血氧水平依賴功能磁共振成像在腫瘤中的應用研究進展

吳琴　李光明

(1.川北醫學院附屬醫院腫瘤科，四川 南充　637000；2.川北醫學院第二臨床學院南充市中心醫院腫瘤防治中心，四川 南充　637000)

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血氧水平依賴功能磁共振成像在腫瘤中的應用研究進展

吳琴1,2李光明2△

(1.川北醫學院附屬醫院腫瘤科，四川 南充637000；2.川北醫學院第二臨床學院南充市中心醫院腫瘤防治中心，四川 南充637000)

摘要血氧水平依賴功能磁共振成像(Blood oxygenation level dependent functional magnetic resonance imaging，BOLD-fMRI)是一種融合解剖、功能于一體的無創性檢查，它利用人體自身內部血氧濃度變化作為天然造影劑成像，通過血氧飽和度的對比變化來反映腦神經功能活動情況，能提供較高的空間及時間分辨率，相較于傳統的電子計算機斷層圖掃描、磁共振成像及正電子發射斷層圖等影像成像方法，BOLD-fMRI具有無創、、非侵入性、無放射性、無需注射對比劑、空間及時間分辨率高等優點，能獲得分辨率高、精確度好、清晰度高的功能及解剖圖像，在臨床就診過程中扮演著越來越重要的角色。腫瘤是21世紀全球主要的公共健康問題之一，因其具有高復發率、高致殘率及高死亡率的特點，已成為當今社會威脅人類健康的重要殺手，如何提高腫瘤患者的治療療效及生存質量越來越引起大家的注意，而BOLD-fMRI為腫瘤的診斷、治療及預后評價提供了更為可靠地證據，本文就BOLD-fMRI在腫瘤中的應用進行簡單的綜述。

關鍵詞：血氧水平依賴功能磁共振成像；腫瘤；診斷；治療

1BOLD-fMRI的基本原理及其影響因素

1.1基本原理

血氧水平依賴功能磁共振成像(Blood oxygenation level dependent functional magnetic resonance imaging，BOLD-fMRI)作為一種近年來發展的一種非侵入性檢查，在1990年最先由Ogawa等[1,2]提出，他們認為BOLD-fMRI利用人體自身內源性血紅蛋白作為對比劑，通過血氧濃度的變化作為天然造影劑成像，通過血氧飽和度的對比變化來反映腦神經功能活動情況，反映了神經活動下血流、血容量和血紅蛋白氧合程度三者的變化，獲得解剖和功能信號。而早在20世紀30年代，就有學者提出去氧血紅蛋白是一種存在體內的天然順磁性物質，血液中的去氧血紅蛋白及氧合血紅蛋白兩者具有相反的磁特性，因而血紅蛋白的氧合程度可以決定體內血液的磁性[4]。Kwong[5]認為當局部血管內血流量增加時，隨之氧合血紅蛋白含量相對增加，去氧血紅蛋白減少，而具有順磁性的去氧血紅蛋白在血管和其周邊產生的局部梯度小磁場，縮短T2*的作用也減少，就使局部 T2* 相對延長；反之，當去氧血紅蛋白增加，T2*值縮短。由于組織去氧血紅蛋白濃度與橫向弛豫率(R2*)值相關，因此影像學上多采用 R2*值(R2*=1/T2*，單位Hz)作為評價指標[6]，BOLD-fMRI 技術正是基于以上原理開發應用的，以組織器官的血流動力學 為基礎，利用血氧濃度的變化作為天然造影劑，研究正常及異常組織內氧含量的變化，因此在處理BOLD-fMRI圖像時，可通過專業測量軟件測量T2*值或R2*值。

