纤示踪成像导航技术的应用

神经外科手术希望能最大限度的切除病变，延长患者的生命，同时也要求保持患者良好的生活质量。保留脑的功能不但要求保护重要的功能区皮质，也要保持皮质下纤维结构的完整，随着计算机技术和磁共振技术的发展，有学者将纤维束示踪成像技术与神经导航系统相结合，并取得良好效果。

1、磁共振脑弥散张量成像技术和白质纤维束示踪成像

所谓弥散是指分子的随机运动，即布朗运动。如果水分子在各个方向的弥散能力相同，称之为各向同性。由于生物体组织结构的复杂性，体内的弥散是一种三维的过程，成像体素内所有方向上弥散的方向和距离都不可能一致，称之为各向异性。所谓张量是一个物理学和工程学上的概念，用于表示一系列3D向量的实体内的张力，脑白质中每一个体素的各向异性弥散过程就可用张量来表示。

磁共振弥散张量成像（diffusiontensorimaging，DTI）是指在常规弥散成像的基础上通过在三维空间内改变弥散梯度敏感性脉冲的方向来观察水分子弥散的各向异性的技术。它利用多种参数和数据处理，从量上和方向上反映

成像体素内弥散的变化，在显示脑白质纤维方面具有独到的优越性〔1,2〕。在中枢神经系统内，细胞膜、轴突膜、细胞骨架等结构限制了水分子的运动，白质中，垂直于神经纤维方向的弥散因受到髓鞘和细胞膜等结构的限制，其弥散速率较平行于神经纤维方向的慢，即表现为各向异性〔3,4〕。为了显示这种组织中的各向异性，引进了DTI技术。它是可以有效的测量各向异性组织中水分子在不同方向上弥散程度的方法，借此显示白质纤维束的走行和排列的紧密程度〔4〕。DTI中有两类量化参数，第1类是平均弥散率，代表了某一体素内水分子弥散的大小或程度。第2类是各向异性指数，反映水分子弥散的方向性，最普遍应用的各向异性指数为部分各向异性（fractionalanisotropy，FA），FA指弥散张量的各向异性成分与整个弥散张量之比。在完全各向同性的介质中，FA＝0，在圆柱状对称的各向异性介质中，FA接近1，FA值是显示白质纤维束是否损伤和损伤程度的敏感指标，其值越高提示组织具有更好的方向性和更好的纤维束粘合程度〔4,5〕。

白质纤维束示踪成像是根据磁共振弥散张量成像绘制白质纤维束的方法，是目前唯一能够活体绘制人类白质纤维束的方法，在神经外科术前计划的制定及指导手术方面有重要的价值。目前三维白质纤维束示踪成像主要有两种技术，即基于张量场的算法及能量最小化的算法。前者最常用的算法是线性延伸技术，是目前应用于临床的主要算法，它直接利用每个体素内的张量信息进行每一步的延伸。简单的线性延伸技术是在离散编码场的基础上将每一个体素连接起来，但其在体素间的延伸仅限于相邻的8个体素，因此对白质纤维束显示不利，连续示踪纤维分配技术是其改进的算法，可使白质纤维示踪更平滑，结果更为可靠〔1〕。连续示踪纤维分配技术通过示踪每个体素的局部向量信息，从种子体素开始向前后两个方向呈线性延伸来重建纤维束。首先确定种子体素，然后沿每个体素本征向量υ1的前后方向呈线性延伸，这一步骤不断重复，直到示踪到达1个FA值小于某一设定阈值的体素，和（或）2个主要本征向量间的角度大于某一设定的角度时示踪自动停止〔6,7〕。

白质纤维束示踪成像可以显示病变与临近白质的解剖关系，有助于神经外科医生最大限度的切除病变而不损伤周围的传导束〔7－14〕。

Mori等〔12〕将脑肿瘤对白质纤维的累及分为四种形式：

1、肿瘤推移使白质纤维束的位置和方向异常，但FA正常或略为降低，提示瘤周纤维束保持完整，术中可以保留。

2、白质纤维束位置和方向正常，但FA明显降低。这种形式常在血管源性水肿区域见到，具体机制未明。

3、FA明显降低，在彩色方向图上有异常的色彩，可能是由于侵袭性的肿瘤破坏了纤维束的方向性引起方向图上色彩模式的改变。完全的各向同性弥散，从而在彩色方向图上不能证实纤维束，这代表肿瘤完全破坏了纤维束。这些表现可以单独存在也可以联合存在。

2、纤维束示踪成像导航技术

神经导航技术是近20年出现的无框架立体定向系统，随着计算机、无线电和信号学等相关学科的发展，使神经导航技术不断提高，形成一个真正的实时性外科计划和导航工具，可将手术器械、靶点结构和路径精确的显示于重建的三维图像上。现代影像学技术不断的发展，为神经外科医生提供了病灶与周围具有特殊功能的脑结构的关系，正电子发射扫描技术（PositronEmissionTomographyPET）、功能性磁共振成像技术及脑磁图技术逐渐应用于神经导航系统，形成功能神经外科导航〔15〕。但是，尽管这些技术有助于运动、感觉及语言等功能区的定位，却不能提供脑内病灶与周围传导束的关系，在临床应用中有一定的局限性。

