靜息態(tài)與任務(wù)態(tài)功能MRI在腦腫瘤患者術(shù)前運(yùn)動皮層定位的研究

牛 晨，張 明*，林 盤，閔志剛，高 磊，王茂德，金晨望，王 淵，朱 超，劉 馨，劉麗華

功能MRI (functional magnetic resonance imaging,fMRI)是一種非侵襲性的研究腦功能的技術(shù)，利用特定部位血氧濃度的改變來觀察大腦神經(jīng)元活動的增加或減少[1]。目前，國內(nèi)外已將血氧水平依賴功能MRI (blood oxygen level dependent functional magnetic resonance imaging,BOLD-fMRI)定位大腦功能區(qū)的方法從實(shí)驗(yàn)室基礎(chǔ)研究廣泛應(yīng)用到臨床上的感覺運(yùn)動區(qū)、語言區(qū)以及認(rèn)知的功能定位[2-4]，已有較多的不同任務(wù)刺激的功能MRI技術(shù)(task-based fMRI)用于腦腫瘤患者的術(shù)前感覺運(yùn)動區(qū)及語言區(qū)等功能區(qū)的定位上[5-8]，但task-based fMRI易受到患者對任務(wù)執(zhí)行能力的影響[9-10]。靜息態(tài)功能MRI (resting state functional MRI,rs-fMRI)已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于各種腦疾病的研究[11-12]，靜息態(tài)是指在清醒閉眼的靜息狀態(tài)下人腦存在著大量自發(fā)的神經(jīng)元活動，其表現(xiàn)依賴血氧水平的信號，但在靜息狀態(tài)下僅為低頻振蕩，這種低頻振蕩在腦功能網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的不同腦區(qū)之間呈高度的同步性。目前國外有少量的研究使用這種方法用于腦腫瘤患者的術(shù)前功能區(qū)定位[13]，國內(nèi)尚未見類似研究。筆者通過對比腦腫瘤患者的rs-fMRI與task-based fMRI的結(jié)果，評價(jià)rs-fMRI在腦腫瘤患者運(yùn)動皮層術(shù)前定位中的應(yīng)用。

1 材料與方法

1.1 研究對象

選取2011年2月至6月在西安交通大學(xué)第一附屬醫(yī)院神經(jīng)外科住院，需行術(shù)前運(yùn)動功能區(qū)定位的腦腫瘤患者15例，其中男9例，女6例，年齡29～61歲，平均年齡47歲。患者均經(jīng)神經(jīng)外科手術(shù)，病理類型包括星形細(xì)胞瘤10例，腦膜瘤3例，海綿狀血管瘤1例，轉(zhuǎn)移瘤1例。所有患者均簽署知情同意書。

1.2 檢查方法

1.2.1 成像設(shè)備

采用GE公司生產(chǎn)的HDX 3.0 T超導(dǎo)型MR機(jī)，配套8通道頭部線圈。所有患者均用軟墊固定頭部以減少頭動，佩戴靜音耳塞以減少聽覺刺激。

1.2.2 掃描序列和參數(shù)

結(jié)構(gòu)像掃描參數(shù)：采用3D-T1FSPGR序列，TR 6.6 ms，TE 2.8 ms，視野25.6 cm×25.6 cm，層厚1 mm，間隔1 mm，反轉(zhuǎn)角15°，矩陣256×256，層數(shù)140層。

功能像掃描參數(shù)：采用EPI-BOLD序列，TR 2500 ms，TE 30 ms，矩陣64×64，視野25.6 cm×25.6 cm，層厚3 mm，層間隔3 mm，反轉(zhuǎn)角90°，層數(shù)47層。

1.3 資料分析方法

所有患者均先行rs-fMRI后再行task-based fMRI。rs-fMRI要求患者以安靜、閉目的方式平躺于檢查床上進(jìn)行，連續(xù)采集150個(gè)時(shí)相，掃描時(shí)間為6 min 15 s。task-based fMRI采用組塊設(shè)計(jì)方法，手運(yùn)動用五指對掌開合的方式進(jìn)行，采用30 s靜止30 s交替握拳的方式，共132個(gè)時(shí)相，掃描時(shí)間為5 min 30 s。