1.2影響因素

Ogawa 等[1,2,3]認為BOLD-fMRI是通過腦血流量、腦血容量及腦血氧代謝率來間接反應腦神經元的電活動，任何可影響上述三者的因素都會影響BOLD-fMRI信號，而不是通過直接檢測神經元的電活動來完成。而Gupta等[7]發現BOLD信號由三部分組成：真正的神經元活動、敏感性偽影以及神經血管解偶聯效應，其中后兩者均可產生偽信號，干擾最終結果。臨床檢測過程中可聯合多種磁共振功能成像技術，如彌散張量成像(DTI)、增強灌注成像(PWI)、磁共振波譜(MRS)等獲得更加真實可靠的結果。Kim等[8,9]發現BOLD信號改變與腦血流(Cerebral blood flow，CBF)和腦氧代謝率(Cerebral metabolic rate of oxygen，CMRO2)的相對變化有負相關的關系。而除了器官組織局部的血流影響因素外，還有其他干擾BOLD-fMRI信號的檢測，倪萍等[10]對77例行運動功能BOLD-fMRI的受檢者開展質量控制，發現主磁場的不均勻、梯度磁場的非線性、數模轉換不準、系統噪聲等設備因素，被試者的頭動、心跳、呼吸、情緒狀態、吞咽及咳嗽等受試者因素，磁體是否遠離震動源、磁共振系統的電源是否具有高質量穩定電源、屏蔽房是否具有良好的射頻屏蔽性能等外界環境因素，數據處理過程中SPM軟件分析包產生的偽激活圖等均可影響最終的BOLD-fMRI結果。所以就要求在行BOLD-fMRI前，制定合理的實驗設計，考慮可能出現的各種干擾因素，并在條件許可的情況下進行有效的干預及控制，保證數據的可靠性和結果的準確性。尤其是原始數據的質量控制至關重要。

2BOLD-fMRI在腫瘤中的臨床應用

2.1BOLD-fMRI在腦腫瘤中的臨床應用

大腦作為人體特殊器官，有著許多的特殊功能，當大腦發生腫瘤時，腦腫瘤常可累及運動、語言等特殊功能區，大腦處于病理狀態下，受累腦區神經元的功能及參與該功能的神經網絡系統都會受到影響，術前準確定位這些功能區，有利于在切除腫瘤病灶時盡量避免損傷腦功能區,在患者術后的恢復、減少術后并發癥、提高術后生活質量等方面有重要意義。BOLD-fMRI分為任務態及靜息態，任務態BOLD-fMRI是在腦功能活動的同時對腦組織進行實時的腦功能成像，在有外部刺激情況下神經元活動引發的局部腦血氧水平的改變。已有研究證明任務態BOLD-fMRI在有刺激任務條件下可確定部分腦功能區[11,12]。靜息態BOLD-fMRI是根據腦組織自發性活動而獲得整個大腦在靜息狀態下的腦功能成像，患者在靜息狀態下就能獲得腦功能區的信息，從而彌補了任務態BOLD-fMRI的局限性，如不配合的患者、精神病患者、意識不清、失語或昏迷等特殊情況下不能準確測量腦功能區的患者。結合任務態及靜息態的BOLD-fMRI能更加全面的用圖像的方式顯示抽象的大腦功能活動，在感興趣的腦功能活動區對腦組織進行功能成像。用無創的方式描繪大腦的解剖結構及功能區，制定最佳治療方案，提高腦腫瘤的切除率，在更完整和精確地切除腫瘤的同時最大程度地具有保全患者的功能。

Tuntiyatorn等[13]術后利用BOLD-fMRI比較5個原發性腦腫瘤患者雙手做簡單動作時受累半球與未受累半球的定位圖像，發現BOLD-fMRI可顯示術后殘留的功能區及對側功能區的代償情況。Hou等[14]報道了利用BOLD-fMRI及MR灌注成像方法研究腦瘤患者的初級運動皮層(PMC)中BOLD-fMRI激活量對腦腫瘤新生血管形成的影響，收集的57例腦瘤患者的結果證明，對于IV級神經膠質瘤，在腫瘤同側的PMC內的BOLD fMRI的活化體積減小，對側PMC相對區域腦血容量的增加。Hall等[15]應用BOLD-fMRI術前標識腦腫瘤患者的功能區，并與術中磁共振神經導航系統相結合，其中69%的患者達到腫瘤全切除，而且BOLD-fMRI數據在所有的病例中術前定位準確。另有研究[16]報道BOLD-fMRI可應用于腦膠質瘤術后放療靶區的勾畫及放射劑量的制訂，可降低其放射性損傷的風險。和鴻[17]對27例腦星形細胞瘤術后擬行進一步放療的患者行BOLD-fMRI檢查，不僅可直觀的了解外科切除術對運動皮層區的影響，還可指導術后放療靶區的勾畫，在保證靶區治療劑量的同時盡量減少功能區受量，制定出具有針對性區域保護作用的放療計劃，提高患者的生存質量。

