DSI Studio軟件結合DTI在腦功能區腫瘤術后運動功能評估中的應用

高 菲 牛光明 陶勝忠 劉 展 婁金峰 王在斌

腦功能區腫瘤與周圍白質具有復雜的解剖關系,通過壓迫推擠、浸潤破壞等方式損害臨近纖維束,其中皮質脊髓束(corticospinal tract,CST)是控制人體自主運動的重要纖維束[1]。彌散張量成像(diffusion tensor imaging,DTI)是一種無創性的磁共振成像技術,通過測定腦白質中水分子擴散方式檢查纖維束的微觀結構狀態,可用于提示某些特定類型的神經元損傷,如脫髓鞘、炎癥或壞死[2, 3]。研究表明,腦卒中患者CST投射區域的DTI參數與運動功能的預后密切相關,通過評估CST的完整性可預測患者運動功能恢復的情況[4, 5]。部分累及CST的腦腫瘤患者,腫瘤切除后術前運動功能障礙并未得到明顯改善,有報道表明DTI參數與腦功能區腫瘤患者CST損傷程度和運動功能障礙具有一定相關性,但少有研究評估DTI參數作為術后運動功能預測指標的潛在意義[6,7]。本研究旨在分析DTI參數與肌力評分及CST分級對腦功能區腫瘤患者術后運動功能的評估價值,并應用DSI Studio軟件實現DTI數據精確后處理,完成CST重建,為切除腫瘤的同時保留患者功能,改善預后提供依據。

資料與方法

1.臨床資料:選擇2018年1月～2022年8月于鄭州大學第二附屬醫院行手術治療且病理確診的腦功能區腫瘤患者41例,其中男性24例,女性17例;患者年齡53.8±13.58歲(18～76歲)。所有患者術前3天完善肌力評分及3.0T MRI常規序列及DTI檢查,術后1個月復測肌力評分,用Fugl-Meyer(FMA)運動功能評分量表評定患者的運動功能預后狀況,依據FMA評分將納入研究患者分為預后良好組和預后不良組。本研究已獲得鄭州大學第二附屬醫院醫學倫理學委員會批準(倫理學審批號:2022029);所有患者或家屬均簽署知情同意書。納入標準:①術前臨床癥狀和磁共振成橡(magnetic resonance imaging,MRI)檢查提示累及CST的腦腫瘤患者;②首次發病患者;③無MRI掃描禁忌證;④臨床資料完整。排除標準:①患者無法正常溝通并配合治療;②圖像質量差;③患者接受了未經手術的放療和(或)化療;④顱內多發病變;⑤病變累及相應功能區皮質;⑥術前有顱腦損傷病史、腦血管相關病史、精神疾患。

2.一般資料:依據重建CST圖像將CST受累程度分為4級:0級無損害;1級CST完整,受壓迫移位;2級CST受浸潤稀疏;3級CST破壞中斷。FMA運動功能評定,運動功能障礙程度:嚴重<50分;明顯50～84分;中度85～95分;輕度96～100分。根據FMA評分(FMA評分≥96分)為預后良好;(FMA評分<96分)為預后不良。

