術中光學成像(Intraoperative optical imaging, IOI)是一種無標記、無創(chuàng)性成像技術，能夠將神經元激活后大腦表面的代謝變化可視化。既往主要運用于全麻狀態(tài)腦功能區(qū)識別，本文作者研究了該方法在喚醒神經外科術中的潛在價值。通過接受皮質語言或運動部位內或鄰近病灶切除的患者進行3種不同場景下的術中光學成像：通過手指輕擊任務識別運動區(qū)域；通過言語任務識別語言區(qū)域(顯性和無聲言語)以及一種新方法—將IOI作為直接電刺激(direct electrical stimulation, DES)語言映射的反饋工具。通過IOI數據計算功能圖，與手術過程中的功能磁共振成像(fMRI)和電生理測試結果進行定性比較以評估其對手術決策的潛在價值。結果表明，IOI對術中運動區(qū)的識別和術前獲得的功能磁共振成像以及術中電生理監(jiān)測能夠保持良好的一致性。IOI能夠以最小的額外硬件提供高度分辨率空間的功能定位，應用該技術進行運動區(qū)識別在清醒手術中是有益的。使用IOI定位語言區(qū)也是可能的，但在大多數病例中fMRI、IOI和DES之間具有明顯差異，本研究結果提示IOI可能精確度并不高，而無法運用于術中對精確語言的定位，因此DES將仍然是首選的方法，而IOI技術可以作為DES進行語言映射過程期間有益的輔助工具。使用簡單的差異成像方法，能夠可視化和計算每個刺激的空間激活程度，這可能使外科醫(yī)生在未來優(yōu)化繪圖過程。此外，腫瘤和非腫瘤刺激部位在皮質光學性質變化的空間范圍上存在差異，這些發(fā)現提供了進一步的證據，證明該方法可以用來評估神經血管耦合的功能狀態(tài)，因此適合描述病理改變的組織。

關鍵詞:術中光學成像;喚醒手術;直接電刺激;功能性磁共振成像;語言映射;運動功能映射。

術前患者的功能神經成像對于避免患者在鄰近或在大腦功能區(qū)內進行手術時出現術后功能缺陷而言至關重要。目前常用的技術包括功能磁共振 (fMRI)、PET和彌散加權成像(DWI)。雖然上述所有方法對風險分層和術前計劃均很有價值，但這些技術的缺點為功能成像數據是在術前獲得的，并通過神經導航系統(tǒng)匹配到術中位置，而開顱手術后，由于大腦移位，圖像融合的實際精度則不精確。研究表明根據目前所使用的配準方法，目標配準誤差可能高達5毫米；此外，上述方法的空間分辨率仍然有限。

術中光學成像(IOI)是一種能夠克服上述缺陷的功能性成像技術，通過IOI外科醫(yī)生能夠通過從暴露的大腦表面獲取和評估相機圖像來觀察皮層光學特性的變化。相機圖像可以獲得高時間和空間分辨率。非侵入性和非接觸式成像技術可以觀察代謝變化(腦血容量和氧合的變化)，從而研究皮層組織和神經元連接。在人類研究對象中，IOI已被廣泛用于探索、識別和繪制體感區(qū)域以及視覺皮層。此外，該方法已用于癲癇灶和腦腫瘤的描繪。Prakash等研究對成像技術及其應用有更詳細的描述。同樣Morone等研究關于清醒患者的語言相關的IOI觀察，特別是與fMRI和直接電刺激(DES)測圖相比，然而，在腫瘤切除過程中使用IOI進行決策目前仍未有研究報道，其作用未被明確。

因此，在本研究中作者定性地比較了IOI、fMRI和DES對言語和運動區(qū)域的共定位，同時本研究提出了一種新的方法，使用IOI作為在DES語言映射期間生成視覺反饋的工具。

方法

術前影像學檢查(MRI和fMRI)

術前應用西門子Sonata 1.5-T(9/10例)和西門子Verio 3-T(1/10例)掃描儀，使用8通道頭線圈進行fMRI檢查。我們在設計中使用了兩種不同的范式:手指輕敲(2/10)和動詞生成(8/10)。分別對患者的左手和右手進行2次觸指檢查:1次無觸指，1次有觸指。以下掃描參數使用:收購矩陣64×64,TE 54 msec, TR 3520 msec,翻轉角度90°(FA),和切片厚度3毫米,一片空白的3.75毫米的平面分辨率3×3毫米,每個手30片和2卷。對于動詞生成任務，在休息試驗中獲得5×10掃描，在執(zhí)行任務(無聲言語)時獲得5×10掃描。以下使用采集參數:收購矩陣64×64,TE 50微秒,TR 3480 msec, FA 90°,切片厚度3毫米,一片差距為3.75毫米,3×3毫米的平面分辨率,26片和100卷,2總測量/成像會話。1.5 t和3 t掃描儀的參數是相同的。用SPM for MATLAB (MathWorks)對fMRI數據集進行分析，使用校正后的顯著性水平p < 0.05，簇大小為> 20體素。功能成像后獲得高分辨率的t1加權結構圖像(磁化制備快速采集梯度回波[MPRAGE]，采集矩陣256×168,TE 2.86 msec, TR 5.98 msec, FA 10°，各向同性體素1 mm3)。