2.2BOLD-fMRI在其他腫瘤中的臨床應用

BOLD-fMRI在非腦腫瘤中的臨床應用近年來也有研究，有研究報道利用BOLD-fMRI可幫助鑒別良惡性腫瘤，如孫峰等[18]收集了20例患有四肢骨與軟組織腫瘤的患者，利用BOLD-fMRI對其進行檢查，結果顯示，不同腫瘤及同一腫瘤不同區域局限性缺血BOLD信號強度信號變化曲線不一致，腫瘤區域與周圍正常組織BOLD信號變化也有統計學差異。于德新等[19]對35例肝良性腫瘤、62例肝惡性腫瘤及12例肝膿腫病人行治療前 BOLD-fMRI檢查，結果表明T2*相關值有助于鑒別肝臟良惡性腫瘤，T2*值及其病灶/肌比值可為肝膿腫與肝良性腫瘤的鑒別診斷提供支持。有學者[20]研究了34例存活日期超過10年乳腺癌幸存患者，其中化療組為19例經大劑量輔助化療患者，對照組為15例化療劑量不明患者，利用BOLD-fMRI及神經心理測試患者化療后的認知功能，結果表明，高劑量的輔助化療與長期的認知損害相關聯。Gawrysiak等[21]報道了BOLD-fMRI監測1例經行為激活治療的乳腺癌抑郁患者的腦功能的變化。Boland等[22]研究對24例存在周圍神經病變的中樞性疼痛患者進行研究，其中12例為慢性化療后引起周圍神經病變的多發性骨髓瘤患者，12例為存在中樞性疼痛的普通志愿者，結果顯示功能MRI能作為抗癌和鎮痛治療期間監測腦功能變化的工具。另有學者利用BOLD-fMRI監測了26例初治的晚期非小細胞肺癌(NSCLC)患者的(分為厭食組與非厭食組)腦功能，給予食物刺激，非厭食癥患者表現出BOLD信號激活，厭食癥肺癌患者該腦區域缺乏激活信號[23]。Salvan等[24]利用BOLD-fMRI定位了1例64歲的完全喪失視覺識別功能的轉移性乳腺癌患者的大腦視覺功能區的侵犯病灶。Haneder等[25]利用BOLD-fMRI及彌散加權成像(DWI)監測4例經放射治療的晚期胃癌患者的腎功能，2例行三維適形放射治療(3D-CRT)，2例行調強放射治療(IG-IMRT)，結果發現3D-CRT組腎功能發生改變，而IG-IMRT組未發現腎功能改變，他們認為fMRI能夠評估放療后腎功能的變化，并且支持IG-IMRT是更有利于患者的放射治療方式。翟曉輝等[26]觀察與比較21例乳腺浸潤性導管癌患者吸氧前后BOLD-fMRI信號的特征及變化，吸氧前腫瘤組織 BOLD-fMRI呈高信號，吸氧后顯示病灶信號減低，證實了BOLD-fMRI具有檢測腫瘤氧合改變的能力，對病灶的準確定位提供可靠證據。有學者[6,27-29]也報道了在肝癌的研究中也得出了同樣的結果，提示 BOLD-fMRI 能夠評價腫瘤乏氧狀態，為肝癌治療及術后隨訪提供評價指標。

3結論與展望

眾多研究結果表明，因BOLD-fMRI具有安全無創性、可重復性及高效性等特點，在臨床工作中已逐漸被接受，對腫瘤的診斷、治療計劃的制定及腫瘤術后功能的監測等方面應用越來越廣泛。BOLD-fMRI在腫瘤基礎和臨床應用方面都具有很大的潛力和廣闊前景，但它也存在一定的局限性，首先，設備裝置的是否合格和檢查人員的專業技能是否過硬，會對BOLD-fMRI信號的采集產生一定的影響；其次，部分容積效應的影響、圖像偽影的處理、感興趣區的選擇等均受人為因素的影響，以及存在不可避免的受試者自身影響因素和外界環境干擾因素，都會對最終的結果產生影響，因此BOLD-fMRI作為一種具有臨床意義的技術存在不少問題，需要人們進一步研究發現并解決,相信隨著MRI掃描設備軟硬件的進一步改進與完善，檢查人員的專業技能進一步的提高，BOLD-fMRI的進一步深入研究以及臨床應用的經驗積累，數據處理軟件進一步的精進，這些問題會逐步得到解決，在將來的臨床工作中發揮更重要的作用。

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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)

作者簡介：吳琴，女，川北醫學院在讀研究生，主要從事腫瘤放化療工作，Email：846984005@qq.com。 △通訊作者：李光明，男，教授，主要從事腫瘤的時辰治療工作，Email：ligm99999@163.com。

(收稿日期：2016-3-21)