脑肿瘤对大脑皮层运动区BOLD-fMRI信号特征分析*

高超，詹傲，谢延风，石全红

（重庆医科大学附属第一医院神经外科，重庆400016）

脑肿瘤对大脑皮层运动区BOLD-fMRI信号特征分析*

高超，詹傲，谢延风，石全红

（重庆医科大学附属第一医院神经外科，重庆400016）

目的：采用血氧依赖水平功能磁共振成像（BOLD-fMRI）技术，探讨不同类型、性质的脑肿瘤对大脑皮层运动区BOLD-fMRI信号激活范围、强度的影响。方法：回顾性研究临近或累及大脑皮层运动区的48例脑肿瘤患者（恶性27例，良性21例）与10例正常人作为对照，获得功能区BOLD激活图像，分析大脑皮层运动功能区BOLD-fMRI信号范围、强度与脑肿瘤间的关系。结果：恶性脑肿瘤组信号范围及强度（范围：MI:51.30±9.27，SMI:29.56±9.29；强度：MI:29.59±12.28，SM I:23.00±6.42），良性脑肿瘤组信号范围及强度（范围：MI:100.57±29.60，SMI:79.00±11.85；强度：MI:46.00±8.58，SMI: 47.24±14.93），正常人组信号范围及强度（范围：MI:192.00±23.83，SMI:177.40±21.53；强度：MI:62.20±8.15，SMⅠ: 52.60±12.83）。三组间信号范围及强度差异具有统计学有意义（P＜0.05）。脑功能区成像范围与强度呈正相关（MI:R2=0.56，P＜0.05；SMI:R2=0.41，P＜0.05）。结论：BOLD-fMRI能无创、快速地对皮层功能区进行定位，明确良恶性脑肿瘤大脑皮层运动区BOLD-fMRI的信号特征，具有较高的临床价值。

脑肿瘤；皮层运动区；血氧依赖水平功能磁共振成像（BOLD-fMRI）

颅内肿瘤的切除及功能区的保护，一直是神经外科的追求目标。神经外科医生需要在术前制定详尽的手术方案，明确肿瘤的切除范围。目前，血氧依赖水平功能磁共振成像（Blood oxygen level-fMRI）技术已成为颅内肿瘤诊治过程中的重要影像学方法[1]，其原理为：人体血液中的氧合血红蛋白是抗磁性物质，去氧血红蛋白是顺磁性物质，氧合血红蛋白和去氧血红蛋白量的改变将会引起磁共振信号的改变[2-3]。当大脑进行相应的任务刺激时，其相应功能区皮层产生兴奋，代谢活动增强，氧合血红蛋白比例增加，去氧血红蛋白比例降低，导致局部脑组织磁共振信号改变，分别获得活动期与静止期的剪影图像，从而获得脑功能区的活化定位图[4]。血氧依赖水平功能磁共振成像（BOLD-fMRI）具有无创、无示踪剂，有较高时间和空间分辨率，影像清晰，可重复性强等优点。然而，不同脑肿瘤对脑功能区BOLD-fMRI信号范围及强度的影响是否存在差异，本研究将通过相关回顾性研究来探索良恶性脑肿瘤对大脑皮层运动功能区的成像影响。

1 对象与方法

1.1 研究对象

收集2010年8月至2015年4月在重庆医科大学附属第一医院就诊的脑肿瘤患者及10例正常人为研究对象，分为恶性脑肿瘤组、良性脑肿瘤组及正常人组，恶性脑肿瘤组与良性脑肿瘤组统称为肿瘤组。良恶性脑肿瘤组入选标准：①所有脑肿瘤患者经常规MRI检查，脑肿瘤位于幕上中央沟前后壁附近，累及或邻近皮层运动区；②肿瘤分级参照2007年WHO肿瘤分类标准[5]，所有患者经过术后病理分类为良性和恶性肿瘤，其中低级别胶质瘤（Ⅰ、Ⅱ级）、脑膜瘤归为良性脑肿瘤，高级别胶质瘤（Ⅲ、Ⅳ级）、转移瘤归为恶性脑肿瘤；③均为右利手，能配合功能磁共振检查，双上肢肌力至少Ⅳ级以上，意识清楚，智力正常，有定向力，无精神病史。正常人组入选标准：①意识清楚，无神经系统阳性体征和症状，无脑出血、脑梗死等中枢神经系统疾病病史；②经常规磁共振检查明确无异常；③均为右利手，无严重心、肝、肾功能不全，配合检查，肌力正常。排除标准：颅脑畸形、颅内多发肿瘤、病理诊断不明确的患者。

