基於獨立成分分析的靜息態MRI腦功能成像與皮層電刺激在腦部病變運動區術前定位中的對照研究

本文原載於《中華放射學雜誌》2017年第5期

保護皮層運動區對保留腦外科術後患者的運動功能、提高生活質量至關重要[1]。體感誘發電位（somatosensory evoked potentials, SSEPS）和皮層電刺激（electrical cortical stimulation, ECS）是定位腦皮層運動區及進行腦功能區腫瘤切除的金標準。但對於深部皮層存在無法到達的技術死角（如腦溝深處的語言區），同時還存在著術區暴露過大帶來較大損傷等問題。

血氧水平依賴（blood oxygenation level dependent, BOLD）-fMRI是近年來發展起來的新技術，主要分為任務態fMRI（task-state, ts-fMRI）與靜息態fMRI（resting state, rs-fMRI）兩種。臨床絕大多數基於fMRI的術前定位均使用任務實驗範式，通過讓患者完成能夠引起功能區激活的任務，來定位重要功能區。任務實驗在實際應用中存在實際操作困難（任務完成度等[2]）和功能分離帶來的定位誤差[3]。rs-fMRI技術在一定程度上可以解決上述問題，並且在基礎和臨床研究中得到了廣泛應用[4,5]。rs-fMRI只需被試者安靜放鬆、保持清醒、不做特殊任務就可以完成檢查，極大地簡化了操作過程。筆者收集我院符合納入標準的腦運動區病變患者資料，將術前靜息態數據通過基於穩定組獨立成分分析（independent component analysis, ICA）演算法分析得到功能區定位結果[6]，並與ECS定位進行比較，探討該方法在臨床實際應用的準確性。

資料與方法

一、臨床資料

2014年1月至2015年12月，收集23例腦運動區病變患者進行fMRI檢查。病例納入標準：（1）幕上腫瘤或者腦皮層發育不良所致癲癇癥狀；（2）有完備的病史資料；（3）擬手術患者；（4）無精神病史及嚴重高血壓糖尿病等基礎疾病。排除標準：（1）幕下腫瘤；（2）本人或家族精神障礙病史；（3）一切不適合MRI掃描的情況；（4）掃描過程中頭動大於2 mm、2°。因靜息態腦功能掃描時患者頭動過大等原因，9例被排除，實際入組14例。男9例、女5例；年齡12~69歲，中位年齡43歲。其中8例為膠質瘤患者，1例為淋巴瘤患者，5例為癲癇患者。首發癥狀：頭痛、頭暈5例，癲癇發作6例（其中1例為腦腫瘤繼發癲癇），行走不穩3例。本研究已通過醫院倫理委員會審核批准（審批號2013KJ066）。

二、rs-fMRI數據採集

MR掃描在德國Siemens Trio 3.0 T MR儀上進行，使用雙通道相控陣頭顱CP線圈。採用回波平面成像（EPI）-BOLD序列，TR 2 000.0 ms，TE 30.0 ms，層厚3.2 mm，層間距0.8 mm，共31層，矩陣64×64，FOV 220 mm×220 mm，體素大小3 mm×3 mm×4 mm，反轉角90°，掃描時間484 s。全腦高解析度3D-磁化準備快速梯度回波（magnetization prepared rapid gradient echo, MPRAGE）T1WI，TR 8.5 ms，TE 3.2 ms，反轉角15°，FOV 250 mm×250 mm，矩陣256×256，層數176層，層厚1.0 mm，掃描時間281 s。

三、數據處理

rs-fMRI數據採用統計參數圖（SPM）8軟體（http://www.fil.ion.uc1.ac.uk/spm/）進行預處理，包括層面時間校正、頭動校正、2 mm各向同性高斯核空間平滑。將3D-MPRAGE T1結構圖像採用SPM8配准和經過頭動校正的rs-fMRI圖像配齊。然後使用MICA軟體（http://www.nitrc.org/cogicat）進行個體水平的ICA分析。在ICA分析過程中，採用成分分數10~100（以10為間隔）分別計算靜息態功能連接（resting-state functional connectivity, RSFC）網路。採用多個成分分數可以克服由於成分分數設置不同導致結果變異較大的問題。對不同的成分分數所得到的成分，採用專家人工挑選的方式找出感興趣成分。具體通過以下兩個標準判定基於ICA的功能連接分析是否定位成功[7]：（1）最終定位結果經專家評估可顯示較局限、可分辨的集中在感覺運動區的功能連接圖。（2）定位結果顯示的感覺運動區與解剖學位置相符，包括四肢運動、口唇運動等主運動區（primary motorareas, M1）、輔助運動區（supplementary motor area, SMA）和運動前區（premotor cortex, PMC）。採用xjview8.0軟體（http://www.alivelearn.net/）將最終選出的最佳腦功能區ICA成分圖與患者自身的3D-MPRAGE T1圖像融合，得到腦功能區三維定點陣圖。

四、手術定位方法

術中皮層電刺激儀為尼高力16通道的神經電生理監護系統。實驗參數：術中用同心圓電極刺激（圖1），方波刺激。頻率50 Hz，脈寬200 μs，串時間2 s，從1 mA電流刺激開始，每次增加1 mA，電極間距選擇為5 mm，電壓設置為60 mV，每次持續刺激為1 s。直至出現周圍肌肉（如上肢及面部等重要區域）可辨別的收縮反應，ECS中複合肌肉動作電位有效的判定標準：（1）波形清晰、可辨。（2）波幅≥10 μV。（3）潛伏期：拇短展肌及小指展肌的潛伏期範圍為15~35 ms，前臂屈肌群為10~30 ms。（4）偽跡干擾小。為保證安全最大刺激電流強度不超過10 mA。增加至10 mA沒有反應認為刺激點不是功能區。術中採用常規HE染色觀察冰凍標本，術後採用HE染色及免疫組織化學染色對標本進行再次檢查。

