功能区胶质瘤术中应用DTI-FT导航定位和保护锥体束 （附13例报告）

作者：何黎民,李天栋,白红民

作者单位：中国人民解放军广州军区广州总医院 1. 神经外科； 2. 磁共振室； 3. 麻醉科， 广东 广州 510010；4. 深圳安科高技术公司， 广东 深圳 518067        【摘要】  　　目的 研究功能区胶质瘤术中完善而有效的锥体束空间定位和功能保护方法。 方法 对13例功能区胶质瘤应用1.5T磁共振系统采集弥散张量成像 （DTI） 数据，在功能神经导航中进行纤维束示踪 （FT），在导航中确定肿瘤与锥体束界面的标记点，应用自制导航穿刺针、着色明胶海绵对白质内锥体束走行进行空间定位。在空间定位锥体束基础上，应用皮质、皮质下直接电刺激或唤醒麻醉技术在肿瘤切除中对锥体束功能进行评估监测，保证其正常功能。 结果 本组锥体束与肿瘤交界区在神经导航中均得到确定，术中在DTI-FT导航下空间定位满意；锥体束功能判定明确者10例。均全切肿瘤，运动功能保持术前正常水平或得到改善。 结论 联合应用DTI-FT导航、神经电生理或唤醒麻醉技术可确保锥体束功能不出现手术损伤，同时为明确胶质瘤在脑白质内功能性边界提供有效方法。

【关键词】  锥体束；磁共振成像，弥散；纤维束示踪；神经导航；电刺激；胶质瘤

    Localization and function protection of pyramidal tract using DTI-FT

    in resection of glioma in eloquent brain areas: report of 13 cases

    HE Limin, LI Tiandong, BAI Hongmin, et al

    Department of Neurosurgery, Guangzhou General Hospital of Guangzhou Military Command, Guangzhou 510010, China

    Abstract:  Objective  To establish an optimized method for localizing and protecting the pyramidal tract in resection of glioma in eloquent brain areas.  Methods  Functional magnetic resonance image (DTI) data were obtained with a 1.5T Siemens scanner and fused in a neuronavigation system in 13 cases of glioma in eloquent brain area. After pyramidal tract visualization by fiber tractography (FT) technique, the interface between the tumor and pyramidal tract was identified and marked in the neuronavigation. A self-made puncture needle for navigation and methylene blue-stained gelatin sponge were used to localize the pyramidal tract after the dura was opened. The cortical and subcortical direct electrical stimulation or "awake anesthesia" were used to protect pyramidal tract function during tumor resection.  Results  The pyramidal tracts were visualized and marked in the neuronavigation in all the patients. The interface between tumor and pyramidal tract were successfully localized before tumor resection. Pyramidal function was inspected and identified definitely during tumor resection in 10 patients. Tumor was totally resected in all the patients without operation-related motor function disorder, even with some improvement of motor function.  Conclusion  Combination of DTI-FT neuronavigation, direct simulation and (or) "awake anesthesia" is an optimal method for protecting functional against injury to the pyramidal tract, which also could let us identify the functional boundary of glioma in the brain white matter.

    Key words:  pyramidal tract;  diffusion magnetic resonance imaging;  fiber tractography;  neuronavigation;  electrical stimulation;  glioma     

　　弥散张量成像 （DTI） 是目前脑白质功能成像的主要技术，在其基础上发展起来的纤维示踪 （FT） 技术可三维显示特定脑白质区域内的神经纤维，依据已有的神经纤维束解剖知识可以选择性显示锥体束。DTI-FT与神经导航的融合，增加了神经导航技术对脑白质内正常结构的保护作用。本研究应用我院与深圳安科公司共同研发的ASA-610V功能神经导航系统对13例功能区脑胶质瘤的瘤周锥体束进行示踪，结合DTI-FT导航定位和术中皮质、皮质下直接电刺激 （DES） 等技术，总结出有效而完善的保护锥体束功能方法，现报告如下。

    1    对象与方法

    1.1    临床资料    男性7例，女性6例；年龄31~61岁。以癫、感觉障碍、运动障碍等症状起病，均无高颅压症状。术前肢体肌力、肌张力正常9例，肌力下降 （Ⅲ~Ⅳ级） 4例。术前影像均诊断为胶质瘤。肿瘤发生部位：单纯顶叶3例，单纯额叶2例，岛叶1例，其余病例肿瘤涉及2~3个脑叶。术前2 d进行DTI检查，术前1 d行导航结构像扫描。均行神经导航下肿瘤切除术，其中采用唤醒麻醉技术10例，常规静脉复合麻醉3例。

