功能磁共振在神經(jīng)外科手術(shù)計(jì)劃中的應(yīng)用

焦玉明，曹勇

首都醫(yī)科大學(xué)附屬北京天壇醫(yī)院 a.神經(jīng)外科；b.國(guó)家神經(jīng)系統(tǒng)疾病臨床醫(yī)學(xué)研究中心，北京 100050

專(zhuān)論——神經(jīng)影像技術(shù)的臨床應(yīng)用

編者按：近年來(lái)，隨著神經(jīng)影像技術(shù)的快速發(fā)展，其在臨床領(lǐng)域的應(yīng)用也愈發(fā)成熟。尤其是以核磁共振成像（MRI）為基礎(chǔ)的技術(shù)的發(fā)展，包括結(jié)構(gòu)和功能MRI，使得多模態(tài)影像成為可能。本專(zhuān)論探討以MRI為主的神經(jīng)影像技術(shù)在神經(jīng)外科手術(shù)計(jì)劃和實(shí)施中的應(yīng)用。文獻(xiàn)綜述和研究文章表明，多模態(tài)影像技術(shù)以其無(wú)創(chuàng)性、預(yù)測(cè)性，以及立體圖像信息的互補(bǔ)和綜合性，給神經(jīng)外科手術(shù)術(shù)前功能定位、手術(shù)入路計(jì)劃、術(shù)中導(dǎo)航以及決策提供了很有價(jià)值的指導(dǎo)作用。本期專(zhuān)論也收錄了一篇同樣主題的譯文文章。另外，目前機(jī)器學(xué)習(xí)和深度學(xué)習(xí)在臨床上的應(yīng)用也主要集中在影像學(xué)領(lǐng)域，本專(zhuān)論同時(shí)收錄了一篇利用深度學(xué)習(xí)算法分析CT圖像以區(qū)分阿爾茨海默病的研究文章。

功能磁共振在神經(jīng)外科手術(shù)計(jì)劃中的應(yīng)用

焦玉明a,b，曹勇a,b

首都醫(yī)科大學(xué)附屬北京天壇醫(yī)院 a.神經(jīng)外科；b.國(guó)家神經(jīng)系統(tǒng)疾病臨床醫(yī)學(xué)研究中心，北京 100050

隨著功能磁共振（functional MRI，fMRI）技術(shù)的發(fā)展，fMRI技術(shù)已經(jīng)在神經(jīng)外科得到了越來(lái)越廣泛的應(yīng)用，以保護(hù)腦功能進(jìn)而提高手術(shù)預(yù)后。本綜述對(duì)任務(wù)態(tài)fMRI、彌散張量成像（Diffusion Tensor Imaging，DTI）及靜息態(tài)fMRI（rsfMRI）技術(shù)在神經(jīng)外科手術(shù)計(jì)劃中的應(yīng)用進(jìn)行了探討。目前任務(wù)態(tài)fMRI與DTI纖維束追蹤技術(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于神經(jīng)外科手術(shù)術(shù)前計(jì)劃中，用以評(píng)估病灶與功能區(qū)的空間關(guān)系,具有較高的穩(wěn)定性及可靠性。rs-fMRI相關(guān)研究也表明其在對(duì)于神經(jīng)功能區(qū)、神經(jīng)認(rèn)知功能區(qū)、致癇灶的判斷及定位方面的臨床應(yīng)用潛力。隨著磁共振技術(shù)的不斷完善，fMRI將進(jìn)一步提高神經(jīng)外科手術(shù)預(yù)后。

功能磁共振；任務(wù)態(tài)功能磁共振；彌散張量成像；靜息態(tài)功能磁共振；神經(jīng)外科

引言

神經(jīng)功能的保護(hù)是神經(jīng)外科手術(shù)中最為關(guān)鍵的環(huán)節(jié)之一。既往神經(jīng)外科術(shù)前評(píng)估與術(shù)前計(jì)劃基于傳統(tǒng)磁共振（MRI），根據(jù)醫(yī)生經(jīng)驗(yàn)判斷功能區(qū)及纖維束與病灶的關(guān)系。然而，傳統(tǒng)磁共振并不能直觀顯示功能性腦組織的空間位置。對(duì)于一些神經(jīng)外科疾病，病灶體積較大、水腫、病灶本身存在的組織形態(tài)學(xué)特征等很可能改變功能區(qū)的位置，此時(shí)，單純依賴(lài)傳統(tǒng)磁共振很難準(zhǔn)確判斷功能區(qū)的位置，進(jìn)而進(jìn)一步提高手術(shù)預(yù)后。同時(shí)，對(duì)于神經(jīng)外科手術(shù)，除了傳統(tǒng)神經(jīng)功能（運(yùn)動(dòng)感覺(jué)、語(yǔ)言、視覺(jué)）外，神經(jīng)認(rèn)知功能的保護(hù)也是神經(jīng)外科手術(shù)的重要環(huán)節(jié)。如何利用影像學(xué)檢查為臨床提供盡可能豐富的信息，為臨床治療做出指導(dǎo)是目前神經(jīng)外科的重要問(wèn)題。20世紀(jì)90年代，Ogawa等[1-3]首先描述了基于動(dòng)物實(shí)驗(yàn)研究的血氧水平依賴(lài)（Blood Oxygenation Level Depended，BOLD）原理，自此，功能磁共振（functional MRI，fMRI）技術(shù)迅速發(fā)展，fMRI發(fā)展至今已經(jīng)成為現(xiàn)代認(rèn)知神經(jīng)科學(xué)，包括心理學(xué)、神經(jīng)科學(xué)、精神病學(xué)和語(yǔ)言學(xué)等領(lǐng)域中應(yīng)用最為廣泛的研究技術(shù)之一。目前，fMRI技術(shù)在神經(jīng)外科已經(jīng)應(yīng)用較為廣泛。本文綜述fMRI在神經(jīng)外科手術(shù)計(jì)劃中的應(yīng)用。

