DSI Studio软件结合DTI在脑功能区肿瘤术后运动功能评估中的应用

高 菲 牛光明 陶胜忠 刘 展 娄金峰 王在斌

脑功能区肿瘤与周围白质具有复杂的解剖关系,通过压迫推挤、浸润破坏等方式损害临近纤维束,其中皮质脊髓束(corticospinal tract,CST)是控制人体自主运动的重要纤维束[1]。弥散张量成像(diffusion tensor imaging,DTI)是一种无创性的磁共振成像技术,通过测定脑白质中水分子扩散方式检查纤维束的微观结构状态,可用于提示某些特定类型的神经元损伤,如脱髓鞘、炎症或坏死[2, 3]。研究表明,脑卒中患者CST投射区域的DTI参数与运动功能的预后密切相关,通过评估CST的完整性可预测患者运动功能恢复的情况[4, 5]。部分累及CST的脑肿瘤患者,肿瘤切除后术前运动功能障碍并未得到明显改善,有报道表明DTI参数与脑功能区肿瘤患者CST损伤程度和运动功能障碍具有一定相关性,但少有研究评估DTI参数作为术后运动功能预测指标的潜在意义[6,7]。本研究旨在分析DTI参数与肌力评分及CST分级对脑功能区肿瘤患者术后运动功能的评估价值,并应用DSI Studio软件实现DTI数据精确后处理,完成CST重建,为切除肿瘤的同时保留患者功能,改善预后提供依据。

资料与方法

1.临床资料:选择2018年1月～2022年8月于郑州大学第二附属医院行手术治疗且病理确诊的脑功能区肿瘤患者41例,其中男性24例,女性17例;患者年龄53.8±13.58岁(18～76岁)。所有患者术前3天完善肌力评分及3.0T MRI常规序列及DTI检查,术后1个月复测肌力评分,用Fugl-Meyer(FMA)运动功能评分量表评定患者的运动功能预后状况,依据FMA评分将纳入研究患者分为预后良好组和预后不良组。本研究已获得郑州大学第二附属医院医学伦理学委员会批准(伦理学审批号:2022029);所有患者或家属均签署知情同意书。纳入标准:①术前临床症状和磁共振成橡(magnetic resonance imaging,MRI)检查提示累及CST的脑肿瘤患者;②首次发病患者;③无MRI扫描禁忌证;④临床资料完整。排除标准:①患者无法正常沟通并配合治疗;②图像质量差;③患者接受了未经手术的放疗和(或)化疗;④颅内多发病变;⑤病变累及相应功能区皮质;⑥术前有颅脑损伤病史、脑血管相关病史、精神疾患。

2.一般资料:依据重建CST图像将CST受累程度分为4级:0级无损害;1级CST完整,受压迫移位;2级CST受浸润稀疏;3级CST破坏中断。FMA运动功能评定,运动功能障碍程度:严重<50分;明显50～84分;中度85～95分;轻度96～100分。根据FMA评分(FMA评分≥96分)为预后良好;(FMA评分<96分)为预后不良。

3.研究方法:(1)MRI检查方法:采用德国Siemens Skyra 3.0T 磁共振机器为所有患者进行脑部扫描,包含扫描序列:T1WI序列:TR为2000ms,TE为11ms,TI为900ms;T2WI序列:TR为6000ms,TE为125ms。DTI成像采用单次激发性自旋回波序列进行扫描,参数设置如下:TR为3500ms,TE为95ms,反转角度为90°,FOV 220×220×129mm,矩阵128×128,层厚4mm,无间距,扩散敏感梯度方向为20,激励次数为2次,b值1000s/mm2,成像时间4min24s,扫描范围包括枕骨大孔至颅顶。(2)数据处理:MRI原始数据应用DSI Studio软件对图像矫正匹配,并进行对齐处理,形成以FA图、ADC图、DTI彩图和T1WI图为基础的共同配准结构图像。参考T1序列图像确定患侧和对侧内囊后肢(图1),描绘相应感兴趣区(regions of interest,ROI)并测出患侧和对侧的FA值与ADC值,计算出患侧与对侧内囊后肢FA比值(rFA)和ADC比值(rADC)。纤维束追踪应用DSI Studio确定性追踪方法进行[8]。DTI纤维追踪终止条件为轨道角>45°,FA值<0.2,纤维长度<10mm,并依据重建CST模型按解剖走行、分布和结构变化等进行分级(图2)。(3)手术方式:依据绘制CST模型与肿瘤解剖关系判断纤维束挤压方向,术中MRI导航结合增强MRI序列,拟定最佳手术入路及切除范围。(4)观察指标:研究患者内囊后肢CST投射区DTI参数,对比肿瘤侧及对侧内囊后肢FA值、rFA值、ADC值和rADC值。依据重建CST模型进行CST分级,分析

