癫痫术前评估中相关脑成像技术的应用及研究进展

田小霖,王静,王雄飞,周健,王梦阳,关宇光,李天富,3,栾国明

癫痫是最常见的比较严重的脑部疾病之一,影响着全世界7 000多万人,临床主要表现为长期自发性癫痫发作,并伴有复杂多样的神经、认知及社会心理障碍等[1]。抗癫痫药物的使用可缓解60%～70%的患者的癫痫发作,但对改变癫痫患者的长期预后收效甚微。而在药物治疗无效的癫痫患者中,癫痫手术是实现长期发作控制的最有效方法,包括治愈性切除手术及姑息性手术(如胼胝体切除术和神经调控)等。约30%～40%的药物难治性癫痫患者的症状在手术后可得到缓解;其中,致痫区明确的患者手术后无癫痫发作的比例甚至可达到50%～80%。然而迄今为止,癫痫手术治疗仍未在临床中实现效益最大化。除了发展中国家医疗资源匮乏及某些地区患者教育相对落后等原因外,无法确保完善、准确的术前评估也是一个至关重要的原因,术前评估与癫痫手术的长期预后有密切关联[2]。

癫痫的术前评估旨在确定致痫区及其与大脑其他功能区的关系。致痫区是一个理论性结构,定义为必须切除(失活或完全离断)以使癫痫发作降至最低的皮层部位。目前没有单一的术前评估手段可以完全可靠地定位致痫区,即使多种评估手段结合后也可能存在不一致的结论。核磁共振成像(magnetic resonance imaging, MRI)应用于常规的癫痫术前评估;包括三维T1加权图像和具有各向同性体素的三维流体衰减反转恢复(fluid attenuated inversion recovery, FLAIR)图像可用于检测微小病灶如局灶性皮质发育不良(focal cortical dysplasia, FCD);三维敏感性加权成像序列用于筛查微出血和微弱钙化。多数情况下,为癫痫量身定制的MRI技术不足以检测到全部异常病灶,需要附加其它先进的影像技术,如功能磁共振成像(functional magnetic resonance imaging, fMRI)、正电子发射断层扫描(positron emission tomograph, PET)、单光子发射计算机断层成像术(single-photon emission computed tomography,SPECT)、PET-MRI及同步头皮脑电图-功能磁共振成像(electroencephalograph-functional magnetic resonance imaging, EEG-fMRI)等。这些技术旨在检测癫痫患者的病变位置、病变区域之间的联系以及密切程度,以保证病灶被完全处理的同时防止造成术后神经和认知功能的损伤。

本文阐述了不同的先进成像技术的最新进展及优缺点,有助于临床医师在癫痫术前评估中对致痫病灶及其与附近关键脑组织的耦连关系作出精细定位,并强调这些技术在改善癫痫手术结果和安全性方面的价值。

1 结构性MRI

影像学在癫痫患者的术前评估中起着至关重要的作用。其中,结构性MRI可定位大多数局灶性癫痫的脑损伤。现阶段MRI采集技术的优化,包括扩散加权成像、采集后图像处理技术及成像数据的量化等。其中,采集机器硬件的改进,包括线圈、梯度及场强的加强等提高了采集数据的信噪比和空间分辨率。一项对804例患者的回顾性研究显示,1.5T MRI扫描呈阴性的癫痫患者使用3T场强重新扫描后,在37例(5%)患者中发现了疾病相关新诊断,主要包括海马硬化及FCD等[3]。超高场强的7T MRI可在常规影像学基础上揭示进一步的解剖学细节,包括海马亚区的分布和常规MRI阴性患者的病灶识别[4]。最新研究显示,在超过1/3的3T MRI结果阴性的药物难治性癫痫患者中,应用7T MRI发现了新的脑组织异常,同时进一步明确了3T MRI阴性患者中1/3的可疑病变[5]。因此,更高场强的MRI可以明确和排除癫痫患者的脑部可疑病变,为术前评估提供更可信的证据。然而,这种更敏感的检测方法也带来了新的问题,包括图像失真、伪影及患者的耐受性问题等,对影像及临床医生提出了更高的要求。与此同时,影像数据的解释本身也取决于放射科医生的专业性。有研究表明,在接受手术的患者中,非专家报告的非优化成像对局灶性病变的检测敏感性为39%,而专家报告的敏感性为50%;进一步使用优化采集后专家报告病变的准确率高达91%[6]。

