脑血氧水平依赖性MR功能成像原理及其在神经外科中手术中的应用研究

叶建华 (凉山州第一人民医院)

1 研究背景
　　磁共振成像是继CT后利用形态学诊断疾病的一项新技术，从20世纪70 年代末应用于临床医学诊断以来发展异常迅速，进入20世纪 90年代后，脑功能磁共振成像 (fMRI)开始出现：1900年美国贝尔实验室学者Ogawa发现血液中的脱氧血红蛋白可改变血管周围水分子的质子信号，该信号可以通过梯度回波序列检测出来，从而产生血氧水平依赖 (blood oxygenation level- depe ndent, BOLD)增强效应，对大鼠吸入气体及注射胰岛素后体内的生理变化进行观察并对BOLD 现象作了详细观察，研究表明O2绝对含量增加，信号强度增加，外源性刺激通过特定手段可显示短暂血氧含量变化的信息。[1] 血红蛋白包括含氧血红蛋白和去氧血红蛋白,两种血红蛋白对磁场有完全不同的影响，氧合血红蛋白是抗磁性物质，对质子驰豫没有影响，去氧血红蛋白属顺磁性物质，其铁离子有4个不成对电子，产生横向磁化驰豫时间(T2)缩短效应 (preferential T2proton relaxation effect, PT2PRE)。因此，当去氧血红蛋白含量增加时, T2加权像信号减低。当神经元活动增强时，脑功能区皮质的血流量显著增加，同时氧的消耗量也增加，但增加幅度不明显，其综合效应是局部血液氧合蛋白含量增加，去氧血红蛋白的含量减低，削弱了PT2PRE，导致T2驰豫时间延长，信号增强。也就是说，神经元兴奋能引起局部T2加权像信号增强，即T2加权像信号能反映局部神经元活动，这就是所谓血氧水平依赖BOLD (blood oxygenation level dependent)效应，它是fMRI 的基础。[2]
　　fMRI成像基本过程是通过外在有规律的任务与静止两种状态的交互刺激，经傅立叶转换获得一系列随时间推移的动态原始图像，在工作站作图像后处理，通过设定阀值使两种状态下的原始图像进行匹配减影，同一层面的减影图像经像素平均化处理后，使用交叉相关 (cross correlation)技术重建功能激发图像[3]。相关系数算法是BOLD 图像后处理的关键步骤。相关系数(图1)，其中A,B分别表示静止与激发两种状态，NA,NB分别为A,B两种状态下的激发次数，t为t检验参数，t=(SB –SA)/&D,SA,SB为A,B状态下的激发信号强度的平均值，&D为标准误[4]。在实际工作中，为了减少病人轻微移动引起的基线漂移，一般通过直线回归分析法而使时间过程图呈相对标准城垛墙样的动态过程图。相关系数的可信度亦采取设定阀值的方法，阀值越高，可信度越低，反之，可信度越高。

2 成像技术
　　目前大多数fMRI成像需要1.5-2.0T以上高场强的MR设备，一般使用对T2效应敏感的GRE序列和快速成像EPI序列。单纯GRE序列成像的缺点是图像采集时间较长，成像层面数量有限，图像容易受运动影响而产生伪影。EPI是由MansField在1997年首次阐述的[5]，该技术把经典成像中的多次扫描简化为一次扫描，使成像速度得到巨大提高，目前大多数高场强MR机都采用GRE与EPI相结合的序列EPI。梯度场切换速度快，单次或少于一次激发便可完成整个K空间的数据采集，成像时间可缩短至30-100ms，这样大大降低了运动伪影。

3 应用研究
　　对神经外科来说，最大限度切除病灶又保留脑功能皮层，一直是一个极大的挑战，在fMRI应用临床之前，手术人员主要用体感诱发电位(SSEPs)和皮层电刺激(ECS)行术中定位，不仅手术时间延长，也使得手术野暴露过大，fMRI作为一种新的成像手段具有很大的潜力，它具有高分辨率、精确、非侵袭性、不需注射对比剂的特点，脑表面和深部的活动均能显示，在合作良好的患者中具有很高的敏感性，fMRI的出现扩大了MRI在临床中的应用，其中fMRI在神经外科手术中的应用主要在以下几个方面：

3.1 在脑肿瘤手术方面的应用
　　3.1.1 用于术前手术方案的制定 
　　功能性磁共振成像术(fMRI)可以无创地对大脑的神经功能活动成像，能在特定的脑功能活动时或血液动力学变化时对脑组织进行实时功能成像，可极大地避免术中神经功能的损伤，尽可能的切除病变组织，提高患者术后的生存质量，降低病灶的复发率。
　　Schulder等[6]报8例位于或邻近感觉运动中枢的脑肿瘤，其中脑膜瘤4 例，胶质瘤3例，转移瘤1例。术前以简单运动模式激发行fMRI检查，经后处理获得功能图像经网络至外科导航系统，与术中SEP和导航定位体系相比较，其匹配误差为2.2mm，肿瘤顺利切除，没有新的、永久性的神经功能丧失出现。Kaminogo等[7]对16例脑瘤患者进行术前fMRI与术中皮层脑电图检查，发现 9例患者术前 fMRI显示某一运动激活区位于某一局限脑叶或某一局限脑沟的周围，并且与术中皮层脑电图相一致，他们认为对位于功能区或其附近的肿瘤患者，可根据fMRI测定功能区皮层的准确位置，了解肿瘤与功能区皮层的解剖关系及功能联系，制定精密的手术方案，既能有效的切除病灶又尽量避免出现新的神经功能损伤。Atlas等[8]对7例脑胶质瘤患者的fMRI、MRI及临床症状联合研究发现，fMRI能测定瘤内或瘤周功能区的皮质功能情况，且其与患者的临床神经功能情况相一致。肿瘤区皮质与对侧半球正常皮层的激活存在着一个量的区别，认为fMRI能对胶质瘤患者的功能区皮层进行定位，使术中避免剩余的功能区皮层的损伤，尽量切除肿瘤而避免术后新的功能损伤及降低术后肿瘤复发率。很多类似研究证明非创伤性的术前MR脑功能活动成像对患者脑解剖—功能关系的显示有助于神经外科医生制订手术计划，对手术入路及微创伤性的操作以减少术后致残率均有十分重要的作用。

