额顶叶病变磁共振脑功能成像研究

额顶叶病变磁共振脑功能成像研究 第三军医大学硕士学位额顶叶病变磁共振脑功能成像研究摘要头部肿瘤及各类占位性病变通常会对脑组织造成损伤主要是对灰质和白质的压迫与侵润使神经元功能和白质纤维束的传导发生异常改变从而产生头痛、对侧肢体肌力下降、运动功能受限等临床症状和体征。对研究位于或临近第一运动皮层的头部病变对脑功能区的影响磁共振功能成像提供了一种非侵袭性而有效的方法除了应用于临床诊断以外还有助于在治疗此类疾病时选择最佳的治疗方法和手术路径。目的运用技术显示头额顶叶病变患者与正常人脑运动功能区在对指运动条件下的激活图及激活曲线用技术得到显示脑白质束的图和白质束纤维追踪图研究额顶叶病变对脑运动功能区的影响。方法额顶叶占位病变患者例为病变组其中诊断为肿瘤的例炎症例血管畸形例。名健康正常自愿者设为正常对照组。利用超导磁共振进行脑功能成像扫描包括常规、和成像。后处理时使用美国德克萨斯州立大学的软件和美国威斯康星医学院研制的神经图像软件包分析处理数据运用美国约瀚霍普金斯大学编写的软件处理数据。运用统计软件对两组实验的脑激活区信号值进行比较分析。结果功能成像显示病变组患者脑激活区在形态和激活强度主要现为患侧区的移位、分散及信号减弱区及对侧大脑半球则有激活区及信号无明显变化、增加或降低等几种类型改变。病变组与对照组对指运动时脑激活区信号值样本均数比较两组信号值均数相差非常显著病变后患侧大脑半球的第一运动皮层激活强度出现降低。在成像的图中测量两组实验对象颅内相关脑组织区域的平均值结果显示例肿瘤病灶区域的值?与对照组及其自身对侧比较有降低例颅内感染病灶值?与对侧相同脑区比较也有降低例血管畸形伴化脓性感染患者值升高。在三维白质束纤维示踪图中显示额顶叶肿瘤患者皮质脊髓束受病灶压迫第三军医大学硕士学位论文而移位、中断或破坏。颅内感染的病例显示白质束纤维有移位主要由于病变区水肿或渗出导致。因此额顶叶病变同时也影响皮质脊髓束等白质束纤维的正常联结。结论脑功能成像的实验研究在多个领域具有重要意义因为大脑活动的神经反馈可用进行监测和观察在对指运动时利用与大脑皮层激活相关的信号的变化能够描绘出脑运动功能激活区。当患者额顶叶出现病灶时患侧大脑半球运动皮层激活强度下降脑激活区减少、移位和分散额顶叶占位性病变影响运动功能区的激活是病变后运动功能受限的主要原因之一。同时研究可以观察病变情况下运动皮层激活区域的变化了解皮质功能区受到的影响及其重组的方式。弥散张量成像技术可以实现对活体复杂的白质纤维束结构的研究在临床应用中可肿瘤与邻近白质纤维的空间解剖关系、白质纤维的受累情况。在图和三维白质束纤维示踪图中显示皮质脊髓束受到额顶叶病灶压迫而移位、中断或破坏可见额顶叶病变对运动功能区的影响与白质束纤维的受侵有关。当额顶叶运动皮层及其附近脑组织发生病变时通过对这一脑区激活范围和白质纤维束的变化进行分析和研究能够为临床病情诊断和外科手术入路提供有效帮助以及评价术后的功能恢复这项工作的开展有益于对额顶叶病变时脑功能的变化进行深入研究。关键词脑功能成像弥散张量成像脑肿瘤运动皮质白质纤维束。第三军医大学硕士学位论文额顶叶病变磁共振脑功能成像研究月舌头部肿瘤及各类占位性病变对灰质和白质造成的损伤主要是对这部分脑组织的压迫与侵润使神经元功能和白质纤维束的传导发生异常改变从而产生相应的临床症状和体征如头痛、对侧肢体肌力下降、运动功能受限和视力模糊等。人的运动功能是由脑的多个部位协同网络联结完成的肢体运动主要涉及到位于额顶叶的第一运动皮层辅助运动区及起源的运动前区因此额顶叶的各类病变常常 影响对侧肢体的运动功能。等【】将运动皮层分为五个区初级感觉运动区一围绕中央沟包括中央前回后部和中央后回前部侧前运动区胂田一位于中央前沟的前、后部连接额上沟侧面顶叶区一绕中央后沟包括中央后回后部和中央后沟后区域辅助运动区局限于扣带回前部到中央前沟区域小脑。