脑电偶极子定位在癫痫外科的应用

作者：林久銮　综述 　周文静　审校    作者单位：清华大学玉泉医院脑癫痫中心， 北京 100049

【摘要】脑电偶极子定位 （dipole localization） 是利用头皮脑电推算颅内异常放电位置的技术。结合病人的薄层MRI扫描及计算机的影像融合技术，偶极子能精确定位痫性病灶的解剖位置及与功能区的关系。癫痫外科据此可进行术前评估、手术入路设计、切除范围测算等。并结合神经导航技术或立体定向技术，设计最佳手术入路，达到以最小的创伤切除癫痫起源灶，并提高手术疗效的目的。

【关键词】  癫痫 偶极子定位

　　对致痫灶的准确定位是外科治疗顽固性癫痫的前提。传统脑电图检测所得病灶仅是大概范围，所以癫痫外科手术需要较大的术区暴露，以便术中探测，故创伤较大。随着脑电图偶极子定位技术的出现，并利用计算机技术与MRI影像的融合，准确定位癫痫起源灶的解剖位置，结合神经导航技术或立体定向技术开创了微创癫痫外科的时代。

　　1    偶极子及偶极子定位

　　癫痫发作的病理基础是大脑神经元的过度放电。癫痫灶放电时，许多神经元超同步化过度放电，整体而言其分布等价一个电流，其正负电荷中央成为等价偶极子，简称偶极子[1]。1949 年Brazier提出球体表面上的电位来源于其深部的偶极子，利用电场理论分析球体表面的电位波形，可推断其内部偶极子的位置和方向。1950 年Wilson和Bayley用数学方程式描述了在同质传导介质中，球体表面电位与其内偶极子之间的关系。利用电场理论分析球体表面的电位波形，可推算出其内部偶极子的位置和方向，这个过程就是偶极子源定位。

　　偶极子定位是建立在球体表面电位与球体内部电荷关系的基础上，因此，需要把人的头颅理想化成球体模型后才能进行偶极子定位。一般将头颅分为四种模型：①同质模型：将头皮、颅骨、脑的传导率视为一致；②三球模型：将头皮、颅骨、脑的传导率区分开来；③四球模型：将头皮、颅骨、脑脊液、脑的传导率视为不一致，并列出相应位置；④真实头颅模型：尽量模拟头颅的不规则和偏心形态及生理组织的传导差异。其中真实头颅模型正在不断完善，是最有发展前途的模型。

　　2    脑电偶极子定位及三维影像融合

　　将偶极子模型置于头颅模型中，利用电场理论和数学方程描述偶极子与表面电位关系为正演算；利用表面电位推算偶极子位置、方向和大小为反演算。后者在癫痫诊断和术前定位中更具有实际意义。传统的偶极子定位法主要采用同质模型，近年越来越倾向于采用真实头颅模型，出现了脑电源分析 （brain electric source analysis，BESA） 和脑导航相结合的方法。BESA将脑电记录的棘尖波通过偶极子模型反演算，得到多个稳定的离散脑电偶极子，经过人工分析偶极子的生理意义，得出癫痫异常放电灶的大致位置[2]。脑导航通过重建MRI图像，得到脑、颅骨和头皮的三维立体解剖图像，更真实模拟头颅的不规则形状及周围窦道，将BESA结果与解剖结构融合，得出癫痫异常放电灶的解剖位置 （图1）。Santiago等[3]指出BESA和脑可变分布解析电磁断面法 （brain distributed variable resolution electromagnetic tomography，VARETA） 对复杂部分性发作间期的痫样放电源分析均有用。对于点状癫痫源的定位BESA 更精确，而VARETA 能对癫痫区外延提供更多的信息。