尽管场强、梯度、获取方式、获取后处理及数据量化的进步有助于识别癫痫相关病灶的微小结构异常,但在常规MRI扫描未见明显异常的个体中,优化技术的检出率也只有20%～30%。在难治性局灶性癫痫中,约有15%～30%的患者的MRI无明显病变,由某些原因(如神经化学紊乱)引起的癫痫,本质上不存在局灶性脑组织结构异常,需进一步通过功能成像和核医学技术等辅助定位致痫网络。

2 功能磁共振成像(functional magnetic resonance imaging, fMRI)

fMRI是基于血氧浓度变化的功能性成像技术。脑内被激活的皮质区域会出现局灶性充血和耗氧量的短暂增加,血氧水平依赖(BOLD)信号将发生变化。使用fMRI可绘制癫痫患者的语言功能网络功能,目前广泛应用于临床和科研研究。口语流利性、动词生成及语义决策任务等通常用于临床fMRI的语言评估。在大多数健康的右利手个体中,左半球占主导地位,而在颞叶癫痫患者中,这种模式发生了改变—双侧和右半球优势的发生率较高[4]。因此,评估Wernicke和Broca's语言区功能及其优势侧对于癫痫手术的安全十分重要。有研究纳入87例颞叶癫痫患者进行术后语言功能评估,发现基于fMRI的语言偏侧化指数是其最强独立预测因子,有助于癫痫患者的术前评估相关决策[7]。既往Wada试验一直作为言语功能定侧的金标准,在对3个语言任务进行联合分析时,80%～90%的患者从fMRI结果推断出的语言侧化与Wada测试的结果一致[8]。虽然fMRI比Wada检测风险更低、功能定位能力更强、使用更广泛,但目前仍存在一些不足,如没有标准的信号阈值来区分激活和非激活区域、记忆及认知等一些复杂任务缺乏理想的评估范式、需要工作人员和参与者之间的高度合作等。在患者无法配合的特殊情况下或fMRI语言侧化结果非典型时,仍需要Wada试验来替代。

静息态功能磁共振成像(resting-state fMRI,rs-fMRI)是另一种不需要特定任务来激活的新兴技术,可检测自发产生的BOLD信号波动神经活动。rs-fMRI已被应用于大规模脑网络的可视化。癫痫患者大脑功能受损不仅发生在功能区,而且还发生在功能区内部以及之间的功能连接。有研究表明,癫痫患者的静息状态网络模式异常,多个脑区连通性下降[9]。在成年颞叶癫痫患者中,静息状态丘脑-颞叶功能连接与长期记忆表现相关,而丘脑-前额叶功能连接与短期记忆表现相关[10]。尽管功能连接的fMRI研究可用于癫痫网络的病理生理学方面,有望协助预测癫痫的手术结果,但对患者的个体化手术益处尚不明显。基于rs-fMRI体素计算的区域同质性(regional homogeneity, ReHo)对致痫区的定位准确度达到76.5%,特异度达到81.3%;其中定位准确的患者具有更好的手术预后[11]。有研究显示ReHo被用作多元模式分析的特征指标,其识别颞叶癫痫患者的准确率达到了87.27%[12]。

3 正电子发射断层扫描(positron emission tomograph, PET)

PET是一种功能性成像技术,用于检测各种组织的葡萄糖摄取、积累及消耗情况等。对于MRI阴性的局灶性癫痫患者、多脑区异常癫痫患者、MRI与发作期脑电图不一致的患者,PET都是非侵入性定位致痫脑区的重要手段。

PET适合在间歇期检测癫痫异常灶。该异常灶可能是MRI上经常遗漏的微小FCD,与其他脑组织相比,由于其神经元活动较低,表现为低代谢(摄取减少)区域。即使常规MRI检测到病变,病变也远远超出了可见范围,而PET可以检测到确切的受损区域。因此,PET在发现轻度皮质发育畸形方面优于常规MRI,同时可提供病灶侧别和定位信息,指导癫痫外科医生仅切除或离断代谢异常脑区。然而,由于PET可以同时显示出癫痫发作电活动的病灶焦点和投射区域,其鉴定的局部脑代谢低下范围通常比癫痫发作灶分布更广。较低的特异性使PET不能单独成为手术的指导方式。近年来,MRI-PET的配准融合影像在癫痫术前评估领域中的作用得到广泛关注,有研究证实其在术前评估中的作用优于MRI和电临床数据[13]。在扣带回癫痫患者中,MRI后处理与MRI-PET的配准相结合可显著加强微小异常病灶的定位能力,使FCD的检出率达到90%[14]。有研究利用定量PET分析,通过形态测量分析程序补充MRI后处理,以促进FCD的自动识别,改善了MRI上没有明显病变的患者的预后[15]。

