使得穿刺在实时监控下进行，可避免损伤重要的血管、神经等结构，避免严重并发症的发生。由于脑内病变的影响，具有重要功能的解剖结构常发生变形和移位，功能皮层的定位与正常解剖结构的功能区分布有一定的差别，因此穿刺活检术时功能皮层的重新定位至关重要。MR介入治疗中fMRI能够个性化确定皮质功能区与病变的关系，从而尽可能地避免穿刺路径通过脑功能活动区，结合MR波谱成像和磁共振顺磁性造影剂增强扫描，可明确辨认颅脑功能解剖区、肿瘤活跃区、坏死区及非强化区，从而获取准确的病理细胞学诊断。

最早的磁共振导引的脑肿瘤穿刺活检始于1996年8月，Schwartz[1]等利用0.5 T开放式MR对200例脑内病变行介入诊疗。其中68例患者行脑内病变穿刺活检术(原发性脑肿瘤60例，4例脑转移瘤、3例脑脓肿、1例脱髓鞘病变)，术中无明显并发症，均获得满意的组织病理标本。Kollias[2]等报道了他们用开放式0.5 T MR进行的21例脑内病变穿刺活检术，认为MR导引能准确定位和进行脑内病变的穿刺活检。Hall[3]等报道了利用1.5 T高场闭合式短轴MR进行的42例脑内病变穿刺活检术，术中对患者行MR波谱成像(21例行TSI，13例行SVS，8例行TSI+SVS)，确定肿瘤重要脑功能活动区的关系，指导穿刺活检，均获得准确的病理结果，且未损伤脑功能活动区。Hall[4]等报道了利用3.0 T高场闭合式短轴MR成功完成了5例脑内病变的穿刺活检术。高场MR导引的颅内病变穿刺活检，无严重并发症发生，且均获得满意的病理组织学标本，临床治疗提供了可靠的依据。李成利[5]等报道了利用0.23 T开放性MR引导下对22例脑内病变穿刺病理学活检，所有患者均一次性穿刺成功，均得到明确的病理诊断，无任何严重并发症发生。

2.2 脑肿瘤微创消融术

MR导引脑肿瘤微创治疗包括各种消融治疗，如激光消融、射频消融、冷冻消融术。主要应用于患者身体条件较差，不能耐受外科手术，颅内多发脑转移瘤无法手术，位于脑重要功能区或脑深部手术无法到达部位的肿瘤，以及手术中肿瘤可能与周围邻近正常脑组织无法用肉眼分辨的脑肿瘤。尤其是对于那些既不能耐受手术又具有放化疗抵抗的脑肿瘤患者来说，磁共振导引的肿瘤消融成为首要的选择。

MR介入冷、热消融治疗的独特优势是其温度敏感性，可以进行实时温度监测，软件通过独立的工作站可以实时地与MR机进行通信和传输。温度值的定量和显示，可通过彩色编码图像或解剖图像叠加等温线来获得，等温线可用于估计所灭活病灶的大小，确保温度保持在组织灭活的临界温度处，既能够使病变组织发生凝固坏死，又能够减少对周围的重要组织结构的损伤。术中MR成像显示冷、热消融区在T1WI和T2WI上皆呈边界清楚的信号缺失区，容易与未经治疗的肿瘤组织及周围正常脑组织分辨清楚。

