术中磁共振多模态影像导航下脑内病变穿刺活检术的初步应用☆

姚成军 吴劲松 庄冬晓 郭俊 蒋玲 邱天明 毛颖 周良辅

无框架的立体定向穿刺活检术已被证实为一种安全、有效的技术，但传统的活检穿刺一般以术前的磁共振或CT等结构影像作为导航图像，尚面临穿刺误差、假阴性等难题，文献报道神经导航穿刺活检的阳性诊断率为89%～99%，并发症发生率为 0.8% ～ 10.6%，死亡率为 0 ～ 1.5%［1，2］。 近年来，随着术中磁共振（intraoperative magnetic resonance imaging，iMRI）技术和磁共振功能影像如磁共振灌注成像（perfusion⁃weighted imaging，PWI）、磁共振波谱分析（magnetic resonance spectroscop，MRS）、弥散张量成像（diffusion tensor imaging，DTI）、血氧水平依赖成像（blood oxygen level dependent，BOLD）等技术的发展，为穿刺活检提供了更多代谢及功能信息，有助于提高活检阳性率，减低并发症。我科在超高场强（3.0T）iMRI的基础上，依据结构与代谢等多模态影像指导穿刺，取得良好效果，现报道如下。

1 资料与方法

1.1 临床资料 2010年9月至2011年8月，共实施23例幕上病变穿刺活检，其中男12例，女11例，年龄16～71岁，平均（40.2±15.8）岁。病灶位于额叶9例，颞叶 1例，顶叶4例，岛叶-基底节3例，丘脑3例，中线（胼胝体、鞍区）3例。病灶体积25.3 cm3～ 75.7 cm3，中位数为 36.6 cm3，9 例为深部病变。

1.2 主要设备 iMRI系统为 IMRIS Neuro（3.0T）（IMRIS公司，加拿大），神经导航系统为Medtronic Stealth Station TRIA i7（美敦力公司，美国）。穿刺工具为Navigus活检系统（NavigusMedtronicNavigation，美敦力公司，美国）。影像后处理工作站（Syngo Multi Modality Workplace，西门子公司，德国）。

1.3 磁共振数据采集 所有病例术前进行iMRI检查，结构影像及PWI、MRS、DTI数据常规收集，穿刺路径如涉及功能区皮质，加做相应任务态BOLD 序列［3］。

1.4 PWI及MRS数据分析 PWI：在毛细血管血流速率（capillary blood velocity，CBV）伪彩图中目测肿瘤病变实质部分的最高灌注处放置感兴趣区（region of interest，ROI），并在病变对侧正常脑白质内设置同样大小ROI作为参照（设为1），即可获得各感兴趣区的相对CBV（relative CBV，rCBV）。MRS：代谢物一般选择 N-乙酰天冬氨酸（N⁃acetyl⁃aspartate，NAA）和胆碱（Choline，Cho），在影像后处理工作站得到扫描野的波谱化学移位图像。

1.5 活检靶点的选择 术前根据常规磁共振，结合PWI及MRS特征选择穿刺靶点，同时结合DTI、BOLD避开功能区与传导束设计穿刺路径，靶点分布于肿瘤区及瘤周。靶点选择的原则为：①基于PWI数据，一般选择rCBV相对最大（红色）的区域；②基于MRS数据，一般选择Cho／NAA比值相对较大的区域；③鉴于脑内肿瘤可能存在不均质性和弥漫浸润性，由两位独立的神经影像医师选择3～6个感兴趣的rCBV及Cho／NAA比值区域为取样靶点；④依据DTI白质纤维束及BOLD皮质激活图像，避开脑功能区，设计穿刺路径；⑤同一穿刺路径上由浅至深设定多个靶点，如有必要可以一个入颅点规划两条以上穿刺轨迹。

