功能磁共振成像在脑转移瘤诊治中的应用研究进展

朱芳梅 丁菊容 袁建华 毛德旺 丁忠祥

功能磁共振成像在脑转移瘤诊治中的应用研究进展

朱芳梅 丁菊容 袁建华 毛德旺 丁忠祥

脑转移瘤是预后较差的常见颅内恶性肿瘤。灌注加权成像（PWI）、磁共振波谱（MRS）、扩散加权成像（DWI）、扩散张量成像（DTI）和扩散峰度成像（DKI）等新兴功能磁共振成像（fMRI）技术，可用于单发脑转移瘤与高级别胶质瘤的鉴别诊断；血氧水平依赖功能磁共振成像（BOLD-fMRI）对脑转移瘤术前计划、术中切除及术后评估具有指导意义。

功能磁共振成像脑转移瘤神经胶质瘤

脑转移瘤是一种成人常见的颅内恶性肿瘤，15%～25%的恶性肿瘤患者会发生脑转移[1]。一旦发生脑转移，未治疗患者生存期仅为1个月左右[2]。对于常规MRI表现典型的脑转移瘤（多发，具有“小病灶大水肿”的特点）较易诊断，但研究发现30%～50%的脑转移瘤为单发[3]，仅根据常规MRI提供的形态与信号变化难以与高级别胶质瘤等病变进行鉴别诊断；而精准诊断对决定脑转移瘤的治疗方法至关重要[4]。改进的MRI技术（如动态增强技术）结合功能磁共振成像（fMRI）技术能提高脑转移瘤的精准诊断率，为脑转移瘤外科手术治疗提供可靠的影像学依据[5-7]。fMRI作为一种无创、高精准的检查方法，目前被广泛应用于临床[8]。广义的fMRI技术包括灌注加权成像（PWI）、磁共振波谱（MRS）、扩散加权成像（DWI）、扩散张量成像（DTI）、扩散峰度成像（DKI）和血氧水平依赖功能磁共振成像（BOLD-fMRI）等，狭义的fMRI技术是指BOLD-fMRI，本文就fMRI在脑转移瘤诊治中的应用研究进展作一综述。

1 PWI

PWI是反映组织血管化程度和血流灌注状态的功能成像方法；它有2种成像方法，即动态磁敏感对比增强（DSC）和动脉血自旋标记（ASL）。DSC是最常用的灌注方法，可无创性反映组织微观血流动力学状况评价活体微血管系统[9]；经静脉注射顺磁性对比剂后，计算出局部脑血容量（rCBV）、局部脑血流量（rCBF）、平均通过时间（MTT）和达峰时间（TTP）。ASL的原理是标记流入脑组织的动脉血液后快速扫描全脑，与非标记图像对比，实现对灌注效应的测量[10]。关于脑转移瘤DSC的研究主要集中在脑转移瘤的鉴别诊断方面，有学者认为近瘤周区rCBV值可以对脑转移瘤与高级别胶质瘤进行鉴别诊断，瘤体区rCBV值则意义不大[11-12]。目前脑转移瘤ASL的临床应用较少，邹润磊等[13]研究表明ASL对脑肿瘤患者的灌注测量结果与DSC相符，且无需使用对比剂，因此适用于了解组织血流灌注情况。

2 MRS

MRS是目前唯一能无创性测得活体组织代谢物的化学成分和含量的一种检查方法[14]，检测出的成分包括N-乙酰天门冬氨酸（NAA，反映神经元功能状况）、胆碱（Cho，主要参与细胞膜的构成）、肌酸（Cr，反映细胞的能量代谢）、磷酸肌酸（PCr，反映细胞的能量代谢）、脂质（Lip，细胞坏死、膜降解会引起Lip峰）、乳酸（Lac，反映组织含氧量）、肌醇（MI，反映神经胶质细胞的增生情况）等。秦健等[15]比较脑转移瘤与神经胶质瘤的MRS特征发现80%的脑转移瘤存在Lip峰，80%的神经胶质瘤表现为Cho/NAA、Cho/Cr增高，并认为根据以上特征可进行鉴别诊断。郭琪等[16]应用MRS检测脑转移瘤伽玛刀治疗前后代谢物化学成分的含量变化，认为MRS可判断脑转移瘤术后疗效。