(1)磁共振导引的脑肿瘤激光消融(LITT)：激光治疗脑肿瘤最早始于1983年。Schwarzmaier[6]等在0.5 T开放式MR导引下对16例复发的多形性胶质母细胞瘤(GBM)行激光消融，结果显示患者平均生存期为11.2个月，较文献报道的自然病程(＜5个月)及化疗后生存时间均长。他们认为激光治疗可以作为复发的GBM的选择性治疗手段。Schulze[7]等报道了用0.5 T MR导引下激光治疗15例脑内幕上肿瘤，激光消融后当时，中心坏死区尚不明显，周围见未完全坏死的组织所致的环状水肿带；3天后，坏死区明显，染色逐渐缺失，边缘出现早期吸收。1周后，边缘出现肉芽组织增生，周围水肿仍然明显。7天后，水肿开始减轻，最终消融灶呈一液化坏死灶。Kahn[8]等对脑肿瘤患者行磁共振导引激光治疗后，均发现消融后第一周内，由于周围水肿及细胞毒性作用，病变范围增大；但一周后，开始吸收变小，约10天左右减小一半。但Schwabe[9]等报道，LITT治疗后，消融区在10天内体积增加23%，最终呈周围伴含铁血黄素沉着的液化灶。Schulze等[7]在综合分析了磁共振导引的脑肿瘤激光治疗中，所用能量、方法、消融后组织病理学特点、影像学表现、动物实验及临床应用研究后，认为LITT是治疗位于外科手术不能到达部位的脑肿瘤的合适的微创治疗方法，同时它也可以用于位于脑表面的肿瘤治疗。它尤其适用于年老体弱的脑肿瘤患者。但是，脑肿瘤的LITT治疗尚无明确的标准，需要临床进一步研究。Carpentier[10]等报道了磁共振实时导引的4例脑转移瘤患者6个肿瘤的LITT治疗，认为磁共振导引的脑转移瘤治疗安全可行。短期观察，对20%放疗后无效的患者具有可靠的疗效；从长期来说，磁共振导引的LITT可以重复多次进行，而且可以联合其他治疗方法同时使用。

(2)MR导引的脑肿瘤射频消融：Merkle[11]等报道了在0.2 T开放式MR导引下射频消融脑组织的动物实验，实验中对6头猪的脑额叶行射频消融，证实该技术是安全、可行的，MR能很好地监测射频消融的过程和范围。Gananadha[12]等对8只绵羊行颅脑射频消融，通过改变消融时间(从1～5 min)，产生1～3 cm不同直径大小的消融范围。认为RFA是相对安全和有效的技术，不会损伤消融灶周围的正常组织，可用于治疗多发脑肿瘤，且可行多次重复治疗。

(3)MR导引的脑肿瘤冷冻治疗：MR导引脑肿瘤冷冻消融治疗国外尚处于实验阶段，至今尚无该技术的临床治疗报道。Tacke[13]等报道了在1.5 T高场MR导引下进行的猪脑冷冻消融治疗，术中用2.7 mm的冷冻探针对11头猪脑额叶行冷冻消融。Song[14]等进行的MR导引兔脑肿瘤冷冻消融并与术后即刻、3天、7天及14天分别对病变区行MR和组织病理学检查。结果显示MR能够精确区分冷冻和非冷冻的脑组织，冷冻过程中冰球的大小与病变范围有很好的一致性。冷冻消融后第三天，消融灶增大最明显，在所有的序列上，其增大均有统计学意义。冷冻后第7天，消融灶周围的水肿略有减轻，仅在T2WI和FIRS序列上其增大有统计学意义。但此时高信号的水肿周围可见薄的环状含铁血黄素沉着。冷冻消融后14天，周围水肿基本消失，消融范围与冰球大小在所有的序列上均无统计学差异，周围的含铁血黄素环更清晰了。病理学显示，最初的7天，消融范围增大是由于消融区域和其周围脑实质的反应性水肿造成的。李成利[15]等报道MR导引6例脑转移瘤患者冷冻消融术，发现低温冷冻消融较热消融技术相比，其最大的优势在于热消融后消融区域容积会增大，而冷冻治疗后组织坏死容积不再增加，减少了术后颅内压增高的程度。

3 磁共振导航脑肿瘤切除术

术中磁共振能实时获得肿瘤切除程度及解剖结构变化信息，能减少术中并发症，提高手术切除率。目前报道术中磁共振用于垂体瘤、颅咽管瘤、胶质瘤、脑转移瘤、脑膜瘤、神经节细胞瘤、神经节胶质瘤、海绵状血管瘤、脑室内肿瘤等的切除术。随着高场磁共振应用于脑肿瘤治疗，各种功能成像也相继用于术中，如fMRI、DTI、MRS等对于术中保护重要语言及运动功能区起到重要的作用。

