1、血氧水平依赖功能磁共振影像在颅内功能区肿瘤中的应用【关键词】 磁共振成像;肿瘤;诊断;综述 磁共振医学成像是利用原子核的一些磁性特征进行组织成分成像显示的技术。近年来，随着磁共振新技术不断的发展，磁共振应用的范围越来越广泛，其中临床应用比较广泛的是功能磁共振成像(fMRI)技术。而血氧水平依赖法(BOLD)成像是 fMRI 常用的检查方法，其信号具有较高的敏感性和空间特异性。它可在无创及不需注射对比剂的情况下评价病灶与皮质功能区之间的关系及功能区的状况，因此其在颅内肿瘤的诊断和治疗研究方面的优势越来越受到人们的重视。 1 BOLDfMRI 技术的提出及其原理 fMRI 最早是采用静脉注射对比增
2、强剂的方法来进行的1。直到1990 年，OGAWA 等2首次报道血氧的 T2*效应任务刺激后，即大脑激活期间，神经元兴奋性增强，局部脑组织血流以及血氧消耗均增加，但增加的比例不同，脑血流量增加超出血流容积 24 倍，而氧耗量仅轻微增加，血流量增加超出了氧耗量的增加。这种差异导致脑激活区的静脉血氧合血红蛋白增加，脱氧血红蛋白相对减少。脱氧血红蛋白是顺磁性物质，其铁离子有 4 个不成对电子，磁矩较大。脱氧血红蛋白的直接作用引起 T2 缩短，T2WI 信号减低。当其浓度减低时可使磁化率诱导的像素内失相位作用减低，导致 T2 和 T2 时间延长，T2WI 信号增强。脱氧血红蛋白与氧合血红蛋白相比，具有
3、短 T2*的特性，另外， 脱氧血红蛋白较强的顺磁性破坏了局部主磁场的均匀性，使得局部脑组织的 T2*缩短，这两种效应的共同结果，降低了局部磁共振信号强度。由于激活区脱氧血红蛋白含量相对降低，使得脑局部的信号强度增加，即获得激活区的功能图像。由于这种成像方法取决于局部血氧含量，被称为 BOLD3。BOLD 效应与 MRI 场强有关,场强越大,该效应越强。还有学者认为,激活区信号变化还与血液流入效应、血细胞比容、局部脑血容量等因素有关4。 2 神经功能解剖学和生理学基础 2.1 大脑皮质的功能解剖、定位和分区 人类大脑高度发育，大脑表面覆盖有大脑皮质，深部是大脑白质。人体外界环境的物理和化学刺激可
4、由各种感受器转变为神经冲动，再经各种传导途径传至大脑皮质，产生感觉。人体大脑半球各部发展不平衡，发展快的皮质表面隆起，形成脑回;发展慢的皮质深陷形成脑沟和脑裂。根据一些特征性的具有解剖标志的脑沟裂可将大脑半球分为额叶、顶叶、枕叶、颞叶及脑岛叶。中央沟是额叶和顶叶、外侧裂是额叶和颞叶、顶枕沟是顶叶和枕叶的分界。 大脑不同部位皮质各层的薄厚、神经元的形态、纤维的疏密以及神经元的相互联系各有特点，管理支配某些基本功能的神经中枢体系如运动中枢、一般感觉中枢、视觉中枢、听觉中枢等，在大脑皮质上分别形成其特定的分布区域，并有明确的定位及范围。BRODMANN(1909)分区法将大脑皮质分成 52 个区，并
5、以数字表示，例如，第一运动区为 4、6 区，位于中央前回和中央旁小叶的前部5。 身体的各部位在运动区有一定的局部定位关系，即中央前回的上部及中央旁小叶前部管理下肢的运动;中央前回中部管理上肢和躯干的运动;下部管理头面部运动。身体不同部位在皮质的代表区的范围与运动的精细复杂程度有关。第一感觉区为 3、1、2 区;第一视觉区为 17 区，听觉区为 41 区和 42 区。 2.2 大脑皮质的血液循环特征 脑的血供非常丰富，其平均质量占体质量不足 3%，而其血流量占全身血流量的 20%，每百克脑组织血流量约为 50 mL/ min。 大脑本身没有储存能量的场所，主要依赖于血液循环供应。脑实质依靠双侧颈
6、内动脉及双侧椎动脉供血。伴随大脑半球的高度发育，供应大脑皮质的动脉先在皮质表面反复分支形成软脑膜小的动脉丛，再由该丛发出皮质和髓质动脉深入脑实质内。另一类为中央动脉，从脑底的前穿支和脚间窝自下向上穿入脑内，逐级分支成毛细血管网，毛细血管彼此交织形成连续的吻合网。由于脑不同区域的新陈代谢和耗氧不同，毛细血管网分布的疏密程度并不相同。 2.3 脑功能活动时的生理学变化 脑功能活动时生理学变化的主要特征是局部区域脑血流量的增加，代谢水平提高，血氧含量增加5。当某一功能区的脑皮质神经元兴奋时，神经元细胞内递质的合成与释放增加，神经元细胞膜电位变化及突触电位变化，神经突触间的递质传递增强，以及神经兴奋随
