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基于独立成分分析的静息态MRI脑功能成像与皮层电刺激在脑部病变运动区术前定位中的对照研究

2022-05-01 10:41:34

本文原载于《中华放射学杂志》2017年第5期

保护皮层运动区对保留脑外科术后患者的运动功能、提高生活质量至关重要[1]。体感诱发电位(somatosensory evoked potentials, SSEPS)和皮层电刺激(electrical cortical stimulation, ECS)是定位脑皮层运动区及进行脑功能区肿瘤切除的金标准。但对于深部皮层存在无法到达的技术死角(如脑沟深处的语言区),同时还存在着术区暴露过大带来较大损伤等问题。

血氧水平依赖(blood oxygenation level dependent, BOLD)-fMRI是近年来发展起来的新技术,主要分为任务态fMRI(task-state, ts-fMRI)与静息态fMRI(resting state, rs-fMRI)两种。临床绝大多数基于fMRI的术前定位均使用任务实验范式,通过让患者完成能够引起功能区激活的任务,来定位重要功能区。任务实验在实际应用中存在实际操作困难(任务完成度等[2])和功能分离带来的定位误差[3]。rs-fMRI技术在一定程度上可以解决上述问题,并且在基础和临床研究中得到了广泛应用[4,5]。rs-fMRI只需被试者安静放松、保持清醒、不做特殊任务就可以完成检查,极大地简化了操作过程。笔者收集我院符合纳入标准的脑运动区病变患者资料,将术前静息态数据通过基于稳定组独立成分分析(independent component analysis, ICA)算法分析得到功能区定位结果[6],并与ECS定位进行比较,探讨该方法在临床实际应用的准确性。


资料与方法



一、临床资料

2014年1月至2015年12月,收集23例脑运动区病变患者进行fMRI检查。病例纳入标准:(1)幕上肿瘤或者脑皮层发育不良所致癫痫症状;(2)有完备的病史资料;(3)拟手术患者;(4)无精神病史及严重高血压糖尿病等基础疾病。排除标准:(1)幕下肿瘤;(2)本人或家族精神障碍病史;(3)一切不适合MRI扫描的情况;(4)扫描过程中头动大于2 mm、2°。因静息态脑功能扫描时患者头动过大等原因,9例被排除,实际入组14例。男9例、女5例;年龄12~69岁,中位年龄43岁。其中8例为胶质瘤患者,1例为淋巴瘤患者,5例为癫痫患者。首发症状:头痛、头晕5例,癫痫发作6例(其中1例为脑肿瘤继发癫痫),行走不稳3例。本研究已通过医院伦理委员会审核批准(审批号2013KJ066)。

二、rs-fMRI数据采集

MR扫描在德国Siemens Trio 3.0 T MR仪上进行,使用双通道相控阵头颅CP线圈。采用回波平面成像(EPI)-BOLD序列,TR 2 000.0 ms,TE 30.0 ms,层厚3.2 mm,层间距0.8 mm,共31层,矩阵64×64,FOV 220 mm×220 mm,体素大小3 mm×3 mm×4 mm,反转角90°,扫描时间484 s。全脑高分辨率3D-磁化准备快速梯度回波(magnetization prepared rapid gradient echo, MPRAGE)T1WI,TR 8.5 ms,TE 3.2 ms,反转角15°,FOV 250 mm×250 mm,矩阵256×256,层数176层,层厚1.0 mm,扫描时间281 s。

三、数据处理

rs-fMRI数据采用统计参数图(SPM)8软件(http://www.fil.ion.uc1.ac.uk/spm/)进行预处理,包括层面时间校正、头动校正、2 mm各向同性高斯核空间平滑。将3D-MPRAGE T1结构图像采用SPM8配准和经过头动校正的rs-fMRI图像配齐。然后使用MICA软件(http://www.nitrc.org/cogicat)进行个体水平的ICA分析。在ICA分析过程中,采用成分分数10~100(以10为间隔)分别计算静息态功能连接(resting-state functional connectivity, RSFC)网络。采用多个成分分数可以克服由于成分分数设置不同导致结果变异较大的问题。对不同的成分分数所得到的成分,采用专家人工挑选的方式找出感兴趣成分。具体通过以下两个标准判定基于ICA的功能连接分析是否定位成功[7]:(1)最终定位结果经专家评估可显示较局限、可分辨的集中在感觉运动区的功能连接图。(2)定位结果显示的感觉运动区与解剖学位置相符,包括四肢运动、口唇运动等主运动区(primary motorareas, M1)、辅助运动区(supplementary motor area, SMA)和运动前区(premotor cortex, PMC)。采用xjview8.0软件(http://www.alivelearn.net/)将最终选出的最佳脑功能区ICA成分图与患者自身的3D-MPRAGE T1图像融合,得到脑功能区三维定位图。

四、手术定位方法

术中皮层电刺激仪为尼高力16通道的神经电生理监护系统。实验参数:术中用同心圆电极刺激(图1),方波刺激。频率50 Hz,脉宽200 μs,串时间2 s,从1 mA电流刺激开始,每次增加1 mA,电极间距选择为5 mm,电压设置为60 mV,每次持续刺激为1 s。直至出现周围肌肉(如上肢及面部等重要区域)可辨别的收缩反应,ECS中复合肌肉动作电位有效的判定标准:(1)波形清晰、可辨。(2)波幅≥10 μV。(3)潜伏期:拇短展肌及小指展肌的潜伏期范围为15~35 ms,前臂屈肌群为10~30 ms。(4)伪迹干扰小。为保证安全最大刺激电流强度不超过10 mA。增加至10 mA没有反应认为刺激点不是功能区。术中采用常规HE染色观察冰冻标本,术后采用HE染色及免疫组织化学染色对标本进行再次检查。