1.4 數(shù)據(jù)分析

fMRI數(shù)據(jù)處理采用FSL4.1 MELODIC ICA軟件包(FMRIB Software Library,www.fmrib.ox.ac.uk/fsl),運(yùn)用MR cron檢查功能圖像質(zhì)量，剔除運(yùn)動偽影較大及圖像變形較重、圖像掃描缺失的數(shù)據(jù)。靜息態(tài)功能圖像序列包括150個(gè)掃描圖像，任務(wù)態(tài)功能圖像包括132個(gè)掃描圖像，刪除掃描圖像前6個(gè)時(shí)間序列以保證圖像采集于穩(wěn)定的磁場狀態(tài)。其余圖像先后經(jīng)過時(shí)間校正，功能圖像頭動校正，然后進(jìn)行空間標(biāo)準(zhǔn)化，將圖像配準(zhǔn)到MNI 152空間。使用自動剔除頭皮工具(f=0.25和f=0.50分別處理解剖及功能圖像)，對圖像進(jìn)行高斯半寬全高(FWHM=6 mm)的平滑處理。采用概率獨(dú)立成分分析(probabilistic independent component analysis,PICA)進(jìn)行ICA分析(閾值P=0.5)。使用自動估算成分?jǐn)?shù)法對單個(gè)被試的信號進(jìn)行分離，每個(gè)數(shù)據(jù)分離出約50個(gè)成分。

2 結(jié)果

2.1 數(shù)據(jù)篩選

嚴(yán)格控制患者頭動及噪聲等因素的影響，對頭動轉(zhuǎn)動＞1°及平動＞1 mm的患者予以剔除。在實(shí)驗(yàn)過程中，由于2例患者頭動過大，1例患者進(jìn)行動手任務(wù)時(shí)幅度過大，致使解剖結(jié)構(gòu)變形較為嚴(yán)重而被剔除。最終符合實(shí)驗(yàn)要求的數(shù)據(jù)為： 12例(其中男7例，年齡29～60歲，平均47歲)，病理類型分別為星形細(xì)胞瘤7例，腦膜瘤3例，海綿狀血管瘤1例，轉(zhuǎn)移瘤1例(表1)。

2.2 rs-fMRI與task-based fMRI運(yùn)動皮層激活結(jié)果進(jìn)行疊加比較

rs-fMRI及task-based fMRI數(shù)據(jù)使用ICA方法都能夠成功分離運(yùn)動皮層區(qū)(圖1)。 12個(gè)患者的靜息態(tài)和任務(wù)態(tài)激活圖以及兩者之間的疊加圖如圖1所示，rs-fMRI運(yùn)動激活區(qū)顯示為綠色，task-based fMRI運(yùn)動皮層激活區(qū)顯示為黃色，1、3、7、8、11患者顯示靜息態(tài)運(yùn)動激活與任務(wù)態(tài)運(yùn)動激活有很好的一致性，而2、4、5、6、9、10及12患者靜息態(tài)的運(yùn)動皮層激活和任務(wù)態(tài)運(yùn)動皮層激活不能很好的匹配(圖1)。結(jié)果顯示，病灶的位置對運(yùn)動皮層的定位有一定的影響。腫瘤越靠近大腦中央溝附近，rs-fMRI和task-based fMRI的激活區(qū)定位差異較大，而病灶遠(yuǎn)離大腦中央溝時(shí)，rs-fMRI和task-based fMRI的激活區(qū)比較一致。

表1 符合實(shí)驗(yàn)要求的患者性別、年齡及發(fā)病部分和病理結(jié)果Tab.1 Age,gender,lension location and pathologic results of each patient

2.3 患側(cè)的運(yùn)動激活范圍與健側(cè)運(yùn)動激活強(qiáng)度相比

ICA分析圖像采用目測觀察法，2名經(jīng)驗(yàn)豐富的神經(jīng)外科醫(yī)師和影像科醫(yī)師共同對結(jié)果進(jìn)行分析。本研究中患者進(jìn)行rs-fMRI及task-based fMRI均顯示患側(cè)激活較健側(cè)激活有所減弱。

3 討論

腦腫瘤是神經(jīng)外科常見的疾病之一。最大范圍的切除腦腫瘤、保護(hù)腫瘤鄰近腦功能區(qū)不受損傷，不僅能延長患者生命，且能提高患者的生活質(zhì)量。常規(guī)MRI能夠很好的顯示腦腫瘤的解剖部位、形態(tài)特征及周圍正常腦組織受壓移位變形等情況，但無法直觀顯示腫瘤周圍功能區(qū)的位置及受損程度。

