DTI和BOLD-fMRI在运动功能区附近肿瘤切除术中的临床应用进展

柳永达，刘 明，乔建新，曹 兵，张秀峰，石代乐

(1.河北北方学院研究生院，河北 张家口 075000;2.河北北方学院附属第一医院，河北 张家口 075000)

中枢神经系统是神经系统的主体部分，产生运动、感觉、语言等功能，皮质脊髓束和大脑皮层也是其一部分，白质纤维束和大脑皮层受损会影响患者的生活质量，导致偏瘫、失语、认知障碍等[1]。脑肿瘤是神经外科常见疾病，手术切除是主要的治疗手段，原则上要求在保护脑功能区和白质纤维束的同时最大程度切除肿瘤组织，因为二者与患者术后生存质量和存活时间直接相关，而手术效果也是患者最关心的问题[2]。如何在既不损伤脑功能区，又能保护神经纤维束和重要血管的情况下，最大程度切除运动功能区附近肿瘤一直是神经外科的难题。传统的手术治疗方法中，术者主要依靠多年经验定位肿瘤并判断肿瘤的切除程度，这种做法是不严谨的，术后患者可能出现严重的功能障碍，甚至危及生命。侵袭性肿瘤周围正常脑组织可能被浸润、破坏，缺乏明显的解剖界限，术者通过肉眼或显微镜难以仅凭以往经验判断肿瘤与正常脑组织分界，更无法做到对运动功能区及白质纤维束等结构的辨认，因此不能在保护运动功能结构的同时最大程度地切除肿瘤组织[3]。研究[4]发现浸润性肿瘤手术切除过程中，依靠过往经验认为肿瘤完全切除者术后行影像学检查仍有大部分患者存在肿瘤组织，提示仅凭借术者经验行肿瘤全切并不可靠。1990年Ogawa等[5]提出了血氧水平依赖功能磁共振成像概念，即BOLD-fMRI技术，可以显示脑功能区范围并形成清晰影像，对解决人类脑功能区病变难题大有裨益。Pierpaoli等[6]于1996年在放射学杂志上发表了关于弥散张量成像(DTI)的研究论文，指出DTI可以清晰显示皮质下纤维束走向，联合常规MRI可明确颅内病变与纤维束的相对位置关系。由于DTI和BOLD-fMRI能够清晰显示大脑皮质功能区和皮质下结构，故可将其应用于脑肿瘤的切除，设计最佳手术方案，实现对皮质脊髓束及运动功能区(如原始运动区及邻近的运动前区皮质)的保护。

1 BOLD-fMRI技术

BOLD-fMRI技术目前普遍用于显示大脑皮层功能区，基本原理是通过特定的刺激引起相应大脑皮层的激活，静脉的脱氧血红蛋白相对减少、氧合血红蛋白增加，间接性神经元兴奋性增强。脱氧血红蛋白有很强顺磁性效应，而含氧血红蛋白则具有抗磁性[7]。主要激活区域涉及手、脚、面部、舌等大脑皮层功能区域，特定刺激任务包括复杂对指运动、口唇运动以及脚趾屈伸运动、握拳运动等[8]。研究人员采用特定的任务模式进行脑皮质功能区的激活，被激活区附近血管的血流量和血容量显著增加，但耗氧量增加并不明显，导致含氧血红蛋白增加，脱氧血红蛋白减少[9]。BOLD-fMRI技术拥有常规MRI所不具备的优势，如安全(无放射性)、无创、重复使用、成像清晰、对功能区定位准确等，因此是目前最适合用于脑肿瘤功能区定位的影像学技术[10]。BOLD-fMRI成像技术已经在神经外科中得到广泛应用，并可在术中采用皮层直接电刺激降低对功能区的损伤[11-12]，BOLD-fMRI可无创、连续、活体检测参与管理运动的主运动区、运动前区和辅助运动区等脑运动功能区的信息及其与脑肿瘤的位置关系[13]，术中注意避开对运动功能区的损害，以免出现严重的神经功能障碍，影响患者的预后及生活质量。BOLD-fMRI技术可对脑组织功能区进行精确定位，但不能清晰显示纤维束走形及解剖结构等信息，纤维束与功能区同等重要，纤维束损伤也会造成严重的功能障碍，为弥补这一缺点，可考虑DTI和BOLD联合应用[14]。