1 BOLD-fMRI的原理

血氧依賴(lài)功能磁共振是以?xún)?nèi)源性血紅蛋白為對(duì)比劑，通過(guò)血氧飽和度的變化實(shí)現(xiàn)成像的方法。利用磁場(chǎng)中物質(zhì)的不同磁敏感性進(jìn)行fMRI成像。脫氧血紅蛋白有很強(qiáng)順磁性效應(yīng)，而含氧血紅蛋白則具有抗磁性。當(dāng)被試者執(zhí)行特定任務(wù)時(shí)，相應(yīng)腦功能中樞的神經(jīng)元被激活，臨近血管床的血流量和血容量增加，導(dǎo)致局部含氧血紅蛋白增加，脫氧血紅蛋白減少，腦組織T1和T2值縮短，尤其T2縮短更為明顯，使在MR圖像上脫氧血紅蛋白存在的區(qū)域MR信號(hào)下降，通過(guò)適當(dāng)后處理技術(shù)并利用偽彩色標(biāo)記到MRI圖像上，顯示功能區(qū)。BOLD-fMRI結(jié)合了功能、影像和解剖3方面的因素，是一種在活體人腦定位各功能區(qū)的有效方法，無(wú)損地觀測(cè)與神經(jīng)活動(dòng)增加的位置關(guān)聯(lián)的腦部皮質(zhì)血容積、血流和血氧合的變化，可對(duì)視覺(jué)、運(yùn)動(dòng)、語(yǔ)言和記憶等功能中樞進(jìn)行成像[3]。

2 fMRI在手術(shù)計(jì)劃中的作用

在保護(hù)神經(jīng)功能等前提下盡可能最大程度地切除病灶是神經(jīng)外科重要的手術(shù)原則[4]。因此，術(shù)前嚴(yán)格評(píng)估功能區(qū)與病灶之間的關(guān)系對(duì)于提高神經(jīng)外科患者手術(shù)預(yù)后極為重要。fMRI可以在術(shù)前對(duì)于患者的神經(jīng)功能進(jìn)行個(gè)性化分析，詳細(xì)描繪病灶與功能區(qū)之間的空間結(jié)構(gòu)關(guān)系。還可以無(wú)創(chuàng)地對(duì)于患者的功能性?xún)?yōu)勢(shì)腦半球進(jìn)行判斷。從而提高功能保護(hù)。術(shù)前fMRI已經(jīng)成為神經(jīng)外科手術(shù)術(shù)前評(píng)估重要的工具。

2.1 基于任務(wù)態(tài)fMRI的術(shù)前計(jì)劃

基于任務(wù)態(tài)的BOLD-fMRI的有效性已經(jīng)得到了廣泛證實(shí)，是目前神經(jīng)外科臨床工作中最為常用的fMRI[5-7]。所需要進(jìn)行的檢測(cè)任務(wù)根據(jù)病灶的具體位置所累及的功能區(qū)進(jìn)行選擇。病灶位于中央溝附近可能會(huì)累積運(yùn)動(dòng)及感覺(jué)區(qū)。優(yōu)勢(shì)半球額葉及顳葉的病灶可能會(huì)引起語(yǔ)言功能的損傷。枕葉病灶則可能會(huì)引起視覺(jué)皮層的損傷，因此需包含視覺(jué)任務(wù)。

2.1.1 運(yùn)動(dòng)功能區(qū)的定位

術(shù)前運(yùn)動(dòng)功能的任務(wù)態(tài)檢查所需設(shè)備少，功能表現(xiàn)也相對(duì)穩(wěn)定，應(yīng)用較多。主要應(yīng)用目的便是以不同運(yùn)動(dòng)區(qū)（手運(yùn)動(dòng)區(qū)、腳運(yùn)動(dòng)區(qū)、面/舌運(yùn)動(dòng)區(qū)）定位基礎(chǔ)運(yùn)動(dòng)皮層。常用的運(yùn)動(dòng)任務(wù)包括對(duì)指運(yùn)動(dòng)、口唇運(yùn)動(dòng)以及腳趾屈伸運(yùn)動(dòng)，中重度手運(yùn)動(dòng)障礙的患者可以握拳運(yùn)動(dòng)代替對(duì)指運(yùn)動(dòng)[8]。其他的運(yùn)動(dòng)相關(guān)區(qū)域，包括輔助運(yùn)動(dòng)區(qū)、運(yùn)動(dòng)前區(qū)同樣在運(yùn)動(dòng)中具有重要作用，一些特定的刺激任務(wù)可以將這些區(qū)域激活[9]。在既往的20多年中，諸多研究已經(jīng)證實(shí)了fMRI術(shù)前運(yùn)動(dòng)區(qū)定位的有效性，亦有研究表明fMRI在神經(jīng)外科術(shù)前計(jì)劃中的重要作用[10-12]。有研究在術(shù)中應(yīng)用直接皮層電刺激技術(shù)（Diffusion Tensor Imaging，DES）對(duì)于fMRI術(shù)前功能評(píng)估運(yùn)動(dòng)區(qū)的準(zhǔn)確性進(jìn)行驗(yàn)證。結(jié)果表明，兩者具有非常高的一致性。敏感性可達(dá)71%～100%，特異性可達(dá)68%～100%[13-16]。目前尚缺乏應(yīng)用fMRI進(jìn)行術(shù)前評(píng)估對(duì)于顱內(nèi)腫瘤治療致殘率影響的大樣本研究數(shù)據(jù)。

