弥散张量成像纤维束示踪技术显像弓形束及术中弓形束导航的可行性分析

赵 岩，陈晓雷，王 飞，孙国臣，王宇博，宋志军，许百男

1中国人民解放军总医院神经外科，北京100853 2南开大学医学院，天津300071

·论著·

弥散张量成像纤维束示踪技术显像弓形束及术中弓形束导航的可行性分析

赵 岩1,2，陈晓雷1，王 飞1，孙国臣1，王宇博1，宋志军1，许百男1

1中国人民解放军总医院神经外科，北京1008532南开大学医学院，天津300071

目的初步探讨弥散张量成像纤维束示踪技术显像弓形束及术中弓形束导航在神经外科手术中的可行性。方法85例接受术中磁共振及神经导航辅助治疗的大脑半球肿瘤患者分为左侧大脑半球肿瘤组(n=55)和对照组(n=30)，术前均行常规磁共振成像及弥散张量成像检查，通过纤维束示踪技术显像弓形束并与神经导航系统整合指导手术，分别于术后2～4周、3～6个月随访患者的弓形束显像及语言功能。结果所有患者手术前均实现了弓形束的显像，左侧大脑半球肿瘤组患者将三维显像的弓形束图像整合入神经导航系统后通过显微镜下导航指导手术，在术后长期随访中仅4例存在语言功能障碍。结论弥散张量成像纤维束示踪技术能够显像弓形束并与术中导航系统整合，改善外科手术对语言功能区肿瘤的治疗效果，帮助患者最大程度保留语言功能，提高术后生活质量。

弥散张量成像；纤维束示踪技术；弓形束；神经导航

上世纪90年代弥散张量成像(diffusion tensor imaging，DTI)以及基于DTI的纤维束示踪技术(DTI-based tractography，DTT)的出现，使得活体研究大脑白质纤维束成为可能。近年国内外研究中应用DTT显像锥体束并与神经导航相结合，结果与传统解剖有很高的一致性[1-2]。本研究通过对85例颅内肿瘤患者应用DTI及DTT技术进行弓形束的显像并应用于术中导航，探讨弓形束显像及术中导航在神经外科手术中的可行性及可靠性。

对象和方法

对象左侧大脑半球肿瘤组：选取2009年2月至2010年12月于我院行术中磁共振及神经导航辅助手术治疗的左侧大脑半球肿瘤患者55例，均为右利手，其中男性33 例、女性22例；年龄20～79岁，平均(43.12±11.34)岁；按肿瘤病理性质分类，脑膜瘤(WHO Ⅰ级)1例、星形细胞瘤及少突胶质细胞瘤(WHO Ⅱ级)20例、间变性星形细胞瘤及间变性少突胶质细胞瘤(WHO Ⅲ级)16例、胶质母细胞瘤(WHO Ⅳ级)16例、转移瘤2例，所有病例在手术前均经过常规磁共振成像(magnetic resonance imaging，MRI)、DTI、功能磁共振成像(functional magnetic resonance imaging， fMRI)检查。在术前及术后随访时，根据西方失语成套测验对患者语言功能进行评分，术前已出现严重语言功能障碍者12例(21.8%)、轻度语言功能障碍者25例(45.5%)、无明显语言功能障碍者18例(32.7%)。对照组：为同期行术中磁共振及神经导航辅助手术治疗的右侧大脑半球肿瘤患者30例，均为右利手，男性16例、女性14例；年龄22～68岁，平均(43.5±15.80)岁；脑膜瘤2例、星形细胞瘤及少突胶质细胞瘤(WHO Ⅱ级)11例、间变性星形细胞瘤及间变性少突胶质细胞瘤(WHO Ⅲ级)8例、胶质母细胞瘤(WHO Ⅳ级)7例、转移瘤2例，手术前及术后随访均无语言功能障碍。