術中成像過程

測量使用了不同的IOI設置;表1給出了關于每種設置技術組件的概述。在所有病例中攝像裝置都是通過一個分束器連接到手術顯微鏡上的。在λ= 568±5nm光路內，針對血容量變化進行光波長濾波(單色成像相機)。圖像數據集以每秒4-7幀的速度采集。用于測量的不同硬件設置的部分將在其他地方詳細描述。表2給出了每個患者使用的IOI系統(tǒng)的概述。所有患者均在開顱手術后直接行骨密度測量。測量是完全非接觸和無創(chuàng)傷的。持續(xù)9分鐘的言語任務(顯性言語)， 10名患者中的8名首先執(zhí)行的任務。這項任務的方案是根據過去用于刺激不同周圍神經的方案設計的，包括一個9分鐘的計劃，30秒休息和30秒命名試驗交替進行。在1例患者中，這個方案是不同的，并且沒有發(fā)聲的命名(無聲言語)額外執(zhí)行。在商業(yè)筆記本電腦上運行的演示中，這些被命名的對象通過計時幻燈片在手術中呈現給患者。當患者在進行語言任務時，在命名(“刺激”)試驗中，顯示的物體每5秒改變一次。在30秒的休息試驗中，播放一張空白幻燈片。

在10例患者中，我們觀察了2例常規(guī)DES言語標測IOI。對于每個刺激點采集一組1分鐘的成像數據。這些數據集包括15秒的基線圖像、5秒的刺激圖像和40秒的刺激后圖像，最終數據集的總長度為1分鐘。在語音映射過程中，刺激電流(Istim)為6 mA，刺激持續(xù)時間(Tstim)為5秒，刺激頻率(fstim)為50 Hz(脈沖寬度[Tpulse]為200 msec)。皮質電造影與光學記錄并行進行，以檢測放電后和癲癇發(fā)作。因此，在暴露的皮質區(qū)域外硬膜下放置雙極。

運動任務的設計方式與語言任務相同。病例1和病例2分別進行手指叩擊和手開合，時間30秒，9分鐘以上。為了驗證IOI測量結果，術中使用體感誘發(fā)電位和單極皮層刺激的相位反轉測量來識別運動區(qū)域。

病例

MRI表現為典型的左額顳部低級別膠質瘤8例，靠近中央前回轉移2例(男5例，女5例;中位年齡40.5歲)納入本研究。所有患者均獲得知情同意。該研究得到了德累斯頓技術倫理委員會(Universit?t Dresden)的批準。表2給出了每個患者的特點和應用的影像學方法的概述。

數據分析、驗證和fMRI評估、DES映射和IOI

對患者進行9分鐘任務(言語或運動任務)的數據評估是通過傅里葉分析完成的，在以前的出版物中有詳細描述。所得到的IOI活動圖與術前獲得的解剖MRI和fMRI數據共同登記。根據神經導航系統(tǒng)的解剖標志和數據點手動進行注冊。通常在手術過程中保存顱骨鉆孔的邊界以及不同的DES位點，以簡化術后圖像配準和融合過程?；谧缘臄祿捌淇梢暬?個獨立的評估者對不同模式(IOI、DES和fMRI)定位結果的一致性進行定性評估。4層分級評估方案包括水平“不”,“低”“溫和”和“高等級。在表3的腳注中可以找到每一層的詳細說明。

在使用DES進行語言映射過程中，使用差異成像技術計算代表代謝變化空間范圍(DCBV)的偽彩色活動圖。使用平均基線圖像(Ibase)和平均刺激后圖像(Ips)計算每個刺激部位的相對差圖像(RDI)，計算公式如下:

在刺激結束后直接在IOI數據中可以看到代謝變化的最高程度。因此，根據刺激開始前10秒采集的圖像計算Ibase，根據刺激結束后10秒采集的圖像計算Ips。關于這個方法的更詳細的描述可以在Oelschl?gel等找到。為了計算激活程度，我們使用了如圖1所示的圖像處理鏈。最終激活的面積(A)(圖1F)是根據已知的雙極電極電極間距離(約0.8 cm)的圖像數據計算出來的。