经典的等级假说认为大脑皮层运动系统是分等级的其中区被看作是与简单运动或运动的执行成分相关的初级运动区而和则被看作是与复杂运动或运动的准备成分有关的次级运动区。磁共振脑功能成像或功能性神经成像是一类无创伤性的神经功能活动测量成像技术。功能磁共振成像和磁共振弥散张量成像是目前研究活体人脑常用的两种成像技术。最初的功能磁共振成像是采用磁共振造影剂来完成的但后来等人于年发现了血氧水平依赖对比机制无需体外造影剂这种描绘人脑功能结构的方法得到了人们的广泛关注【】。在功能磁共振成像时脱氧血红蛋白可被认为是一种内源性的对比增强剂并且是功能性磁共振成像的信号源当局部脑区脑组织因某种原因产生兴奋时含氧血红蛋白与脱氧血红蛋白的比例发生类似于线性的变化。利用该原理通过磁共振信号可以分析和研究人或者动物活体的运动、感觉、语言、听觉和视觉等相关脑功能区激活的情况【】。作为一种将脑活动与特定认知任务或感觉过程联系起来的成像技术成为研究人脑高级功能的重要手段在认知脑科学的研究中如关于感觉、运动、听觉与语言加工、学习与记忆等的研究中都发现了很多用其它方法不易获得的结果【】。这种技术的时间分辨率及空间分第三军医大学硕士学位论文辨率都已能够满足神经科学研究的需要尤其在空间分辨率上的优势使得这种技术在人脑功能准确定位方面具有了其他技术无可比拟的优势。在近年的一些研究中发现功能磁共振成像的结果与电生理、正电子断层扫描、皮质电刺激等研究的结果一致。弥散张量成像是描绘白质纤维结构的一种新的影像学手段它根据观察脑白质内自身的水分子扩散运动的各向异性且与白质纤维的长轴方向一致扩散水分子的扩散最大不同的空间方向上的扩散各不相同可以提供有关扩散各向异性的信息最终反映出组织的结构特点州。它能够从若干特征性参数变化反应中枢神经系统正常或者异常改变。弥散张量成像技术对脑内细微结构的观察也较常规敏感它能够测量白质纤维束的走行方向和结构的完整性。在脑白质中水分子在沿平行于纤维纵轴方向上的运动相对自由而在垂直方向上的运动受到限制称为扩散的各向异性可用部分各向异性表示近来的研究表明值可提供脑白质的细微结构的信息“踟。三维纤维束示踪成像技术是在扩散张量成像基础上根据神经解剖学描述运用种子法标记纤维束的一种成像方法【】它可以区分灰、白质病变的具体解剖部位对显示颅内各类病变与纤维束的关系及判断临床预后具有较大的意义。有学者认为白质纤维示踪术为未来的研究发展提供了巨大空间【“。随着功能性磁共振研究的迅猛发展及其与神经科学的密切结合其作用已经越来越为临床重视。常规磁共振成像能够准确地显示人体形态学的变化而磁共振脑功能成像结合了功能、影像、解剖三方面的因素通过一定的刺激使大脑皮层各功能区在磁共振设备上成像能够无创性地显示人体的生理及病理生理过程提供动态信息。神经外科的手术风险主要是由重要脑功能区域的损伤程度决定的最大程度切除病灶同时使主要的脑功能区域如视觉、语言、感觉和运动皮层等得以保留是外科手术的目标。手术的成功与否取决于术前对大脑结构和重要组织功能的描述。通常在术中对重要功能区域进行定位的方法是对脑皮层直接进行电刺激。这种功能定位方法的局限性是显而易见的。首先它对患者会造成一定的伤害和痛苦定位的时间与精确度取决于医生的经验其次这种 定位方法只能适用于很有限的脑区开颅后裸露的脑区定位数据只能在术后得到不能用于术前的手术计划和手术风险的评估。如果功能定位结果能在术前获得将会大大缩短手术时间提高手术效率减轻患者痛苦等因此此项技术在脑功能的研究、神经外科手术计划制订及术中导航上得到了广泛运用””。由于运动皮层在个体内定位稳定正常人的脑运动功能区已经为手指运动实验准第三军医大学硕士学位论文确地证实„】手运动区的脑功能成像已成功应用于额顶叶各区域的神经外科手术前定位。