五、统计方法

比较rs-fMRI定位结果和皮层电刺激定位得到的运动区的符合程度,采用以下标准:手术暴露术区后,,统计皮层电极的阳性位点数及相对位置并将其叠加于3D图像上,观察与rs-fMRI定位结果的重合程度。若皮层电刺激得到的阳性位点全部位于rs-fMRI功能连接区内为完全符合;得到的阳性位点与rs-fMRI定位的功能区超过50%相符,但未能达到完全符合标准为基本符合;不符合:;50%。


结果



一、ICA rs-fMRI显示

14例患者的SMA均可以准确定位。健侧运动区,包括M1、PMC,通过基于稳定组ICA成分提取也可以得到明确的功能定位。在肿瘤一侧的脑区,运动区功能定位数量较健侧有所减少,具体显示个数见表1。

二、术中皮层电刺激结果

14例均完成皮层电刺激。定位运动区电刺激点7~11个/例,共计131个。运动区阳性位点5~9个/例,共计89个(67.9%)。对应完成静息态成像的14例完成皮层电刺激的患者中,全部患者皮层电刺激阳性点位均于脑功能连接区内,其中完全符合的11例(图2),3例达到基本符合(图3)。rs-fMRI与术中ECS定位皮质运动区完全符合11例,基本符合3例。


讨论



1990年Ogawa等[8]首先报道了基于BOLD的fMRI技术。在此基础上的rs-fMRI通过人脑静息状态下的自发低频信号(<0.1 Hz)来进行数据采集,再通过数据后处理从而得到RSFC值[9],而且易于实施(如镇静[10]或睡眠时[11])并具有较好的稳定性[12]。同时相比ts-fMRI的指令方式的操作检查,rs-fMRI极大地减少了干扰信号的产生,从而拥有更高的信噪比[13]

由于研究方法与条件的限制,rs-fMRI基础上的ICA分析一直比较少。Kokkonen等[14]在2009年首次使用ICA研究了8例脑肿瘤患者,研究显示如果不放弃一定的定位精度来进行空间平滑处理,对大多数患者将定位失败。王引言等[15]、Zhang等[16]先后使用ICA进行了一系列术前定位研究。这些研究中都存在着算法不稳定和功能网络提取上的困难。吴亮等[7]采用种子点的方法研究了18例脑肿瘤患者,结果证实rs-fMRI有较高的敏感度和准确性,可用于运动区及附近病变的术前运动皮层定位、功能评估与病灶比邻关系的判断,但在选取种子点时受人为影响较大,所以在肿瘤占位时对于功能连接的检出存在困难。本研究采用的是新近提出的基于稳定组ICA算法,相比传统ICA组水平上的使用,这种算法可以在个体水平上使用,同时减少了ICA计算的随机性问题[6]。从而可以使用较少的研究资源得到更稳定、准确、可靠的多个RSFC计算结果。但在实际应用中我们发现SOI-ICA仍存在分析成分较多时耗时较长的问题。

本研究的5例脑电刺激定位由于是癫痫病灶的检测,因此手术区暴露面积较大,相比以往的较小的脑手术创口的术中定位结果,电刺激可以定位的面积更大,从而可以比较更大的区域,更好地比较术前脑功能定位的精度。由于癫痫灶检查的需要,我们暴露了大部分脑皮层(图1),,并且发现由ICA得到的运动区位置与术中皮层电刺激得到的运动区位置完全一致(图2)。这比以往研究的小范围术中暴露检测对比更具有说服力。

同时我们发现3例静息态定位与术中皮层电刺激结果并没有达到完全符合,通过对病灶的病理研究我们发现其中1例为淋巴瘤患者(术中定位后快速冰冻显示为胶质瘤,免疫组织化学染色确诊为非霍奇金淋巴瘤),另1例为胶质瘤复发的患者(图3),其病灶的囊变坏死较为明显,对于脑组织特别是白质纤维束的破坏较大,可能对于功能网络的连接会产生一定的影响[14]。相比其他结果较好的患者,我们发现肿瘤的恶性程度越高,坏死囊变水肿程度越高,最后得到的定位精度相对较差,但是本研究的肿瘤患者只有9例,相关研究还有待于大样本实验的证实。由于患者自身疾病的原因导致检查配合上存在一定的问题,使得头动干扰排除了较多的病例,是否可以利用静息态检查的特点使患者在一定的安定状态下进行检查,以及能否用术中导航来实现更加精确的定位,为下一步探索的方向。

综上所述,本研究通过术前的rs-fMRI与术中ECS的结果进行比较,结果表明rs-fMRI有着较好的定位精度,特别是病变较轻时拥有较高的可信性,但是涉及严重的肿瘤病变时精度可能会有一定程度的下降。尽管如此,rs-fMRI仍然对术前功能评估及手术方案规划有较大的参考价值。

利益冲突

利益冲突 本研究过程和结果均未受到相关设备、材料和药物企业的影响

参考文献(略)

(收稿日期:2016-05-27)

(本文编辑:张琳琳) 


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