图1 配准结构图像

图2 纤维束追踪绘制CST模型

DTI参数与患者运动功能之间的关系。采用MRC肌力评分量表评估患者运动功能,上下肢肌力评分越低,患者运动功能受损越严重。

结 果

1.患者患侧、健侧内囊后肢CST投射区DTI参数比较:通过测量患者内囊后肢ROI区DTI参数值发现:肿瘤对侧内囊后肢FA值0.690 (0.652,0.715),高于肿瘤同侧内囊后肢FA值0.575(0.506,0.632),差异有统计学意义(P<0.001);肿瘤对侧内囊后肢ADC值0.726(0.704,0.757)10-3mm2/s,低于肿瘤同侧内囊后肢ADC值0.820(0.753,0.947)10-3mm2/s,差异有统计学意义(P<0.001)。

2.患侧FA值、偏侧rFA值、ADC值和rADC值与CST分级的相关性:Spearman等级相关性分析提示患侧FA值、rFA值与CST分级呈负相关(r=-0.515,P<0.01;r=-0.521,P<0.01),而ADC值、rADC值与CST分级呈正相关(r=0.48,P<0.01;r=0.452,P<0.01)。

3.患侧FA值、偏侧rFA值、ADC值和rADC值与手术前后肌力的相关性:Spearman等级相关性分析患侧FA值、偏侧rFA值与患者手术前后对侧肌力呈正相关(r=0.496,P<0.01;r=0.491,P<0.01),而ADC值、rADC值与患者手术前后肌力呈负相关(r=-0.426,P<0.01;r=-0.346P<0.05)。

4.术前CST分级与患者肌力的相关性:Spearman等级相关性分析提示患者术前CST分级与对侧肌力呈负相关(r=-0.501,P<0.01)。

5.患侧FA、rFA、ADC、rADC值和CST分级应用于评估患者运动功能预后准确性的价值:ROC曲线结果提示,5个指标的AUC大小排序为FA值>rFA值>CST分级>ADC值>rADC值,其中rADC值对运动功能预后评估准确性比较,差异无统计学意义(P>0.05,图3,表1)。

表1 患侧FA、rFA值和CST分级预测运动功能准确性

图3 患侧FA值,rFA值、ADC值、rADC值和CST分级预测运动功能准确性的ROC曲线

讨 论

DTI是以DWI检查为基础的成像技术,基于组织内水分子的弥散特征取得各项衍生指标,可实现无侵入性观察纤维束结构的完整性和连续性[9, 10]。DTI的定量指标可用于评估CST受累程度,其中各向异性分数FA值,描述水分子扩散各方向异性的程度;表观扩散系数ADC值,描述白质结构中水分子扩散速度的快慢。依据这些参数进行纤维束重建,能更直观地显示神经纤维束的形态结构,了解神经纤维束的受累程度[11, 12]。DSI Studio是用于弥散张量磁共振图像分析的免费开源软件,所提供的功能包括重建纤维束、确定性纤维跟踪法和3D可视化[13]。本研究采用DSI Studio重建大脑白质纤维束,导入常规序列和DTI序列后,应用软件进行校正匹配,形成解剖结构一致的融合图像,所得DTI彩图与融合后的常规序列进行核对后较为准确地描绘ROI区。