2.1.2 語(yǔ)言功能區(qū)的定位

語(yǔ)言功能是十分復(fù)雜的神經(jīng)認(rèn)知功能，需要充分評(píng)估語(yǔ)言功能的各個(gè)方面。在fMRI的術(shù)前功能評(píng)估中，語(yǔ)言功能常應(yīng)用詞匯聯(lián)想任務(wù)，及詞匯聯(lián)想、動(dòng)詞聯(lián)想、圖片命名等語(yǔ)言流暢性，這些功能都與Broca’s區(qū)密切相關(guān)。與Wernicke’s區(qū)相關(guān)的語(yǔ)言理解能力可以通過(guò)動(dòng)詞聯(lián)想及詞匯理解任務(wù)進(jìn)行激活[17]。對(duì)于部分語(yǔ)言功能尚缺乏完善的評(píng)估方法。例如，在語(yǔ)言評(píng)估中通常不會(huì)有關(guān)于語(yǔ)法的測(cè)試，即使術(shù)后有相關(guān)語(yǔ)言障礙也有可能無(wú)法評(píng)估出。因此，有必要?jiǎng)?chuàng)作出與個(gè)體化語(yǔ)言功能相關(guān)的特異性量表[18-19]。由于fMRI的無(wú)創(chuàng)性及易操作性，可以有效減少有創(chuàng)性的診斷操作。例如既往常用的頸內(nèi)動(dòng)脈異戊巴比妥試驗(yàn)（WADA試驗(yàn)），該試驗(yàn)是判斷語(yǔ)言?xún)?yōu)勢(shì)半球的金標(biāo)準(zhǔn)。Dym等[20]對(duì)于23項(xiàng)研究進(jìn)行Meta分析，對(duì)比研究fMRI和WADA試驗(yàn)對(duì)語(yǔ)言?xún)?yōu)勢(shì)半球的判斷，得出結(jié)論：fMRI可以準(zhǔn)確、無(wú)創(chuàng)地對(duì)于語(yǔ)言的優(yōu)勢(shì)半球進(jìn)行判斷，可作為WADA試驗(yàn)的替代方法。一些研究應(yīng)用術(shù)中定位方法驗(yàn)證了fMRI對(duì)于Broca’s區(qū)和Wernicke’s區(qū)及語(yǔ)言?xún)?yōu)勢(shì)半球判斷的可靠性[21-22]，Bizzi等[14]研究發(fā)現(xiàn)，fMRI與DES相比，fMRI對(duì)于語(yǔ)言?xún)?yōu)勢(shì)半球的判斷敏感性為80%，特異性為78%。

不同研究機(jī)構(gòu)關(guān)于應(yīng)用fMRI進(jìn)行語(yǔ)言功能區(qū)術(shù)前評(píng)估的研究具有差異性，一方面語(yǔ)言功能是較為復(fù)雜的神經(jīng)功能，另一方面在語(yǔ)言任務(wù)中所用的刺激任務(wù)模式具有差異[17,23-24]。對(duì)于語(yǔ)言的功能區(qū)評(píng)估，不同刺激方案的應(yīng)用，術(shù)后數(shù)據(jù)的處理方法尚缺乏統(tǒng)一的技術(shù)指南，亦會(huì)影響語(yǔ)言功能區(qū)的判斷。語(yǔ)言區(qū)的激活亦與不同任務(wù)的細(xì)節(jié)具有較大的相關(guān)性，描繪語(yǔ)言區(qū)的真正邊界較為困難[25]。此外，語(yǔ)言激活區(qū)的個(gè)體差異較大。在Ojemann等[26]通過(guò)分析術(shù)中DES的結(jié)果表明，雖然可以定位語(yǔ)言區(qū)的邊界，但是不同患者之間的語(yǔ)言區(qū)具有較大的結(jié)構(gòu)差異。Bizzi等[17]通過(guò)fMRI描繪出了語(yǔ)言皮層的變異圖以描繪不同刺激任務(wù)對(duì)于語(yǔ)言區(qū)定位的影響。目前有研究表明術(shù)前語(yǔ)言功能區(qū)fMRI分析可以有效地減低術(shù)后神經(jīng)功能障礙等發(fā)生。結(jié)果仍需要進(jìn)一步大樣本的前瞻性研究證實(shí)。

2.1.3 BOLD-fMRI的變異性

BOLD-fMRI具有一定的變異性，可能會(huì)受到多種因素影響，包括成像質(zhì)量、數(shù)量，數(shù)據(jù)分析后處理，病灶性質(zhì)等[14,27]。Bizzi等[14]研究結(jié)果表明，術(shù)前fMRI運(yùn)動(dòng)及語(yǔ)言功能區(qū)定位可能會(huì)隨著膠質(zhì)瘤級(jí)別的變化而發(fā)生改變，功能區(qū)BOLD信號(hào)的激活可能會(huì)受到腫瘤所引起的微結(jié)構(gòu)改變影響。由于腫瘤及其周邊組織微血管結(jié)構(gòu)等病理生理改變導(dǎo)致的BOLD信號(hào)下降可能會(huì)引起假陰性結(jié)果[28]。腫瘤占位效應(yīng)所造成的血管收縮，動(dòng)靜脈短路腫瘤內(nèi)部的血腫也會(huì)影響激活信號(hào)的強(qiáng)度，降低fMRI的準(zhǔn)確性。相關(guān)研究提示任務(wù)態(tài)fMRI準(zhǔn)確率在低級(jí)別腫瘤中高于高級(jí)別腫瘤[29-31]。fMRI也會(huì)造成假陽(yáng)性結(jié)果，導(dǎo)致所描繪的功能激活區(qū)比DES所得到的功能區(qū)范圍要大[32]。因此可能會(huì)減少腫瘤的切除程度。

2.1.4 BOLD-fMRI的不足

BOLD-fMRI具有不足之處。首先，如上所述，BOLD-fMRI結(jié)果可能會(huì)受多種因素的影響，從而使得結(jié)果容易產(chǎn)生變異[33]。因此在顱內(nèi)腫瘤及癲癇患者的手術(shù)中，可結(jié)合喚醒開(kāi)顱手術(shù)，術(shù)中進(jìn)行顱內(nèi)直接電刺激確認(rèn)功能區(qū)，從而與術(shù)前fMRI-BOLD結(jié)果進(jìn)行相互驗(yàn)證，增加手術(shù)切除的精準(zhǔn)性[34]。其次，對(duì)于BOLD-fMRI術(shù)前影像獲取時(shí)的任務(wù)量表設(shè)置尚需進(jìn)一步完善。此外，不同的BOLD-fMRI的數(shù)據(jù)處理時(shí)所用的方法及參數(shù)設(shè)置會(huì)對(duì)結(jié)果產(chǎn)生很大影響，尚存在較多爭(zhēng)議[35-36]。

2.2 彌散張量成像及MRI纖維束示蹤技術(shù)

對(duì)于大腦的功能，除了腦灰質(zhì)功能區(qū)，腦白質(zhì)功能性纖維束同樣具有極為重要的作用。白質(zhì)功能纖維的損傷同樣會(huì)造成神經(jīng)功能減弱或喪失。目前，隨著彌散張量成像（Diffusion Tensor Imaging，DTI）技術(shù)的發(fā)展，DTI可以追蹤大腦白質(zhì)纖維束，在神經(jīng)外科疾病術(shù)前評(píng)估及手術(shù)計(jì)劃中起到了很好的補(bǔ)充作用。