    1.2    DTI磁共振图像采集及FT显示锥体束    采用Siemens Sonata 磁共振成像设备，场强1.5T，DTI序列为12个梯度方向，扫描参数：TR 5 900 ms，TE 89 ms，34层，层厚3 mm，Dist factor 10%，扫描野 （FOV） 为230 mm × 230 mm，成像体素1.8 mm × 1.8 mm × 3 mm，信噪比1。以薄层T1为导航的基准图像，扫描参数：TR 10 ms，TE 3.05 ms，128层，层厚1.5 mm，Dist factor 20%，FOV 230 mm × 230 mm，成像体素1.1 mm × 0.9 mm × 1.5 mm，信噪比为1。使用Siemens自带Leonardosyngo工作站生成各向异性分数 （FA）、FA_color，平均扩散系数 （ADC） 等参数图。根据已有脑白质神经纤维束解剖知识进行锥体束示踪[1-3]，在横轴位FA图、或DWI （b ＝ 0） 横轴位像上的内囊后支前2/3、大脑脚、延髓水平标记兴趣区 （region of interest，ROI），ROI的最小单位为1个体素。在定义锥体束所走行的兴趣区时，参照FA_color图，选择相应颜色 （蓝色、纵行方向纤维） 定义锥体束行径。明确锥体束与肿瘤三维空间关系 （图1A），在肿瘤与锥体束交界面上选择标志区，每个标志区含9个体素，记录标志区FA值等参数，对包含标志区的横轴位DWI （b = 0） 图进行拷屏，以DICOM格式保存 （图1B）。

 1.3    DTI-FT神经导航数据处理    手术前1 d，病人头皮粘贴标志点，进行导航结构像 （T1） 扫描。将T1、DTI和含有标志区的DWI图 （均为DICOM格式） 经医院PACS系统传输到ASA－610V神经导航工作站，将数据格式转化，计算FA等参数图，以线性融合方式分别与导航T1结构像进行配准融合，获得含有锥体束与肿瘤界面标志区的T1融合像 （图1C） 及FA等DWI参数融合图像。在导航系统中，采用线延伸技术进行纤维束示踪，获得锥体束图像 （图1C）。

    1.4    术中DTI-FT神经导航锥体束定位    常规开颅行胶质瘤切除术，打开硬膜后，以含有锥体束与肿瘤界面标志区的T1融合像为导航图像 （图1C），使用自制导航穿刺针 （图2），经胶质瘤瘤体定点穿刺锥体束与肿瘤界面标志区，到位后取出导航穿刺针针心，留置套筒，向其内推入美蓝着色的明胶海绵小块 （常规6 mm × 6 mm明胶海绵折叠而成，美蓝着色勿过湿，使明胶海绵保持一定韧度），明确蓝染明胶海绵到位后拔出套管，完成定位。

    1.5    术中锥体束功能监测与保护    肿瘤切除前，应用Axon Epoch 2000神经术中监护仪行体感诱发电位 （SEP） 监测，采用N20-P25判定中央沟。在中央前回使用双极电刺激器，进行皮质DES[4-6]：方波脉冲，时程1.25 ms，刺激频率60 Hz，唤醒状态从2 mA开始，最大8 mA；全麻下从4 mA开始，最大16 mA，实施连续刺激，每个部位刺激时间至少4 s，观察肌肉反应或肌电图信号，以1mA递增，直至出现对侧肢体、头面肌肉抽搐，确定头面、上肢在中央前回的投射区，必要时对下肢投射区进行定位，在皮质上标记。肿瘤切除中，在白质内注意观察导航引导下放置的明胶海绵，达到明胶海绵蓝染区域后即停止切除。应用皮质下DES判断锥体束功能[7，8]，刺激参数与皮质刺激参数相同。根据DES结果，或唤醒下直接观察肢体主动运动情况，确定肿瘤与锥体束交界区脑白质内的切除范围。

    2    结    果

    2.1    DTI-FT示踪结果    术前DTI-FT示锥体束仅发生移位3例，Tube数量与对侧基本一致 （采用对称、大小相同的兴趣区和示踪条件） （图1A）；10例锥体束出现不同程度中断 （图3A），但均可达到横断面额上回水平。本组在术中DTI-FT神经导航下，均能依据融合的肿瘤与锥体束交界面标志点，确定锥体束在脑白质内的走行区域。

