MR與CT圖像融合技術在帕金森病深部腦電刺激術后的應用

何 品，蔡曉東，張豆豆，劉佳麗，吳清平， 許東峰，雷 益，邱喜雄，夏 軍*

(1.深圳市第二人民醫(yī)院影像科,2.神經外科，3.統(tǒng)計教研室，廣東 深圳 518035)

MR與CT圖像融合技術在帕金森病深部腦電刺激術后的應用

何 品1，蔡曉東2，張豆豆2，劉佳麗2，吳清平3， 許東峰1，雷 益1，邱喜雄1，夏 軍1*

(1.深圳市第二人民醫(yī)院影像科,2.神經外科，3.統(tǒng)計教研室，廣東 深圳 518035)

目的 采用CT和MRI圖像融合技術評價帕金森病(PD)患者深部腦電刺激(DBS)術后電極位置準確性的應用價值。方法 收集接受雙側DBS療法的32例PD患者，采用術后顱腦薄層CT和術前MRI圖像融合(融合組)技術并與常規(guī)術后復查MRI圖像(常規(guī)組)比較，分析電極位置精確度及檢查耗費時間。結果 融合組與常規(guī)組測量的電極位置相關性較好(P均<0.008)；融合組與常規(guī)組電極尖端位置比較，除左側電極y軸、z軸方向差異有統(tǒng)計學意義外(t=-2.34、-3.08，P均<0.05)，余差異均無統(tǒng)計學意義(P均>0.05)。術后復查MR檢查時間為(7.65±0.33)min，術后復查CT時間為(2.85±0.29)min，差異有統(tǒng)計學意義(P<0.05)。結論 DBS術后應用頭部薄層CT與MRI圖像融合能精確定位電極位置，并可避免PD術后復查MRI的潛在風險，縮短術后復查的時間。

圖像融合；體層攝影術，X線計算機；磁共振成像；深部腦刺激；電極位置

深部腦電刺激(deep brain stimulation， DBS)療法是一種安全、微創(chuàng)、療效好的手術方法，且越來越多地用于不能耐受藥物治療的晚期及長期帕金森病(Parkinson disease， PD)患者，約70%PD患者在術后5年內臨床癥狀及生活質量得到明顯改善與提高[1-2]。DBS術后通過利用持續(xù)的高頻脈沖電刺激抑制不正常的腦核團異常放電，達到治療效果，而刺激參數(shù)質量控制及調整是由術后植入電極的解剖位置決定的[3]。由于MRI比CT具有更好的軟組織對比度，故臨床上常規(guī)采用MRI術后復查確定植入電極位置。但有研究[4-5]報道，DBS術后MR復查存在一定的風險，如電極發(fā)熱、移位、電流刺激及設備破壞等，甚至在未嚴格遵守MR安全檢查要求的前提下，可能導致嚴重、暫時或永久的傷害，包括短暫性肌張力障礙、癱瘓、昏迷，甚至死亡。本研究擬通過圖像融合技術將患者術前顱腦MRI與術后薄層CT圖像進行融合處理，并與常規(guī)術后顱腦MR圖像對照，探討圖像融合技術顯示電極位置的能力。

1 資料與方法

1.1一般資料 收集2015年4月—2016年3月在我院接受DBS治療的PD患者32例，其中女12例，男20例，年齡32～76歲,平均(56.8±12.0)歲，病程 3～7年，Hoehn and Yahr分級(2～5級)平均(3.04±0.91)級。患者術前大劑量左旋多巴沖擊試驗改善率均≥30%。所有患者均接受雙側DBS治療，患者術前、術后均以帕金森運動評分量表(united parkinson's disease rate scale, UPDRS Ⅲ)評分，并計算改善率。改善率=(未服藥UPDRS Ⅲ基線評分-服藥后或術后UPDRS Ⅲ評分)/未服藥UPDRS Ⅲ基線評分×100%。

1.2儀器與方法 MR檢查：采用Siemens Avanto 1.5T MR掃描儀，32通道頭線圈。掃描序列：術前行高分辨率質子密度像+SE T2WI軸位掃描(TR 3 460 ms，TE1 11 ms，TE2 90 ms，翻轉角度150°，F(xiàn)OV 250 mm×250 mm，矩陣256×256，激勵次數(shù)2，層厚 2 mm。術后行質子密度像+SE T2WI軸位掃描(TR 4 320 ms，TE1 11 ms，TE2 90 ms，F(xiàn)OV 230 mm×230 mm，矩陣256×256，體素大小0.9 mm×0.9 mm×2.0 mm，激勵次數(shù)2，層厚2 mm和SE T2WI冠狀位掃描 (TR 3 090 ms，TE 84 ms，翻轉角度150°，F(xiàn)OV 220 mm×220 mm，矩陣384×288，激勵次數(shù)1)。CT檢查：采用Siemens Somatom definition 40排螺旋CT機，管電壓140 keV，管電流286 mA，層厚0.6 mm。圖像處理工作站采用醫(yī)科達Leksell 10.1手術計劃工作站(Elekta Instruments, Stockholm)。