MRI检查采用德国西门子Espree 1.5T场强超导型MR。DTI采用单次投照弥散加权自旋回波序列。序列参数为：回波时间147 ms，重复时间9400 ms，矩阵尺度128×128，视场251 mm×251 mm，层厚3 mm，带宽1502 Hz/px。弥散权重(High b value)1000 s/mm2，进行12个方向的弥散加权成像，同时进行1次0弥散加权(b0，low b value：0s/mm2)成像用于后期处理时消减成像区域外周噪声。体素大小为1.9 mm×1.9 mm×3 mm。连续无间隔采集40层，共采集5次以提高信噪比，总扫描时间约10 min。

弓形束示踪显像及手术计划MRI数据采集后，通过局域网络将原始数据以DICOM格式传入导航计划工作站(BrainLab，德国)，制定手术计划。首先将DICOM数据经PatXfer 5.2(BrainLab，德国)进行格式转换，然后应用iPlan Cranial 2.6软件(BrainLab，德国)将各种影像资料进行图像融合(image fusion)。确定图像融合准确无误后，分别在模型创建模块中将肿瘤重建成三维图像，在纤维束示踪模块中示踪显像弓形束，并转换成三维图像，以不同颜色标示，最后将三维示踪的结果通过局域网络导入术中导航系统。

本研究进行弓形束示踪成像采用的各向异性分数值(fractional anisotropy，FA )为0.15，最小纤维示踪角度30°，纤维束起始示踪长度50 mm。应用三感兴趣区法(region of interests，ROI)进行弓形束示踪显像，第一个ROI放置在放射冠外侧，软件自动运算出通过此ROI的所有纤维束，以红、绿、蓝三种颜色的线条显示，不同颜色表示纤维束的不同方向，红色表示左右方向，绿色表示前后方向，蓝色表示上下方向。通过第一个ROI得到的纤维束比较杂乱，需要再用两个ROI将多余的纤维束去掉，选取Broca和Wernicke区附近的白质作为ROI，将同时通过Broca区和Wernicke区的纤维束保留(图1)。

术中导航系统采用德国Brain LAB神经导航，型号为VectorVision®sky，该导航系统的主机设置在操作间，红外线发射及探测器和显示器由吊臂固定在手术间天花板上。

结 果

弓形束示踪成像分别在术前对左侧大脑半球肿瘤组和对照组患者左侧大脑半球进行弓形束示踪成像，结果显示均能示踪显像弓形束，但在相同的参数下，对照组患者的弓形束形态比较一致，重复性较好，而左侧大脑半球肿瘤组患者的弓形束由于肿瘤的影响，解剖变异比较大(图1)。

弓形束术中导航将术前计划与Brain LAB神经导航系统结合，成功实现了显微镜下肿瘤和弓形束的导航，肿瘤和弓形束以投影的方式显示在显微镜视野中(图2)，帮助术者在手术过程中直观了解肿瘤与周围传导束和功能区的毗邻关系，评价肿瘤切除进度。

术后随访在术后2～4周随访时，对照组未出现语言功能障碍，左侧大脑半球肿瘤组有28例(50.9%)出现不同程度的语言功能障碍，主要表现为传导性失语(n=17，60.7%)、命名性失语(n=6，21.4%)和混合性失语(n=5，17.9%)，其中5例患者为术后新发症状。在进行弓形束示踪时发现，出现语言障碍的患者出现纤维束较术前减少的现象，有10例在FA=0.15的条件下无法得出纤维束示踪结果，降低FA至0.1才能够显示纤维束。

在术后3～6个月随访时，左侧大脑半球肿瘤组有4例仍存在语言功能障碍，其中3例传导性失语、1例命名性失语，考虑为肿瘤复发所致。在进行弓形束示踪显像时，4例患者的弓形束较术前明显减少。