2.2.1 DTI在手術(shù)計(jì)劃中的應(yīng)用

DTI的基本原理是利用水分子彌散的各項(xiàng)異性來(lái)探測(cè)組織微觀結(jié)構(gòu)的磁共振成像方法。在與纖維束走行一致的方向彌散運(yùn)動(dòng)受限最小，運(yùn)動(dòng)最快；而在與纖維束垂直的方向彌散運(yùn)動(dòng)受限大，運(yùn)動(dòng)慢。通過(guò)觀察隨彌散提督脈沖方向改變而發(fā)生波動(dòng)的彌散值大小來(lái)標(biāo)記和描述分子彌散的各向異性[37]。DTI技術(shù)在幕上腫瘤中的術(shù)前計(jì)劃及對(duì)術(shù)后神經(jīng)狀態(tài)評(píng)估已經(jīng)被廣泛研究，DTI示蹤技術(shù)可以幫助選擇能夠通過(guò)手術(shù)最大獲益的病人。

目前，臨床工作中已將fMRI與DTI相結(jié)合應(yīng)用于術(shù)前手術(shù)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估、手術(shù)入路設(shè)計(jì)當(dāng)中。無(wú)論是腦腫瘤、腦血管病、癲癇、腦出血、或是腦外傷，均有相關(guān)治療效果統(tǒng)計(jì)研究[38-41]。關(guān)于腦功能區(qū)或是纖維束的安全距離，有研究提示病灶-功能區(qū)距離（Lesion-Functional Distance，LED）5 mm以?xún)?nèi)極易引起損傷，而大于10 mm為較為安全的距離[42-43]。既往我們針對(duì)于腦動(dòng)靜脈畸形（Brain Arteriovenous Malformation，BAVM）的功能核磁輔助風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估進(jìn)行了研究，并提出了一套基于fMRI及DTI的BAVM經(jīng)典手術(shù)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估分級(jí)Spetzler-Martin分級(jí)的補(bǔ)充分級(jí)系統(tǒng)（HDVL分級(jí)）[44]。將LED作為重要評(píng)分因素，結(jié)合形態(tài)學(xué)及血流動(dòng)力學(xué)因素（如深靜脈引流、彌散性、出血史等）對(duì)于患者術(shù)后功能狀態(tài)的評(píng)估，準(zhǔn)確性明顯優(yōu)于傳統(tǒng)的S-M分級(jí)及其補(bǔ)充分級(jí)。同時(shí)，亦有團(tuán)隊(duì)對(duì)于fMRI及DTI輔助進(jìn)行手術(shù)入路設(shè)計(jì)進(jìn)行了研究。例如，在對(duì)于靠近基底節(jié)區(qū)的海綿狀血管瘤（Cavernous Malformation，CM）的手術(shù)中，我們提出了手術(shù)避開(kāi)功能性纖維束（錐體束、弓狀束、及視輻射）的手術(shù)通道[45]。可以有效避開(kāi)功能區(qū)及功能性纖維束，提高手術(shù)預(yù)后。此外，有研究提示DTI可以有效評(píng)估功能區(qū)腦腫瘤術(shù)中的切除程度。在一項(xiàng)對(duì)27名高分級(jí)膠質(zhì)瘤和46名低級(jí)別膠質(zhì)瘤的回顧性研究中，Castellano等[46]發(fā)現(xiàn)MRI示蹤技術(shù)提示纖維束完整是術(shù)中全切的預(yù)測(cè)因素。相反，如果纖維束被侵襲或者移位，是腫瘤較難全切的預(yù)測(cè)因素，特別是對(duì)于體積小于100 cm3的腫瘤。

諸多研究都表明DTI纖維示蹤技術(shù)亦可以通過(guò)術(shù)中指導(dǎo)切除、或者改善手術(shù)入路來(lái)提高手術(shù)預(yù)后。在手術(shù)中，將與運(yùn)動(dòng)、語(yǔ)言及視覺(jué)最為相關(guān)的纖維束、BOLD-fMRI激活區(qū)及傳統(tǒng)解剖MRI整合到無(wú)框立體定向?qū)Ш疆?dāng)中。以便實(shí)時(shí)掌握與感興趣纖維束的立體關(guān)系，從而指導(dǎo)術(shù)者操作[40,47-48]。目前，較為常用的纖維束包括與運(yùn)動(dòng)功能相關(guān)的錐體束，與語(yǔ)言相關(guān)的弓狀束、上縱束、下額枕束、下縱束，與視覺(jué)相關(guān)的視輻射等[49-51]。在術(shù)中應(yīng)用神經(jīng)電生理監(jiān)測(cè)及定位技術(shù)時(shí)中，DTI示蹤技術(shù)可以獲得獨(dú)特的術(shù)中解剖信息，而DES可以直接驗(yàn)證功能區(qū)的范圍，從而指導(dǎo)術(shù)中需要保留的皮層及皮層下功能性腦組織。在切除過(guò)程中，如果動(dòng)作誘發(fā)電位在術(shù)腔壁上可以引起短暫的神經(jīng)功能障礙，則已經(jīng)貼近功能纖維束，應(yīng)該停止切除。既往研究通過(guò)DES對(duì)DTI示蹤技術(shù)對(duì)于運(yùn)動(dòng)及語(yǔ)言通路判斷的可靠性進(jìn)行了證實(shí)，一致性可達(dá)82%～97%[52-53]。

2.2.2 DTI的不足之處

DTI成像也有一些不足之處。例如，在DTI成像中默認(rèn)為每個(gè)像素中的纖維只有一個(gè)方向。在大腦白質(zhì)中，每個(gè)有60%～90%的像素包括大于1條的纖維束[54-55]。因此，對(duì)于像素中出現(xiàn)纖維交叉、接觸、彎曲等現(xiàn)象時(shí)，準(zhǔn)確性會(huì)有所下降。目前，已有研究應(yīng)用一些較為先進(jìn)的MRI技術(shù)如限制球形卷積（Constrained Spherical Deconvolution，CSD）及Q空間球面成像（Q-Ball Imaging）技術(shù)試圖更準(zhǔn)確地描繪復(fù)雜的白質(zhì)纖維，并取得了較為理想的效果。此外，由于纖維束追蹤需要首先確定解剖感興趣區(qū)，不同的研究者可能會(huì)略有差異，腫瘤的生長(zhǎng)亦會(huì)影響對(duì)于功能區(qū)的判斷[56]。因此，需要研究制定一個(gè)比較客觀的感興趣區(qū)選擇方法。