1.3分組及電極坐標計算方法 以術后常規(guī)MRI為常規(guī)組；以術前顱腦MRI與術后薄層CT融合圖像為融合組。常規(guī)組的電極位置測量：DBS術后1周，腦起搏器處于關閉狀態(tài)，若患者不自主運動，需給予5 mg的地西泮靜脈推注，以保證采集的圖像無運動偽影；行MR掃描，掃描層面包括軸位[與前聯(lián)合、后聯(lián)合線(AC-PC)平行]及冠狀位(與電極方向平行)；圖像導入Leksell 10.1計劃系統(tǒng)工作站，以AC-PC為中點，重建冠狀位、矢狀位及軸位圖像，分別在軸位(x軸)、矢狀位(y軸)、冠狀位(z軸)方向測量并記錄電極位置(圖1)。融合組的電極位置測量：術前1～2天進行MR頭顱平掃；質子密度像+T2WI軸位像與AC-PC平面平行；術后當日行去框架頭顱CT掃描(薄層)，掃描層厚2 mm，重建層厚0.6 mm，掃描范圍覆蓋顱底及頭頂，掃描方向與AC-PC平面平行；應用Leksell手術計劃工作站將MRI圖像與術后CT圖像進行圖像融合處理，以AC--PC的中點作為原點，分別在軸位(x軸)、矢狀位(y軸)、冠狀位(z軸)方向測量并記錄電極位置(圖2、3)。

1.4統(tǒng)計學方法 采用SPSS 16.0統(tǒng)計分析軟件。采用配對t檢驗比較兩組DBS術后電極植入位置及術后掃描時間的差異，以P<0.05為差異有統(tǒng)計學意義。采用Pearson相關性分析比較兩組DBS術后電極植入位置的一致性；經Bonferroni校準，以P=0.008為檢驗水準。

2 結果

患者術前大劑量服用左旋多巴較術前未服用左旋多巴的UPDRS Ⅲ評分改善率約為80.74%，開機未服左旋多巴較術前未服用左旋多巴的改善率約為47.46%，開機服用左旋多巴較術前未服用左旋多巴的改善率約為87.25%(表1)。

常規(guī)組與融合組測量的電極植入位置具有相關性(P均<0.008，表2、圖4～7)；融合組與常規(guī)組電極尖端位置比較，除左側電極y軸、z軸方向差異有統(tǒng)計學意義外(t=-2.34、-3.08，P均<0.05)，余差異均無統(tǒng)計學意義(P均>0.05，表3)。

PD患者術后復查MR檢查時間為(7.65±0.33)min，術后復查CT時間為(2.85±0.29)min，差異有統(tǒng)計學意義(P<0.05)。

表1 患者術前、術后UPDRS Ⅲ量表評分

表2 融合組與常規(guī)組測量電極空間位置的相關程度

表3 融合組與常規(guī)組測量雙側電極尖端位置比較(mm，±s)

圖1 常規(guī)MR圖像測量電極空間位置 A.x軸方向； B.y軸方向； C.z軸方向

圖2 應用融合圖像計算植入電極空間坐標 A.x軸方向； B.y軸方向； C.z軸方向 圖3 融合圖像可清晰顯示出電極四個刺激點(箭)

圖4 常規(guī)組與融合組測量y軸方向左側電極尖端位置的散點圖 圖5 常規(guī)組與融合組測量z軸方向左側電極尖端位置的散點圖 圖6 常規(guī)組與融合組測量x軸方向右側電極尖端位置的散點圖 圖7 常規(guī)組與融合組測量y軸方向右側電極尖端位置的散點圖

3 討論

在過去的10年里，DBS手術逐漸取代了丘腦底核(subthalamic nucleus，STN)核團毀損術，越來越多地用于治療晚期及長期不能耐受藥物治療的PD患者。目前臨床常用的電刺激靶點為STN核，手術的關鍵在于精確地定位靶點位置，以期得到較好的臨床效果，而術后復查電極位置不僅可以評估電極放置的準確性，還可以排查是否有顱內出血等并發(fā)癥。雖然常規(guī)MRI顯示軟組織有良好對比度，可清楚地觀察電極是否在STN核內，但植入電極材質在磁場中可能會存在發(fā)熱、移位、電流刺激及設備破壞等潛在風險，因此本研究擬采用術前MRI與術后CT圖像融合技術代替術后復查MRI，既能達到術后復查MRI的效果又能避免MRI潛在風險。

