静息态与任务态功能MRI在脑肿瘤患者术前运动皮层定位的研究

牛 晨，张 明*，林 盘，闵志刚，高 磊，王茂德，金晨望，王 渊，朱 超，刘 馨，刘丽华

功能MRI (functional magnetic resonance imaging,fMRI)是一种非侵袭性的研究脑功能的技术，利用特定部位血氧浓度的改变来观察大脑神经元活动的增加或减少[1]。目前，国内外已将血氧水平依赖功能MRI (blood oxygen level dependent functional magnetic resonance imaging,BOLD-fMRI)定位大脑功能区的方法从实验室基础研究广泛应用到临床上的感觉运动区、语言区以及认知的功能定位[2-4]，已有较多的不同任务刺激的功能MRI技术(task-based fMRI)用于脑肿瘤患者的术前感觉运动区及语言区等功能区的定位上[5-8]，但task-based fMRI易受到患者对任务执行能力的影响[9-10]。静息态功能MRI (resting state functional MRI,rs-fMRI)已经被广泛应用于各种脑疾病的研究[11-12]，静息态是指在清醒闭眼的静息状态下人脑存在着大量自发的神经元活动，其表现依赖血氧水平的信号，但在静息状态下仅为低频振荡，这种低频振荡在脑功能网络内的不同脑区之间呈高度的同步性。目前国外有少量的研究使用这种方法用于脑肿瘤患者的术前功能区定位[13]，国内尚未见类似研究。笔者通过对比脑肿瘤患者的rs-fMRI与task-based fMRI的结果，评价rs-fMRI在脑肿瘤患者运动皮层术前定位中的应用。

1 材料与方法

1.1 研究对象

选取2011年2月至6月在西安交通大学第一附属医院神经外科住院，需行术前运动功能区定位的脑肿瘤患者15例，其中男9例，女6例，年龄29～61岁，平均年龄47岁。患者均经神经外科手术，病理类型包括星形细胞瘤10例，脑膜瘤3例，海绵状血管瘤1例，转移瘤1例。所有患者均签署知情同意书。

1.2 检查方法

1.2.1 成像设备

采用GE公司生产的HDX 3.0 T超导型MR机，配套8通道头部线圈。所有患者均用软垫固定头部以减少头动，佩戴静音耳塞以减少听觉刺激。

1.2.2 扫描序列和参数

结构像扫描参数：采用3D-T1FSPGR序列，TR 6.6 ms，TE 2.8 ms，视野25.6 cm×25.6 cm，层厚1 mm，间隔1 mm，反转角15°，矩阵256×256，层数140层。

功能像扫描参数：采用EPI-BOLD序列，TR 2500 ms，TE 30 ms，矩阵64×64，视野25.6 cm×25.6 cm，层厚3 mm，层间隔3 mm，反转角90°，层数47层。

1.3 资料分析方法

所有患者均先行rs-fMRI后再行task-based fMRI。rs-fMRI要求患者以安静、闭目的方式平躺于检查床上进行，连续采集150个时相，扫描时间为6 min 15 s。task-based fMRI采用组块设计方法，手运动用五指对掌开合的方式进行，采用30 s静止30 s交替握拳的方式，共132个时相，扫描时间为5 min 30 s。

1.4 数据分析

fMRI数据处理采用FSL4.1 MELODIC ICA软件包(FMRIB Software Library,www.fmrib.ox.ac.uk/fsl),运用MR cron检查功能图像质量，剔除运动伪影较大及图像变形较重、图像扫描缺失的数据。静息态功能图像序列包括150个扫描图像，任务态功能图像包括132个扫描图像，删除扫描图像前6个时间序列以保证图像采集于稳定的磁场状态。其余图像先后经过时间校正，功能图像头动校正，然后进行空间标准化，将图像配准到MNI 152空间。使用自动剔除头皮工具(f=0.25和f=0.50分别处理解剖及功能图像)，对图像进行高斯半宽全高(FWHM=6 mm)的平滑处理。采用概率独立成分分析(probabilistic independent component analysis,PICA)进行ICA分析(阈值P=0.5)。使用自动估算成分数法对单个被试的信号进行分离，每个数据分离出约50个成分。

2 结果

2.1 数据筛选

严格控制患者头动及噪声等因素的影响，对头动转动＞1°及平动＞1 mm的患者予以剔除。在实验过程中，由于2例患者头动过大，1例患者进行动手任务时幅度过大，致使解剖结构变形较为严重而被剔除。最终符合实验要求的数据为： 12例(其中男7例，年龄29～60岁，平均47岁)，病理类型分别为星形细胞瘤7例，脑膜瘤3例，海绵状血管瘤1例，转移瘤1例(表1)。