2.3 靜息態(tài)功能磁共振（rs-fMRI）

在任務(wù)態(tài)fMRI檢查中，數(shù)據(jù)結(jié)果與患者的任務(wù)完成能力具有直接關(guān)系。而神外患者中很大一部分具有神經(jīng)功能障礙，或者為兒童，導(dǎo)致任務(wù)完成不理想，使得功能區(qū)定位困難。此外，神經(jīng)外科醫(yī)生常比較關(guān)注重要的神經(jīng)功能（運(yùn)動(dòng)、語(yǔ)言、視覺(jué)）相關(guān)的腦組織。對(duì)于同樣具有重要作用的腦認(rèn)知功能很難在任務(wù)態(tài)中進(jìn)行定位。靜息態(tài)技術(shù)（rsfMRI）的產(chǎn)生及發(fā)展為解決這兩個(gè)問(wèn)題提供了新的方向。rs-fMRI是對(duì)無(wú)任務(wù)刺激的靜息態(tài)大腦自發(fā)活動(dòng)的研究。所謂靜息態(tài)指被試者在清醒狀態(tài)下，保持閉眼、放松、靜止不動(dòng)，盡量保持內(nèi)心平靜，不做任何主動(dòng)或系統(tǒng)性思維的狀態(tài)。1995年，Biswal等[57]首次發(fā)現(xiàn)，無(wú)明顯運(yùn)動(dòng)任務(wù)狀態(tài)下，雙側(cè)大腦半球運(yùn)動(dòng)皮質(zhì)的BOLD信號(hào)具有低頻振蕩的特性，這種低頻振蕩可能反映了靜息態(tài)下大腦自發(fā)性的神經(jīng)活動(dòng)。目前rs-fMRI分析方法主要包括[58]：① 局部腦活動(dòng)分析：局部一致性和低頻振幅算法；② 功能連接分析：感興趣區(qū)分析、獨(dú)立成分分析和Granger因果關(guān)系分析；③ 功能網(wǎng)絡(luò)分析：圖論分析。近年來(lái)，rs-fMRI成像發(fā)展迅速，廣泛應(yīng)用于神經(jīng)系統(tǒng)發(fā)育、神經(jīng)精神疾病及認(rèn)知神經(jīng)科學(xué)等領(lǐng)域的研究。

2.3.1 運(yùn)動(dòng)、語(yǔ)言功能的定位

一項(xiàng)早期研究描述了應(yīng)用rs-fMRI對(duì)于腦腫瘤患者進(jìn)行運(yùn)動(dòng)皮層定位的研究[59]。Kokkonen等[60]對(duì)比了應(yīng)用任務(wù)態(tài)fMRI與rs-fMRI進(jìn)行運(yùn)動(dòng)區(qū)定位，結(jié)果表明rs-fMRI可以在8位腫瘤患者，10位健康人中定位運(yùn)動(dòng)區(qū)。Zhang等[61]報(bào)道了在4例運(yùn)動(dòng)感覺(jué)區(qū)腫瘤患者中進(jìn)行rs-fMRI輔助手術(shù)計(jì)劃。Liu等[62]在腦腫瘤及癲癇病人中通過(guò)rs-fMRI技術(shù)定位出了運(yùn)動(dòng)感覺(jué)區(qū)，并發(fā)現(xiàn)rs-fMRI、任務(wù)態(tài)fMRI及術(shù)中直接皮層電刺激具有很高地一致性。Tie等[63]應(yīng)用空間獨(dú)立成分分析（sICA）技術(shù)對(duì)經(jīng)過(guò)訓(xùn)練的14位健康患者進(jìn)行研究，應(yīng)用rs-fMRI為基礎(chǔ)辨別語(yǔ)言網(wǎng)絡(luò)。所得出的結(jié)果用來(lái)判斷另外18位健康患者的語(yǔ)言網(wǎng)絡(luò),進(jìn)一步提出了一個(gè)基于sICA的定位語(yǔ)言網(wǎng)絡(luò)的自動(dòng)化系統(tǒng)。

2.3.2 協(xié)助癲癇的診療

目前，對(duì)于rs-fMRI在癲癇診療中的研究較為廣泛。研究結(jié)果表明，rs-fMRI可協(xié)助預(yù)測(cè)癲癇的發(fā)生并定位癲癇灶，可能將來(lái)有助于癲癇的手術(shù)治療。Bettus等[64]報(bào)道在22位內(nèi)側(cè)顳葉癲癇的患者中，基礎(chǔ)功能鏈接的增強(qiáng)是定位癲癇灶的重要標(biāo)志。Stuf fl ebeam等[65]應(yīng)用rs-fMRI在6位患者中的5位定位出功能鏈接增強(qiáng)的區(qū)域，與皮層腦電監(jiān)測(cè)結(jié)果一致。Weaver等[66]研究了4位癲癇患者及16位正常對(duì)照患者，以明確是否可用功能鏈接分析定位致癇灶。結(jié)果表明，應(yīng)用體素分析可以準(zhǔn)確判斷致癇灶的存在。2004年Varotto等[67]利用頭皮腦電的部分定向相干（PDC）結(jié)合圖形（強(qiáng)連通子圖）分析的方法正確定位致癇灶，這種方法也成功用于定位由局灶性皮質(zhì)發(fā)育不良引發(fā)的繼發(fā)性癲癇。2011年，Jung等[68]基于集成定向傳遞函數(shù)分析3名Lennox-Gastaut綜合征患兒兩側(cè)同步性癇樣放電的腦電圖，結(jié)果顯示具有較高平均產(chǎn)出信息的區(qū)域與手術(shù)要切除的致癇區(qū)域相吻合。

靜息態(tài)研究為神經(jīng)外科疾病手術(shù)計(jì)劃提供了新的視角，但這項(xiàng)研究方法亦存在需要解決的問(wèn)題，如在應(yīng)用復(fù)雜腦網(wǎng)絡(luò)方法數(shù)據(jù)處理時(shí)對(duì)節(jié)點(diǎn)和邊的定義沒(méi)有統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，不同的定義產(chǎn)生的結(jié)果可能會(huì)有差異。此外，目前大多數(shù)研究患者樣本量都較小。Rs-fMRI仍在研究早起階段。需要更大樣本的進(jìn)一步研究明確手術(shù)室中應(yīng)用的可行性與合理性。同時(shí)，深入研究不同腦網(wǎng)絡(luò)與神經(jīng)功能及認(rèn)知功能的關(guān)系。將rs-fMRI所得結(jié)果輸入神經(jīng)導(dǎo)航系統(tǒng)中，與任務(wù)態(tài)fMRI、DTI等一起指導(dǎo)神經(jīng)外科的術(shù)前評(píng)估與術(shù)中定位。

