血氧水平依赖功能磁共振成像在肿瘤中的应用研究进展

吴琴　李光明

(1.川北医学院附属医院肿瘤科，四川 南充　637000；2.川北医学院第二临床学院南充市中心医院肿瘤防治中心，四川 南充　637000)



血氧水平依赖功能磁共振成像在肿瘤中的应用研究进展

吴琴1,2李光明2△

(1.川北医学院附属医院肿瘤科，四川 南充637000；2.川北医学院第二临床学院南充市中心医院肿瘤防治中心，四川 南充637000)

摘要血氧水平依赖功能磁共振成像(Blood oxygenation level dependent functional magnetic resonance imaging，BOLD-fMRI)是一种融合解剖、功能于一体的无创性检查，它利用人体自身内部血氧浓度变化作为天然造影剂成像，通过血氧饱和度的对比变化来反映脑神经功能活动情况，能提供较高的空间及时间分辨率，相较于传统的电子计算机断层图扫描、磁共振成像及正电子发射断层图等影像成像方法，BOLD-fMRI具有无创、、非侵入性、无放射性、无需注射对比剂、空间及时间分辨率高等优点，能获得分辨率高、精确度好、清晰度高的功能及解剖图像，在临床就诊过程中扮演着越来越重要的角色。肿瘤是21世纪全球主要的公共健康问题之一，因其具有高复发率、高致残率及高死亡率的特点，已成为当今社会威胁人类健康的重要杀手，如何提高肿瘤患者的治疗疗效及生存质量越来越引起大家的注意，而BOLD-fMRI为肿瘤的诊断、治疗及预后评价提供了更为可靠地证据，本文就BOLD-fMRI在肿瘤中的应用进行简单的综述。

关键词：血氧水平依赖功能磁共振成像；肿瘤；诊断；治疗

1BOLD-fMRI的基本原理及其影响因素

1.1基本原理

血氧水平依赖功能磁共振成像(Blood oxygenation level dependent functional magnetic resonance imaging，BOLD-fMRI)作为一种近年来发展的一种非侵入性检查，在1990年最先由Ogawa等[1,2]提出，他们认为BOLD-fMRI利用人体自身内源性血红蛋白作为对比剂，通过血氧浓度的变化作为天然造影剂成像，通过血氧饱和度的对比变化来反映脑神经功能活动情况，反映了神经活动下血流、血容量和血红蛋白氧合程度三者的变化，获得解剖和功能信号。而早在20世纪30年代，就有学者提出去氧血红蛋白是一种存在体内的天然顺磁性物质，血液中的去氧血红蛋白及氧合血红蛋白两者具有相反的磁特性，因而血红蛋白的氧合程度可以决定体内血液的磁性[4]。Kwong[5]认为当局部血管内血流量增加时，随之氧合血红蛋白含量相对增加，去氧血红蛋白减少，而具有顺磁性的去氧血红蛋白在血管和其周边产生的局部梯度小磁场，缩短T2*的作用也减少，就使局部 T2* 相对延长；反之，当去氧血红蛋白增加，T2*值缩短。由于组织去氧血红蛋白浓度与横向弛豫率(R2*)值相关，因此影像学上多采用 R2*值(R2*=1/T2*，单位Hz)作为评价指标[6]，BOLD-fMRI 技术正是基于以上原理开发应用的，以组织器官的血流动力学 为基础，利用血氧浓度的变化作为天然造影剂，研究正常及异常组织内氧含量的变化，因此在处理BOLD-fMRI图像时，可通过专业测量软件测量T2*值或R2*值。

1.2影响因素

Ogawa 等[1,2,3]认为BOLD-fMRI是通过脑血流量、脑血容量及脑血氧代谢率来间接反应脑神经元的电活动，任何可影响上述三者的因素都会影响BOLD-fMRI信号，而不是通过直接检测神经元的电活动来完成。而Gupta等[7]发现BOLD信号由三部分组成：真正的神经元活动、敏感性伪影以及神经血管解偶联效应，其中后两者均可产生伪信号，干扰最终结果。临床检测过程中可联合多种磁共振功能成像技术，如弥散张量成像(DTI)、增强灌注成像(PWI)、磁共振波谱(MRS)等获得更加真实可靠的结果。Kim等[8,9]发现BOLD信号改变与脑血流(Cerebral blood flow，CBF)和脑氧代谢率(Cerebral metabolic rate of oxygen，CMRO2)的相对变化有负相关的关系。而除了器官组织局部的血流影响因素外，还有其他干扰BOLD-fMRI信号的检测，倪萍等[10]对77例行运动功能BOLD-fMRI的受检者开展质量控制，发现主磁场的不均匀、梯度磁场的非线性、数模转换不准、系统噪声等设备因素，被试者的头动、心跳、呼吸、情绪状态、吞咽及咳嗽等受试者因素，磁体是否远离震动源、磁共振系统的电源是否具有高质量稳定电源、屏蔽房是否具有良好的射频屏蔽性能等外界环境因素，数据处理过程中SPM软件分析包产生的伪激活图等均可影响最终的BOLD-fMRI结果。所以就要求在行BOLD-fMRI前，制定合理的实验设计，考虑可能出现的各种干扰因素，并在条件许可的情况下进行有效的干预及控制，保证数据的可靠性和结果的准确性。尤其是原始数据的质量控制至关重要。