2.2 rs-fMRI与task-based fMRI运动皮层激活结果进行叠加比较

rs-fMRI及task-based fMRI数据使用ICA方法都能够成功分离运动皮层区(图1)。 12个患者的静息态和任务态激活图以及两者之间的叠加图如图1所示，rs-fMRI运动激活区显示为绿色，task-based fMRI运动皮层激活区显示为黄色，1、3、7、8、11患者显示静息态运动激活与任务态运动激活有很好的一致性，而2、4、5、6、9、10及12患者静息态的运动皮层激活和任务态运动皮层激活不能很好的匹配(图1)。结果显示，病灶的位置对运动皮层的定位有一定的影响。肿瘤越靠近大脑中央沟附近，rs-fMRI和task-based fMRI的激活区定位差异较大，而病灶远离大脑中央沟时，rs-fMRI和task-based fMRI的激活区比较一致。

表1 符合实验要求的患者性别、年龄及发病部分和病理结果Tab.1 Age,gender,lension location and pathologic results of each patient

2.3 患侧的运动激活范围与健侧运动激活强度相比

ICA分析图像采用目测观察法，2名经验丰富的神经外科医师和影像科医师共同对结果进行分析。本研究中患者进行rs-fMRI及task-based fMRI均显示患侧激活较健侧激活有所减弱。

3 讨论

脑肿瘤是神经外科常见的疾病之一。最大范围的切除脑肿瘤、保护肿瘤邻近脑功能区不受损伤，不仅能延长患者生命，且能提高患者的生活质量。常规MRI能够很好的显示脑肿瘤的解剖部位、形态特征及周围正常脑组织受压移位变形等情况，但无法直观显示肿瘤周围功能区的位置及受损程度。

近年来，国内外学者已经将BOLD-fMRI用于术前脑肿瘤功能皮层定位的研究[10]。周高峰等[14]对病灶位于或邻近中央区的18例恶性脑肿瘤(其中包括13例恶性胶质瘤和5例转移瘤)和13例良性脑肿瘤行对指运动的任务态刺激，发现良、恶性脑肿瘤与正常志愿者之间功能区激活信号像素数及最大信号强度存在差异性，并认为BOLD-fMRI能直观地显示运动及感觉功能区的基本形态和解剖位置，是对脑肿瘤患者进行术前风险评估的有效手段[14]。李文贵等[15]也对6例初级感觉运动区的脑肿瘤患者采用双手握拳任务刺激，观察手术前后脑瘤侧与非脑瘤侧运动区的激活变化形式、强度及范围。华盛顿大学Wood等[16]在1999年至2009年10年间对423名原发性脑肿瘤或转移瘤的患者进行fMRI，并根据病灶部位给予不同的刺激任务，分析提出肿瘤损伤与肿瘤边界的距离可以影响语言及运动功能的激活。目前，脑肿瘤患者术前脑功能定位的主要方法还是利用基于任务态的功能成像。2009年Zhang等[13]首次提出rsfMRI可以作为一种脑肿瘤术前功能区定位的方法，他们认为尽管task-based fMRI能够很好地定位功能皮层，但存在一个重要的问题就是患者是否能够很好的配合并执行任务，使用rs-fMRI时受试者不需要执行任何任务，只需要安静平躺休息，因此可在认知障碍患者、不能配合的儿童以及生理缺陷的患者进行检查。其研究选用4例位于感觉运动皮层的脑肿瘤患者，对其进行rs-fMRI检查，分析发现rs-fMRI功能皮层定位与皮层刺激定位具有很好的一致性，在患者的执行方面更优于以往常用的task-based fMRI。由于其研究采用的样本数太小，并且主要分析研究靠近运动皮层区域的肿瘤类型，因此，是否利用静息态代替任务态还有待深入的研究。而且目前国内尚未见相关文献报道，是否rs-fMRI能够成为术前功能定位的一种方法呢？本实验结果显示，rs-fMRI的结果与task-based fMRI并不完全一致，在病灶邻近中央沟的患者中，rs-fMRI与task-based fMRI的激活区定位差异明显，而在病灶远离中央沟附近的患者中，两者的一致性较高。在本研究中例1、3、7、8及11患者中平均年龄为38岁，这些病例表现出rs-fMRI与task-based fMRI的激活区较一致，而例2、4、5、6、9、10及12患者平均年龄为48岁，表现为rs-fMRI与task-based fMRI的激活区定位差异明显，而笔者认为这可能与肿瘤的类型以及患者的年龄对任务执行的能力有一定的关系。

图1 每一纵列为1例患者的静息态，任务态叠加图以及结构图像。第1横列为12例患者的静息态运动区激活图，绿色代表激活区。第2横列为患者执行交替握拳运动时运动皮层激活图，黄色代表激活区。第3横列为两者叠加图。最底层为患者的解剖图，便于观察肿瘤的解剖部位Fig 1 From top to down,each row shows the rs-fMRI,task-based fMRI,overlap and structure images for each patient,the activation regions of motor cortex from rs-fMRI and task-based fMRI are denoted by green and yellow colors,respectively.