    2.2    术中锥体束功能监测    DES出现肌肉效应所需强度为4~8 mA；DES可确定中央前回投影10例，未能明确判定1例 （测定前后结果不一致），无反应1例，诱发癫并出现癫后肌麻痹1例。肿瘤部分切除后，皮质下DES可观察到肌肉效应者5例，均为皮质DES可明确中央前回投射的病例，所需刺激强度较皮质DES高1~3 mA。皮质下DES无效应者改用皮质DES判定锥体束功能状况；DES无法判定时应用术中唤醒，在肿瘤切除中实时观察病人头面、肢体自主运动，判定皮质、皮质下通路功能是否正常。对上述10例病人在肿瘤切除完成后，通过皮质下 （或皮质） DES、唤醒状态下观察自主运动等方法，均确定锥体束功能保存良好。对皮质DES后肌肉长时间麻痹的1例病人，只能利用导航标志判断锥体束大体位置，适当减小肿瘤切除范围以避免手术损伤。

    2.3    术后情况    术后病理诊断与术前影像诊断均符合。病理WHO分级：Ⅰ级 1例，Ⅱ~Ⅲ级9例，Ⅳ级3例。病理类型：星形细胞瘤4例，少突胶质细胞瘤2例，胶质母细胞瘤3例，原浆细胞瘤2例，节细胞瘤、胶质增生各1例。MRI复查示本组肿瘤均全切除。术后短期出现肢体运动障碍9例，表现为肌力较术前下降1~4个级别，术后12 h内恢复至术前水平3例，3 d内共7例恢复，术后12 d均恢复至术前水平。术前存在运动障碍的4例病人中，出院时 （最长术后2周） 运动功能改善3例，无变化1例；其中2例病人术后复查时再次进行DTI检查，1例 （术后3个月） FT示肿瘤切除后锥体束示踪改善，位置恢复 （图1C，1D），另1例 （术后2周） 术前邻近肿瘤边缘示踪锥体束于术后部分消失 （图3A，3B）。

    3    讨    论

    锥体束由有髓、无髓鞘神经纤维组成，起源于初级运动区 （中央前回、4区）、初级感觉区 （1~3区）、运动前区 （6区）。锥体束向下进入内囊后肢，途径大脑脚、脑桥、延髓，在延髓腹侧形成锥体，交叉部分形成皮质脊髓侧束，不交叉部分形成脊髓前束及前外侧锥体束。由于锥体束功能直接关系到四肢随意肌的正常运动功能，故在神经外科手术中受到特别重视和保护。

    DTI的成像基础是不同区域脑组织水分子弥散各向异性存在差异，这种差异导致水分子扩散对外加磁场产生不同的影响。根据一定数学模型，对磁共振获得数据进行计算，可间接反映脑白质纤维束的分布和走形特征。FT在DTI数据基础上，对纤维束进行二维或三维可视化，形象地显示纤维束空间位置和走行。应用DTI-FT技术可以在脑白质中，选择性显示锥体束，重建和显示出的锥体束纤维走行路径与已知的锥体束解剖路径保持高度一致 （由放射冠进入内囊后肢，途径大脑脚、脑桥、延髓），为手术提供了重要的锥体束空间信息。但是，DTI-FT所显示的锥体束并不等同于组织学上的锥体束，其原因在于DTI-FT技术存在与生俱来的局限性。FT显示的纤维束以扫描体素为单位 （本组DTI扫描体素为1.8 mm × 1.8 mm × 3.0 mm），计算体素内主轴扩散特征值的结果，可视化的“纤维束”是体素内大量的部分容积效应和不同方向神经纤维扩散向量的平均化，与组织学神经纤维 （有髓、无髓） 有本质区别，DTI技术不能在细胞水平上反映神经元之间的神经纤维联系；另外，由于涡流、梯度的非线形、运动伪影、磁敏感性变化等因素，在DTI信号采集中还可能出现信号丢失[9]。针对上述DTI成像技术的不足，目前有学者[10]正在进行扩散频谱造影 （DSI） 技术的研究，努力解决对交叉神经纤维的正确成像。DTI-FT所显示的锥体束能在多大程度上符合组织学上的锥体束，该问题的研究一直在进行中，但均面临难以解决的困难[10，11]，目前尚无准确答案。综上所述，DTI-FT技术显示的神经纤维束仅为我们定位锥体束、判定锥体束功能提供了宏观线索。