2BOLD-fMRI在肿瘤中的临床应用

2.1BOLD-fMRI在脑肿瘤中的临床应用

大脑作为人体特殊器官，有着许多的特殊功能，当大脑发生肿瘤时，脑肿瘤常可累及运动、语言等特殊功能区，大脑处于病理状态下，受累脑区神经元的功能及参与该功能的神经网络系统都会受到影响，术前准确定位这些功能区，有利于在切除肿瘤病灶时尽量避免损伤脑功能区,在患者术后的恢复、减少术后并发症、提高术后生活质量等方面有重要意义。BOLD-fMRI分为任务态及静息态，任务态BOLD-fMRI是在脑功能活动的同时对脑组织进行实时的脑功能成像，在有外部刺激情况下神经元活动引发的局部脑血氧水平的改变。已有研究证明任务态BOLD-fMRI在有刺激任务条件下可确定部分脑功能区[11,12]。静息态BOLD-fMRI是根据脑组织自发性活动而获得整个大脑在静息状态下的脑功能成像，患者在静息状态下就能获得脑功能区的信息，从而弥补了任务态BOLD-fMRI的局限性，如不配合的患者、精神病患者、意识不清、失语或昏迷等特殊情况下不能准确测量脑功能区的患者。结合任务态及静息态的BOLD-fMRI能更加全面的用图像的方式显示抽象的大脑功能活动，在感兴趣的脑功能活动区对脑组织进行功能成像。用无创的方式描绘大脑的解剖结构及功能区，制定最佳治疗方案，提高脑肿瘤的切除率，在更完整和精确地切除肿瘤的同时最大程度地具有保全患者的功能。

Tuntiyatorn等[13]术后利用BOLD-fMRI比较5个原发性脑肿瘤患者双手做简单动作时受累半球与未受累半球的定位图像，发现BOLD-fMRI可显示术后残留的功能区及对侧功能区的代偿情况。Hou等[14]报道了利用BOLD-fMRI及MR灌注成像方法研究脑瘤患者的初级运动皮层(PMC)中BOLD-fMRI激活量对脑肿瘤新生血管形成的影响，收集的57例脑瘤患者的结果证明，对于IV级神经胶质瘤，在肿瘤同侧的PMC内的BOLD fMRI的活化体积减小，对侧PMC相对区域脑血容量的增加。Hall等[15]应用BOLD-fMRI术前标识脑肿瘤患者的功能区，并与术中磁共振神经导航系统相结合，其中69%的患者达到肿瘤全切除，而且BOLD-fMRI数据在所有的病例中术前定位准确。另有研究[16]报道BOLD-fMRI可应用于脑胶质瘤术后放疗靶区的勾画及放射剂量的制订，可降低其放射性损伤的风险。和鸿[17]对27例脑星形细胞瘤术后拟行进一步放疗的患者行BOLD-fMRI检查，不仅可直观的了解外科切除术对运动皮层区的影响，还可指导术后放疗靶区的勾画，在保证靶区治疗剂量的同时尽量减少功能区受量，制定出具有针对性区域保护作用的放疗计划，提高患者的生存质量。