将磁共振扩散张量成像与功能磁共振成像结合研究额顶叶病变引起的对侧肢体运动功能障碍、肌力减低和皮质脊髓束损伤以及手术后运动功能恢复的评估有很大的意义”这一研究可以为头部额顶叶病变的临床治疗提供有益参考。基于以上分析本项实验研究首先将运用技术显示头额顶叶病变患者与正常人脑运动功能区在对指运动条件下的激活图及激活曲线然后用技术绘制显示脑白质束的图和白质束纤维追踪图了解这两组实验对象的颅内功能激活区和脑白质束纤维联结的情况最后通过对以上资料的观察、对比和分析从脑功能影像的角度讨论额顶叶病变对人脑运动功能区的影响以及为临床辅助诊断和神经外科手术入路提供有效的脑运动功能区域的参考图。第军医大学硕士学位论文材料与方法一实验分组病变组收集年月至年月间来我院神经外科住院或门诊的病人所有患者均满足以下纳入标准性别不限年龄不小于岁经或等确诊为额顶叶占位性病变。患者双侧或病灶的对侧肢体有不同程度的运动受限或肌力减低。肢体肌力的临床评定用 肌力分级法共分级级为肌肉完全无收缩力级见有肌肉收缩关节无活动级关节能动不能抗重力级关节活动能抗重力级关节可抗部分阻力的全范围活动较正常肌力为弱级为正常肌力。均无其它严重神经系统疾患无全身疾病病史神志尚清晰可以较好的接受对指试验训练和回答利手测试问题。经测试均为右利手„川测试表见表。本组共例表其中男性例女性例年龄—岁平均岁。其中术后病理证实为胶质瘤的例其中例胶质瘤患者于术后周进行了脑功能成像复查脑膜瘤例未经病理证实但临床和影像学诊断为恶性肿瘤例颅内感染例血管畸形伴化脓性感染例。表利手测试检查注常规提问由病员自己回答和实践病程期间由于运动受限的用手习惯改变除外。儿童及病情较重表达不清时结合询问家属了解其利手情况。对照组正常对照组名身体健康年龄—岁平均岁。无运动系统和神经系统病史经测试表测试均为右利手所有参与者均自愿参加本研究。扫描设备、序列参数及后处理软件磁共振扫描设备、扫描技术及参数对病变组和正常对照组的参与实验对象按同样扫描序列行磁共振扫描所有磁共振扫描均采用德国西门子公司超导磁共振仪。实验时实验对象取仰卧位由海绵枕及头盔将头固定在正交头线圈上。先使用快速自旋回波 序列采集层横轴位解剖结构图像扫描基线平行于前后联合连线扫第三军医大学硕士学位论文描范围从小脑至头颅顶骨层厚层间距视野×。数据采集采用单次激发平面回波成像采集扫描范围复制结构像层数、层厚及位置与结构像完全相同扫描时间”重复时间 回波时间 矩阵×平面象素 反转角。。数据采集采用单次激发平面回波成像序列扫描有个方向的扩散权重层数层厚层问距值设为平均次数 为重复时间 回波时间 扫描范围及视野复制结构像与之一至。为了便于空间标准化和多方向的图像重建还采用序列 进行无间隔三维解剖像扫描层数层厚 反转角视野×。图像处理及数据分析实验所采集到的图像数据经光盘取出进行离线处理。再将数据基于美国德克萨斯州立大学医学科学中心编写的软件和美国威斯康星医学院生物物理研究所研制的神经图像分析软件包 分析处理。首先使用软件处理原始数据第一步进行头动矫正及三维空间平滑然后将阈值设定为再采用 检验分析法获取时问信号强度动态曲线图及信号变化百分比。软件为自由软件但需要在 操作系统平台上使用。软件数据处理过程是在预处理的基础上基于体素进行反卷积分 。反卷积分析是一种特殊形式的多重回归技术利用去卷积分析每个像素的冲击响应函数 通过与输入刺激函数做卷积估计信号并生成统计激活图。图像后处理采用美国 大学编写的— 软件重建出平均表观系数图、各项异性系数图、相对各项异性系数图、容积比图及脑白质束追踪图。在重建出的图中测量基底节区、胼胝体膝部、体部、压部和病灶中心区、病灶对侧相同位置脑区的值感兴趣区面积为?图图。