磁共振功能影像在脑肿瘤立体定向放射治疗中的应用

磁 共 振 功 能 影 像 在 脑 肿 瘤 立 体 定 向 放 射 治 疗 中 的 应 用 北 京 医 院 放 疗 科 刘 原 照 人 脑 细 胞 有 140-160 亿 条 肿 瘤 功 能 影 像 功 能 磁 共 振 成 像 (fmri) 磁 共 振 波 谱 (MRS) 磁 共 振 弥 散 成 像 (DWI) SPECT PETCT -------- fmri 在 脑 肿 瘤 立 体 定 向 放 射 治 疗 中 的 应 用 二 十 世 纪 90 年 代 后 期, 功 能 磁 共 振 成 像 (fmri) 是 在 传 统 核 磁 共 振 成 像 技 术 的 基 础 上 迅 速 发 展 起 来 的 一 种 新 的 成 像 技 术 它 把 神 经 活 动 和 高 分 辩 核 磁 成 像 技 术 完 美 结 合 它 能 够 得 到 人 脑 在 执 行 某 项 任 务 或 受 到 某 种 刺 激 时 被 激 活 区 域 的 功 能 映 射 图 1

在 临 床 医 学 领 域 中, 神 经 外 科 术 前 fmri 可 以 确 定 脑 功 能 区 与 脑 肿 瘤 的 解 剖 关 系, 帮 助 外 科 医 生 选 择 最 优 化 手 术 路 线, 以 提 高 手 术 成 功 率 脑 肿 瘤 大 剂 量 立 体 定 向 放 射 治 疗 (SRT) 也 需 要 疗 前 明 确 肿 瘤 与 脑 功 能 区 关 系, 以 提 高 局 控 率 减 少 并 发 症 率 一 fmri 成 像 原 理 二. 正 常 生 理 活 动 的 fmri 四.fMRI 存 在 的 问 题 及 发 展 前 景 一 fmri 成 像 原 理 fmri 技 术 主 要 有 3 类 成 像 技 术 : 1 脑 血 流 测 定 技 术, 包 括 注 射 造 影 剂 灌 注 加 权 和 BOLD 效 应 成 像 2 脑 代 谢 测 定 技 术, 包 括 1 H, 31 P 的 化 学 位 移 成 像 3 神 经 纤 维 示 踪 技 术, 包 括 扩 散 张 量 和 磁 化 转 移 成 像 一 fmri 成 像 原 理 BOLD 效 应 : 神 经 元 活 动 血 流 量 血 红 蛋 白 T 2 信 号 延 长 脱 氧 血 红 蛋 白 二. 正 常 生 理 活 动 的 fmri 二. 正 常 生 理 活 动 的 fmri 视 觉 中 枢 : 枕 叶 手 部 运 动 : 对 侧 中 央 沟 周 围 皮 层, 对 侧 主 感 觉 运 动 皮 层 辅 助 运 动 区 的 头 尾 部 豆 状 核 2

二. 正 常 生 理 活 动 的 fmri 1, 语 言 功 能 活 动 区 位 于 额 前 叶 颞 叶 角 回 皮 层 压 部 后 方 及 丘 脑 内 囊 区, 而 且 语 言 功 能 有 明 显 的 左 侧 优 势 3, 触 觉 的 功 能 活 动 区 分 布 在 对 侧 的 第 一 感 觉 皮 层 的 手 部 感 觉 代 表 区 顶 后 皮 层 及 顶 盖 皮 层 听 觉 的 主 要 功 能 区 位 于 颞 上 小 叶 4, 嗅 觉 刺 激 可 引 起 脑 多 个 区 域 的 功 能 变 化, 主 要 为 丘 脑 中 部 前 份 额 下 回 运 动 前 区 边 缘 杏 仁 核 下 丘 脑 海 马 回 区 等 结 构, 大 脑 半 球 两 侧 功 能 活 动 区 基 fmri 确 定 病 灶 区 与 功 能 区 之 间 的 空 间 关 系 在 SRT 治 疗 计 划 系 统 中, 利 用 射 线 设 计 软 件 功 能, 设 计 最 佳 照 射 入 经 及 放 射 弧 度 数, 在 保 证 靶 区 得 到 有 效 治 疗 剂 量 的 同 时, 尽 可 能 避 开 脑 功 能 区 受 到 过 量 照 射 2001 年 1 月 ~2003 年 4 月. 4 例 是 否 采 用 fmri 定 位 的 对 比 分 析, 探 讨 fmri 在 SRT 中 的 价 值 例 1, 男,78 岁, 肺 癌 术 后 2 年 顶 叶 转 移 瘤 ; 例 2, 男,61 岁, 脑 胶 质 瘤 术 后 1 年 ; 例 3, 男,59 岁, 肺 癌 术 后 2 年 顶 叶 转 移 瘤 ; 例 4, 女,58 岁, 乳 癌 术 后 4 年 双 顶 叶 转 移 瘤 方 法 1. 选 择 脑 肿 瘤 临 近 脑 功 能 区 的 患 者 先 做 增 强 MRI 进 一 步 明 确 病 灶 显 示 运 动 区 的 fmri 要 求 患 者 双 手 指 活 动, 每 次 20 秒,20 秒 后 反 复, 直 至 20 次 方 法 治 疗 计 划 作 两 套 方 案 : 一 个 以 CT 为 依 据 确 定 治 疗 计 划 ; 另 一 个 通 过 CT MRI fmri 图 像 融 合, 确 定 靶 区 及 脑 运 动 区 的 条 件 下 作 治 疗 计 划 3