UPDRS是目前國際上普遍用于評價PD患者生活質量的量表，不僅可以對PD患者的運動、日常生活能力、病程發(fā)展程度、手術療效等作出客觀評判，還可以直觀地了解手術后肢體震顫、僵直的改善及手腳靈活性的變化，是判斷DBS療效的重要預測指標[6]。本組患者術前大劑量左旋多巴沖擊試驗改善率均≥30%，預示可能獲得較好的手術效果。本研究結果顯示相對于術前未服左旋多巴的UPDRSⅢ量表評分，術后開機未服藥及術后開機服藥后UPDRSⅢ量表評分改善率明顯提高。Shin等[7]臨床研究發(fā)現(xiàn)，術后療效的改善率可以推測術后電極放置在STN核內的精確度。

Coyne等[8-10]研究發(fā)現(xiàn)，應用手術計劃系統(tǒng)配合圖像融合技術能夠提高靶點識別準確性以及加快手術進程。本研究采用CT與MR融合圖像與常規(guī)術后MR圖像對照，結果顯示融合組與常規(guī)組兩種方法具有較高相關性，且雙側電極在x軸方向差異無統(tǒng)計學意義，與既往Barnaure等[11]的研究結果基本一致。

本研究圖像融合和測量是由1名影像科主任醫(yī)師和1名功能神經外科主任醫(yī)師共同完成，將圖像導入Leksell 10.1軟件包中，基于圖像中共有的信息匹配算法進行融合，融合程度較高，且測量方法是基于AC-PC中點，兩組圖像均進行校準，以保證兩組圖像在Leksell軟件中的空間位置是一致的，提高了測量精度。但左側電極z軸方向、y軸方向差異均有統(tǒng)計學意義(t=-2.34、-3.08，P<0.05)，且常規(guī)圖像較融合圖像電極位置偏高，Barnaure等[11]研究結果同樣存在差異性結果。推測可能與以下因素有關：①由于條件限制，短期內樣本量不足；②精確的電極尖端人為識別誤差；③電極材質在MR中產生偽影；④融合仍存在微小誤差等。這些因素還有待在大樣本病例中進一步研究。

DBS術后PD患者術后復查CT的時間[(2.85±0.29)min]較術后復查MR檢查的時間[(7.65±0.32)min]，大大縮短，提高了患者舒適度，也降低了MR設備的使用頻率。

本研究發(fā)現(xiàn)，融合圖像與常規(guī)術后MR圖像測量電極位置具有較高一致性且能精確定位電極位置、減少掃描時間。因此認為CT與MRI融合圖像既能夠彌補CT圖像組織分辨力差的劣勢，又能避免術后復查MR可能帶來的風險，與既往研究[12-13]相符。Paek等[12]通過DBS術后PD患者臨床癥狀改善提出術后CT與術前MR融合圖像可以精確評價術后電極的位置；Geevarghese等[13]通過測量融合圖像電極尖端的位置，認為DBS術后CT與MRI融合是一種安全、可靠、快速的檢查方法。

總之，術前MRI與術后CT融合圖像不僅可以精確定位電極位置，而且對電極周圍組織結構顯示清楚，可為臨床提供術后評價，并可對下一步針對不同適應癥(如PD、肌張力障礙、震顫、癲癇等)的治療選擇最合適的電極接觸刺激[14]。

[1] Hariz M. Deep brain stimulation: New techniques.Parkinsonism Relat Disord, 2014,20 (Suppl 1):S192-S196.

[2] O'Gorman RL, Jarosz JM, Samuel M, et al. CT/MR image fusion in the postoperative assessment of electrodes implanted for deep brain stimulation. Stereotact Funct Neurosurg, 2009,87(4):205-210.

[3] Thani NB, Bala A, Swann GB, et al. Accuracy of postoperative computed tomography and magnetic resonance image fusion for assessing deep brain stimulation electrodes. Neurosurgery, 2011,69(1):207-214.

[4] Shellock FG, Knebel J, Prat AD, et al. Evaluation of MRI issues for a new neurological implant, the sensor reservoir. Magn Reson Imaging, 2013,31(7):1245-1250.