3 DWI

DWI通过施加梯度回波脉冲来观察细胞内、外水分子跨细胞移动（即水分子扩散运动）所得信号变化且以图像显示，通常用表观扩散系数（ADC）来表示扩散运动程度。DWI可作为脑肿瘤早期检测、鉴别诊断与疗效监测的工具[17]。单发脑转移瘤与高级别胶质瘤通过常规MRI难以鉴别，但两者在DWI上的ADC值可以提供鉴别信息[18]。相关研究认为脑转移瘤瘤体的相对表观扩散系数（rADC）治疗前后差值可以预测疗效，即rADC值升高表明治疗有效，降低则提示治疗无效[19]。

4 DTI与DKI

DTI是通过评估水分子三维扩散速度的各向异性来反映所有方向上完整扩散信息的技术，可以无创性观察白质纤维束的空间方向性和完整性。常用的指标是各向异性分数（FA），根据FA彩图判定白质纤维与邻近肿瘤的空间关系，从而指导脑肿瘤手术方案的设计。相关研究证实脑转移瘤与高级别胶质瘤的瘤周实质区FA值具有鉴别诊断价值，DTI纤维示踪图能准确反映病灶与白质纤维束之间的关系[20-21]。DTI能与其他fMRI技术联用，如联合DTI指标与rCBV有助于鉴别脑转移瘤与高级别胶质瘤[22]。DKI是基于DTI技术延伸的一种新兴fMRI方法，提出了一个新的度量标准——“峰度”[23]，相关文献报道DKI较DTI能为单发脑转移瘤与高级别胶质瘤的鉴别诊断提供更完整的信息[24]。

5 BOLD-fMRI

1990年Ogawa等[25]首次报道血氧水平依赖fMRI技术，BOLD-fMRI以血流动力学反应与脑神经活动间存在着密切联系为基础，利用脑激活区的血氧合血红蛋白与脱氧血红蛋白的浓度及磁敏感差异实现功能成像。BOLD-fMRI分为任务态脑功能（ts-fMRI）和静息态脑功能（rs-fMRI）。目前，ts-fMRI已获得美国食品药物管理局批准并常规用于临床辅助评估，但它易受患者执行任务能力的影响。rs-fMRI是指受试者静止不动、闭眼但无睡眠，并避免任何有结构的思维活动的状态[26]，能反映大脑处于静息状态下的神经活动。研究证明rsfMRI能稳定地提取肿瘤患者的多个脑功能网络，为神经外科制定术前计划提供功能信息，适用于有认知障碍及不能配合执行任务的患者[27]。但仍需要大样本实验数据验证“在对肿瘤患者进行脑功能区定位上，rs-fMRI能否取代ts-fMRI”。BOLD-fMRI在神经外科的应用主要体现在术前评估肿瘤与功能区的关系并制定手术计划、术中引导肿瘤的切除及术后评估手术疗效等3个方面[28]。Wengenroth等[29]认为术前应用BOLD-fMRI可以评估脑肿瘤与运动皮层之间的空间关系，从而指导外科手术并减少脑功能损伤。除了定位运动区，BOLD-fMRI还能通过术前定位语言、记忆及视觉功能区指导手术方式，从而避免术中创伤性的皮层刺激[30]。术中MRI能将BOLD-fMRI数据无创性传入到神经导航系统并生成高分辨率的3D解剖图像来显示脑功能区，以指导手术切除肿瘤。Ravn等[31]对患者进行术后随访证实，当肿瘤外缘与激活的皮层功能区距离≥18mm时，完全切除肿瘤后患者均无功能丧失。BOLD-fMRI可与DTI联合应用，对神经功能和结构成像具有一定意义；Dimou等[32]报道BOLD-fMRI联合DTI能指导制订更全面的术前规划。有研究认为静息状态的血流信号同样反映了内在白质纤维束同步的神经活动[33]，因此能将脑白质纤维可视化，可作为评估脑白质内MRI信号变化的一种新方法。