3.研究方法:(1)MRI檢查方法:采用德國Siemens Skyra 3.0T 磁共振機器為所有患者進行腦部掃描,包含掃描序列:T1WI序列:TR為2000ms,TE為11ms,TI為900ms;T2WI序列:TR為6000ms,TE為125ms。DTI成像采用單次激發性自旋回波序列進行掃描,參數設置如下:TR為3500ms,TE為95ms,反轉角度為90°,FOV 220×220×129mm,矩陣128×128,層厚4mm,無間距,擴散敏感梯度方向為20,激勵次數為2次,b值1000s/mm2,成像時間4min24s,掃描范圍包括枕骨大孔至顱頂。(2)數據處理:MRI原始數據應用DSI Studio軟件對圖像矯正匹配,并進行對齊處理,形成以FA圖、ADC圖、DTI彩圖和T1WI圖為基礎的共同配準結構圖像。參考T1序列圖像確定患側和對側內囊后肢(圖1),描繪相應感興趣區(regions of interest,ROI)并測出患側和對側的FA值與ADC值,計算出患側與對側內囊后肢FA比值(rFA)和ADC比值(rADC)。纖維束追蹤應用DSI Studio確定性追蹤方法進行[8]。DTI纖維追蹤終止條件為軌道角>45°,FA值<0.2,纖維長度<10mm,并依據重建CST模型按解剖走行、分布和結構變化等進行分級(圖2)。(3)手術方式:依據繪制CST模型與腫瘤解剖關系判斷纖維束擠壓方向,術中MRI導航結合增強MRI序列,擬定最佳手術入路及切除范圍。(4)觀察指標:研究患者內囊后肢CST投射區DTI參數,對比腫瘤側及對側內囊后肢FA值、rFA值、ADC值和rADC值。依據重建CST模型進行CST分級,分析

圖1 配準結構圖像

圖2 纖維束追蹤繪制CST模型

DTI參數與患者運動功能之間的關系。采用MRC肌力評分量表評估患者運動功能,上下肢肌力評分越低,患者運動功能受損越嚴重。

結 果

1.患者患側、健側內囊后肢CST投射區DTI參數比較:通過測量患者內囊后肢ROI區DTI參數值發現:腫瘤對側內囊后肢FA值0.690 (0.652,0.715),高于腫瘤同側內囊后肢FA值0.575(0.506,0.632),差異有統計學意義(P<0.001);腫瘤對側內囊后肢ADC值0.726(0.704,0.757)10-3mm2/s,低于腫瘤同側內囊后肢ADC值0.820(0.753,0.947)10-3mm2/s,差異有統計學意義(P<0.001)。

2.患側FA值、偏側rFA值、ADC值和rADC值與CST分級的相關性:Spearman等級相關性分析提示患側FA值、rFA值與CST分級呈負相關(r=-0.515,P<0.01;r=-0.521,P<0.01),而ADC值、rADC值與CST分級呈正相關(r=0.48,P<0.01;r=0.452,P<0.01)。

3.患側FA值、偏側rFA值、ADC值和rADC值與手術前后肌力的相關性:Spearman等級相關性分析患側FA值、偏側rFA值與患者手術前后對側肌力呈正相關(r=0.496,P<0.01;r=0.491,P<0.01),而ADC值、rADC值與患者手術前后肌力呈負相關(r=-0.426,P<0.01;r=-0.346P<0.05)。

4.術前CST分級與患者肌力的相關性:Spearman等級相關性分析提示患者術前CST分級與對側肌力呈負相關(r=-0.501,P<0.01)。

5.患側FA、rFA、ADC、rADC值和CST分級應用于評估患者運動功能預后準確性的價值:ROC曲線結果提示,5個指標的AUC大小排序為FA值>rFA值>CST分級>ADC值>rADC值,其中rADC值對運動功能預后評估準確性比較,差異無統計學意義(P>0.05,圖3,表1)。

表1 患側FA、rFA值和CST分級預測運動功能準確性

圖3 患側FA值,rFA值、ADC值、rADC值和CST分級預測運動功能準確性的ROC曲線

討 論

DTI是以DWI檢查為基礎的成像技術,基于組織內水分子的彌散特征取得各項衍生指標,可實現無侵入性觀察纖維束結構的完整性和連續性[9, 10]。DTI的定量指標可用于評估CST受累程度,其中各向異性分數FA值,描述水分子擴散各方向異性的程度;表觀擴散系數ADC值,描述白質結構中水分子擴散速度的快慢。依據這些參數進行纖維束重建,能更直觀地顯示神經纖維束的形態結構,了解神經纖維束的受累程度[11, 12]。DSI Studio是用于彌散張量磁共振圖像分析的免費開源軟件,所提供的功能包括重建纖維束、確定性纖維跟蹤法和3D可視化[13]。本研究采用DSI Studio重建大腦白質纖維束,導入常規序列和DTI序列后,應用軟件進行校正匹配,形成解剖結構一致的融合圖像,所得DTI彩圖與融合后的常規序列進行核對后較為準確地描繪ROI區。