DTI参数中FA值反映白质纤维束方向的一致性,FA值越高,提示水分子扩散的方向性越好,传导性越佳;ADC值描述水分子向不同方向扩散速度的快慢,ADC值越高,水分子扩散运动越强[14]。患者患侧纤维束受损时皮质脊髓束的排列方向的一致性和髓鞘的完整性被破坏,导致患侧FA值明显降低、ADC升高。Jiang等[15]评估了20例邻近CST通路的胶质瘤患者术前神经功能缺损和DTI参数之间的关系,分析表明肿瘤侧和健侧DTI参数比较,差异有统计学意义,本研究结果示脑功能区肿瘤患者患侧内囊后肢CST投射区FA值较对侧明显降低,而ADC值正好相反,且差异有统计学意义,与之较一致。为了更好地评估皮质脊髓束与患者肌力、DTI参数的关系,笔者在Alexopoulos等[16]和Celtikci 等[17]的研究基础上,依据纤维束成像将肿瘤对皮质脊髓束的损伤进行量化,分为4个等级,经Spearman等级相关性分析,患侧FA值、偏侧rFA值与CST分级呈负相关;ADC值和rADC值与CST分级呈正相关。此外,患侧FA值、偏侧rFA值、ADC值、rADC值和术前CST分级与手术前后肌力具有相关性,可能是因为肿瘤侵袭皮质脊髓束,导致水分子扩散运动加快,而各项异性程度降低,纤维束重建图也表明纤维束受侵袭程度越高,患者运动功能受影响越大,也必然影响患者的生活质量。

本研究通过分析患侧FA值、rFA值、ADC值、rADC值和CST分级与1个月后患者运动功能预后的关系,使用ROC曲线分析5个指标对运动功能预后评估的准确性,结果发现入院时FA值、rFA值、ADC值、rADC值和CST分级的AUC值分别为0.820(P<0.01)、0.796(P<0.01)、0.698(P<0.05)、0.638(P>0.05)、0.708(P<0.05)。Xiao等[18]回顾性分析了54例脑干胶质瘤患者,采用多元线性回归研究DTI定量参数与术后肌力评分之间的关系,结果表明CST评分与术后肌力显著相关。结合D′souza 等[19]研究胶质瘤诱导临近白质纤维束破坏的形式,发现肿瘤对白质结构的影响局限于肿瘤内和临近肿瘤的区域。本研究中rADC值对运动功能预后评估比较,差异无统计学意义(P>0.05),ADC值评估患者运动功能预后价值较低,可能与部分患者脑肿瘤与周边正常结构无明显边界,绘制患侧ROI区时偏离肿瘤边界有关。除rADC值外,对评估脑功能区肿瘤患者运动功能预后比较差异有统计学意义的指标中,在预测预后的准确性方面,FA值>rFA值>CST分级>ADC值。

DTI技术能够很好地分析肿瘤与周边纤维束的复杂解剖关系,但前提是需要高度一致的感兴趣区域选定,受患者行MRI检查时的体位、感兴趣区域位置、纤维束追踪方法等多种因素影响。Christidi等[20]和Suo等[21]研究表明,不同纤维束追踪软件在DTI解剖精度及纤维束数目、长度等资料上存在统计学差异,目前就DTI纤维束追踪方法仍无金标准。本研究存在一些局限性:①采集的DTI数据部分存在伪影及肿瘤卒中、坏死囊变等使重建纤维束以及相应DTI计量资料分析变得困难;②本研究为单中心研究,所纳入患者局限于本院患者;③纳入样本量较小,尚需开展更大样本量研究作为证据支持。

综上所述,FA值、rFA值、ADC值和CST分级对评估脑功能区肿瘤患者运动功能预后有一定价值,在预测预后的准确性方面,FA值>rFA值>CST分级>ADC值,rADC值对运动功能预后评估比较,差异无统计学意义。