五、統計方法

比較rs-fMRI定位結果和皮層電刺激定位得到的運動區的符合程度，採用以下標準：手術暴露術區後，在中央區放置電極進行刺激，統計皮層電極的陽性位點數及相對位置並將其疊加於3D圖像上，觀察與rs-fMRI定位結果的重合程度。若皮層電刺激得到的陽性位點全部位於rs-fMRI功能連接區內為完全符合；得到的陽性位點與rs-fMRI定位的功能區超過50%相符，但未能達到完全符合標準為基本符合；不符合：ECS在中央區電刺激陽性位點與rs-fMRI功能連接區吻合

結果

一、ICA rs-fMRI顯示

14例患者的SMA均可以準確定位。健側運動區，包括M1、PMC，通過基於穩定組ICA成分提取也可以得到明確的功能定位。在腫瘤一側的腦區，運動區功能定位數量較健側有所減少，具體顯示個數見表1。

二、術中皮層電刺激結果

14例均完成皮層電刺激。定位運動區電刺激點7~11個/例，共計131個。運動區陽性位點5~9個/例，共計89個（67.9%）。對應完成靜息態成像的14例完成皮層電刺激的患者中，全部患者皮層電刺激陽性點位均於腦功能連接區內，其中完全符合的11例（圖2），3例達到基本符合（圖3）。rs-fMRI與術中ECS定位皮質運動區完全符合11例，基本符合3例。

討論

1990年Ogawa等[8]首先報道了基於BOLD的fMRI技術。在此基礎上的rs-fMRI通過人腦靜息狀態下的自發低頻信號（

由於研究方法與條件的限制，rs-fMRI基礎上的ICA分析一直比較少。Kokkonen等[14]在2009年首次使用ICA研究了8例腦腫瘤患者，研究顯示如果不放棄一定的定位精度來進行空間平滑處理，對大多數患者將定位失敗。王引言等[15]、Zhang等[16]先後使用ICA進行了一系列術前定位研究。這些研究中都存在著演算法不穩定和功能網路提取上的困難。吳亮等[7]採用種子點的方法研究了18例腦腫瘤患者，結果證實rs-fMRI有較高的敏感度和準確性，可用於運動區及附近病變的術前運動皮層定位、功能評估與病灶比鄰關係的判斷，但在選取種子點時受人為影響較大，所以在腫瘤佔位時對於功能連接的檢出存在困難。本研究採用的是新近提出的基於穩定組ICA演算法，相比傳統ICA組水平上的使用，這種演算法可以在個體水平上使用，同時減少了ICA計算的隨機性問題[6]。從而可以使用較少的研究資源得到更穩定、準確、可靠的多個RSFC計算結果。但在實際應用中我們發現SOI-ICA仍存在分析成分較多時耗時較長的問題。

本研究的5例腦電刺激定位由於是癲癇病灶的檢測，因此手術區暴露面積較大，相比以往的較小的腦手術創口的術中定位結果，電刺激可以定位的面積更大，從而可以比較更大的區域，更好地比較術前腦功能定位的精度。由於癲癇灶檢查的需要，我們暴露了大部分腦皮層（圖1），所以得以逐一刺激整個中央運動區，並且發現由ICA得到的運動區位置與術中皮層電刺激得到的運動區位置完全一致（圖2）。這比以往研究的小範圍術中暴露檢測對比更具有說服力。

同時我們發現3例靜息態定位與術中皮層電刺激結果並沒有達到完全符合，通過對病灶的病理研究我們發現其中1例為淋巴瘤患者（術中定位後快速冰凍顯示為膠質瘤，免疫組織化學染色確診為非霍奇金淋巴瘤），另1例為膠質瘤複發的患者（圖3），其病灶的囊變壞死較為明顯，對於腦組織特別是白質纖維束的破壞較大，可能對於功能網路的連接會產生一定的影響[14]。相比其他結果較好的患者，我們發現腫瘤的惡性程度越高，壞死囊變水腫程度越高，最後得到的定位精度相對較差，但是本研究的腫瘤患者只有9例，相關研究還有待於大樣本實驗的證實。由於患者自身疾病的原因導致檢查配合上存在一定的問題，使得頭動干擾排除了較多的病例，是否可以利用靜息態檢查的特點使患者在一定的安定狀態下進行檢查，以及能否用術中導航來實現更加精確的定位，為下一步探索的方向。

綜上所述，本研究通過術前的rs-fMRI與術中ECS的結果進行比較，結果表明rs-fMRI有著較好的定位精度，特別是病變較輕時擁有較高的可信性，但是涉及嚴重的腫瘤病變時精度可能會有一定程度的下降。儘管如此，rs-fMRI仍然對術前功能評估及手術方案規劃有較大的參考價值。

利益衝突

利益衝突本研究過程和結果均未受到相關設備、材料和藥物企業的影響

參考文獻（略）

（收稿日期：2016-05-27）

（本文編輯：張琳琳）

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