3 展望

隨著MR設(shè)備等硬件和軟件等飛速發(fā)展，MR圖像信噪比日益提高，數(shù)據(jù)處理方法不斷發(fā)展，fMRI技術(shù)也將日臻完善。fMRI在運(yùn)動(dòng)感覺(jué)、語(yǔ)言、視覺(jué)及認(rèn)知等方面必將有進(jìn)一步的突破，為神經(jīng)外科疾病的手術(shù)計(jì)劃的制定提供更敏感，客觀，準(zhǔn)確的功能信息，提高手術(shù)治療的效果。

[1] Ogawa S,Lee TM,Nayak AS,et al.Oxygenation-sensitive contrast in magnetic resonance image of rodent brain at high magnetic fields[J].Magn Reson Med,1990,14(1):68-78.

[2] Ogawa S,Lee TM.Magnetic resonance imaging of blood vessels at high fields:in vivoandin vitromeasurements and image simulation[J].Magn Reson Med,1990,16(1):9-18.

[3] Ogawa S,Lee TM,Kay AR,et al.Brain magnetic resonance imaging with contrast dependent on blood oxygenation[J].Proc Natl Acad Sci USA,1990,87(24),9868-9872.

[4] Li YM,Suki D,Hess K,et al.The influence of maximum safe resection of glioblastoma on survival in 1229 patients: Can we do better than gross-total resection?[J].J Neurosurg,2016,124(4):977-988.

[5] Bick AS,Mayer A,Levin N,From research to clinical practice:implementation of functional magnetic imaging and white matter tractography in the clinical environment[J].J Neurol Sci,2012,312(1-2):158-165.

[6] Dimou S,Battisti RA,Hermens DF,et al.A systematic review of functional magnetic resonance imaging and diffusion tensor imaging modalities used in presurgical planning of brain tumour resection[J].Neurosurg Rev,2013,36(2):205-214.

[7] Romano A,D’Andrea G,Minniti G,et al.Pre-surgical planning and MR-tractography utility in brain tumour resection[J].Eur Radiol,2009,19(2):2798-2808.

[8] Tieleman A,Deblaere K,Van Roost D,et al.Preoperative fMRI in tumour surgery[J].Eur Radiol,2009,19(10):2523-2534.

[9] Van Oostende S,Van Hecke P,Sunaert S,et al.FMRI studies of the supplementary motor area and the premotor cortex[J].Neuroimage,1997,6(3):181-190.

[10] Mueller WM,Yetkin FZ,Hammeke TA,et al.Functional magnetic resonance imaging mapping of the motor cortex in patients with cerebral tumors[J].Neurosurgery,1996,39(3):515-520.

[11] Krings T,Reul J,Spetzger U,et al.Functional magnetic resonance mapping of sensory motor cortex for imageguided neurosurgical intervention[J].Acta Neurochir(Wien),1998(3),140:215-222.

[12] Lee CC,Ward HA,Sharbrough FW,et al.Assessment of functional MR imaging in neurosurgical planning[J].AJNR Am J Neuroradiol,1999,20(8):1511-1519.

[13] Lehericy S,Duffau H,Cornu P,et al.Correspondence between functional magnetic resonance imaging somatotopy and individual brain anatomy of the central region: comparison with intraoperative stimulation in patients with brain tumors[J].J Neurosurg,2000,92(4):589-598.

[14] Bizzi A,Blasi V,Falini A,et al.Presurgical functional MR imaging of language and motor functions: validation with intraoperative electrocortical mapping[J].Radiology,2008,248(2):579-589.

[15] Bartos R,Jech R,Vymazal J,et al.Validity of primary motor area localization with fMRI versus electric cortical stimulation:a comparative study[J].Acta Neurochir(Wien),2009(9),151:1071-1080.

[16] Meier MP,Ilmberger J,Fesl G,et al.Validation of functional motor and language MRI with direct cortical stimulation[J].Acta Neurochir(Wien),2013,155(4):675-683.

[17] Bizzi A.Presurgical mapping of verbal language in brain tumors with functional MR imaging and MR tractography[J].Neuroimaging Clin N Am,2009,19(4):573-596.

[18] Stippich C,Hofmann R,Kapfer D,et al.Somatotopic mapping of the human primary somatosensory cortex by fully automated tactile stimulation using functional magnetic resonance imaging[J].Neurosci Lett,1999,277(1):25-28.

[19] Majos A,Tybor K,Stefanczyk L,et al.Cortical mapping by functional magnetic resonance imaging in patients with brain tumors[J].Eur Radiol,2005,15(6):1148-1158.

[20] Dym RJ,Burns J,Freeman K,et al.Is functional MR imaging assessment of hemispheric language dominance as good as the Wada test?: a meta-analysis[J].Radiology,2011,261:446-455.

[21] Petrella JR,Shah LM,Harris KM,et al.Preoperative functional MR imaging localization of language and motor areas: effect on therapeutic decision making in patients with potentially resectable brain tumors[J].Radiology,2006,240(3):793-802.

[22] Stippich C,Rapps N,Dreyhaupt J,et al.Localizing and lateralizing language in patients with brain tumors: feasibility of routine preoperative functional MR imaging in 81 consecutive patients[J].Radiology,2007,243(3):828-836.

[23] Roux FE,Boulanouar K,Lotterie JA,et al.Language functional magnetic resonance imaging in preoperative assessment of language areas: correlation with direct cortical stimulation[J].Neurosurgery,2003,52(6):1335-1345.

[24] Giussani C,Roux FE,Ojemann J,et al.Is preoperative functional magnetic resonance imaging reliable for language areas mapping in brain tumor surgery? Review of language functional magnetic resonance imaging and direct cortical stimulation correlation studies[J].Neurosurgery,2010,66(1):113-120.

[25] Binder JR,Swanson SJ,Hammeke TA,et al.A comparison of five fMRI protocols for mapping speech comprehension systems[J].Epilepsia,2008,49(12):1980-1997.