所有患者在随访期间无1例死亡。左侧大脑半球肿瘤组在术后2～4周随访时有7例出现右侧肢体肌力下降；在术后3～6个月随访时，所有患者均未出现其他语言功能之外的神经功能障碍，如肢体运动功能障碍、感觉障碍、癫痫、视野缺损等。

讨 论

语言是人类大脑中最复杂的高级功能之一，语言功能网络和大脑的其他神经认知网络存在广泛而有序的联系，并且相互作用，这些复杂的网络连接是以传导束为解剖学基础的，其中弓形束最早被发现且具有最重要的意义，被认为是连接Broca区和Wernicke区的重要传导通路[3]。当前对于语言相关通路的理解基于19世纪以来神经解剖学家们的先驱工作，如Geschwind[4]通过解剖固定的脑组织标本并追踪脑组织切片中染色髓质进行人类大脑的神经解剖研究。

自上世纪90年代DTI技术出现后，基于DTI的纤维束示踪技术研究成为热点，并有了开创性的研究进展[5]。Fernández-Miranda等[1]将人脑白质纤维束的示踪结果与尸体解剖做了对比研究，证实基于DTI的纤维束示踪结果与实际解剖结构相吻合。Nimsky等[6]应用定量的方法对基于iPlan软件的锥体束示踪做了可重复性研究，得出了重复性较好且示踪结果更符合实际的锥体束示踪方法，结果与传统解剖有较高的一致性，并与术中磁共振及神经导航系统整合，用于胶质瘤手术中，结果证实术中磁共振系统结合锥体束的导航能够帮助手术医生最大程度切除肿瘤的同时，保护锥体束不受损害。Bello等[7]在胶质瘤的手术中应用皮层下电刺激发现DTI纤维束示踪得到的锥体束和语言传导束结果与电刺激的阳性位点有较好的一致性。

MRI: 磁共振成像; 方框内为感兴趣区位置MRI: magnetic resonance imaging; The positions of region of interests are shown as white panesA.弓形束示踪显像的三维立体图像；B, C, D. 弓形束分别在MRI T1加权像中轴状位(B)、矢状位(C)和冠状位(D)的截图A.3-D visualization of the arcuate fasciculus tractography; B, C, D.The visualization of arcuate fasciculus in the axial(B), sagittal(C), and coronal plane(D) of T1 weighted MRI

A，B，C. 肿瘤在T1增强像轴(A)、矢(B)、冠位(C)上的MRI影像；D. 肿瘤(十字光标)、语言功能皮层与弓形束(箭头)在显微镜视野中的三维显像；E. 肿瘤(十字光标)、语言功能皮层及弓形束(箭头)在头皮的投影；F. 弓形束(箭头)和肿瘤(十字光标)在大脑皮层的投影A, B, C. The visualization of tumor in the axial(A), sagittal(B), and coronal planes(C) of T1 weighted MRI with contrast; D. 3-D visualization of tumor (tracking cross), language functional cortex and arcuate fasciculus (arrow) in microscope video; E. The aerial image of tumor(tracking cross), language functional cortex and arcuate fasciculus(arrow) on skin; F. The outlines of tumor(tracking cross) and arcuate fasciculus(arrow) on brain cortex

虽然椎体束的示踪及术中导航已经应用于神经导航，并取得了满意的效果，但弓形束的示踪及导航罕见报道。这是由于锥体束示踪显像相对容易，而弓形束的示踪显像相对复杂，有一定的角度，而且受DTI成像质量及纤维束示踪算法条件所限[8]。不同的示踪软件、不同ROI体积及选择顺序和FA阈值都会对示踪结果产生较大影响，甚至同一操作者不同次示踪结果之间都会存在差别。纤维束追踪算法是一种递归算法，从起始ROI内的体素开始，根据每个体素的主弥散方向不断延长。在这个过程中，追踪距离越长，出现偏差的可能就越大。尤其在遇到某个体素的主弥散方向不太明确时，更容易出现错误追踪[9]。本研究综合已发表文献的技术参数，将第一个ROI置于弓形束纤维最集中部位，即额颞顶交界区，椎体束的外侧，然后再用另外的ROI保留Broca和Wernicke区的连接纤维束，同时去掉不在ROI内错误追踪的纤维。应用此方法，本研究3名操作者分别对30例对照组患者的左侧大脑半球进行了弓形束示踪，所得结果与Catani等[3]的报道一致。