1.6 活检靶点的标记 基于rCBV值的MRS体素的波谱数值由磁共振自带软件Spectroscopy（Syngo Multi Modality Workplace，西门子公司，德国）计算获得。在解剖导航影像上叠加网格矩阵可以显示每个体素的解剖部位。网格矩阵由256（16×16）个体素组成，由左上开始计数，每个体素分配有一个编号（ID）。每个体素Cho／NAA比值大小以伪彩图表示，由蓝向红渐变（中间色为绿色），依次显示波谱数值由0到最大。记录每个活检靶点的编号用于导航标记。在Matlab（7.7.0版，Mathworks公司，美国）环境下运行由我院自行开发的标记软件Biopsy_NAV，输入活检靶点编号后，依次导入波谱原始数据、神经导航数据，活检靶点解剖位置将自行标记于导航数据中。具体步骤如下：①在基于rCBV值的MRS图谱上选中拟穿刺体素（即拟穿刺靶点）；②按照自定义命名法则确定MRS定位参考图（T1WI增强导航序列或 T2WI导航序列）所显示拟穿刺体素对应的编号；③在Matlab环境运行我院自行研发的Biopsy_NAV软件，自动计算选定编号的空间坐标（X，Y，Z），并将其标记于导航序列上；④借助OSIRIX软件（v.3.7.132-bit版，苹果公司，美国）导出标记有穿刺点的磁共振导航序列（即生成Biopsy NAV）；⑤将 BiopsyNAV序列（Dicom格式）导入神经导航系统进行导航穿刺。见图 1。

1.7 组织活检 穿刺针在导航引导下穿刺靶点中心，根据术前计划每个靶点四个方向抽吸组织标本，抽吸后保留穿刺针以压迫止血数分钟（图2）。取材结束后均进行iMRI检查，评估靶点穿刺精度及出血等并发症。

图1 A、B：在基于rCBV值的MRS图谱上选中拟穿刺靶点，即蓝色小框（箭头所示）。B为A图局部放大，靶点按照自定义法则编号为74。C：运行Biopsy_NAV软件，计算该编号的空间坐标，并将其标记于导航序列上。D：OSIRIX软件导出标记有穿刺点（箭头所示）的导航序列用于穿刺

图2 导航穿刺活检场景，右图为磁兼容固定于颅骨的Navigus无框架活检系统 （Navigus Medtronic Navigation），通过底座固定于颅骨，白色旋钮旋紧后即可固定穿刺方向

1.8 病理分析 所有活检标本送至病理科，结果由两位以上独立的资深神经病理专科医生根据2007年第四版《WHO中枢神经系统肿瘤》分类标准进行诊断。对于形态和分级有争论的病例经讨论后达成一致意见。

2 结果

2.1 功能成像结果 23例患者均成功获得PWI、MRS及DTI成像，成像质量好；8例涉及功能区病灶进行了任务态BOLD功能磁共振成像，其中5例成像质量好。

2.2 病理阳性率 共实施23例幕上病变穿刺活检，获得78份标本。实时iMRI影像证实靶点均按术前计划精确定位，所有标本获病理确诊，其中胶质瘤16例，生殖细胞瘤1例，淋巴瘤2例，炎症1例，脓肿1例，转移瘤2例。

2.3 并发症 1例穿刺后形成穿刺点血肿，体积＞30 mL，及时转为开颅手术，术后对侧肌力下降，随访2个月后肌力回复正常，其余病例均未出现新发神经功能障碍。无永久性致残病例。1例术后癫痫发作，后经药物治疗控制满意。无死亡及术后感染病例。

2.4 典型病例 见图3。

图3 A：磁共振灌注成像（PWI）显示肿瘤呈高灌注，肿瘤内不同区域rCBV不同（不均一性），红色区域为rCBV最高值；B：多体素磁共振波谱分析（MRS）成像，白色方框为感兴趣区（ROI），其内每个绿色小方框代表一个体素，每个体素的Cho／NAA比值具有不均一性；C：将PWI与MRS融合，选取rCBV及Cho／NAA比值均为相对最高的区域作为靶点；D：DTI成像提示锥体束位于肿瘤前内侧；E：术前T1增强扫描图像；F：将选择好的靶点通过标记软件Biopsy_NAV与结构影像配准融合，指导导航穿刺，该病例共规划两个穿刺道，选择6个靶点，以高亮正方形体素标记。黄线为穿刺路径，绿色十字架为穿刺针头位置指示；G：活检结束后，进行iMRI检查，证实靶点取样精确，6个取样点与预设靶点吻合一致；H：术后DTI证实锥体束未损伤

3 讨论

脑内病变穿刺活检术可分为有框架、无框架以及iMRI实时影像导航三个阶段。研究表明［4-7］：①无框架导航活检术在定位误差、活检率及术后并发症率上与有框架术式比较差异无统计学意义；②此外，无框架导航活检术具有一些独特优势如：免去安装头架带来的不适；避免患者不配合导致的误差和危险；穿刺时随时了解靶点位置，心中有数；多靶点穿刺时不必重复计算；如需改为开颅手术可迅速进行。尽管如此，由于基于术前影像，术中脑移位仍可使目标定位发生偏离。iMRI的出现解决了这一难题。本研究活检阳性率达100%，与相关报道一致（96% ～ 100%）［8-10］。高活检阳性率除归因于具备传统导航手术的图形可视化优点，更在于该术式能实时纠正脑移位误差。我们建议可能发生脑移位的脑内病变穿刺活检术可选用iMRI实时影像导航［11］。