2.2BOLD-fMRI在其他肿瘤中的临床应用

BOLD-fMRI在非脑肿瘤中的临床应用近年来也有研究，有研究报道利用BOLD-fMRI可帮助鉴别良恶性肿瘤，如孙峰等[18]收集了20例患有四肢骨与软组织肿瘤的患者，利用BOLD-fMRI对其进行检查，结果显示，不同肿瘤及同一肿瘤不同区域局限性缺血BOLD信号强度信号变化曲线不一致，肿瘤区域与周围正常组织BOLD信号变化也有统计学差异。于德新等[19]对35例肝良性肿瘤、62例肝恶性肿瘤及12例肝脓肿病人行治疗前 BOLD-fMRI检查，结果表明T2*相关值有助于鉴别肝脏良恶性肿瘤，T2*值及其病灶/肌比值可为肝脓肿与肝良性肿瘤的鉴别诊断提供支持。有学者[20]研究了34例存活日期超过10年乳腺癌幸存患者，其中化疗组为19例经大剂量辅助化疗患者，对照组为15例化疗剂量不明患者，利用BOLD-fMRI及神经心理测试患者化疗后的认知功能，结果表明，高剂量的辅助化疗与长期的认知损害相关联。Gawrysiak等[21]报道了BOLD-fMRI监测1例经行为激活治疗的乳腺癌抑郁患者的脑功能的变化。Boland等[22]研究对24例存在周围神经病变的中枢性疼痛患者进行研究，其中12例为慢性化疗后引起周围神经病变的多发性骨髓瘤患者，12例为存在中枢性疼痛的普通志愿者，结果显示功能MRI能作为抗癌和镇痛治疗期间监测脑功能变化的工具。另有学者利用BOLD-fMRI监测了26例初治的晚期非小细胞肺癌(NSCLC)患者的(分为厌食组与非厌食组)脑功能，给予食物刺激，非厌食症患者表现出BOLD信号激活，厌食症肺癌患者该脑区域缺乏激活信号[23]。Salvan等[24]利用BOLD-fMRI定位了1例64岁的完全丧失视觉识别功能的转移性乳腺癌患者的大脑视觉功能区的侵犯病灶。Haneder等[25]利用BOLD-fMRI及弥散加权成像(DWI)监测4例经放射治疗的晚期胃癌患者的肾功能，2例行三维适形放射治疗(3D-CRT)，2例行调强放射治疗(IG-IMRT)，结果发现3D-CRT组肾功能发生改变，而IG-IMRT组未发现肾功能改变，他们认为fMRI能够评估放疗后肾功能的变化，并且支持IG-IMRT是更有利于患者的放射治疗方式。翟晓辉等[26]观察与比较21例乳腺浸润性导管癌患者吸氧前后BOLD-fMRI信号的特征及变化，吸氧前肿瘤组织 BOLD-fMRI呈高信号，吸氧后显示病灶信号减低，证实了BOLD-fMRI具有检测肿瘤氧合改变的能力，对病灶的准确定位提供可靠证据。有学者[6,27-29]也报道了在肝癌的研究中也得出了同样的结果，提示 BOLD-fMRI 能够评价肿瘤乏氧状态，为肝癌治疗及术后随访提供评价指标。

3结论与展望

众多研究结果表明，因BOLD-fMRI具有安全无创性、可重复性及高效性等特点，在临床工作中已逐渐被接受，对肿瘤的诊断、治疗计划的制定及肿瘤术后功能的监测等方面应用越来越广泛。BOLD-fMRI在肿瘤基础和临床应用方面都具有很大的潜力和广阔前景，但它也存在一定的局限性，首先，设备装置的是否合格和检查人员的专业技能是否过硬，会对BOLD-fMRI信号的采集产生一定的影响；其次，部分容积效应的影响、图像伪影的处理、感兴趣区的选择等均受人为因素的影响，以及存在不可避免的受试者自身影响因素和外界环境干扰因素，都会对最终的结果产生影响，因此BOLD-fMRI作为一种具有临床意义的技术存在不少问题，需要人们进一步研究发现并解决,相信随着MRI扫描设备软硬件的进一步改进与完善，检查人员的专业技能进一步的提高，BOLD-fMRI的进一步深入研究以及临床应用的经验积累，数据处理软件进一步的精进，这些问题会逐步得到解决，在将来的临床工作中发挥更重要的作用。

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Research progress of blood oxygen level dependent functional magnetic resonance imaging in tumors

Wu Qin1,2, Li Guang-ming2△

(1.Department of Oncology, The Affiliated Hospital of North Sichuan Medical College,Sichuan Nanchong 637000; 2.The Second Clinical Medical College of North Sichuan Medical University/Oncology Center, Nanchong Central Hospital, Sichuan Nanchong 637000)

作者简介：吴琴，女，川北医学院在读研究生，主要从事肿瘤放化疗工作，Email：846984005@qq.com。 △通讯作者：李光明，男，教授，主要从事肿瘤的时辰治疗工作，Email：ligm99999@163.com。

(收稿日期：2016-3-21)