弥散张量成像在脑胶质瘤中的应用

李智奇 张义

弥散张量成像在脑胶质瘤中的应用

李智奇*张义△

弥散张量成像 脑胶质瘤

胶质瘤呈侵袭性浸润生长，与周围组织分界不清，致残率和致死率高，预后差。目前胶质瘤手术切除主要依靠术者经验行肉眼下全切除，往往不超过影像学边界，留有残余肿瘤，术后易复发。因此，进行影像学引导的胶质瘤手术研究具有十分重要的意义［1］。弥散张量成像(diffusion tensor image，DTI)是近年发展的磁共振成像新技术，是目前惟一能在活体无创地显示脑白质纤维束的成像方法［2］。因为DTI的这种独特优势，将其应用于胶质瘤的诊疗中，可以很好的显示肿瘤与白质纤维束之间的关系，有利于指导手术的进行，提高肿瘤全切除率。并且DTI在术前评价胶质瘤恶性程度以及术后疗效、预后的评估方面也都起着重要作用。本文将综述DTI在胶质瘤中应用的新进展。

1 弥散张量成像DTI的概述

DTI是以弥散加权成像为基础新发展起来的一种成像方法，其基本原理是利用组织中水分子弥散运动的各向异性特征进行成像。目前DTI研究分为两大方向:一是弥散张量纤维束示踪成像(diffusion tensor tractography，DTT)，二是定量研究。DTT可以在活体内评价大脑白质结构，显示脑白质纤维束的三维空间结构及其与肿瘤之间的关系。定量研究中DTI的主要参数有:表观弥散系数(apparent diffusion coefficient，ADC)，各向异性分数(fractional anisotropy，FA)、相对各向异性(relative anisotropy，RA)和评价各向同性的平均弥散率(mean diffusivity，MD)等。ADC反映了弥散的大小，每一种组织均有自己特有的弥散系数，它还受压力梯度及细胞膜通透性等因素的影响。FA和RA则代表了水分子弥散运动各向异性的大小，即可以量化每个体素中水分子弥散运动的程度，又可描述其方向性。其中FA值最常用，它表示各向异性成份与整个弥散张量之比，其值为0～1，0代表完全各向同性弥散，1则代表完全各向异性弥散。这些参数可以帮助我们了解脑组织的解剖结构之外的生物学特性，如MD和FA值可以用来区分肿瘤复发和放射性损伤［3］，ADC值可用于预测胶质瘤术后放疗的疗效及无进展生存期(time-to-progression，TPP)［4］等。在颅内肿瘤、脑血管病及弥散性轴索损伤中DTI可显示白质纤维束的方向性和完整性及病灶与脑白质纤维束的三维空间关系［5－7］，在指导手术入路，确定术中病灶切除范围以及评估预后方面都非常重要。

2 DTI和DTT在脑胶质瘤中的应用

DTI和DTT现已应用于术中导航，可以用于显示胶质瘤与周围白质纤维的相互关系，对于确定胶质瘤手术切除边界，提高手术安全性和降低术后致残率有重要意义。

2.1 确定胶质瘤与周围白质的关系 DTT和FA图可显示纤维束的一系列改变，包括移位，变形，浸润和中断［8］。DTI的定量参数和DTT联合应用有助于在影像学上对胶质瘤的生物学特性(如增殖性、浸润性)进行判断［9］，指导个体化治疗方案的制定，提高手术安全性［10］。

Nimsky等［11］在高分辨率的解剖图像上应用线条代表主要白质纤维束，将感兴趣区所有纤维束的信息通过手术显微镜的显示屏直接显示在手术野中，再将这些信息整合入导航系统，在术中显示主要的脑白质纤维束，如锥体束、视放射。通过这种方式手术者能了解功能区及其主要白质纤维束的位置，可最大范围的、安全的切除肿瘤，避免因损伤主要白质纤维束所致的术后神经功能障碍，增加高级别胶质瘤患者的生存质量，并且还可以降低死亡风险［12］。三维立体的DTT对于评价肿瘤与皮质脊髓束之间的空间位置关系，从而选择合适的手术方式，是非常有用的，其在监测皮质脊髓束的移位对运动功能的影响时，具有很高的特殊性和阴性预测能力［13］。Romano等［14］在此基础上进一步研究认为，DTT可以重建大脑的主要白质纤维束，尽管在病理状态下白质纤维束的重建会受到一定程度的影响，但这一技术可以显著影响脑胶质瘤的手术切除方案。

另外，DTI与功能磁共振成像(functionalmagnetic resonance imaging，fMRI)［15］、术中直接电刺激(direct electrical stimulation，DES)［16］、磁共振波谱分析(MR spectroscopic imaging，MRSI)［17］及虚拟现实技术等相结合，可以在术前为术者提供真实的模拟操作，在术中准确定位肿瘤的可切除范围，在最大化切除肿瘤的同时，尽可能小的损伤白质纤维束。并且随着术中磁共振成像(intraoperativemagnetic resonance imaging，iMRI)的发展，胶质瘤的全切率已明显提高［18］。