Zimmermann[16]等对44例脑肿瘤患者行磁共振导引的脑肿瘤切除，其中36例(82%)完全切除，8例(18%)大部分切除，术中影像显示残留的肿瘤组织侵及或包绕深部脑结构或运动/语言皮层功能区。术中DTPA增强扫描有助于判断高级胶质瘤、脑膜瘤和转移瘤的范围。本组有1例术中发现硬膜外出血，迅速处理后，患者未出现神经退变症状。6例(14%)出现神经缺陷症状，其中5例是暂时的，如轻度偏瘫、言语不流利。这部分患者的肿瘤位于靠近语言功能区(感觉性运动或语言皮层功能区)。1例患者由于术后感染，不得不去掉骨瓣。Martin[17]等用1.5 T磁共振导引切除30例脑肿瘤，完全切除率为80%(24/30)，未完全切除的肿瘤包括1例GBM，2例星形细胞瘤，1例神经节神经胶质瘤，少突胶质细胞瘤和畸胎瘤。上述脑肿瘤未能完全切除的原因或由于明显的脑水肿，或肿瘤累及言语皮质功能区，或由于术中出血过多。术后并发症，1例术后感染，1例海马切除术后伴发大脑脚梗死，导致轻度偏瘫，后者经物理治疗后明显缓解。Nimsky[18]等利用0.2 T开放式MR治疗95例脑胶质瘤的患者，术中在MRI的实时导引下，增大了肿瘤的切除范围，肿瘤的总体切除率显著提高：Ⅰ级星形细胞瘤由87%提升至100%；Ⅱ级星行细胞瘤的总体切除率由25%提升至56%；Ⅲ级胶质瘤的总体切除率由42%提至47%；IV胶质瘤总体切除率由21%提至24%。未能完全切除的肿瘤由于肿瘤的残余部分浸润至重要脑功能区，而对于大部分高级别胶质瘤之所以不能完全切除是因为手术以不出现新的神经功能缺陷为原则。40例存在术前神经功能缺陷的患者，术后30例症状得以改善，只有1例患者症状加重；在55例术前无神经功能缺陷的患者中3例出现术后功能减退(2例轻瘫、1例失语)。Yrjana[19]等对27例脑肿瘤患者行0.23 T开放式MR导引的脑肿瘤切除术，其中20例行术中超声，5例在局麻下进行以便术中监测皮质活动情况，2例行ECG和深部脑电监测。术后有2例感染，10例术后出现复发。复发患者主要是病变累及重要皮质功能活动区或高级胶质瘤因其浸润性生长而导致。

术中磁共振脑室内肿瘤切除术中，能实时获得解剖结构变化信息，术中脑脊液迅速流出，导致脑内组织结构关系较术前影像发生明显变化，因此术中实时MRI对手术操作显得尤其重要。

4 磁共振功能成像导引脑肿瘤治疗中的应用

Hall[20]等对14例临近重要功能区脑肿瘤患者在用1.5 T磁共振导引行肿瘤切除术前行fMRI检查，确定运动皮层、语言皮层及记忆皮层功能区的位置，所有患者均未出现神经系统并发症。

Nimsky[21]等对37例脑胶质瘤患者成功的行术前及术中DTI成像，并在1.5 T磁共振导引下行肿瘤切除术。结果显示由于肿瘤切除导致的纤维传导束(DTI)术前及术中位置有明显的改变。最大的白质纤维束改变范围为-8 mm至+15 mm，传入纤维束的移位率为29.7%，传出纤维束的移位率为62.2%。因此他们认为DTI成像不仅能用于术前计划，对于脑深部肿瘤切除的患者，术中的DTI成像对于术中导引也具有重要价值。

相信随着术中磁共振设备的不断完善以及相关配套的手术器械的开发，各种手术技术与术中磁共振技术的融合将使手术创伤最小化，效果最大化。

[1]Schwartz RB, Hsu L, Wong TZ, et al.Intraoperative MR Imaging guidance for intracranial neurosurgery:Experience with the First 200 cases.Radiology,1999,211(2):477-488.

[2]Kollias SS, Bernays R, Marugg RA, et al.Target definition and trajectory optimization for interactive MR-guided biopsies of brain tumors in an open configuration MRI system.J Magn Reson Imaging,1998,8(1):143-159.