经过两位收集者共同参与，执行相同纳入排除标准，意见不统一时讨论后决定是否纳入研究。共收集48例患者参与本研究，其中恶性脑肿瘤组27例，其中高级别胶质瘤24例，转移瘤3例；年龄31～67岁。良性脑肿瘤组21例，其中低级别胶质瘤13例，脑膜瘤8例；年龄30～61岁。肿瘤区边缘与功能区最小距离为（5.30±3.21）mm，最小距离为肿瘤边缘与相应功能区边缘的最短连线，对于边界不清的肿瘤，将肿瘤边界的中间位置设为测量点。所有肿瘤病人病变位于幕上中央沟前后壁附近，60%位于顶部，近30%位于额部，余在枕部，直径（2.5±1.6）cm,病灶部位与大小一致性可，形态75%为类圆形，余不规则。正常人组10例，年龄35～60岁，表1。

表1 各组临床资料情况（±s）

表1 各组临床资料情况（±s）

注：各组的性别分布(P=0.95)、年龄（P=0.82）差异均无统计学意义

组别恶性脑肿瘤组良性脑肿瘤组正常人组F/χ2P n（男/女）27(15/12）21(11/10) 10(5/5) 0.106 0.95年龄（岁）48.44±9.25 47.57±9.44 46.30±8.51 0.205 0.82

1.2 实验方法

所有研究对象在安静、放松的条件下接受一次fMRI检查，采用双手同时对指运动显示皮层功能区，触觉信号提示运动开始，具体为拇指与其余手指的对指运动，任务频率控制在2次/s，按照运动-静止交替进行，持续30 s，然后停止运动休息20 s，如此为完成一组任务，共进行6组。扫描持续310 s,开始10 s为受试者适应时间，结果不记录到结果当中。并通过3.0T fMRI采集数据，用单次激发平面回波序列（GE-EPI）经前后联合线行轴位fMRI检查，并通过相关软件处理获得大脑运动皮层区BOLD激活图像。最后利用Metlab平台上的SPM2软件测量相应的数据指标，包括目标功能区的BOLD信号范围、强度，进而进行统计分析。

BOLD-fMRI检查合格的标准包括：患者在检查中合作，头部移动＜0.5 mm，三维旋转度控制在0.5°以内，实时监控下可见运动皮层区的激活；检查图像无显著的磁敏感伪影[6]。

1.3 统计学处理

所有实验数据使用SPM2软件进行统计分析，采用像素水平的F检验，统计阈值概率及激活范围阈值分别设置为P＜0.05和5个像素。图像经过处理后，获得所需数据指标，采用SPSS19.0统计软件进行统计分析，所有计量资料采用x±s表示，多样本间的比较采用单因素方差分析，两样本间比较采用LSD-t检验，信号范围与强度的相关性采用线性回归分析，P＜0.05为有统计学意义。

2 结果

2.1 功能区成像表现

所有检查者配合良好，能独自完成对指运动，采集的图像肿瘤边界较清晰，功能区成像可辨认。激活的功能区主要包括对侧第Ⅰ躯体运动区（MⅠ）及对侧中央后回第Ⅰ躯体感觉区（SMⅠ），位于幕上中央沟前后回附近，成像强度最强点也位于中央前后回。相比于正常人组，肿瘤组的患侧功能区成像出现不同程度的范围减小及强度减弱，尤其是恶性脑肿瘤组，其范围及成像强度明显减小，而且功能区成像出现不同程度的移位、分散，甚至中断、缺损（图1）。

图1 各组功能区成像表现

2.2 肿瘤组与正常人组成像范围相关性

对各组进行BOLD信号范围的采集，3组患侧的成像范围差异具有统计学意义（M I∶F=161.67，P＜0.01；SM I∶F=479.18，P＜0.01），其中恶性脑肿瘤组信号激活范围较正常人组明显下降（P＜0.05）。恶性脑肿瘤组信号激活范围与良性组比较具有明显差异（P＜0.05）。良性组与正常人组比较亦具有统计学差异（P＜0.05），表2。