2.2 判断胶质瘤的恶性程度 术前如能确定胶质瘤的病理等级，则可帮助术者选择合适的手术方式尽可能全部切除肿瘤。最近，Chen等［19］回顾性研究了31例术后病理确诊为胶质瘤的病人的相关DTI参数:FA值和纤维密度指数(the fiber density index，FDi)。研究结果认为当FA阈值设置为0.25时，高级别胶质瘤病人与低级别胶质瘤病人的双侧FA比值和双侧FDi比值存在着显著差别，可以据此在术前区分高低级别胶质瘤。另外，若将FA值和增强MRI联合应用，则可以在最终病理学诊断之前，提高评估肿瘤病理等级的准确性。

2.3 评估感觉、运动功能及预后 不同级别的胶质瘤对邻近脑白质纤维束浸润破坏程度不同，而脑白质纤维束的完整性是影响预后的关键因素之一，因此若能通过一种影像学方法预测患者的临床预后，那么可以使患者及家属在心理上有所准备，并且可提前制定合适的康复治疗计划。Kim等［20］研究表明锥体束的平均FA值在有肌力减弱的病人病灶侧显著减低，认为肌力减弱和损伤侧锥体束平均FA值的降低是一致的。Ng等［21］认为相对纤维数(relative fiber number，rFN)、每体素的相对纤维数(relative fiber per voxel，rFpV)和暂时性偏瘫具有相关性。在此基础上，Qiu 等［22］提出有效锥体束(the number of effective fibers of pyramidal tract，EPT)的概念，其必须包含两个条件:首先必须满足事先设定的纤维束追踪的条件;其次在DTT图上从中央小叶走行到大脑脚都是完整的。Qiu等［22］认为EPT的增加幅度和6个月的远期生活质量评估(Karnofsky Performance Scale，KPS)是呈正相关的，根据EPT的增加幅度能够预测运动功能的远期预后。而Stadlbauer等［23］认为术前感觉运动障碍与皮质脊髓束增高的O-(2-［^18F］氟乙基)-L-酪氨酸(18F-FET)摄取率和降低的FA比值有关。综上所述，手术前后DTI所显示的主要白质纤维束在外观方面的改善及DTI相关参数的变化与临床上评价的神经功能的保留、恢复具有一致性，因此可以应用DTI预测胶质瘤病人的预后。

3 目前DTI在胶质瘤应用中存在的问题

DTI虽然有以上诸多优点，但在研究胶质瘤的临床应用中仍有亟待解决的问题。首先，目前扫描最常用的是单次激发平面回波成像序列(single-shot Echo planar imaging，SSEPI)，图像易受运动、涡流及磁敏感效应的影响，使图像产生磁敏感性伪影、变形。其次，在纤维交叉或分叉部位DTI的单张量模型难以准确显示，可采用多张量模型［24］或用Q球扩散影像(q ball imaging，QBI)，高夹角分辨率扩散磁共振(high angular diffusion imaging，HARDI)和磁共振扩散频谱成像 (diffusion spectrum imaging，DSI)等新的弥散影像方法进行准确的显示［25］，但这些新的弥散影像方法还并未发展成熟。另外，FA值易受组织生化特性如粘滞度、温度的影响，在胶质瘤的病理生理状态下是否能准确测量还需进一步研究证实。还有，对于胶质瘤手术中脑移位现象，虽可采用术中DTI导航，但其缺点是图像扫描时间较长，后处理较慢，影响其广泛应用。相信随着相关软硬件的开发，以上这些问题将逐步得到解决。

［1］ 吴劲松，毛颖.脑胶质瘤手术理念和研究热点［J］.中国神经精神疾病杂志，2009，35(6):376－379.

［2］ Ferda J，Kastner J，Mukensnabl P，etal.Diffusion tensormagnetic resonance imaging of glial brain tumors［J］.Eur J Radiol，2010，74(3):428 －436.

［3］ Gerstner ER，Batchelor TT.Imaging and response criteria in gliomas［J］.Curr Opin Oncol，2010，22(6):598 － 603.

［4］ 曲金荣，李少武，艾林，等.胶质母细胞瘤术后表观弥散系数预测放射治疗疗效和无进展生存期的研究［J］.中国神经精神疾病杂志，2009，35(6):331－335.

［5］ Yoshioka H，Horikoshi T，Aoki S，et al.Diffusion tensor tractography predictsmotor functional outcome in patients with spontaneous intracerebral hemorrhage［J］.Neurosurgery，2008，62(1):97－103，103.

［6］ Singh M，Jeong J，Hwang D，etal.Novel diffusion tensor imaging methodology to detect and quantify injured regions and affected brain pathways in traumatic brain injury［J］.Magn Reson Imaging，2010，28(1):22 －40.