　　3.1.2 用于预测手术效果及术后功能恢复的评估
　　通过对脑肿瘤患者术前功能成像的研究，可对患者术后功能恢复及有否新的神经功能障碍出现的风险性进行预测。
　　Alexandre等[9]报道了17例皮质运动区肿瘤的功能区的激活形式及分类。fMRI显示激活区移位的病例临床均 有显著运动功能减弱，包括手、足灵活性减低，肌力的下降等。和健侧半球对比，功能区左右移位达2nun、前后移位达 1.5mm 即认为有激活区移位，可能是由占位效应或功能重塑现象引起，而导致中央前回其他部位、同侧SMA 区及对侧区域的激活。根据象素是否对称及有否移位提出以下分类方案：1级： 激活区无移位，象素对称；2级：激活区移位，象素对称；3级：激活区无移位，象素不对称；4级：激活区移位，象素不对称：5级：激活区移位到同侧不同皮质区；6级：代表最强的重塑效应，对侧出现新的激活区。肿瘤被归入1-4级范围内，没有5级或6级，反映了肿瘤的重塑效应是最小的。随分级增加，重塑功能增加，以代偿丧失的神经功能。良性肿瘤的重塑功能较低，大多数被归入1-3级，表明肿瘤激活区不对称主要是由于占位效应或界面干扰造成，而不是由功能重塑引起。分类便于数据收集、整理，适于比较外科手术风险及评估术后功能恢复的类型，更好地对fMRI的结果进行比较。

　　3.1.3 用于术中引导手术
　　功能性磁共振成像(fMRI)可以无创地对大脑的神经功能成像，能在特定的脑功能活动时或血液动力学变化时对脑组织进行实时功能成像，可极大地避免术中神经功能的损伤，尽可能的切除病变组织，术前行MRI检查进行解剖定位，再行fMRI进行功能定位，将功能信息与解剖图像叠加并登录到神经外科立体定向导航仪，这样可以精确了解功能区皮质的准确位置及病变组织与其相邻的功能区皮质的解剖、功能关系，有效地弥补术中定位的缺陷。采用术中MRI，切除肿瘤时能做到微创而达到最大限度地切除肿瘤，切除肿瘤安全，切除范围能直接评价。
　　Knauth等[10] 报道单独运用神经导航，肿瘤的完全切除率仅为36.6%，而且术中由于脑脊液的流失和病灶的切除会引起局部脑组织的移位。术中采用 MRI成像能明显增加完全切除的比例，这是神经外科治疗脑肿瘤划时代的工具。术中MRI可提供实时导航，确定肿瘤周边的位置，较容易持续评估手术进程。采用神经导航系统对38例胶质瘤病人进41次手术，所有病人术后均行MR成像复查，比较所有强化肿瘤术中和术后早期 MR成像切除比例。2 例 (53.7% )术中 MR成像可显示残留强化的肿瘤，其中17例镜下可见肿瘤并继续进行手术；15例未见肿瘤残留，仍有4例术中 MR成像不能肯定，结果术后早期MR成像显示仅8例有肿瘤残留。采用与不采用术中MR成像术中“完全切除”肿瘤的比例差别有高度的统计学意义 (P=0.004)。

3.2 在非肿瘤性病变方面的运用
　　目前fMRI在非肿瘤性病变中的亦可以大有作为，涉及到脑部很多疾病，如脑动静脉畸形、海绵状血管瘤等颅内血管畸形手术，也可应用于其他神经疾病手术中，如癫痫、结节性硬化症、Parkinson病、脑炎、炎性肉芽肿等。经过对一例运动区局限性损伤的顽固性局限性癫痫患者进行详细的术前及术后研究发现，术前脑功能成像显示的运动皮层功能图与术中侵入性的皮层脑电图是一致的，他们认为癫痫手术可依据fMRI作出较为准确的术前评估。同时利用fMRI对颜叶的相关功能情况进行评估，可以预测颖叶癫痫患者行颜极切除术后癫痫发作的缓解情况以及出现认知功能障碍的风险性，从而制定手术方案，这是一种预测颜极切除术后癫痫发作情况的非侵入性的高准确方法。Macdonell[11]等对一例MRI 显示右大脑半球发育不良、先天性左上肢乏里、顽固性癫痫的患者行fMRI检查时发现，右大脑半球的运动激活区皮层比左侧正常的大脑半球的运动激活区皮层明显后移并变小，术中根据fMRI定位的中央区对发育不良的右侧中央前区皮层切除后未出现永久性的神经功能障碍，他们认为fMRI能准确定位癫痫灶和周围的功能区皮层，对指导癫痫手术方式及癫痫灶的切除范围有重要意义。Bookheimer[12]等对癫痫患儿术后并发症的研究发现，术前MR脑功能成像对脑功能区的定位可最大限度的减少癫痫患儿术后遭受新的神经功能损伤，明显改善手术预后。fMRI在脑血管畸形手术方面：手术前常规MRI包括MRA可对病灶定位、定性，而功能MRI又能提供功能区在病理状态下的