目前基于种子点相关分析及独立成分分析是使用最广泛的rs-fMRI数据分析方法[17-19]。种子点分析法利用先验的解剖知识或通过执行相关任务时激活的图像获得，但该方法存在一定的局限性，所获得脑功能连接信息对种子区域的选取具有一定的依赖性，选用不同的种子点可能获得不同的结果，同时也间接增加了结果解释的难度，影响到结果的可信度。Zhang等[13]采用种子点方法分析，选用14名正常健康对照组执行对指运动后获得的皮层激活区选为种子点分析。考虑到脑肿瘤的肿瘤效应(水肿，邻近细胞浸润等)可使大脑无论从解剖结构还是功能连接方面都发生了改变，采用独立成分分析法可以有效地克服由于种子点选择造成的偏差。ICA方法假设静息态下得到的BOLD信号时间序列是由相互独立的不同信号分量构成，因此可以通过数学运算分离原始信号中的各种生理及系统噪声信号，将各功能网络系统信号分别提取出来。该方法不需要先验的种子点，采用盲源分离成分，可以避免肿瘤对大脑结构改变的影响。但ICA方法也存在着一定的局限性，主要表现在ICA分离的成分数量是依赖不同实验者要求的参数进行分析，需要观察者必须熟练分辨神经解剖结构，能区别主要提取成分和信号噪声的区别[20]。Ma等[21]认为ICA的研究结果是受到成分数量的影响，如果成分数量过小，不足以提取出有效的成分，并建议数据量不应包含太多成分导致相关信息丢失。本研究中将每个数据分离出50个成分，既可避免重要的数据丢失也能保证计算的时间在合理的范围内，与以前的文献报道相符[22]。

笔者还发现患侧功能激活区信号较健侧有所减弱。肿瘤的占位效应及瘤周水肿或者新生的血管形成都能够改变大脑的血流甚至引起神经血管的重构，因此可能会导致功能区的活动减弱。这与Bookheimer[23]报道的较一致。有研究还显示，脑肿瘤的恶性度与BOLD-fMRI的信号下降存在相关性[9]。Holodny等[9]观察到颅内胶质瘤或非胶质瘤都会使同侧BOLD-fMRI信号下降，而在胶质母细胞瘤中这种现象更明显。Chen等[24]认为患者的年龄及胶质瘤的级别都会影响BOLD-fMRI信号，对于Ⅱ级和Ⅲ级胶质瘤，BOLD-fMRI信号主要与患者的年龄相关，即患者年龄越大则BOLD-fMRI信号强度越低，而与胶质瘤的病理级别无相关性，而对于Ⅳ级恶性胶质瘤而言，年龄因素不起主要作用，主要与肿瘤的恶性程度相关，即Ⅳ级胶质瘤的老年患者与Ⅳ级胶质瘤的年轻患者其BOLD-fMRI信号相仿，其原因可能为高级别胶质瘤具有异常的肿瘤新生血管系统。在本研究中只有7例胶质瘤，样本量较少，未发现胶质瘤的级别与BOLD-fMRI信号强度之间的相关性。

实验结果证明rs-fMRI及task-based fMRI都可以作为脑肿瘤患者运动区术前定位的一种参考，但rsfMRI尚不能取代task-based fMRI。进一步的研究还需要扩大样本量并根据肿瘤的部位及类型对两种方法的结果进行相关分析，深入探讨rs-fMRI在脑肿瘤术前功能定位中的作用。

[References]

[1]Logothetis NK.The underpinnings of the BOLD functional magnetic resonance imaging signal.J Neurosci,2003,(23):3963-3971.

[2]Raichle ME,Mintun MA.Brain work and brain imaging.Annu Rev Neurosci,2006,(29):449-476.

[3]Haberg A,Kvistad KA,Unsgard G,et al.Preoperative blood oxygenlevel-dependent functional magnetic resonance imaging in patients with primary brain tumors:clinic application and outcome.Neurosurgery,2004,(54):902-915.

[4]Tharin S,Golby A.Functional brain mapping and its applications to neurosurgery.Neurosurgery,2007,(60):185-201.