2 DTI技术

DTI是目前仅有的可以在活体显示神经纤维束位置及走形的影像学技术[15]，依据组织中水分子向各个方向弥散距离不等的特性(各项异性：水分子在脑白质内向各个方向的弥散程度是不同的，具有方向依赖性[16])对白质纤维束进行成像，由于脑白质内髓鞘的阻挡，水分子的弥散被限制在与纤维走形一致的方向上，因此可对白质纤维束成像。以各项异性为基础作出的分数图能够明确显示白质内纤维束的分布，在手术过程中避开这些纤维束，以免造成功能障碍[17]。FA值(部分各项异性)、ADC值(扩散系数值)是DTI最常用的参数。依据水分子平行于神经纤维走向的弥散运动容易，垂直于神经纤维走向的弥散运动困难的性质，利用FA值、ADC值可以分别制作出各自的图像，进而了解脑组织中水分子弥散速度。Li[18]发现与相应部位的正常脑组织相比，星形细胞瘤实质区、坏死区和瘤周水肿区FA值、ADC值呈完全相反的态势，FA值显著降低，ADC值显著升高。FA值与髓鞘的完整性、纤维的致密性及平行性呈正相关。孙立智等[19]研究胶质瘤发现正常白质、脑水肿区和强化的肿瘤边缘区的ADC值不同，并由此判断肿瘤的恶性程度及侵袭性的强弱。当颅内出现肿瘤时，DTI可清晰显示皮质下白质纤维束走向，切除肿瘤时选择个体化手术方案，避开重要的纤维束，防止纤维束损伤导致新发的神经功能障碍。但若肿瘤浸润运动功能区，DTI则不能对运动区域显像，切除肿瘤时可能损伤功能区域。

3 DTI和BOLD-fMRI的联合应用

BOLD-fMRI与DTI各有优势，成像对象分别是功能区、纤维束，将二者图像融合，可避免图像重叠造成的视觉错乱，使二者图像合二为一，实现了脑纤维结构和脑功能区的完美结合，将其应用于脑肿瘤切除，在指导肿瘤切除、保护重要颅内结构及功能方面意义重大[20]。Guye等[21]研究发现大脑皮层运动区与皮质下白质纤维束存在某种联系，即初级运动区(M1，4区)与皮质脊髓束、运动前区(6区)、顶叶皮层及丘脑、小脑间都有联系。锥体束和脑部功能区同等重要，锥体束损伤会对中枢神经系统产生严重后果，导致神经功能障碍、生活质量下降，因此，可以将DTI与BOLD-fMRI联合应用，实现对锥体束和脑部功能区的联合检测。刘强等[22]认为联合应用BOLD-fMRI与DTI可有效评估功能区附近肿瘤的手术切除程度、患者预后、功能障碍恢复情况、生活质量等。将两种技术联合应用于指导肿瘤手术，可以重建锥体束，纤维束定位和成像清晰度更高，对手术指导价值更大，在肿瘤切除及患者预后方面效果更满意[23]。DTI和BOLD-fMRI联合用于肿瘤切除，可以清晰显示运动区附近肿瘤、白质纤维束、大脑皮层运动区三者的位置关系，有助于判断良恶性肿瘤对运动皮质及纤维束是否存在浸润或压迫，更好地规划个体化手术路径[24]。高万军等[25]联合应用BOLD-fMRI和DTI技术对脑肿瘤、锥体束、运动功能区进行清晰成像，观察锥体束、功能区有无受累，有利于制定个体化治疗手段；术后进行核磁共振、BOLD-fMRI和DTI检查，明确肿瘤切除程度及皮质脊髓束和运动功能区的完整度和损伤度，可评估手术效果，预测患者预后。余龙洋等[26]将DTI和BOLD-fMRI联合用于运动区脑肿瘤切除，显微镜下见肿瘤全切,术后随访6月内未见残疾。由上述研究可知，两种技术联合应用可以弥补各自的不足，最大程度切除肿瘤、减少神经损伤，对改善患者预后、提高患者生活质量具有重要意义。

4 DTI和BOLD-fMRI技术联合应用的不足

DTI和BOLD-fMRI联合应用也存在不足之处：①脑肿瘤可使功能区及锥体束受压、变形、移位，使三者的相对空间位置关系发生改变，还可导致邻近皮质沟回形态结构变形或移位；②术中由于骨瓣去除、脑脊液流失、使用甘露醇、脑组织重力作用、颅内压变化等造成脑移位，导致肿瘤的定位更加困难；③二者联合也不能评价肿瘤的切除程度，即不能判定肿瘤是否全切，只能依靠术者经验，存在一定的偏差。因此需实时监测肿瘤残余程度，MRI、超声、CT等可用于监测、评估肿瘤的切除程度。尽管如此，DTI和BOLD-fMRI联合应用在脑肿瘤切除方面仍具有重要意义，未来将会有更广阔的应用前景。