[3]Hall WA, Truwit CL.1.5 T: spectroscopy-supported brain biopsy.Neurosurg Clin N Am, 2005,16(1):165-172.

[4]Hall WA, Galicich W, Bergman T, et al.3-Tesla intraoperative MR imaging for neurosurgery.J Neurooncol, 2006,77(3):297-303.

[5]李成利,武乐斌,宋吉清,等.开放性MRI引导下脑内病变穿刺病理学活检的应用价值.中华放射学杂志,2006,40(12):1319-1321.Li CL, Wu LB, Song JQ, et al.Open MRI-guided biopsies of brain disease.Chin J Radiol, 2006, 40(12): 1319-1321.

[6]Schwarzmaier HJ, Eickmeyer F, von Tempelhoff W, et al.MR-guided laser-induced interstitial thermotherapy of recurrent glioblastoma multiforme: preliminary results in 16 patients.Eur J Radiol, 2006,59(2):208-215.

[7]Schulze PC, Vitzthum HE, Goldammer A, et al.Laserinduced thermotherapy of neoplastic lesions in the brain--underlying tissue alterations, MRI-monitoring and clinical applicability.Acta Neurochir, 2004,146(8):803-812.

[8]Kahn T, Bettag M, Ulrich F, et al.MRI-guided laserinduced interstitial thermotherapy of cerebral neoplasms.J Comput Assist Tomogr, 1994,18(4):519-532.

[9]Schwabe B, Kahn T, Harth T, et al.Laser-induced thermal lesions in the human brain: short- and longterm appearance on MRI.J Comput Assist Tomogr,1997,21(5):818-825.

[10]Carpentier A, McNichols RJ, Stafford RJ, et al.Real-time magnetic resonance-guided laser thermal therapy for focal metastatic brain tumors.Neurosurgery, 2008, 63(1 Suppl 1): 21-28.

[11]Merkle EM, Shonk JR, Zheng L, et al.MR imagingguided radiofrequency thermal ablation in the porcine brain at 0.2T.Eur Radiol, 2001,11(5):884-892.

[12]Gananadha S, Wulf S, Morris DL.Safety and efficacy of radiofrequency ablation of brain: a potentially minimally invasive treatment for brain tumours.Minim Invasive Neurosurg, 2004,47(6):325-328.

[13]Tacke J, Speetzen R, Adam G, et al.Experimental MR imaging-guided interstitial cryotherapy of the brain.AJNR Am J Neuroradiol, 2001,22(3):431-440.

[14]Song JQ, Li CL, Wu LB, et al.MRI-guided brain tumor cryoablation in a rabbit model.J Magn Reson Imaging,2009,29(3):545-551.

[15]Li CL, Song JQ, Wu LB, et al.MR imaging-guided cryoablation of metastatic brain tumours: initial experience in six patients.(2009-08-21)http://springer.lib.tsinghua.edu.cn/content/l35411454u1498x4/?p=e70054b3d9ac4b1d 969639acbb7db07d&pi=4.

[16]Zimmermann M, Seifert V, Trantakis C, et al.Open MRI-guided microsurgery of intracranial tumours.Preliminary experience using a vertical open MRI-scanner.Acta Neurochir, 2000,142(2):177-186.

[17]Martin AJ, Hall WA, Liu H, et al.Brain tumor resection:intraoperative monitoring with high-field-strength MR imaging-initial results.Radiology, 2000, 215(1):221-218.

[18]Nimsky C, Ganslandt O, Tomandl B, et al.Lowfield magnetic resonance imaging for intraoperative use in neurosurgery: a 5-year experience.Eur Radiol,2002,12(11):2690-2703.

[19]Yrjana SK, Katisko JP, Ojala RO, et al.Versatile intraoperative MRI in neurosurgery and radiology.Acta Neurochir (Wien), 2002,144(3):271-278.

[20]Hall WA, Truwit CL.Intraoperative MR-guided neurosurgery.J Magn Reson Imaging, 2008,27(2):368-375.

[21]Nimsky C, Ganslandt O, Fahlbusch R.1.5 T: intraoperative imaging beyond standard anatomic imaging.Neurosurg Clin N Am, 2005, 16(1): 185-200.