7、神经纤维的传导等一系列生理学改变，使兴奋的神经元细胞代谢水平增高，反应性刺激调节局部的血液循环速度加快，血流量增加，随之血氧含量增加，以保证神经元产生并维持兴奋性。 3 BOLDfMRI 在功能区肿瘤中的应用 3.1 功能区肿瘤病人皮质功能区变化特征 颅内肿瘤由于周围存在运动、语言中枢，临床切除肿瘤时可能会由于定位不准确致病人术后出现各种功能障碍;如位于岛叶胶质瘤，极易引起神经功能障碍;优势半球额下回后部受损出现运动性失语;颞上回后部受损出现感觉性失语，颞叶前部损伤或切除则会影响病人的记忆功能等6。正常生理状态下,功能区可以通过一些正常的解剖结构如中央沟、中央前沟等来辨认。但是当存在肿瘤等病理
8、状态时,由于病变可以使周围脑组织受侵或推移，可造成功能区重塑或功能重组，而导致正常的解剖结构很难或无法辨别。用 fMRI 可进行脑的功能区定位，ROBERTS 等7对脑肿瘤病人的 BOLD 成像研究显示，90% 以上的 BOLD 定位与术中体感诱发电位和皮质电刺激结果一致。 3.2 BOLDfMRI 技术对功能区肿瘤的评价 术前 BOLDfMRI 检查可准确定位脑功能区，显示病灶与功能区的关系及功能区的变化情况，有助于制定手术计划，减少术后并发症。与正电子发射计算机断层扫描(PET)及皮质直接电刺激比较，BOLDfMRI 具有明显优势：可以更准确定位功能区;减少病人受放射性核素照射的机会;有更
9、高空间分辨率;可进行重复性研究。 MAJOS 等8对病人运动感觉区 BOLD 定位成像和术中皮质刺激比较发现，二者高度相似，尤其在确定肿瘤与功能区的距离上具有明显优势。KAPSALAKIS 等9对 48 例功能区脑胶质瘤进行 BOLDfMRI 与术中皮质激活图对照研究显示, 感觉运动区的一致性为 95.6%， BROCA 区的一致性为 93.7%， WERNICKE 区的一致性为 86.7%。CHRISTOPH 等10使用fMRI 对 81 例脑肿瘤病人语言功能区进行定位,在使用两种语言产生任务时 98%的 WERNICKE 区和 BROCA 区都能得到准确的定位。以上研究结果表明，语言 fM
10、RI 作为脑肿瘤术前定位语言功能区的常规检查是可行的。BOLDfMRI 技术可以了解肿瘤与功能区皮质的关系，在最大程度切除肿瘤的同时，尽量保护神经功能区，避免出现新的损伤，提高病人术后的生活质量。这与黄仲奎等11及 FOKI 等12的研究结果相符。 KRINGS 等13对运动功能区肿瘤行 BOLDfMRI 成像时发现，随偏瘫程度加重，初级运动皮质激活相应下降，而肿瘤未侵犯的辅助运动区(SMA)激活范围则明显增大，因此肿瘤周围功能区激活范围下降可能与肿瘤侵犯或神经元缺失导致激活时血流动力学变化程度下降有关。SMA 激活范围的增大可能是因为皮质运动系统发生了功能重组，与脑组织具备外部需求调整兴奋输
11、出的能力有关。肿瘤累及额中回手术后可能出现一过性运动和语言障碍，其原因可能是 SMA 遭到破坏。FANDINO 等14的研究结果显示，中央前回区肿瘤 BOLDfMRI 成像时，除对侧主要运动区和运动前区激活外，同侧主要运动区和运动前区亦被激活，具有上述现象者，术后相应功能恢复情况明显好于无此现象者。因此，通过 BOLDfMRI 识别功能区的重组对预测预后有一定意义。 术中直接定位 SMA 非常困难，NELSON 等15对 12 例累及 SMA 的病人进行了术前运动及语言任务 BOLD 成像研究，测量肿瘤边缘距 SMA 激活区中心的距离，并与术后出现神经障碍风险进行相关分析。结果显示，BOLDf
12、MRI 成像能够对术后出现神经障碍的风险进行预测，当肿瘤与SMA 激活区中心距离在 5 mm 以内时，术后发生语言及运动障碍的风险是100%;大于 5 mm 时，风险为 0，但该研究样本数较少，结果缺乏统计学意义。因此，该预测方法的实用价值尚需大样本深入研究。而手术后BOLDfMRI 成像可显示肿瘤切除后患侧功能区残留与对侧功能区的代偿情况，对脑功能的恢复情况进行客观评价。 3.3 BOLDfMRI 在神经外科导航下颅内功能区肿瘤手术中的应用 BOLDfMRI 导航下颅内肿瘤手术是在术前对病人行 MRI 检查进行解剖定位，同时进行功能区定位，将 fMRI 信息叠加于解剖图像上，并传送至立体定向
13、神经外科手术导航系统中，即可进行术中导航。其优点有：功能与解剖影像的融合实现了脑功能区的术中定位，可指导手术入路，缩小手术野，减少手术创伤;全麻下仍可对语言功能区进行定位;当病人术中应用肌松药或深麻醉而无法应用皮质脑电图和体感诱发电位时，应用 BOLD 导航可缩短手术时间;避免了术中皮质电刺激引起癫痫发作等并发症。CRUMMICH 等16术前使用 BOLDfMRI 和脑磁图对 172 例语言功能区肿瘤病人进行功能诊断,并将语言功能区定位结果与神经外科导航系统相连接,在所有 124 例接受手术的病人中, 仅有 7 例有一过性语言障碍, 其他均未发现语言障碍, 在切除肿瘤的同时最大程度保护了病人的