[5]Vlieger EJ,Majoie CB,Leenstra S,et al.Functional magnetic resonance imaging for neurosurgical planning in neurooncology.Eur Radiol,2004,(14):1143-1153.

[6]Achten E,Jackson GD,Cameron JA,et al.Presurgical evaluation of the motor hand area with functional MR imaging in patients with tumors and dysplas tic lesion.Radiology,1999,(210):529-538.

[7]Fesl G,Moriggl B,Schmid UD,et al.Inferior central sulcus:variations of anatomy and function on the example of the motor tongue area.Neuroimage,2003,(20):601-610.

[8]Tieleman A,Deblaere K,Van Roost D,et al.Preoperative fMRI in tumour surgery.Eur Radiol,2009,(19):2523-2534.

[9]Holodny AI,Schulder M,Liu WC,et al.The effect of brain tumors on BOLD functional MR imaging in the adjacent motor cortex:implications for image-guided neurosurgery.AJNR Am J Neuroradiol,2000,(21):1415-1422.

[10]Greicius MD,Krasnow B,Reiss AL,et al.Functional connectivity in the resting brain:a network analysis of the default mode hypothesis.Proc Natl Acad Sci USA,2003,100(1):253-258.

[11]Li J,Xue SW,Wang XM,et al.The hemispheric asymmetry study of brain function patterns in restingstate based on regional homogeneity.Chin J Magn Reson Imaging,2011,2(2):109-111.李健,薛绍伟,王雪梅,等.基于局部一致性的脑静息功能模式偏侧化研究.磁共振成像,2011,2(2):109-111.

[12]Greicius MD,Srivastava G,Reiss AL,et al.Default mode network activity distinguishes Alzheimer's disease from healthy aging:evidence from functional MRI.Proc Natl Acad Sci USA,2004,101(13):4637-4642.

[13]Zhang D,Johnston JM,Fox MD,et al.Preoperative sensorimotor mapping in brain tumor patients using spontaneous fluctuations in neuronal activity imaged with fMRI:initial experience.Neurosurgery,2009,65(6):226-236.

[14]Zhou GF,Wang XY,Huang MP,et al.BOLD-fMRI in sensory area and motor hand functional area with brain tumor in the central area.J C South University(Medical Sciences),2008,33(7):576-581.周高峰,王小宜,黄满平,等.中央区良恶性脑肿瘤手运动及感觉功能区的 BOLD-fMRI表现.中南大学学报,2008,33(7):576-581.

[15]Li WG,Zhang YT,Gao WJ,et al.BOLD-fMRI imaging study on brain tumors involved the primary motor area before and after operation.J Chin Clin Med Imaging,2009,20(7):553-555.李文贵,张云亭,高万军,等.初级运动区脑瘤手术前后功能区变化的BOLD-fMRI评价.中国临床医学影像杂志,2009,20(7):553-555.

[16]Wood JM,Kundu B,Utter A,et al.Impact of brain tumor location on morbidity and mortality:a restrospective functional MR imaging study.AJNR Am J Neuroradiol,2011,9(32):1420-1423.

[17]Liu H,Buckner RL,Talukdar T，et al.Task-free presurgical mapping using functional magnetic resonance imaging intrinsic activity.Neurosurg,2009,111(4):746-754.

[18]Fox MD,Corbetta M,Snyder AZ,et al.Spontaneous neuronal activity distinguishes human dorsal and ventral attention systems.Proc Natl Acad Sci USA,2006,103(26):10046-10051.

[19]Vincent JL,Snyder AZ,Fox MD,et al.Coherent spontaneous activity identifies a hippocampal-parietal memory network.Neurophysiol,2006,96(6):3517-3531.

[20]Fox MD,Raichle ME.Spontaneous fluctuations in brain activity observed with functional magnetic resonance imaging.Nat Rev Neurosci,2007,8(9):700-711.

[21]Ma L,Wang B,Chen X,et al.Detecting functional connectivity in the resting brain:a comparison between ICA and CCA.Magn Reson Imaging,2007,25(1):47-56.

[22]Van De Ven V,Bledowski C,Prvulovic D,et al.Visual target modulation of functional connectivity networks revealed by self-organizing group ICA.Hum Brain Mapp,2008,29(12):1450-1461.

[23]Bookheimer S.Pre-surgical language mapping with functional magnetic resonance imaging.Neuropsychol Rev,2007,17(2):145-155.

[24]Chen CM,Hou BL,Holodny AI.Effect of age and tumor grade on BOLD functional MR imaging in preoperative assessment of patients with glioma.Radiology,2008,248(3):971-978.