磁共振脑弥散张量成像技术和白质纤维束示踪成像可以反应神经纤维的三维传导方向，通过颜色的标记显示其走行方向和路径，应用于神经导航系统可使外科医生在术前计划和术中参考白质纤维束的方向而使手术更加安全有效，再结合术中实时电生理监测，可显著的提高脑功能的保护〔8,9,11〕。初期在导航系统中考虑白质纤维束的尝试是应用弥散加权成像，通过计算弥散张量数据加上方向信息，可得到彩色编码的FA图，但是这种方法耗时较多，并且在很大程度上有赖于使用者的解剖学知识而不仅仅是病人的影像学数据，容易产生人为误差〔10〕。白质纤维束示踪成像技术的应用在一定程度上减少了人为误差，Nimsky等〔10〕应用纤维束示踪成像导航技术治疗了16例病人，其中海绵状血管瘤3例，胶质瘤13例，涉及锥体束14例，涉及视放射2例，取得了良好的效果，3例发生术后轻瘫，其中2例完全恢复，纤维束示踪成像所耗时间大约10分钟，对于纤维束示踪成像结果，同一操作者五次成像间的差异和五位不同操作者各自成像的差异都在很小范围内，所得成像有很好的重叠性，说明纤维束示踪成像的人为误差很小，作者认为纤维束示踪成像可以常规应用导航手术，并有很广泛的价值。

脑结构的漂移是导航手术的一个主要问题，术中磁共振成像和术中超声检查有助于脑漂移的校正，但均较耗时，且术中磁共振在目前尚不能广泛推广。术中电生理监测也是当前神经外科手术中常用的神经功能保护技术[16,17]，皮层功能区和主要的皮质下纤维可以通过术中电生理监测来确认，然而，通过直接电刺激来确定纤维束可能会导致切除范围的过大而致术后功能缺失，应用皮层下纤维电刺激地形图技术，皮质下传导通路要在距离切除边缘2-3mm之内才能定位，可导致功能障碍发生率增加，而且在一项研究中发现50％的患者其传导通路不能够探测到〔10,18〕。直接纤维电刺激地形图技术的一个难点就是如何寻找合适的刺激点。另外，在术中不断的寻找和刺激纤维束要求中断手术进程，延长了手术时间，这就要求对肿瘤和传导束的解剖关系在术前和术中都能有很好的了解，而白质纤维束示踪成像导航技术无疑会对此提供直接的帮助。对于白质纤维束示踪成像的解剖有效性的评价，即如何“证实”其准确性是一个很关键的问题，通过电生理监测和刺激进行白质纤维束的定位，并通过与导航系统中所成白质纤维束示踪成像相对照，应该是解决“证实”问题的一个有效途径。术中电生理监测，包括皮层下纤维的直接电刺激，有助于实时校正纤维结构的位置以补偿脑漂移的影响，且电生理监测是验证白质纤维束示踪成像的有效方法〔8－11〕，因此，将直接纤维刺激地形图技术与纤维束示踪成像导航技术相结合，对双方的研究和应用都会有很大的促进作用。Kamada等〔11〕联合应用纤维束示踪成像导航技术和直接纤维束刺激技术手术治疗6例涉及皮质脊髓束（corticospinaltract，CST）的病人。术前行单次激发平面回波序列MRI扫描，进行DTI纤维束示踪成像，将所得纤维束示踪成像与常规MRI图像融合重建，将融合后的图像数据输入导航系统应用于术中导航。术中除麻醉诱导阶段外，不应用肌松剂。开颅后，探测体感诱发电位和运动诱发电位，运动诱发电位的针形检测电极插在手掌和脚趾的皮下，整个手术过程中，持续进行体感诱发电位和运动诱发电位的监测。在肿瘤切除过程中，当导航系统提示切缘接近皮质脊髓束时，进行直接纤维束电刺激，使用五个序列单向方波脉冲单极刺激，频率为1Hz，每个脉冲持续时间为0.2毫秒，电流强度1－25mA。电纤维刺激通过条形电极作用于切除周围数个点，以诱发手掌和脚趾的运动诱发电位。6例患者中3例直接纤维束刺激诱发出动作电位，其中一例当切缘距离术中导航所示皮质脊髓束小于0.5cm时，运动诱发电位波幅降低了50％，术后有短暂的偏身麻痹，另2例切缘距导航所示皮质脊髓束分别为1.0cm和0.5cm，直接纤维束刺激诱发的动作电位良好，此两例做到了最大限度的切除肿瘤，同时功能保留完整。3例术中直接纤维束刺激未能引起运动诱发电位，肿瘤切缘距导航所示皮质脊髓束分别为1.0cm、1.5cm、1.5cm，术后无功能障碍发生。作者认为术中直接纤维束刺激的结果有效的验证了磁共振脑弥散张量白质纤维束示踪成像的准确性，并指出将直接纤维束刺激技术和纤维束示踪成像导航技术有效的结合，将有助于更大限度的切除肿瘤，更好的保护脑功能，有着良好的发展前景。Kamada〔8〕报告的病例中有一例为右颞叶后部的胶质瘤，术中应用纤维束示踪成像导航和视觉诱发电位，当切除范围到达导航所提示的视放射时，视觉诱发电位突然消失，患者术后留有完全的左侧偏盲，作者据此得出和前文相同的结论。

纤维束示踪成像导航技术是随着计算机和磁共振技术的发展而发展起来的新技术，也是目前唯一能在术前提供白质纤维束影像学资料的方法，随着术中磁共振、术中电生理监测的普及和成像技术的不断改进，将会有着良好的发展前景，为最大限度的切除病变和更好的保护脑功能提供帮助。