第三军医大学硕士学位论文图正常人胼肢体体部值测量图图正常人基底核区值测量图实验设计实验设计采用组块— 设计模式组块由含有运动任务的激活状态 与静息状态 交替组成每个组块就分为两个周期每个周期持续 图。一个周期内有个时问点时间点在此时间内完成一次头颅数据采集共采 舍弃每一个周期前次采集的数据。实验中每名被集个时间点的数据每个时间点为 试在激活状态由语音提示完成连续”的对指运动病变组要求对指运动由病灶的对侧肢体完成健康对照组均由右手完成对指运动。图组块实验设计 不葸图数据的统计和分析由于脑功能实验时被试者参与实验的专注程度对数据采集的准确性影响很大被试者通常在第个组块时段秒一秒完成对指任务较好。因此在分析处理信号变化时所有被试者均取第个组块的实验数据。采用 统计软件对数据进行统计分析所有计量资料结果均采用均数?标准差 ? 表示对两组对指运动实验的信号变化百分比进行数据转换使其符合两组资料 检验要求对病例组与正常对照组的信号值进行两组资料样本均数 检验 检验为相差显著为相差非常显著。第三军医大学硕士学位论文结果软件处理数据及其信号激活曲线名正常对照组被试的右手对指运动大脑皮层激活区域和信号变化血线比较一致。图是一名正常人的对指运动激活图及曲线其中信号百分比曲线图显示在对指任务时段—单位秒其信号明显升高激活图显示其左侧大脑中央沟附近的第一运动皮层激活区对侧半球区及辅助运动区 亦出现激活区。图正常人右手对指运动脑激活区域及其信号变化曲线病变组为例额顶叶占位性病变患者表在进行病灶对侧肢体对指运动时 激活图显示其患侧半球的第一运动皮层激活区出现移位和分散辅助运动区和对侧半球区皮层激活区范围出现多种类型的改变图。主要表现为?例患者患侧区的位置改变多表现为激活区移位和分散辅助运动区和对侧半球脑激活区减少。?例患侧脑运动区移位、分散辅助运动区及对侧半球的脑运动区位置无明显改变。?例患侧区、辅助运动激活区移位对侧半球脑激活区范围增加。图左额顶叶胶质癌患者右手对指运动脑激活区域及其信号变化曲线第三军医大学硕士学位论文表病例组临床资料及病灶 趸域和对侧相同脑区值序号性别年龄影像学表现运动系统查体临床诊断或病灶区域对侧相同脑岁病理值区值男示左侧囊右侧肢体肌病理报告左实性巨大占位中力级左侧侧额顶叶星形胶线略右移。肢体肌力级。质细胞瘤?级。男示左额顶颞四肢肌力左侧额顶颞叶叶占位性病变。级。恶性肿瘤末手术。男示右侧额右侧肢体肌右侧额顶叶胶顶叶囊实性占位力级左侧质细胞瘤。未手病变大小约肢体肌力术××中线级。轻度左移。女示左项叶、右侧肢体肌考虑感染性病右颞野不规则形力级左侧变可能大寄生态病变伴有出肢体肌力级。虫、细菌感染可血。能。未手术女示左顶叶区右侧肢体肌病理报告左项异 常密度影。力级左侧叶血管畸形伴化肢体肌力级。脓性感染脓肿女示双侧额右侧肢体肌急性播散兴脑颞叶异常信号及力级左侧炎骨髓穿刺示软脑膜异常强化。肢体肌力级。感染性骨髓象男示左顶叶病右侧肢体肌病理左顶叶变。力级左侧脑组织胶质细胞上肢肌力级。增生伴出血、水肿和炎细胞侵润男示左侧额右侧肢体肌病理左侧胶顶叶囊实性病灶。力一级左侧质细胞瘤级肢体肌力级。第三军医大学硕士学位论文女女男示右额颞顶叶区低密度影示左顶叶巨大脑膜瘤最大层面约×。示右侧额叶占位病变双侧额叶水肿。示左侧额叶占位性病变有囊变。中线结构未见移位。示左侧额颞叶占位考虑肿瘤伴出血。大小约××。中线结构明显右移周围水肿。示左颞项叶见肿块影边界清肿块呈囊实性周围水肿中线稍左移。示右额顶叶占位病变病变周围见高密度影轻度水肿。中线无移位。双侧肢体肌力正常行走不稳。右侧上肢肌力级左侧肢体肌力级。双侧肢体肌力正常行走乏力双侧肢体肌力正常行走乏力。病理右额颢顶叶胶质细胞瘤。级病理左项叶上皮型脑膜瘤。病理右额叶肥胖型星型细胞瘤。级病理左额颞顶叶胶质细胞瘤级卫双侧肢体肌病理左额颞力基.