[5] Rezai AR, Phillips M, Baker KB, et al. Neurostimulation system used for deep brain stimulation (DBS): MR safety issues and implications of failing to follow safety recommendations. Invest Radiol, 2004,39(5):300-303.

[6] 劉金龍,陳玲,柯春龍,等.腦深部電刺激治療帕金森病近期療效的初步探討.中國神經精神疾病雜志,2009,35(4):208-211.

[7] Shin M, Lefaucheur JP, Penholate MF, et al. Subthalamic nucleus stimulation in Parkinson's disease: Postoperative CT—MRI fusion images confirm accuracy of electrode placement using intraoperative multi-unit recording. Neurophysiol Clin, 2007,37(6)：457-466.

[8] Coyne T, Silburn P, Cook R, et al. Rapid subthalamic nucleus deep brain stimulation lead placement utilising CT/MRI fusion, microelectrode recording and test stimulation. Acta Neurochir Suppl, 2006,99:49-50.

[9] 曹勝武,趙春生,洪訊寧，等.圖像融合技術在帕金森病腦深部電刺激術中的應用.立體定向和功能性神經外科雜志,2015,29(3):134-138.

[10] Patil AA. Intraoperative image fusion to ascertain adequate lead placement.Stereotact Funct Neurosurg, 2011,89(4):197-200.

[11] Barnaure I, Pollak P, Momjian S, et al. Evaluation of electrode position in deep brain stimulation by image fusion (MRI and CT). Neuroradiology, 2015,57(9):903-908.

[12] Paek SH, Kim HJ, Yoon JY, et al. Fusion image-based programming after subthalamic nucleus deep brain stimulation. World Neurosurg, 2011,75(3-4):517-524.

[13] Geevarghese R, O'Gorman Tuura R, Lumsden DE, et al. Registration accuracy of CT/MRI fusion for localisation of deep brain stimulation electrode position: An imaging study and systematic review. Stereotact Funct Neurosurg, 2016,94(3):159-163.

[14] Lee JY, Jeon BS, Paek SH, et al. Reprogramming guided by the fused images of MRI and CT in subthalamic nucleus stimulation in Parkinson disease. Clin Neurol Neurosurg, 2010,112(1):47-53.

Application of MR and CT image fusion technology after surgery of deep brain electrical stimulation in Parkinson disease

HEPin1,CAIXiaodong2,ZHANGDoudou2,LIUJiali2,WUQingping3,XUDongfeng1,LEIYi1,QIUXixiong1,XIAJun1*

(1.DepartmentofRadiology, 2.DepartmentofFunctionalNeurosurgery, 3.TeachingandResearchSectionofStatistics,ShenzhenSecondPeople'sHospital,Shenzhen518035,China)

Objective To explore the accuracy of the electrodes position in deep brain stimulation (DBS) by using image fusion technique of post-operative CT with pre-operative MRI in patients with Parkinson Disease (PD). Methods Totally 32 patients with PD underwent bilateral DBS were acquired. The electrodes position and examination time of each patient were compared between fusion image of post-operative CT with pre-operative MRI (fusion group) and post-operative conventional MRI(control group). Results Fusion images of fusion group and conventional MR images of control group had high consistency in measure of the electrodes position (allP<0.008). The differences of the left electrodes position in theyandzaxis had statistically significance between fusion group and control group (t=-2.34,-3.08; bothP<0.05), others had no statistically significance (allP>0.05). Post-operative MRI examination time and post-operative CT examination time were (7.65±0.32)min and (2.85±0.292)min, respectively (P<0.05). Conclusion Application of post-operative CT and pre-operative MRI image fusion after DBS operation can accurately identify the electrodes position. It can reduce the potential risk encountered by post-operative MRI examination and shorten the post-operative scan time for patients.

Image fusion; Tomography, X-ray computed; Magnetic resonance imaging; Deep brain stimulation; Electrode position

廣東省科技計劃項目(2014A020212044、2014A020212047)、深圳市衛(wèi)生計生系統(tǒng)科研項目(201401019)、深圳市科技研發(fā)資金項目(JCYJ20150330102720167)。

何品(1989-)，女，安徽宿州人，在讀碩士，醫(yī)師。研究方向：中樞神經系統(tǒng)影像診斷。E-mail： 649222213@qq.com

夏軍，深圳市第二人民醫(yī)院影像科，518035。E-mail: xiajun2003sz@aliyun.com,

2016-07-12

2016-10-31

中樞神經影像學

10.13929/j.1003-3289.201607054

R744.8; R445

A

1003-3289(2017)02-0183-05