虽然在对照组的研究中本研究获得了良好的弓形束示踪结果，但在左侧大脑半球肿瘤组的弓形束示踪中遇到一定的困难。主要存在以下几方面原因：(1)胶质瘤细胞的生长具有侵袭性，邻近弓形束的肿瘤可能破坏弓形束；(2)肿瘤的占位效应(mass effect)对周围正常的脑组织具有压迫作用；(3)肿瘤周围往往伴有不同程度的细胞水肿。其中肿瘤细胞的浸润和瘤周水肿能够改变弓形束的FA值，根据电生理学的结果，如果在某一位置FA值低于0.1的条件下，还没有纤维束被软件追踪出来，那么这个位置的纤维束可能已经被破坏，失去了正常生理功能[10]。肿瘤的占位效应能够改变正常脑组织的解剖结构，尤其邻近Broca和Wernicke区的肿瘤，往往改变了语言功能区正常的解剖位置，使得在选择ROI时面临困难。本研究先通过fMRI结果确定Broca和Wernicke区的位置，然后据此确定ROI的位置。在左侧大脑半球肿瘤组的患者中，体积比较大的肿瘤对弓形束的浸润、推挤和周围水肿往往同时出现，弓形束被肿瘤推挤后的解剖变异非常大，弓形束的示踪具有一定难度，需要分析肿瘤的生长特点，在fMRI的帮助下仔细分辨正常的脑组织。

术中导航的误差主要存在于注册误差和连接显微镜误差两方面。注册时规范操作，尽可能多地匹配注册点能够减小注册误差，如果发现注册误差较大，应该重新进行注册。本研究注册误差保持在0.3 mm以内。连接显微镜时需要术者严格按照操作程序进行，连接显微镜的误差范围在0.5 mm以内。

20世纪90年代起，国内各大神经外科医学中心相继从国外引进神经导航系统，应用于临床工作，提高了手术效果[11-12]。经过20余年的发展，神经导航系统在各个方面均得到了进一步的改进和完善，影像学资料越来越精细和准确，逐渐从单纯的解剖学导航向功能神经导航发展。手术医生已不再满足于肿瘤的最大切除率，而是在最大程度切除肿瘤的同时保留神经功能。本研究将肿瘤及弓形束等重要传导束进行术前计划，并与神经导航系统相结合，术者在手术显微镜中能够直观看到肿瘤和传导束的空间毗邻关系，从而减少了神经功能损伤的概率。有报道对于语言功能区的胶质瘤，术后语言功能的保留能够提高患者的生活质量，延长生存期[13]。本研究左侧大脑半球肿瘤组中50.9%的患者术后早期由于术区水肿存在不同程度的语言功能障碍，但在长期随访中92.7%的患者语言功能得到了恢复，且未见肿瘤复发，患者的生存期正在进一步随访中。

综上，弥散张量成像纤维束示踪技术能够显像弓形束并与术中导航系统整合，在手术前帮助手术医生制定个体化手术方案，从而提高外科手术对语言功能区肿瘤的治疗效果，帮助患者最大程度地保留语言功能，提高术后生活质量。

[2] Nimsky C, Ganslandt O, Fahlbusch R, et al. Implementation of fiber tract navigation [J]. Neurosurgery, 2006, 58(6):292-303.

[3] Catani M, Jones DK, Ffytche DH, et al. Perisylvian language networks of the human brain [J]. Ann Neurol, 2005, 57(2):8-16.

[4] Geschwind N. The organization of language and the brain [J]. Science, 1970, 170(4):940-944.