14、语言功能。从而证明通过 fMRI 可精确了解肿瘤与皮质功能区之间的解剖关系，为术中手术入路的选择及肿瘤的切除范围提供客观依据，BOLDfMRI 与神经外科导航系统结合可最大程度地避免术中皮质功能区的损伤，从而避免术后新的神经症状的发生，减少术后并发症。 3.4 BOLD 对功能区肿瘤的术后评价 BOLDfMRI 技术可以显示病侧肿瘤切除后功能区残留和对侧功能区的代偿情况，为以后脑功能的恢复情况提供客观评价指标。XIE 等17对 26 例邻近或累及脑运动功能区的胶质瘤病人进行了脑功能成像研究，术前采用双手握拳刺激获得脑运动功能图像。所有病人在唤醒麻醉下进行显微外科手术，在保护脑功能不受损的前提下
15、，最大程度地切除胶质瘤。术后病人的 KPS 评分有明显的提高。证实运动 BOLDfMRI 对于切除功能区胶质瘤具有巨大的指导作用。吴劲松等18报道 BOLD 图像与导航手术结合后肿瘤全切率、术后 KPS 评分明显高于未进行 BOLDfMRI 检查的对照组，术后致瘫率低于对照组。 4 BOLD 技术的不足与展望 作为发展迅速、应用前景广阔的 BOLDfMRI 成像技术,已经在临床许多领域的应用中获得了巨大成功,取得了很多突破性的研究成果。但作为一项新技术, 还有许多问题需要进一步探索。 首先, fMRI 并不能直接显示神经元的功能活动, 而是通过 MRI 信号的测定反映血氧饱和度及血流量, 间接
16、反映神经元功能。因而血管的功能状态对成像结果会有影响。其次，BOLDfMRI 技术不能显示皮质下功能活动,不能绘制神经网络内或网络间活动的时间过程图，对脑功能的评价不全面，并且功能活动区血流变化微弱，数据采集时常受到统计学误差的影响，使功能成像的准确性降低。此外,还包括刺激方案的设计问题;所使用的快速成像序列的优化问题;图像后处理方法的选择及可视化问题;功能定位方法的选择问题等。 目前，一种新的发展趋势是: fMRI 可能向多技术联合的方向发展。在 BOLDfMRI 出现之前已有很多 PET 脑功能成像的报道19，BOLDfMRI 与 PET 采用图像融合、配准技术或联合定量测定脑组织的基础血
17、流, 使其信号更客观地反映生理变化, 可得到更多的脑功能性活动信息。另外，脑电检测手段(EEG、MEG)的实时性非常理想, 时间分辨率能够达到亚毫秒量级5，fMRI 如果能与 EEG、MEG 等相结合, 可能解决磁共振信号滞后于神经或生理响应而不能实时反映人脑活动的问题。总而言之，我们坚信在不久的将来，脑功能成像检查将进入高时空分辨率时代, fMRI 必将在探索人类认知与思维活动、诊治脑部疾病等方面发挥越来越大的作用。 【参考文献】 1DALE A M. Optimal experimental design for eventrelated fMRIJ. Hum Brian Mapp， 19
18、90,8(2/3):109114. 2OGAWA S, LEE T M, KAY A R, et al. Brain magnetic resonance imaging with contrast dependent on blood oxygenationJ. Pro Natl Acad Sci USA, 1990，87(24)：98689872. 3THARIN S, GOLBY A. Functional brain mapping and its applications to neurosurgeryJ. Neurosurgery, 2007,60(4 Suppl 2):18520
19、2. 4DUYU J H, MONE C W, VAN G H, et al. Inflow versus deoxyhemogtobin effects in BOLD functional magetic resonance imaging using gradient echoes at 1.5T NMRJ. Bio Med, 1994,7(2):8395. 5IANNETTI G D, RICHARD G. WISE, BOLD functiona MRI in disease and pharmacological studies：room for improvementJ. Mag