2.3 肿瘤组与正常人组成像强度相关性

对各组患侧BOLD信号最大强度进行统计学分析，结果相似于对BOLD信号成像范围的分析，结果可见3组的成像强度差异明显（M I∶F=39.15，P＜0.01；SM I∶F=38.93，P＜0.01）。正常人组成像最大强度明显强于恶性肿瘤组（P＜0.05），亦强于良性肿瘤组，差异有统计学意义（P＜0.05）。恶性肿瘤组的最大强度弱于良性肿瘤组，差异有统计学意义（P＜0.05），表2。

表2 各组激活范围、强度的相关性比较（±s）

表2 各组激活范围、强度的相关性比较（±s）

注：a.表示与正常人组比较，P＜0.05；b.表示与良性脑肿瘤组比较，P＜0.05

MⅠSMⅠ组别n像素数最大信号强度像素数最大信号强度恶性2751.30±9.27ab29.59±12.28ab29.56±9.29ab23.00±6.42ab良性21100.57±29.60a46.00±8.58a79.00±11.85a47.24±14.93a正常人10192.00±23.8362.20±8.15177.40±21.5352.60±12.83 F 161.6739.15479.1838.93 P＜0.01＜0.01＜0.01＜0.01

2.4 MⅠ及SMⅠ成像范围与强度相关性

对MⅠ及SMⅠ患侧成像范围与强度数据进行线性回归分析，58例研究对象第Ⅰ躯体运动区（MⅠ）的成像范围与强度呈正相关（R2=0.56，P＜0.05,图2)，第Ⅰ躯体感觉区（SMⅠ）的激成像范围与强度呈正相关（R2=0.41，P＜0.05）,图3。

3 讨论

目前对于脑肿瘤首选外科手术治疗，但是如何在避免损伤正常脑组织功能区的前提下尽可能地切除肿瘤，这给手术带来了很大难度。近几年，随着BOLD-fMRI技术的出现，实现了对脑功能区的准确定位，对于明确病灶、正常脑组织与功能区的位置关系提供了很好的指导作用[7]。但是对于不同脑肿瘤，BOLD-fMRI是否存在差异，成像范围和强度是否存在联系仍不明确。

通过本研究发现脑肿瘤患者的BOLD-fMRI与正常人脑组织成像具有显著差异，良恶性脑肿瘤组之间亦存在差异性，肿瘤组的成像范围小于正常人组，差异明显（P＜0.05），类似于刘浩等[6]、张波莉等[8]的研究结果。恶性脑肿瘤患者对BOLD-fMRI信号范围影响最为明显，成像范围明显小于其他实验组，其功能区成像出现了移位、分散，甚至中断、缺损。Schreiber等[9]通过研究发现胶质瘤被激活的肿瘤侧功能区体积与非胶质瘤存在差异，与本研究结果相似。这可能与不同脑肿瘤的生长速度、代谢强度有关，恶性肿瘤生长速度快，对临近脑组织的压迫、浸润、破坏明显，表现出临近功能区的受压、移位，造成功能区脑组织结构发生不同程度改变，使相应功能区受压减小。同时，肿瘤的高代谢及周边水肿也会破坏临近的正常脑组织，使局部毛细血管减少，血流量减少，使临近功能区脑组织缺血缺氧，造成脑组织损伤，甚至引起部分功能区丧失功能，不能激活，使功能区范围减小。而且，恶性脑肿瘤具有高度恶性的生物学行为，结合本研究，我们推测肿瘤的恶性程度越高，其BOLD-fMRI信号范围就越小，越不规则。