DTI參數中FA值反映白質纖維束方向的一致性,FA值越高,提示水分子擴散的方向性越好,傳導性越佳;ADC值描述水分子向不同方向擴散速度的快慢,ADC值越高,水分子擴散運動越強[14]?；颊呋紓壤w維束受損時皮質脊髓束的排列方向的一致性和髓鞘的完整性被破壞,導致患側FA值明顯降低、ADC升高。Jiang等[15]評估了20例鄰近CST通路的膠質瘤患者術前神經功能缺損和DTI參數之間的關系,分析表明腫瘤側和健側DTI參數比較,差異有統計學意義,本研究結果示腦功能區腫瘤患者患側內囊后肢CST投射區FA值較對側明顯降低,而ADC值正好相反,且差異有統計學意義,與之較一致。為了更好地評估皮質脊髓束與患者肌力、DTI參數的關系,筆者在Alexopoulos等[16]和Celtikci 等[17]的研究基礎上,依據纖維束成像將腫瘤對皮質脊髓束的損傷進行量化,分為4個等級,經Spearman等級相關性分析,患側FA值、偏側rFA值與CST分級呈負相關;ADC值和rADC值與CST分級呈正相關。此外,患側FA值、偏側rFA值、ADC值、rADC值和術前CST分級與手術前后肌力具有相關性,可能是因為腫瘤侵襲皮質脊髓束,導致水分子擴散運動加快,而各項異性程度降低,纖維束重建圖也表明纖維束受侵襲程度越高,患者運動功能受影響越大,也必然影響患者的生活質量。

本研究通過分析患側FA值、rFA值、ADC值、rADC值和CST分級與1個月后患者運動功能預后的關系,使用ROC曲線分析5個指標對運動功能預后評估的準確性,結果發現入院時FA值、rFA值、ADC值、rADC值和CST分級的AUC值分別為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]回顧性分析了54例腦干膠質瘤患者,采用多元線性回歸研究DTI定量參數與術后肌力評分之間的關系,結果表明CST評分與術后肌力顯著相關。結合D′souza 等[19]研究膠質瘤誘導臨近白質纖維束破壞的形式,發現腫瘤對白質結構的影響局限于腫瘤內和臨近腫瘤的區域。本研究中rADC值對運動功能預后評估比較,差異無統計學意義(P>0.05),ADC值評估患者運動功能預后價值較低,可能與部分患者腦腫瘤與周邊正常結構無明顯邊界,繪制患側ROI區時偏離腫瘤邊界有關。除rADC值外,對評估腦功能區腫瘤患者運動功能預后比較差異有統計學意義的指標中,在預測預后的準確性方面,FA值>rFA值>CST分級>ADC值。

DTI技術能夠很好地分析腫瘤與周邊纖維束的復雜解剖關系,但前提是需要高度一致的感興趣區域選定,受患者行MRI檢查時的體位、感興趣區域位置、纖維束追蹤方法等多種因素影響。Christidi等[20]和Suo等[21]研究表明,不同纖維束追蹤軟件在DTI解剖精度及纖維束數目、長度等資料上存在統計學差異,目前就DTI纖維束追蹤方法仍無金標準。本研究存在一些局限性:①采集的DTI數據部分存在偽影及腫瘤卒中、壞死囊變等使重建纖維束以及相應DTI計量資料分析變得困難;②本研究為單中心研究,所納入患者局限于本院患者;③納入樣本量較小,尚需開展更大樣本量研究作為證據支持。

綜上所述,FA值、rFA值、ADC值和CST分級對評估腦功能區腫瘤患者運動功能預后有一定價值,在預測預后的準確性方面,FA值>rFA值>CST分級>ADC值,rADC值對運動功能預后評估比較,差異無統計學意義。