［7］ 邱天明，张义，吴劲松，等.白质纤维束示踪成像技术在高血压脑出血中的初步应用［J］.中国神经精神疾病杂志，2007，33(9):518－521.

［8］ 陈建，万政强，施炜，等.磁共振弥散张量成像在运动功能区星形胶质细胞瘤手术中的运用［J］.中华神经外科杂志，2009，25(9):829 －831.

［9］ 费小瑞，牛朝诗，王昌新，等.胶质瘤生物学特性与相毗邻纤维束状态的相关性研究［J］.中华神经医学杂志，2008，7(4):338－342.

［10］ 杨学军，江涛，陈忠平，等.脑胶质瘤的规范化和个体化治疗与临床实践［J］.中国神经精神疾病杂志，2009，35(6):321－322.

［11］ Nimsky C，Ganslandt O，Fahlbusch R.Implementation of fiber tract navigation［J］.Neurosurgery，2007，61(1 Suppl):306 －317，317－318.

［12］ Wu JS，Zhou LF，TangWJ，etal.Clinical evaluation and followup outcome of diffusion tensor imaging-based functional neuronavigation:a prospective，controlled study in patientswith gliomas involving pyramidal tracts［J］.Neurosurgery，2007，61(5):935 －948，948－949.

［13］ Kovanlikaya I，Firat Z，Kovanlikaya A，et al.Assessment of the corticospinal tract alterations before and after resection of brainstem lesions using Diffusion Tensor Imaging(DTI)and tractogra-phy at3T［J］.Eur JRadiol，2009，doi:10.1016/j.ejrad.2009.08.012.

［14］ Romano A，D'andrea G，Minniti G，et al.Pre-surgical planning and MR-tractography utility in brain tumour resection［J］.Eur Radiol，2009，19(12):2798－2808.

［15］ Kleiser R，Staempfli P，Valavanis A，et al.Impact of fMRI-guided advanced DTI fiber tracking techniques on their clinical applications in patients with brain tumors［J］.Neuroradiology，2010，52(1):37 －46.

［16］ Bozzao A，Romano A，Angelini A，etal.Identification of the pyramidal tract by neuronavigation based on intraoperative magnetic resonance tractography:correlation with subcortical stimulation［J］.Eur Radiol，2010，20(10):2475 －2481.

［17］ Stadlbauer A，Nimsky C，Gruber S，etal.Changes in fiber integrity，diffusivity，and metabolism of the pyramidal tract adjacent to gliomas:a quantitative diffusion tensor fiber tracking and MR spectroscopic imaging study［J］.AJNR Am JNeuroradiol，2007，28(3):462－469.

［18］ 肖炳祥，许百男，陈晓雷，等.高场强术中磁共振成像对脑胶质瘤全切率的影响及其评估［J］.中华神经外科杂志，2010，26(4):320－322.

［19］ Chen Y，Shi Y，Song Z.Differences in the architecture of lowgrade and high-grade gliomas evaluated using fiber density index and fractional anisotropy［J］.JClin Neurosci，2010，17(7):824－829.

［20］ Kim CH，Chung CK，Kim JS，et al.Use of diffusion tensor imaging to evaluate weakness［J］.JNeurosurg，2007，106(1):111－118.

［21］ Ng WH，Cheong DL，Khu KJ，et al.Diffusion tensor tractography:corticospinal tract fiber reduction is associated with temporary hemiparesis in benign extracerebral lesions［J］.Neurosurgery，2008，63(3):452 －458，458 －459.

［22］ Qiu TM，Zhang Y，Wu JS，et al.Virtual reality presurgical planning for cerebral gliomasadjacent tomotor pathways in an integrated 3-D stereoscopic visualization of structural MRI and DTI tractography［J］.Acta Neurochir(Wien)，2010，152(11):1847 －1857.

［23］ Stadlbauer A，Polking E，Prante O，etal.Detection of tumour invasion into the pyramidal tract in glioma patientswith sensorimotor deficits by correlation of(18)F-fluoroethyl-L:-tyrosine PET and magnetic resonance diffusion tensor imaging［J］.Acta Neurochir(Wien)，2009，151(9):1061 －1069.

［24］ 黄海清，杨永贵，郭岗，等.弥散张量成像的双张量模型纤维跟踪方法［J］.中国医学影像技术，2010，26(8):1565－1568.

［25］ Canales-Rodriguez E J，Iturria-Medina Y，Aleman-Gomez Y，et al.Deconvolution in diffusion spectrum imaging［J］.Neuroimage，2010，50(1):136 －149.

* 复旦大学附属上海市第五人民医院神经外科(上海 200240)

E-mail:zhangtang1218@vip.sina.com)

△ 复旦大学附属上海市华山医院神经外科

R651 (

2010－12－16)

A (责任编辑:甘章平)

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