相似地，我们对各组的功能区成像强度也进行了统计，运用相同的分析方法，发现了类似的实验结果，肿瘤组的成像强度小于正常人组，差异明显（P＜0.05）。Liu等[10]对临近运动区的脑肿瘤病人和5名健康人进行研究发现，BOLD信号强度与肿瘤类别有关，提示不同脑肿瘤对其成像强度存在影响。本研究中，恶性脑肿瘤患者的成像强度最弱，对BOLD-fMRI信号强度影响最明显，与良性脑肿瘤差异具有统计学意义，且肿瘤组的信号强度均低于正常人组，差异明显。可以发现，恶性程度越高的肿瘤，功能区成像强度就越弱。这与以往报道的研究结果相似[11-13]，其机理可能与BOLD-fMRI的成像原理以及不同脑肿瘤对功能区的影响有关，BOLD-fMRI通过脑组织内氧合血红蛋白和去氧血红蛋白的比例改变来进行成像，恶性程度越高的肿瘤，拥有高度恶性的生物学行为，会破坏临近脑组织的结构和功能，甚至是肿瘤细胞的直接浸润，造成相邻脑功能区的破坏，使相应功能区的血供减少[14]，血流动力学发生改变，使静脉内氧合血红蛋白增加减少，去氧血红蛋白得不到及时排除，两者比例发生改变，使BOLD-fMRI成像强度发生不同程度的减弱。同时，由于肿瘤的破坏作用，功能区的血管自我调节能力不同程度减弱，当机体活动时，其血管未发生相应调节性改变，血流量不变，氧合血红蛋白与去氧血红蛋白比例未发生明显变化，相比于正常人表现出功能区的激活强度变弱。

进而，我们通过对功能区信号范围和强度的回归分析，发现BOLD-fMRI信号范围与强度存在一定的正相关关系（MI∶R2=0.56，P＜0.05；SMI∶R2=0.41，P＜0.05），提示肿瘤的恶性程度越高，其成像的信号范围和强度就越小，并呈一定的比例变化。但比例相关性并不高，可能与肿瘤的占位推压作用及血流动力学两者改变的不同程度有关，但主导因素尚不清楚。

对于本研究，尚存在许多不足，如样本数不够大，人群主要为西南地区人口，所得结果的适用性不够广泛；而且，BOLD-fMRI本身存在一定不足，其成像会受到容积效应的影响[15]，存在图像变形及运动伪影的问题；其次，脑肿瘤能对临近脑组织起到破坏作用，使其的脉管系统发生变化，以致造成在实验中非功能区的“激活”，给实验的结果判定造成影响；另外，肿瘤大小、肿瘤主体与其他运动皮质的距离（上肢运动区、下肢运动区、口唇运动区等）是否也对本研究的BOLD-fMRI成像产生影响，还需要进一步实验以明确；最后，本研究选取的是皮层运动功能区，其实验结果是否与其他功能区存在差异，是否会引起非临近功能区的代偿性激活仍不清楚。

综上所述，BOLD-fMRI能无创地对脑功能区进行检测，有安全、无创、廉价等优点，可以作为常规MRI检查的补充。且脑肿瘤患者的BOLD-fMRI明显不同于正常人，有望用于脑肿瘤的筛查。它能很好地对功能区定位，明确肿瘤与其相邻功能区的位置关系，甚至一定程度上能根据其成像范围及强度的特点，初步估计脑肿瘤的性质及恶性程度[16]，为手术方案的制定及判断预后起到参考作用，使我们能够更加明确手术切除范围，增加手术准确性，提高手术治疗效果，尽可能地保护正常脑功能区不受损害及改善预后，但这还需要进一步的临床研究以明确。

1.Bruzzone MG,Incerti LD,Farina LL,et al.CT and MRI of brain tumors[J].Q J Nucl Med Mol Imaging,2012,56 (2):112-137.

2.Lee MH,Smyser CD,Shimony JS.Resting-state fMRI:a review of methods and clinical applications[J].AJNR Am J Neuroradiol,2013,34(10):1866-1872.

3.Andellini M,Cannata V,Gazzellini S,et al.Test-Retest reliability of graph metrics of resting state MRI functional brain networks:a review[J].J Neurosci Methods,2015(253): 183-192.

4.Shulman RG,Rothman DL,Hyder F.A BOLD search for baseline[J].Neuroimage,2007,36(2):277-281.

5.Louis DN,Ohgaki H,Wiestler OD,et al.The 2007 WHO classification of tumors of the central nervous system[J].Acta Neuropathol,2007,114(2):97-109.

6.刘浩,林青.血氧水平依赖功能磁共振评价脑肿瘤恶性程度与脑皮层功能区距离和激活体积的相关性[J].中国医学影像学杂志,2012,20(2):97-99,102.