結果

功能測量(運動和言語任務)

表3的運動任務部分詳細顯示了IOI和fMRI在運動任務方面的一致性。使用IOI方法，能夠誘導兩名患者的中央前回(運動皮層)的局部描繪活動(一名患者進行手指輕敲，另一名患者進行手的開合)。比較病例1患者的RGB相機不同觀察波長(不同顏色通道)，可見中央前回(感覺皮層)的額外活動，特別是紅色通道(脫氧血紅蛋白為主信號)。此外，紅色通道的活動圖強調大靜脈結構，而藍色和綠色通道圖往往更關注皮質光學特性的實質變化(圖2)。IOI的結果與術前獲得的fMRI以及術中相位反轉測量和電生理測圖相一致。

表3的言語任務部分顯示了不同成像模式的語言定位的一致。在8個病人中的5個，可以觀察到IOI和fMRI語言定位之間的一致性。另外3名患者的測量結果顯示，這兩種模式之間沒有相關性，其中2例是由弱功能磁共振成像或弱IOI激活引起的，1例是由完全不同的激活位點引起的。比較IOI和DES, 8例患者中有7例顯示一致。在1例患者中，影像學模式之間沒有對應關系。圖3顯示病例3左島葉低級別星形細胞瘤的詳細結果。標記物4(紅色)誘發(fā)癲癇。在圖3的右側部分，該患者的IOI活動圖與fMRI反應重疊。在功能磁共振成像中被激活的大部分區(qū)域也可以通過IOI看到，特別是在使用公開語言進行命名任務時。無聲言語任務主要顯示在標記7附近的區(qū)域，即DES誘導的言語抑制區(qū)域。結果被評估為沉默言語的IOI和DES之間的溫和協(xié)議和公開言語的不協(xié)議。通過比較IOI和fMRI，可以看到對于公開言語的高度一致，對于無聲言語的中度一致(表3)。

在DES映射過程中的IOI

在8例患者中，觀察了2例伴有IOI的術中去映射操作。我們能夠可視化每個DES后代謝變化的空間范圍，因此能夠觀測到刺激影響的區(qū)域。采用了閾值化和圖像處理技術相結合的差分成像技術(見方法部分)。病例9和病例10的結果如圖4所示。

病例9刺激影響面積從Amin = 56mm2到Amax = 155 mm2(平均= 106±30 mm2[n = 8]，環(huán)鉆術面積[Atrep] = 2626 mm2，術中刺激電流振幅[Istim] = mm2)。在標記為數字8的部位觀察到的激活程度最高，該部位由于電刺激而引起癲癇發(fā)作。在標記為1的部位觀察到最低程度的激活。在9號刺激點，記錄了后放電，在IOI活動圖中可以看到彌漫性的、廣泛的活動。

在病例10(皮質位置的膠質瘤)中，腫瘤和非腫瘤刺激部位的激活區(qū)域大小存在差異。在腫瘤刺激部位(n = 3)，激活面積在Amin = 3mm2和Amax = 26mm2之間變化，而在非腫瘤部位(n = 4)，激活面積從Amin = 44mm2到Amax = 130 mm2

討論

本研究提示，在清醒狀態(tài)下，IOI的一個有前景的應用領域是識別中樞前回的主要運動區(qū)域。使用一個簡單的RGB相機(已經是現代手術顯微鏡的一部分)，研究中確定了2例與電生理測量相對應的皮質區(qū)域。與用電極條獲取的離散信息相反，IOI活動圖具有高度的空間分辨率。此外，活動圖在方法上具有固有的優(yōu)勢，能夠很容易在實際的術中場景中實現可視化。因此，大腦的移動以及由此導致的神經導航系統(tǒng)配準精度的喪失與IOI無關，而術前獲得的fMRI配準精度則至關重要。

功能磁共振成像(fMRI)和神經功能測量儀(IOI)對流利語言區(qū)域定位的比較表明，在大多數情況下，兩種模式之間存在顯著差異。有幾個可能的原因可能導致這些結果。IOI和fMRI測量神經元活動后通過神經血管耦合過程引起的代謝變化。然而，IOI信號的生理來源依賴于觀察波長。研究顯示在610 nm處的IOI和fMRI以及fMRI和DES (舌頭運動任務)在功能區(qū)域的共定位上存在差異。根據研究中以往研究的經驗，血容量圖(568nm)比氧合圖(610nm)在實質中更緊湊，定位更強，強調更大的靜脈結構，分布范圍更廣。因此，本次研究中選擇了568 nm作為IOI的觀測波長，但結果也顯示大多數情況下激活區(qū)域的定位存在差異。盡管信號的生理來源不同，所使用的語言刺激范式可能是造成這種定位差異的一個重要因素。在功能性磁共振成像測量中，無聲言語被用來喚起言語處理區(qū)域的活動，而這種技術在掃描過程中易受到運動偽影的影響。因此本研究中僅對1例患者進行了無聲講話;其余的患者則均使用了顯性語言。