6 小结

目前，fMRI技术在临床应用过程中仍存在不足，如BOLD-fMRI通过测定血氧饱和度、血流量的变化来间接反映神经元的功能活动，其信号的变化与神经元放电反应存在空间、时间上的不完全一致性[32]。然而，鉴于fMRI技术能为脑功能活动与疾病的病理机制提供信息，在神经外科中仍有很好的发展前景[34]。

[1]Almeida-Freitas D B,Pinho M C,Otaduy M C,et al．Assessment of irradiated brain metastases using dynamic contrast-enhanced magnetic resonance imaging[J]．Neuroradiology,2014,56(6): 437-443．

[2]Nieder C,Norum J,Stemland J G,et al．Resource utilization in patients with brain metastases managed with best supportive care,radiotherapy and/or surgical resection:a Markov analysis[J]．Oncology,2010,78(5-6):348-355．

[3]Hakyemez B,Erdogan C,Gokalp G,et al．Solitary metastases and high-grade gliomas:radiological differentiation by morphometric analysis and perfusion-weighted MRI[J]．Clin Radiol, 2010,65(1):15-20．

[4]Kikuchi K,Hiwatashi A,Togao O,et al．3D MR sequence capable of simultaneous image acquisitions with and without blood vessel suppression:utility in diagnosing brain metastases[J]．Eur Radiol, 2015,25(4):901-910．

[5]Farjam R,Parmar H A,Noll D C,et al．An approach for computer-aided detection of brain metastases in post-Gd T1-W MRI[J]．Magn Reson Imaging,2012,30(6):824-836．

[6]范兵,杜华睿,王霄英,等．转运常数(Ktrans)对高级别胶质瘤与脑转移瘤的鉴别诊断价值[J]．实用放射学杂志,2014,30(4):557-560．

[7]张晓琦,李永丽,窦社伟,等．动态对比增强MRI在胶质母细胞瘤与脑转移瘤鉴别诊断中的应用[J]．中华放射学杂志,2015,49(6):410-413．

[8]Gizewski E R．Functional brain imaging[J]．Radiologe,2016,56 (2):148-158．

[9]李晓光,康厚艺,张伟国．MR扩散和灌注加权成像在脑WHOⅡ级胶质瘤鉴别诊断中的价值[J]．临床放射学杂志,2014,33(3):325-329．[10]张水霞,张顺,姚义好,等．3D-ASL与DSC-PWI在缺血性脑梗死患者中的对比研究[J]．放射学实践,2014,29(8):901-905．

[11]Tsougos I,Svolos P,Kousi E,et al．Differentiation of glioblastoma multiforme form metastatic brain tumor using proton magnetic resonance spectroscopy,diffusion and perfusion metrics at 3T[J]．Cancer Imaging,2012,12(3):423-436．

[12]陈杰云,林晓莹,陈向荣,等．MR灌注加权成像鉴别诊断单发转移瘤与高级别胶质瘤[J]．中国医学影像技术,2015,31(2):215-218．

[13]邹润磊,张学慧,包尚联,等．FAIREST灌注成像及初步应用研究[J]．自然科学进展,2005,15(9):1058-1063．

[14]许启仲,陈军,张亮,等．磁共振波谱成像诊断国人前列腺癌价值的Meta分析[J]．放射学实践,2015,30(1):54-57．

[15]秦健,朱连忠,何艳丽,等．脑内环形强化病变的MRI诊断[J]．实用放射学杂志,2013,29(1):11-14．

[16]郭琪,张雪宁,吴梦琳,等．基于MRS的脑转移瘤伽玛刀疗效分析[J]．中国临床医学影像杂志,2015,26(1):9-13．

[17]Lima M,Le Bihan D．Clinical intravoxel incoherent motion and diffusion MR imaging:past,present,and future[J]．Radiology, 2016,278(1):13-32．