[26] Ojemann G,Ojemann J,Lettich E,et al.Cortical language localization in left, dominant hemisphere. An electrical stimulation mapping investigation in 117 patients[J].J Neurosurg,2008,108(3):411-421.

[27] Morrison MA,Tam F,Garavaglia MM,et al.Sources of variation influencing concordance between functional MRI and direct cortical stimulation in brain tumor surgery[J].Front Neurosci,2016,10(113):461.

[28] Ulmer JL,Krouwer HG,Mueller WM,et al.Pseudoreorganization of language cortical function at fMR imaging:a consequence of tumor-induced neurovascular uncoupling[J].AJNR Am J Neuroradiol,2003,24(2):213-217.

[29] Holodny AI,Schulder M,Liu WC,et al.The effect of brain tumors on BOLD functional MR imaging activation in the adjacent motor cortex: implications for image-guided neurosurgery[J].AJNR Am J Neuroradiol,2000,21(8):1415-1422.

[30] Pillai JJ,Zaca D.Comparison of BOLD cerebrovascular reactivity mapping and DSC MR perfusion imaging for prediction of neurovascular uncoupling potential in brain tumors[J].Technol Cancer Res Treat,2012,11(11):361-374.

[31] Zaca D,Jovicich J,Nadar SR,et al.Cerebrovascular reactivity mapping in patients with low grade gliomas undergoing presurgical sensorimotor mapping with BOLD fMRI[J].J Magn Reson Imaging,2014,40(2):383-390.

[32] Chang EF,Clark A,Smith JS,et al.Functional mapping-guided resection of low-grade gliomas in eloquent areas of the brain:improvement of long-term survival[J].J Neurosurg,2011,114(3):566-573.

[33] Fang S,Liang J,Qian T,et al.Anatomic location of tumor predicts the accuracy of motor function localization in diffuse lower-grade gliomas involving the hand knob area[J].AJNR Am J Neuroradiol,2017,38:1990-1997.

[34] Hervey-Jumper SL,Li J,Lau D,et al.Awake craniotomy to maximize glioma resection: methods and technical nuances over a 27-year period[J].J Neurosurg,2015,123(2):325-339.

[35] Eklund A,Nichols TE,Knutsson H.Cluster failure: why fMRI inferences for spatial extent have in fl ated false-positive rates[J].Proc Natl Acad Sci USA,2016,113(28):7900-7905.

[36] Brown EN,Behrmann M.Controversy in statistical analysis of functional magnetic resonance imaging data[J].Proc Natl Acad Sci USA,2017,114(17):3368-3369.

[37] Jellison BJ,Field AS,Medow J,et al.Diffusion tensor imaging of cerebral white matter: a pictorial review of physics, fiber tract anatomy, and tumor imaging patterns[J].AJNR Am J Neuroradiol,2004,25(3):356-369.

[38] Winston GP,Mancini L,Stretton J,et al.Diffusion tensor imaging tractography of the optic radiation for epilepsy surgical planning: a comparison of two methods[J].Epilepsy Res,2011,97(1-2):124-132.

[39] Bello L,Gambini A,Castellano A,et al.Motor and language DTI fiber tracking combined with intraoperative subcortical mapping for surgical removal of gliomas[J].Neuroimage,2008;39(1):369-382.

[40] Lin F,Jiao Y,Wu J,et al.Effect of functional MRI-guided navigation on surgical outcomes: a prospective controlled trial in patients with arteriovenous malformations[J].J Neurosurg,2017,126(6):1863-1872.

[41] Jang SH,Ahn SH,Sakong J,et al.Comparison of TMS and DTT for predicting motor outcome in intracerebral hemorrhage[J].J Neurol Sci,2010,290(1-2):107-111.

[42] Jiao Y,Lin F,Wu J,et al.Lesion-to-eloquent fiber distance is a crucial risk factor in presurgical evaluation of arteriovenous malformations in the temporo-occipital Junction[J].World Neurosurg,2016,93:355-364.

[43] Sunaert S.Presurgical planning for tumor resectioning[J].J Magn Reson Imaging,2006,23(6):887-905.

[44] Jiao Y,Lin F,Wu J,et al.A supplementary grading scale combining lesion-to-eloquence distance for predicting surgical outcomes of patients with brain arteriovenous malformations[J].J Neurosurg,2017,1-11.

[45] Lin F,Wu J,Wang L,et al.Surgical treatment of cavernous malformations involving the posterior limb of the internal capsule: utility and predictive value of preoperative diffusion tensor imaging[J].World Neurosurg,2016,88:538-547.

[46] Castellano A,Bello L,Michelozzi C,et al.Role of diffusion tensor magnetic resonance tractography in predicting the extent of resection in glioma surgery[J].Neuro Oncol,2012,14(4):192-202.

[47] Mikuni N,Okada T,Enatsu R,et al.Clinical impact of integrated functional neuronavigation and subcortical electrical stimulation to preserve motor function during resection of brain tumors[J].J Neurosurg,2007,106(4):593-598.

[48] Tong X,Wu J,Lin F,et al.Visual field preservation in surgery of occipital arteriovenous malformations: a prospective study[J].World Neurosurg,2015,84(5):1423-1436.

[49] Lang CE,Schieber MH.Differential impairment of individuated finger movements in humans after damage to the motor cortex or the corticospinal tract[J].J Neurophysiol,2003,90(2):1160-1170.

[50] Catani M,Thiebaut de Schotten M.A diffusion tensor imaging tractography atlas for virtualin vivodissections[J].Cortex,2008,44(8):1105-1132.

[51] Glasser MF,Rilling JK.DTI tractography of the human brain’s language pathways[J].Cereb Cortex,2008,18(11):2471-2482.

[52] Leclercq D,Duffau H,Delmaire C,et al.Comparison of diffusion tensor imaging tractography of language tracts andintraoperative subcortical stimulations[J].J Neurosurg,2010,112(3):503-511.

[53] Ohue S,Kohno S,Inoue A,et al.Accuracy of diffusion tensor magnetic resonance imaging-based tractography for surgery of gliomas near the pyramidal tract: a significant correlation between subcortical electrical stimulation and postoperative tractography[J].Neurosurgery,2012,70(2):283-293.

[54] Jeurissen B,Leemans A,Tournier JD,et al.Investigating the prevalence of complex fiber configurations in white matter tissue with diffusion magnetic resonance imaging[J].Hum Brain Mapp,2013,34(11):2747-2766.