　　3    偶极子皮质定位与发作症状的对应关系

　　大脑皮质特定部位的癫痫引发特定的症状，偶极子分析定位就是对放电皮质进行定位，明确癫痫灶位置。所以偶极子皮质定位与癫痫症状之间存在对应关系。在皮质发育不良的癫痫病例中，引发单次抽搐和未引发抽搐棘波的负向峰偶极子位于脑发育不良区。棘波平均化后，引发抽搐的棘波偶极子位于皮质运动区；未引发抽搐棘波的偶极子位于次级运动区皮质。引发抽搐棘波的偶极子力矩 （dipole moment） 两倍于未引发抽搐的棘波。平均化棘波的脑电偶极子分析能将引发抽搐和未引发抽搐的棘波良好区分并定位[4]。在痴笑癫痫研究中发现：海马区的神经元过度放电与伴有主观高兴感的痴笑癫痫有关；扣带回可能与痴笑动作发起有关[5]。偶极子分析在评估隐源性痴笑癫痫的发作间期棘波时发现：有高兴感者棘波偶极子位于颞叶内侧的底部；不伴主观高兴感的偶极子位于前扣带回。儿童良性中央颞区癫痫发作期痫性放电似乎源于右侧Rolandic皮质并传播到相邻区域[6]。全面性发作偶极子分析发现抽搐发作通常以离散的单侧额叶背外部或眶部放电为特点；负向慢波额叶皮质最多，慢波后棘波多定位于额叶眶部前方；额叶内侧皮质与每个棘波环路有关。总之，全面性癫痫并不真是“全面性”的，而只是在发作放电传播中涉及到某些皮质网状结构，如额叶眶部和额叶内侧区[1]。在双侧同步放电的癫痫病例中偶极子分析发现，原发性双侧同步 （primary bilateral synchrony，PBS） 与继发性双侧同步 （secondary bilateral synchrony，SBS） 棘波放电能用独立成分分析 （ICA） 区分。所有病人总体样棘波放电 （generalized spike and wave discharge，GSWD） 痫性放电成分均能被ICA 计算法区分。PBS病人70. 6%的偶极子源在额区背外侧，SBS病人56.5%的独立成分偶极子在额区内侧。所有PBS病人的偶极子方向性为放射状，然而47.8% SBS病人的偶极子方向为切线。

　　4 　  偶极子定位在癫痫外科中的运用

　　4.1 　  颞叶癫痫灶的定位　   颞叶癫痫可由海马、梨状皮质、或任何颞叶前、后方皮质下的灰质结构起源，在头皮EEG能记录下可鉴别的癫痫波形前，癫痫活动需要数量足够的颞叶皮质组织参与传播。脑沟产生的电场活动可能互相抵消，而脑回产生的电场活动可能被相加，最终头皮EEG记录的波形是被简化的。由于颞叶的解剖特点，由几个固定偶极子定位模式去定位大部分颞叶皮质的癫痫源是合理的。Assaf等[7]研究发现，运用头皮EEG的多个固定偶极子定位方法可以提供有关颞叶癫痫的信息与通过侵入性电极确定的癫痫起源高度吻合，特别是它能够区分仅限颞叶前内侧癫痫起源与需要同时切除包括颞叶前内侧和其后部一部分的癫痫起源。这对癫痫病灶切除的手术计划是非常有利的。Lantz等[8]发现，如果偶极子被定位在颞叶的前下方或斜后方并且角度向上，应该高度怀疑癫痫灶位于颞叶内侧面。

　　4.2 　  偶极子定位与诱发电位结合在功能区癫痫外科的运用　   中央区的癫痫手术不留下任何症状几乎是不可能的，但精巧地手术可大大减少病灶切除所造成的神经功能障碍。在癫痫病灶切除术前确定癫痫灶与手、肢体在脑皮质运动和感觉区相互间的解剖关系非常重要。Gross等[9]研究采用刺激正中神经产生的体感诱发电位脑皮质运动和感觉区偶极子定位，与癫痫病灶偶极子定位来确定两者在皮质脑中央区解剖关系，再进一步通过刺激正中神经产生的体感诱发电位脑皮质运动和感觉区偶极子定位，与术前病人MRI图像上手、肢体的脑皮质运动和感觉区的明确解剖标志之间的误差值，来纠正同一病人癫痫病灶的偶极子产生的误差，从而提高偶极子定位的精确性。Pekkonen等[10]将偶极子定位与听觉诱发电位结合，并结合听皮质的解剖标志去改进脑磁图 （magnetoencephalography，MEG） 上颞叶癫痫的偶极子定位的精确性。