[18]Lee E J,Ter Brugge K,Mikulis D,et al．Diagnostic value of peritumoral minimum apparent diffusion coefficient for differentiation of glioblastoma multiforme from solitary metastatic lesions [J]．Am J Roentgenol,2011,196(1):71-76．

[19]徐敬慈,汪登斌,杨利霞．相对表观扩散系数在脑转移瘤疗效评估中的价值[J]．放射学实践,2014,29(5):513-516．

[20]石磊,张辉,邵国良,等．磁共振弥散张量成像在脑高级别星形细胞瘤和转移瘤瘤周实质区的诊断价值[J]．实用放射学杂志,2010,26 (4):478-484．

[21]El-Serougya L G,Razeka A A,Mousaa A E,et al．Differentiation between high-grade gliomas and metastatic brain tumors using Diffusion Tensor Imaging metrics[J]．The Egyptian Journal of Radiology and Nuclear Medicine,2015,46(4):1099-1104．

[22]Wang S,Kim S,Chawla S,et al．Differentiation between glioblastomas solitary brain metastases,and primary cerebral lymphomas using diffusion tensor and dynamic susceptibility contrast-enhanced MR imaging[J]．Am J Neuroradiol,2011,32 (3):507-514．

[23]姚秋英,所世腾,庄治国,等．前列腺癌扩散峰度成像的初步研究[J]．实用放射学杂志,2015,31(8):1301-1304．

[24]张帆,张辉,王效春,等．DKI在高级别胶质瘤与单发脑转移瘤鉴别诊断的价值[J]．临床放射学杂志,2015,34(7):1057-1060．

[25]Ogawa S,Lee T M,Nayak A S,et al．Oxygenation-sensitive contrast in magnetic resonance image of rodent brain at high magnetic fields[J]．Magn Reson Med,1990,14(1):68-78．

[26]Naveau M,Doucet G,Delcroix N,et al．A novel group ICA approach based on multi-scale individual component clustering, application to a large sample of fMRI data[J]．Neuroinformatics, 2012,10(3):269-285．

[27]毛德旺,袁建华,丁忠祥,等．静息态功能磁共振成像在脑功能区定位中的初步应用[J]．浙江医学教育,2014,13(1):48-50．

[28]Rigolo L,Stern E,Deaver P,et al．Development of a clinical functional magnetic resonance imaging service[J]．Neurosurg Clin N Am,2011,22(2):307-314．

[29]Wengenroth M,Blatow M,Guenther J,et al．Diagnostic benefits of presurgical fMRI in patients with brain tumours in the primary sensorimotor cortex[J]．Eur Radiol,2011,21(7):1517-1525．

[30]van Heerden J,Desmond P M,Phal P M．Functional MRI in clinical practice:A pictorial essay[J]．J Med Imaging Radiat Oncol, 2014,58(3):320-326．

[31]Ravn S,Holmberg M,Sorensen P,et al．Presurgical functional magnetic resonance imaging in patients with brain tumors[J]．Acta Radiol,2016,57(1):82-89．

[32]Dimou S,Battisti R A,Hermens D F,et al．A systematic review of functional magnetic resonance imaging and diffusion tensor imaging modalities used in presurgical planning of brain tumour resection[J]．Neurosurg Rev,2013,36(2):205-214．

[33]Ding Z,Xu R,Bailey S K,et al．Visualizing functional pathways in the human brain using correlation tensors and magnetic resonance imaging[J]．Magn Reson Imaging,2016,34(1):8-17．

[34]Belyaev A S,Peck K K,Brennan N M,et al．Clinical applications of functional MR imaging[J]．Magn Reson Imaging Clin N Am, 2013,21(2):269-278．

2016-09-12）

（本文编辑：陈丹）

国家自然科学基金项目（81401482）；浙江省自然科学基金项目（LY16H180007，LY13H180016）；浙江省医药卫生科技计划项目（2013RCA001，201342245）。

310053杭州，浙江中医药大学第二临床医学院（朱芳梅）；四川理工学院自动化与电子信息学院（丁菊容）；浙江省人民医院放射科（袁建华、毛德旺、丁忠祥）

丁忠祥，E-mail：hangzhoudzx73@126.com