 DTI-FT辅助神经导航手术已有较多报道[12，13]，其在指导手术方面取得了较好的临床效果。我们认为：对融合在神经导航中的DTI-FT信息必须有正确的认识和合理的使用，即DTI-FT显示的“锥体束”不等于组织学意义上的锥体束，DTI-FT对锥体束示踪的情况 （推移、中断、缺失等） 不能直接对等于锥体束功能状况。本组术后DTI-FT示术前示踪锥体束部分消失1例 （图3），但病人运动功能与术前相同。造成这种DTI-FT结果与临床表现不一致的原因尚不清楚，但可以说明DTI-FT对神经纤维示踪的情况与其功能状况不能对等。在功能上，如何应用DTI-FT技术评价、判定神经纤维功能状况是我们进一步研究的方向。

    融合DTI-FT的功能神经导航同样存在脑漂移问题，本组进行了相应的预防和矫正工作，如在病例选择中，本组多以癫、肢体运动、感觉障碍起病，术前均无颅高压症状；对颅内压正常的病人，为保持颅内压稳定，在去除骨瓣时不进行常规甘露醇脱水，同时避免麻醉用药中过多、过快输液；剪开硬膜时防止蛛网膜破损，避免脑脊液流失引起脑组织过早塌陷；观察打开硬膜后的脑组织平面与骨窗内缘是否平行，若各种原因造成剪开硬膜时颅压较高、脑组织膨出，应适当采用降低颅内压措施，使脑组织平面回纳到骨窗内缘水平。上述对颅内压的调控，均是为了保证在未发生脑漂移的前提下，准确穿刺锥体束标志区。穿刺置入的蓝染明胶海绵位于脑白质中，在开放硬脑膜后，随术中脑组织漂移而漂移，解决了术中因肿瘤切除、脑脊液丢失造成的脑漂移问题。在切除肿瘤时，当达到明胶海绵区，因其蓝染而易于辨认，其所在区域即为定位切除的边界。如果由于各种原因，术中肿瘤切除范围未能达到明胶海绵标志区，明胶海绵留置在脑组织中是无害的，术后可吸收，只是注意术后复查MRI时应给予说明。

    就现有技术而言，皮质DES、神经电生理监测、唤醒麻醉是术中评估、保护锥体束功能不可缺少的技术。术中皮质DES技术已经成熟[4，7，8]，通过判断是否出现肌肉运动或异常感觉可确定运动、感觉皮质。本组3例应用皮质DES未能确定运动功能皮质，其中1例由于电刺激诱发癫，并出现肌麻痹，不适合继续电刺激；1例因电刺激结果不稳定而未能明确判定运动区；另1例对皮质DES无反应，原因不明。对于皮质DES诱发的癫，采用冰林格液冲洗刺激区皮质可有效控制，但本组仍有1例诱发癫大发作，并反复出现，引起颅压增高，术中病人不能继续配合唤醒麻醉，改行全身麻醉。本组皮质下DES出现阳性结果的比例较小，所需最小电流量较皮质DES大，我们考虑与以下因素相关：①手术操作、手术进程所引起的脑白质微环境改变，如切除肿瘤造成的物理牵拉、局部出血、微循环改变等。②在脑白质中锥体束的分布散在，比较而言，皮质运动区的神经元相对密集，直接刺激皮质较易出现阳性结果。③相同麻醉条件对皮质、皮质下DES的影响程度不同。④对肌肉运动监测范围不充分，灵敏度较低，应用多导肌电图全面监测头面、躯干和肢体肌肉运动，可能会提高皮质下DES的阳性率。对皮质下DES无阳性结果者，可改用皮质DES或术中唤醒，观察病人头面、肢体自主运动，判定皮质、皮质下通路功能是否正常。本组对3例术中不能明确判定锥体束功能的病例，依据DTI-FT导航信息和锥体束走行区域定位技术，采用较保守的手术切除策略，避免手术损伤，术后均未发生永久性运动障碍。本组术后出现短期内一过性运动功能障碍的比例较高 （9例），考虑是手术切除范围距锥体束近，对其功能影响较显著所致。这也提示，如果在肿瘤切除后皮质DES或病人在唤醒条件下证实运动功能正常，则术后早期出现的运动障碍可以恢复；但应注意排除术后出血、缺血等继发病变。术后皮质下DES在判定神经纤维束功能上的可靠性不及皮质DES[14]，我们对此有另文详述。

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