　　4.3    区分病灶与致痫灶    CT、MRI 等影像学上所显示的病变部位与脑电生理学检查发现的直接引起癫痫发作的“致痫灶”的位置往往不同。痫样放电与已知致痫灶可以重叠也可不重叠，甚至远离致痫灶。手术不仅要切除病灶，也要处理致痫灶，要准确界定癫痫源。癫痫灶切除术必须尽可能切除病灶和发作间期棘波刺激带，而且不损伤功能核团。偶极子定位方法是利用电场理论、数学原理和计算机技术对高分辨的EEG信息进行加工和分析整理，将头颅模拟成偏心、不规则的球体，利用电位来源于内部偶极子的原理，对脑内病灶在三维空间上定位。它的精确度和特异性高，定位点之间的三维距离达毫秒级水平[11]。

　　4.4    鉴别放电起源与镜像源　   研究发现：一侧半球致痫灶发放的痫性冲动透过胼胝体传到对侧，在病灶的对称部位出现类似信号，即镜像源，它在时域上延迟于病灶的发放，大约落后17 ms，峰值延迟约20 ms[12]。临床上对镜像源的区分很重要。EEG很难将一侧大脑半球致痫灶与对侧半球的“镜像灶”区分，而偶极子定位技术利用信号时限差技术对时间的分辨达毫秒级。这使得它可精确地判断出是否为起源性电位活动、病灶起源脑区的位置及活动瞬间关系[13]。

　　5 　  偶极子定位的误差及改良方法

　　偶极子定位代表一个癫痫活动点而实际可能是一个较大区域，因此，在一个给定区域的偶极子代表着一个大的活动区域中心而不是直接反映了脑皮质电活动。偶极子定位的精确度约10 mm。理论上，深部癫痫源的偶极子定位比表浅定位精确性差，实际癫痫源的数目可能比计算得出的偶极子数多。Leahy等[14]报道MET和EEG对偶极子定位的误差非常小，一般小于1 cm。他们认为，偶极子定位的误差是由模型中不同层面的不同折射率及幻影本身技术原因所致。利用SEP－DT技术在皮质感觉区无器质性变化时，偶极子定位的平均误差为2 mm，在皮质感觉区有器质性变化时，偶极子的平均误差为8 mm，二者差异有统计学意义。尽管已经有大量关于利用发作间期EEG痫样波形进行偶极子定位的报道，在癫痫外科术前定位方面偶极子定位的方法目前尚不能完全取代侵入性颅内电极。通过采用多个时间点瞬时的电流取代某一个测定的电流可减少由噪音引起的偶极子定位误差；另外，增加电极的数目可减少由于电极放置错误引起的偶极子定位误差。通过过滤叠加后的痫波信号数据能够提供癫痫灶的有效信息。高频过滤有助于从已开始的电传导活动中辨别电活动起始源的位置和角度。

　　6 　  影响预后的因素

　　总结偶极子定位术后部分仍有癫痫发作、EEG复查结果不理想的病例，主要原因是术前致痫灶定位不够精确和术中致痫灶处理不彻底所致。头部为容积导体，皮质表面的电位由于脑组织异相性传导已相当复杂[15]。头皮电位受皮质电活动大小、皮质区大小、电活动同步化的程度及偶极子的方向、导体的传导率等诸多因素的影响，上头部骨质比周缘薄，对电位梯度衰减影响小。而额窦使偶极子定位与已知位置的偏差达4 mm左右，颞骨因含有气体的乳化细胞可导致较大的定位偏差。脑裂畸形并灰质异位或异常放电起源于脑干致痫灶因位置较深等，均使致痫灶无法充分暴露。

　　7 　  偶极子定位的前景

　　偶极子癫痫病灶定位系统是一种新的特异性好、精确度高、无创伤性的致痫灶定位方法。随着128导、256导脑电图的应用及与神经导航技术或立体定向技术的结合，定位的精准度越来越高，将在癫痫外科中得到越来越广泛的应用，引导癫痫外科进入微创时代。

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