[5] Catani M, Mesulam M. The arcuate fasciculus and the disconnection theme in language and aphasia: history and current state [J]. Cortex, 2008, 44(5):953-961.

[6] Nimsky C, Ganslandt O, Hastreiter P, et al. Preoperative and intraoperative diffusion tensor imaging-based fiber tracking in glioma surgery [J]. Neurosurgery, 2005, 56(1):130-137.

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

[8] Bernal B, Ardila A. The role of the arcuate fasciculus in conduction aphasia [J]. Brain, 2009, 132(8):2309-2316.

[9] Basser PJ, Jones DK. Diffusion-tensor MRI: theory, experimental design and data analysis-a technical review [J]. NMR Biomed, 2002, 15(11):456-467.

[10] Berman JI, Berger MS, Mukherjee P, et al. Diffusion-tensor imaging-guided tracking of fibers of the pyramidal tract combined with intraoperative cortical stimulation mapping in patients with gliomas [J]. J Neurosurg, 2004, 101(6):66-72.

[11] Slavin KV. Neuronavigation in neurosurgery: current state of affairs [J]. Expert Rev Med Devices, 2008, 5(7):1-3.

[12] 张庆原, 李桂香, 张剑宁. 神经外科导航辅助下邻近功能区脑胶质瘤的手术治疗 [J]. 立体定向和功能性神经外科杂志, 2007, 20(2):97-99.

[13] Ahmadi R, Dictus C, Hartmann C, et al. Long-term outcome and survival of surgically treated supratentorial low-grade glioma in adult patients [J]. Acta Neurochir, 2009, 151(5):1359-1365.

ApplicationofDiffusionTensorImaging-basedArcuateFasciculusTractographyandIntraoperativeArcuateFasciculusNavigation

ZHAO Yan1,2, CHEN Xiao-lei1, WANG Fei1, SUN Guo-chen1,WANG Yu-bo1, SONG Zhi-jun1, XU Bai-nan1

1Department of Neurosurgery, Chinese PLA General Hospital, Beijing 100853, China2Medical School of Nankai University, Tianjin 300071, China

XU Bai-nan Tel: 010-66938038, E-mail: sjwkk@sina.com

ObjectiveTo investigate the feasibility of applying diffusion tensor imaging (DTI)-based arcuate fasciculus tractography and intraoperative arcuate fasciculus navigation for neurosurgery.MethodsTotally 85 patients with interhemispheric tumors who had undergone intra-operative magnetic resonance imaging (MRI) and neuronavigation were divided into sinistrocerebral tumor (SCT) group (n=55) and sham group (n=30). All patients accepted routine MRI and DTI preoperatively. The results from both DTI-based arcuate fasciculus tractography and neuronavigation were applied to guide the surgery. All patients were followed up at 2-4 weeks and 3-6 months postoperatively.ResultsAll patients smoothly

the pre-operative DTI-based arcuate fasciculus tractography. The three dimensional arcuate fasciculus was successfully integrated with the neuronavigation and achieved microscope heads-up display. Long-term follow-up showed that there were only 4 patients suffered from persistent language dysfunction.ConclusionsThe combined application of DTI-based arcuate fasciculus tractography and intraoperative arcuate fasciculus navigation is feasible for guiding brain surgery. It can improve the surgical outcomes of intracranial tumor involving language functional area. The technology also maximizes the retention of language function and improves the post-operative quality of life.

diffusion tensor imaging; tractography; arcuate fasciculus; neuronavigation

ActaAcadMedSin, 2011,33(5):499-503

许百男 电话：010-66938038，电子邮件：sjwkk@sina.com

R651.1

A

1000-503X(2011)05-0499-05

10.3881/j.issn.1000-503X.2011.05.005

国家自然科学基金(NSFC 30800349)Supported by the National Natural Sciences Foundation of China (NSFC 30800349)

2011-04-15)