7.Hall WA,Kim P,Truwit CL.Functional magnetic resonance imaging-guided brain tumor resection[J].Top Magn Reson Imaging,2009,19(4):205-212.

8.张波莉,张维,郭大静,等.BOLD-fMRI对急性脑梗死患者初级运动区激活体积及强度的定量分析[J].激光杂志, 2013,34(2):83-85.

9.Schreiber A,Hubbe U,Ziyeh S,et al.The influence of gliomas and nonglial space-occupying lesions on bloodoxygen-level-dependent contrast enhancement[J].AJNR Am J Neuroradiol,2000,21(6):1055-1063.

10.Liu WC,Feldman SC,Schulder M,et al.The effect of tumour type and distance on activation in the motor cortex [J].Neuroradiology,2005,47(11):813-819.

11.陈永刚,徐凯,荣毅涛.邻近皮层运动区脑膜瘤血氧水平依赖性技术探讨[J/CD].中国临床医师杂志:电子版,2009,3 (5):780-789.

12.周高峰,王小宜.中央区良恶性脑肿瘤手运动及感觉功能区的BOLD_fMRI表现[J].中南大学学报,2008,33(7):576-581.

13.Feldman SC,Chu D,Schulder M,et al.The blood oxygen level-dependent functional MR imaging signal can be used to identify brain tumors and distinguish them from normal tissue[J].AJNR Am J Neuroradiol,2009,30(2):389 -395.

14.Murata Y,Sakatani K,Katayama Y,et al.Decreases of blood oxygenation level--dependent signal in the activated motor cortex during functional recovery after resection of a glioma[J].AJNR Am J Neuroradiol,2004,25(7): 1242-1246.

15.Bogomolny DL,Petrovich NM,Hou BL,et al.Functional MRI in the brain tumor patient[J].Top Magn Reson Imaging,2004,15(5):325-335.

16.姜亮,殷信道.磁共振功能成像在脑肿瘤诊断中的应用价值[J].中国CT和MRI杂志,2015,13(1):112-115.

（2015-07-12收稿）

Analysis of the effect of brain tumor on the brain cortex motor area BOLD-fMRI signal

Gao Chao,Zhan Ao,Xie Yanfeng,Shi Quanhong
Department of Neurosurgery,the First Affiliated Hospital of Chongqing Medical University,No.1 Youyi Road, Chongqing 400016,China

Objective：To discuss the effece of the different types,nature and origin of brain tumors on the blood oxygen level functional magnetic resonance imaging(BOLD-fMRI)signal in the cerebral cortex motor area, including the strength and the scope.Methods：48 patients with neighboring or cumulative movement cerebral cortex brain tumors(27 malignant and 21 benign)and 10 cases without brain tumors were selected for the retrospective studies.The function BOLD activation images of motor cortex were obtained,and the motion function of cerebral cortex BOLD fMRI signal with strength and scope and the relationship between different brain tumors were analyzed.Results:Signal range and intensity of malignant brain tumor group(range∶M I:51.30±9.27,SM I:29.56±9.29,strength∶M I:29.59±12.28,SM I:23.00±6.42),the signal range and intensity of benign brain tumor group(range∶M I:100.57±29.60,SM I:79.00±11.85,strength∶M I:46.00±8.58,SM I:47.24±14.93), the signal range and intensity of normal group(range∶M I:192.00±23.83,SM I:177.40±21.53,strength∶M I: 62.20±8.15,SM I:52.60±12.83).Results of the signal range and intensity in three groups is different(P＜0.05).Brain function imaging range and intensity were positively correlated(M I:R2=0.56,P＜0.05,SM I:R2= 0.41,P＜0.05).Conclusion：BOLD fMRI is a noninvasive test and fast to locate the cortex function,which canplay a reference role in the diagnosis of benign and malignant brain tumor before operation.

Brain tumors；Motor cortex；Blood oxygen level-fMRI

R604

A

10.3969/j.issn.1000-2669.2015.06.007

国家临床重点专科建设项目经费资助（财社[2011]170号），重庆市卫生局资助项目（编号：2013-1-005）

高超，（1990-），男，神经外科，在读硕士。

石全红，（1969-），神经外科主任医师，博士。E-mail:shqh69@yahoo.com.cn