近年來，國內(nèi)外學(xué)者已經(jīng)將BOLD-fMRI用于術(shù)前腦腫瘤功能皮層定位的研究[10]。周高峰等[14]對病灶位于或鄰近中央?yún)^(qū)的18例惡性腦腫瘤(其中包括13例惡性膠質(zhì)瘤和5例轉(zhuǎn)移瘤)和13例良性腦腫瘤行對指運(yùn)動的任務(wù)態(tài)刺激，發(fā)現(xiàn)良、惡性腦腫瘤與正常志愿者之間功能區(qū)激活信號像素?cái)?shù)及最大信號強(qiáng)度存在差異性，并認(rèn)為BOLD-fMRI能直觀地顯示運(yùn)動及感覺功能區(qū)的基本形態(tài)和解剖位置，是對腦腫瘤患者進(jìn)行術(shù)前風(fēng)險(xiǎn)評估的有效手段[14]。李文貴等[15]也對6例初級感覺運(yùn)動區(qū)的腦腫瘤患者采用雙手握拳任務(wù)刺激，觀察手術(shù)前后腦瘤側(cè)與非腦瘤側(cè)運(yùn)動區(qū)的激活變化形式、強(qiáng)度及范圍。華盛頓大學(xué)Wood等[16]在1999年至2009年10年間對423名原發(fā)性腦腫瘤或轉(zhuǎn)移瘤的患者進(jìn)行fMRI，并根據(jù)病灶部位給予不同的刺激任務(wù)，分析提出腫瘤損傷與腫瘤邊界的距離可以影響語言及運(yùn)動功能的激活。目前，腦腫瘤患者術(shù)前腦功能定位的主要方法還是利用基于任務(wù)態(tài)的功能成像。2009年Zhang等[13]首次提出rsfMRI可以作為一種腦腫瘤術(shù)前功能區(qū)定位的方法，他們認(rèn)為盡管task-based fMRI能夠很好地定位功能皮層，但存在一個(gè)重要的問題就是患者是否能夠很好的配合并執(zhí)行任務(wù)，使用rs-fMRI時(shí)受試者不需要執(zhí)行任何任務(wù)，只需要安靜平躺休息，因此可在認(rèn)知障礙患者、不能配合的兒童以及生理缺陷的患者進(jìn)行檢查。其研究選用4例位于感覺運(yùn)動皮層的腦腫瘤患者，對其進(jìn)行rs-fMRI檢查，分析發(fā)現(xiàn)rs-fMRI功能皮層定位與皮層刺激定位具有很好的一致性，在患者的執(zhí)行方面更優(yōu)于以往常用的task-based fMRI。由于其研究采用的樣本數(shù)太小，并且主要分析研究靠近運(yùn)動皮層區(qū)域的腫瘤類型，因此，是否利用靜息態(tài)代替任務(wù)態(tài)還有待深入的研究。而且目前國內(nèi)尚未見相關(guān)文獻(xiàn)報(bào)道，是否rs-fMRI能夠成為術(shù)前功能定位的一種方法呢？本實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，rs-fMRI的結(jié)果與task-based fMRI并不完全一致，在病灶鄰近中央溝的患者中，rs-fMRI與task-based fMRI的激活區(qū)定位差異明顯，而在病灶遠(yuǎn)離中央溝附近的患者中，兩者的一致性較高。在本研究中例1、3、7、8及11患者中平均年齡為38歲，這些病例表現(xiàn)出rs-fMRI與task-based fMRI的激活區(qū)較一致，而例2、4、5、6、9、10及12患者平均年齡為48歲，表現(xiàn)為rs-fMRI與task-based fMRI的激活區(qū)定位差異明顯，而筆者認(rèn)為這可能與腫瘤的類型以及患者的年齡對任務(wù)執(zhí)行的能力有一定的關(guān)系。

圖1 每一縱列為1例患者的靜息態(tài)，任務(wù)態(tài)疊加圖以及結(jié)構(gòu)圖像。第1橫列為12例患者的靜息態(tài)運(yùn)動區(qū)激活圖，綠色代表激活區(qū)。第2橫列為患者執(zhí)行交替握拳運(yùn)動時(shí)運(yùn)動皮層激活圖，黃色代表激活區(qū)。第3橫列為兩者疊加圖。最底層為患者的解剖圖，便于觀察腫瘤的解剖部位Fig 1 From top to down,each row shows the rs-fMRI,task-based fMRI,overlap and structure images for each patient,the activation regions of motor cortex from rs-fMRI and task-based fMRI are denoted by green and yellow colors,respectively.