20、netic Resonance Imaging, 2007,25:978988. 6蔡恩源,杨新生,孟庆海. 岛叶胶质瘤的手术治疗J. 青岛大学医学院学报, 2003,39(2):178179. 7ROBETS T P, FERRARI P, PERRY D, et al. Presurgical mapping with magnetic source imaging：comparisons with intraoperative findingsJ. Brain Tumor Pathol， 2000，17(2)：5764. 8MAJOS A, TYBOR K, STEFANCZYK L,
21、et al. Cortical mapping by functional magnetic resonance imag ing in patients with brain tumorsJ. Eur Radiol， 2005，15(6)：11481158. 9KAPSALAKIS I Z, GOTSIS E D, TOULAS P, et al. Comparative results of functional magnetic resonance imaging scanning and intraopertive electrophysiological cortical mappi
22、ng in sensorimotor and language area localization in patients with supratentorial tumorsJ. Neurosurgery, 2007,61(1):219229. 10CHRISTOPH S, NORA R, JENS D. et al. Localizing and lateralizing language in patients with brain tumors: feasibility of routine preoperative functional MR imaging in 81 consec
23、utive patientJ. Radiology, 2007,243(3)：828836. 11黄仲奎,龙莉铃,张筱双. 磁共振脑功能成像在神经外科手术前后的应用价值J. 中华放射学杂志， 2006,40(2)：165170. 12FOKI T, GEISSLER A, GARTUS A, et al. Cortical lateralization of bilateral symmetric chin movements and clinical relevance in tumor patientsa high field BOLDFMR1 studyJ. Neuroimage, 20
24、07,37(1)：2639. 13KRINGS T, TOPPER R, WILLMES K, et al. Activation in primary and secondary motor areas in patients with CNS neoplasms and weaknessJ. Neurology, 2002，58(3)：381390. 14FANDINO J, KOLLIAS S S, WISER H G, et al. Intraoperartive of validation of function magnetic imaging anf cortical reorg
25、anization patterns in patients of brain tumors involving the primary motor cortexJ. J Neurosurg, 1999,91(2):238250. 15NELSON L, LAPSIWALA S, HAUGHTON V M, et al. Preoperative mapping of the supplementary motor area in patients harboring tumors in the medial frontal lobeJ. Neurosurg, 2002，97(5)：11081114. 16GRUMMICH P, NIMSKY C, PAULI E, et al. Combining fMRI and MEG increases the reliability of presurgical language localization: a clinical study on the difference between and