然而也有报告表明［9］，即使 iMRI实时影像证实穿刺靶点无误，组织病理学仍可能无法确诊。恶性肿瘤内部组织结构是不均匀的，活检部位选择的恰当与否是确诊及分型、分级的关键［12，13］。 PWI及MRS等技术的发展应用，则为临床活检提供了有用的代谢信息。PWI的rCBV图可揭示富血管区，为穿刺活检提供取样部位，减少取样的误差［14］。Knopp等［15］对一组胶质瘤病例进行 PWI检查，结果显示高级别胶质瘤的rCBV比值明显高于低级别胶质瘤，rCBV彩图可以正确引导立体定位活检，rCBV伪彩图的热点体素就是活检的最佳部位。MRS通过测定某些代谢物的浓度及比值变化可实现对病变的代谢成像和定性诊断。Edward等［16］证实1H⁃MRS显示胶质瘤代谢物并非均一，如：在肿瘤中心比肿瘤周围NAA降低更明显，在肿瘤边缘Cho增加比中心高，实体部分比囊性部分高。大多数高级别胶质瘤的高代谢活性区不局限于增强MRI T1W影像所确定的肿瘤边界，同样，低级别胶质瘤的高代谢活性区也不全局限于MRI T2W或FLAIR影像所显示的肿瘤区域内。我们的体会是，PWI和MRS均为无创的磁共振技术，分别从不同的角度间接反映了病灶的代谢信息，提示病变的性质和恶性程度，起到了良好的互补作用，为活检靶点的选择提供更多依据。在全部21例肿瘤病例中，同时满足rCBV相对最大和Cho／NAA比值相对最大的靶点，其活检取材均报告为阳性，且相对而言其细胞密度也较高；同一病例中所取的其他rCBV或Cho／NAA相对小的靶点则具有一定阴性率或可能低估肿瘤的分级，我们的初步统计结果显示rCBV 及 Cho／NAA 与细胞密度、MIB-1、CD34及肿瘤浸润程度之间存在密切的关系，但还需进一步扩大样本量。

此外，对比代谢影像与MRI强化影像，我们发现：21例肿瘤病例中，有11例MRI病灶没有明显强化。其他10例病灶有强化病例中，rCBV相对最大和Cho／NAA相对最大的靶点位于肿瘤明显强化部位的有7例；有3例并非位于强化明显的部位，而是位于中等强化或非强化区域。临床上如仅依据增强MR肿瘤明显强化的部位作为活检穿刺点，它反映的是肿瘤对血脑屏障的破坏区，不能说明是肿瘤最恶性部位或血供丰富区。

DTI、BOLD等功能影像可以输出为DICOM格式直接用于导航，但PWI和MRS均为经过图像后处理得到的数据，其导出格式均不是可直接用于导航的DICOM等格式，以往采用这些代谢功能影像指导穿刺活检时，常以目测选点与结构影像配准，具有误差和不稳定性。因此，如何将代谢影像与结构影像精确配准用于导航成为亟待解决的问题。本课题组利用自行开发的标记软件Biopsy＿NAV，选取PWI及MRS代谢影像上的感兴趣靶点，通过坐标计算，将其精确地与MRI结构影像配准，有效的解决了该难题。该方法需要耗费一定时间（平均30 min），但配准的精确性通过iMRI检查证实可靠。随着影像配准技术的不断发展，相信在不久的将来可以实现半自动或全自动的代谢影像与结构影像的配准，使得导航穿刺更为便捷。

本研究的结果令人鼓舞，但也仍存不足：①本组资料为临床初步应用经验，还需进一步扩大样本量及开展随机对照研究；②MRS易受骨质、水分子的干扰，会出现基线不稳，在选择感兴趣区时需加以注意；③PWI也存在一些缺陷［17］，如肿瘤间的rCBV值有相互重叠现象；血液中有形成分、钙化、金属等引起的磁敏感性伪影影响对组织的评价等等。此外，由于硬件、软件的不同及数据处理方式的差异，许多研究结论和具体数据存在偏倚，尚有待在技术和评判标准上统一认识。

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