目前基于種子點(diǎn)相關(guān)分析及獨(dú)立成分分析是使用最廣泛的rs-fMRI數(shù)據(jù)分析方法[17-19]。種子點(diǎn)分析法利用先驗(yàn)的解剖知識或通過執(zhí)行相關(guān)任務(wù)時(shí)激活的圖像獲得，但該方法存在一定的局限性，所獲得腦功能連接信息對種子區(qū)域的選取具有一定的依賴性，選用不同的種子點(diǎn)可能獲得不同的結(jié)果，同時(shí)也間接增加了結(jié)果解釋的難度，影響到結(jié)果的可信度。Zhang等[13]采用種子點(diǎn)方法分析，選用14名正常健康對照組執(zhí)行對指運(yùn)動后獲得的皮層激活區(qū)選為種子點(diǎn)分析。考慮到腦腫瘤的腫瘤效應(yīng)(水腫，鄰近細(xì)胞浸潤等)可使大腦無論從解剖結(jié)構(gòu)還是功能連接方面都發(fā)生了改變，采用獨(dú)立成分分析法可以有效地克服由于種子點(diǎn)選擇造成的偏差。ICA方法假設(shè)靜息態(tài)下得到的BOLD信號時(shí)間序列是由相互獨(dú)立的不同信號分量構(gòu)成，因此可以通過數(shù)學(xué)運(yùn)算分離原始信號中的各種生理及系統(tǒng)噪聲信號，將各功能網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)信號分別提取出來。該方法不需要先驗(yàn)的種子點(diǎn)，采用盲源分離成分，可以避免腫瘤對大腦結(jié)構(gòu)改變的影響。但I(xiàn)CA方法也存在著一定的局限性，主要表現(xiàn)在ICA分離的成分?jǐn)?shù)量是依賴不同實(shí)驗(yàn)者要求的參數(shù)進(jìn)行分析，需要觀察者必須熟練分辨神經(jīng)解剖結(jié)構(gòu)，能區(qū)別主要提取成分和信號噪聲的區(qū)別[20]。Ma等[21]認(rèn)為ICA的研究結(jié)果是受到成分?jǐn)?shù)量的影響，如果成分?jǐn)?shù)量過小，不足以提取出有效的成分，并建議數(shù)據(jù)量不應(yīng)包含太多成分導(dǎo)致相關(guān)信息丟失。本研究中將每個(gè)數(shù)據(jù)分離出50個(gè)成分，既可避免重要的數(shù)據(jù)丟失也能保證計(jì)算的時(shí)間在合理的范圍內(nèi)，與以前的文獻(xiàn)報(bào)道相符[22]。

筆者還發(fā)現(xiàn)患側(cè)功能激活區(qū)信號較健側(cè)有所減弱。腫瘤的占位效應(yīng)及瘤周水腫或者新生的血管形成都能夠改變大腦的血流甚至引起神經(jīng)血管的重構(gòu)，因此可能會導(dǎo)致功能區(qū)的活動減弱。這與Bookheimer[23]報(bào)道的較一致。有研究還顯示，腦腫瘤的惡性度與BOLD-fMRI的信號下降存在相關(guān)性[9]。Holodny等[9]觀察到顱內(nèi)膠質(zhì)瘤或非膠質(zhì)瘤都會使同側(cè)BOLD-fMRI信號下降，而在膠質(zhì)母細(xì)胞瘤中這種現(xiàn)象更明顯。Chen等[24]認(rèn)為患者的年齡及膠質(zhì)瘤的級別都會影響B(tài)OLD-fMRI信號，對于Ⅱ級和Ⅲ級膠質(zhì)瘤，BOLD-fMRI信號主要與患者的年齡相關(guān)，即患者年齡越大則BOLD-fMRI信號強(qiáng)度越低，而與膠質(zhì)瘤的病理級別無相關(guān)性，而對于Ⅳ級惡性膠質(zhì)瘤而言，年齡因素不起主要作用，主要與腫瘤的惡性程度相關(guān)，即Ⅳ級膠質(zhì)瘤的老年患者與Ⅳ級膠質(zhì)瘤的年輕患者其BOLD-fMRI信號相仿，其原因可能為高級別膠質(zhì)瘤具有異常的腫瘤新生血管系統(tǒng)。在本研究中只有7例膠質(zhì)瘤，樣本量較少，未發(fā)現(xiàn)膠質(zhì)瘤的級別與BOLD-fMRI信號強(qiáng)度之間的相關(guān)性。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明rs-fMRI及task-based fMRI都可以作為腦腫瘤患者運(yùn)動區(qū)術(shù)前定位的一種參考，但rsfMRI尚不能取代task-based fMRI。進(jìn)一步的研究還需要擴(kuò)大樣本量并根據(jù)腫瘤的部位及類型對兩種方法的結(jié)果進(jìn)行相關(guān)分析，深入探討rs-fMRI在腦腫瘤術(shù)前功能定位中的作用。

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