4 单光子发射计算机断层成像术(single-photon emission computed tomography, SPECT)

在癫痫发作开始后尽早注射示踪剂,采集发作期的SPECT图像,从而获得癫痫发作前、中及发作后脑灌注动态变化的信息。注射的时机和癫痫发作的持续时间对于正确解释SPECT图像很重要,延迟注射会导致血液流动模式随着癫痫发作的进展和脑组织电传导的变化而改变。真正的发作期SPECT显示高灌注区为致痫区域,其周围的低灌注区为代偿性缺血或限制发作扩散的抑制区。当MRI、PET结果阴性或影像学与电-临床结果不一致时,SPECT对于难治性局灶性癫痫患者最有益,并有助于制定颅内电极的植入方案。然而,SPECT的局限性也十分明显,主要包括操作、护理难度及判断癫痫发作的时间等问题。在静脉注射后,示踪剂至少需要30 s才能到达大脑并穿过血脑屏障。因此,SPECT不适用于癫痫发作时间短于30 s或发作时间过长的患者。近年来, 发作期与间歇期SPECT减影成像与MRI共配位(SISCOM)技术逐渐成熟,用于对发作期与间歇期SPECT图像进行定量分析,对常规方法不能准确定位癫痫灶的患者有特殊价值[16]。PISCOM作为一种改进的SISCOM程序,使用间歇期PET代替间歇期SPECT来定位癫痫发作区,与SISCOM结果保持了较高的一致性并补充了更多的术前信息,有逐渐取代SISCOM的趋势[17]。

5 头皮脑电图-功能磁共振成像(electroencephalograph-functional magnetic resonance imaging, EEG-fMRI)

EEG-fMRI可识别与癫痫发作间期放电相关的血流动力学变化,作为颅内电极植入手术方案的参考,灵敏度为30%～40%。EEG-fMRI可以帮助识别部分难以定位的局灶性难治性癫痫患者的致痫灶及发作间期的异常放电区域[18]。有研究显示,在颞叶癫痫样放电中,BOLD反应的位置与放电位置有较高的一致性,同时在距离放电区域较远的脑组织也可观察到强烈的BOLD活动,提示EEG-fMRI可以进一步描述头皮脑电图结果之外的异常放电,可作为间歇期异常脑区的补充依据[19]。有研究表明,17%的难治性癫痫患者由于病灶微小、MRI阴性或广泛的脑组织异常,导致致痫灶难以定位,EEG-fMRI结果对癫痫手术的决策起到关键作用[20]。此外,有研究将EEG-fMRI的异常反应分为3个置信区间,分别比较了对应异常脑区切除后的预后,结果表明EEG-fMRI仍不足以作为预后良好的独立预测手段[21]。

综上所述,各种成像方式在检测致痫脑区方面都存在不同的临床价值,有助于指导并改善癫痫患者的手术方式与结果。虽然没有某一种检测手段可以在所有病例中提供最佳的定位信息,但结合患者自身的电-临床特征,个体化定制一种或多种成像检测可大大增加癫痫术前评估的准确性和有效性。MRI、PET和(或)发作期SPECT数据联合分析的多模态成像可以优化FCD等微小的致痫灶的检测,改善癫痫患者的手术预后。此外,fMRI作为多学科术前评估的一部分,是检测癫痫患者功能区并预测术后神经功能缺损情况的有用工具。然而,在不确定或模糊的神经影像学结果的情况下,手术前仍建议使用侵入性技术,如颅内电极植入术进行检测。展望未来,仍需大量前瞻性的多中心研究,以评估比较多种成像方式及结构和功能成像数据集的匹配融合之间的价值和综合用途,以便对单个患者的风险收益比进行量化和优化,以期达到癫痫手术方式和预后的利益最大化。