利用功能磁共振成像(fMRI)，既往已經證明，不同的刺激模式會導致不同的皮層部位激活。因此，我們不能忽視這種影響，但刺激范式的細微差異在本研究中被接受，因為公開言語任務更容易控制患者是否合作(特別是在麻醉的影響下)和實際執(zhí)行所需的任務。對于無聲的言語刺激，缺失的反饋可能會導致結果缺失。病例3的結果也特別表明，盡管刺激范式不同，fMRI(無聲言語)和IOI(顯性言語)之間是能夠具有良好的一致性的。

在DES監(jiān)測結果中，本研究中IOI的激活和fMRI的激活大多大于語言阻滯部位的面積，這與Cannestra等發(fā)表的其他研究結果一致。研究結果表明，目前在有語言任務的手術中應用IOI的手術益處甚微。由于神經語言處理的復雜性，對數據的解釋是具有挑戰(zhàn)性的，其結果對術中決策的價值很小。

然而，在語言映射過程中，IOI作為反饋和補充工具是很有價值的。我們成功地使用該方法為外科醫(yī)生提供了關于每個空間刺激程度的視覺反饋。該技術可以很容易地應用，很少額外的硬件和術前準備。使用DES的語言映射過程的工作流程中唯一的變化是編號刺激點標記的定位時間。為了確保它們不覆蓋表面的重要區(qū)域，在當前部位刺激后，將它們放在皮層上，完成對光學變化的記錄。

結論

本研究結果提示9分鐘語言任務的活動圖太不具體，無法提供關于術中需要保存的基本語言區(qū)域的可靠信息。因此，使用DES進行腦功能區(qū)繪制仍然是首選的方法。IOI更有用的應用是識別主要運動區(qū)域，本文通過使用一個簡單的彩色攝像機成功地根據功能磁共振成像和電生理測量對患者的該區(qū)域進行了繪制。在標準語言映射過程中，IOI與DES的結合是一個很有前途的新應用。

述評：

目前神經外科臨床中直接電刺激(direct electrical stimulation, DES)是最常用的腦功能區(qū)的定位技術，本文研究了術中光學成像(Intraoperative optical imaging, IOI)在喚醒神經外科術中作用，并于傳統(tǒng)的fMRI和DES進行比較， 結果提示IOI可能在識別主要運動相關功能區(qū)域具有良好前景，而對于語言功能區(qū)域作用目前技術無法得以保障，因此，使用DES進行腦功能區(qū)繪制仍然是首選的技術，但IOI可能作為DES的輔助手段。因為DES的潛在生理機制尚不清楚有待闡釋，同時有賴于技術因素(如波長)，目前亦不清楚觀察到的代謝變化和電場傳播之間的距離。IOI中帶有附加照相機的顯微鏡應朝向皮質表面以相當平坦的角度放置，以避免鏡面反射。由于患者在手術過程中是清醒的，并且會說話，術中患者頭部固定在立體定向框架中，即使出現的微小運動也會引起問題。因此，本研究中對每個時間序列進行彈性圖像配準，以最小化圖像數據評估過程中的運動影響。但本研究的不足之處在于患者隊列數量少且多樣化，但本研究對不同的治療模式進行了定性比較，發(fā)現這對于語言和運動測試中的IOI的初步評估是足夠的。不過本文研究結果同樣提示9分鐘語音任務的結果太不具體，無法進行定量比較，而定量比較又高度依賴于多種影響因素，如fMRI顯著性閾值和激活深度、IOI可視化閾值和DES參數。因此，為了證明和驗證結果，額外特別是關于多個影響參數評估的硬件和軟件是必需的，因此， IOI在喚醒神經外科術中的應用研究未來應集中在獲取新的患者數據和深入分析如運動皮層激活的可視化和大腦繪圖過程中的刺激程度量級等。

編譯：查超超

述評：羅猛強，鄧萌

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網址: 使用術中光學成像繪制清醒神經外科手術時的語言和運動功能 http://m.gysdgmq.cn/newsview133764.html