[55] Dell’Acqua F,Simmons A,Williams SC,et al.Can spherical deconvolution provide more information than fiber orientations?Hindrance modulated orientational anisotropy, a true-tract specific index to characterize white matter diffusion[J].Hum Brain Mapp,2013,34(10):2464-2483.

[56] Radmanesh A,Zamani AA,Whalen S,et al.Comparison of seeding methods for visualization of the corticospinal tracts using single tensor tractography[J].Clin Neurol Neurosurg,2015,129(16):44-49.

[57] Biswal B,Yetkin FZ,Haughton VM,et al.Functional connectivity in the motor cortex of resting human brain using echo-planar MRI[J].Magn Reson Med,1995,34(4):537-541.

[58] Lee MH,Smyser CD,Shimony JS.Resting-state fMRI: a review of methods and clinical applications[J].AJNR Am J Neuroradi ol,2013,34(10):1866-1872.

[59] Shimony JS,Zhang D,Johnston JM,et al.Resting-state spontaneous fl uctuations in brain activity: a new paradigm for presurgical planning using fMRI[J].Acad Radiol,2009,16(5):578-583.

[60] Kokkonen SM,Nikkinen J,Remes J,et al.Preoperative localization of the sensorimotor area using independent component analysis of resting-state fMRI[J].Magn Reson Imaging,2009,27(6):733-740.

[61] Zhang D,Johnston JM,Fox MD,et al.Preoperative sensorimotor mapping in brain tumor patients using spontaneous fl uctuations in neuronal activity imaged with functional magnetic resonance imaging: initial experience[J].Neurosurgery,2009,65(6S):226-236.

[62] Liu H,Buckner RL,Talukdar T,et al.Task-free presurgical mapping using functional magnetic resonance imaging intrinsic activity[J].J Neurosurg,2009,111(4):746-754.

[63] Tie Y,Rigolo L,Norton IH,et al.Defining language networks from resting-state fMRI for surgical planning-a feasibility study[J].Hum Brain Mapp,2014,35(3):1018-1030.

[64] Bettus G,Bartolomei F,Confort-Gouny S,et al.Role of resting state functional connectivity MRI in presurgical investigation of mesial temporal lobe epilepsy[J].J Neurol Neurosurg Psychi atry,2010,81(10):1147-1154.

[65] Stufflebeam SM,Liu H,Sepulcre J,et al.Localization of focal epileptic discharges using functional connectivity magnetic resonance imaging[J].J Neurosurg2011,114(6):1693-1697.

[66] Weaver KE,Chaovalitwongse WA,Novotny EJ,et al.Local functional connectivity as a pre-surgical tool for seizure focus identification in non-lesion, focal epilepsy[J].Front Neurol,2013,4:43.

[67] Varotto G,Tassi L,Franceschetti S,et al. Epileptogenic networks of type II focal cortical dysplasia: a stereo-EEG study[J].Neuroimage,2012,61(5):591-598.

[68] Jung YJ,Kang HC,Choi KO,et al.Localization of ictal onset zones in Lennox-Gastaut syndrome using directional connectivity analysis of intracranial electroencephalography[J].Seizure,2011,20(6):449-457.

Usage of Functional MRI for Surgical Planning in Neurosurgery

JIAO Yuminga,b, CAO Yonga,b
a.Department of Neurosurgery; b.China National Clinical Research Center for Neurological Diseases, Beijing Tiantan Hospital,Capital Medical University, Beijing 100050, China

With the development of functional MRI (fMRI), it has been widely applied in neurosurgery to improve the surgical outcomes. This article reviewed the usage of task-based fMRI, diffusion tensor imaging (DTI) and resting-state fMRI (rs-fMRI) in neurosurgery. At present, task-based fMRI and DTI tractography has been used in the preoperative planning of the surgical corridor,quantifying the spatial relationship between lesion and functional brain areas, and evaluating surgical risks. Research about rs-fMRI elucidates its potential in the location of neurological function areas, neurocognitive areas and epileptogenic focus. FMRI will play more important role in improving the neurosurgical outcomes in the future.

functional MRI (fMRI); task-based fMRI; diffusion tensor imaging; resting-state fMRI; neurosurgery

R445.2

A

10.3969/j.issn.1674-1633.2017.12.001

1674-1633(2017)012-0001-06

欄目主編：鐵艷梅

鐵艷梅，本科畢業(yè)于首都醫(yī)科大學(xué)生物醫(yī)學(xué)工程專(zhuān)業(yè)。曾在北京友誼醫(yī)院神經(jīng)內(nèi)科工作，參與編撰了《臨床誘發(fā)電位學(xué)（第二版）》一書(shū)（人民衛(wèi)生出版社出版）。后赴美攻讀，于2005年獲得電子工程碩士和生物醫(yī)學(xué)工程博士學(xué)位。現(xiàn)任美國(guó)哈佛醫(yī)學(xué)院（Harvard Medical School）和附屬布萊根婦女醫(yī)院（Brigham and Women's Hospital）神經(jīng)外科助理教授。研究方向以應(yīng)用神經(jīng)影像技術(shù)進(jìn)行大腦功能定位用于神經(jīng)外科手術(shù)計(jì)劃為主，還包括應(yīng)用大腦網(wǎng)絡(luò)功能連接研究疾病的神經(jīng)機(jī)制并開(kāi)發(fā)預(yù)測(cè)神經(jīng)心理狀態(tài)的影像標(biāo)志物，以及人工智能在手術(shù)功能預(yù)后方面的研究。作為課題帶頭人，鐵艷梅獲得美國(guó)國(guó)立衛(wèi)生研究院（National Institute of Health）以及非營(yíng)利性基金機(jī)構(gòu)的研究資助。在各類(lèi)專(zhuān)業(yè)雜志發(fā)表論文40余篇，并于2014年獲得哈佛醫(yī)學(xué)院Eleanor and Miles Shore 50thAnniversary醫(yī)學(xué)學(xué)者榮譽(yù)。

2017-11-09

2017-11-29

國(guó)家自然科學(xué)基金委員會(huì)資助項(xiàng)目（81671127）；十二五國(guó)家科技支撐計(jì)劃（2011BAI08B08）。

作者郵箱：shengxiongyuming@163.com

本文編輯 王靜