方 法 SRT 的 周 边 剂 量 为 每 次 6 Gy ~ 8Gy, 总 量 为 18 Gy ~24 Gy, 治 疗 后 辅 以 常 规 照 射 40 Gy ~50 Gy/4 周 ~5 周 方 法 平 均 剂 量 (D) 进 行 评 价 Δ D 代 表 剂 量 下 降 率,D r 及 D fmri 分 别 代 表 常 规 定 位 与 fmri 定 位 平 均 剂 量, Δ V i 和 D i 分 别 代 表 单 位 体 积 及 其 对 应 的 剂 量 结 果 4 例 随 访 3 月 ~30 月, 平 均 为 18.5 月 4 例 均 未 出 现 局 部 复 发 以 及 脑 运 动 区 的 放 射 损 伤 引 起 的 并 发 症 1 例 脑 转 移 瘤 治 疗 后 6 月 死 于 全 身 转 移 两 种 治 疗 计 划 对 脑 运 动 中 枢 的 剂 量 的 比 较 病 例 运 动 中 枢 平 均 剂 量 D fmri (Gy) D r (Gy) 1 4.95 6.50 23.8 % 2 2.79 3.26 14.4 % 3 0.24 1.16 79.3 % 4 9.96 11.67 14.7 % 平 均 / / 33.1% 例 1: 肺 癌 术 后 2 年 顶 叶 转 移 瘤 无 fmri 图 像 融 合 的 计 划 有 fmri 图 像 融 合 的 计 划 4

Liu 等 人 通 过 对 比 研 究,fMRI 定 位 比 常 规 定 位 的 脑 功 能 区 的 平 均 剂 量 下 降 32% 本 文 对 比 研 究 结 果 平 均 剂 量 下 降 33%, Liu WC,Schulder M,Narra V,et al.functional magnetic resonance imaging aided radiation treatment planning. Med Phys 2000,27(7):1563-1572. 通 过 fmri 的 功 能 区 定 位, 使 SRT 更 有 的 放 矢, 既 避 开 正 常 脑 组 织, 尤 其 是 脑 功 能 区, 又 对 脑 肿 瘤 给 予 较 大 剂 量 的 照 射, 从 而 达 到 提 高 疗 效 减 少 并 发 症 的 目 的 四,fMRI 存 在 的 问 题 及 发 展 前 景 1,fMRI 图 像 噪 声 问 题 : 血 流 仅 占 脑 灰 质 的 6% 左 右 由 神 经 元 活 动 造 成 的 血 流 动 力 学 信 号 的 改 变 所 占 的 比 例 更 小 因 此, 以 探 测 血 流 变 化 的 fmri 受 噪 声 的 影 响 比 较 大 主 要 包 括 系 统 噪 声 和 生 理 噪 声 四, fmri 存 在 的 问 题 及 发 展 前 景 1,fMRI 图 像 噪 声 问 题 : 系 统 噪 声 是 成 像 环 境 及 成 像 系 统 本 身 造 成 的 噪 声 生 理 噪 声 是 由 于 患 者 的 呼 吸 心 脏 的 跳 动 及 与 刺 激 无 关 的 神 经 活 动 造 成 的 噪 声 目 前 解 决 噪 声 最 理 想 的 方 法 为 图 像 后 处 理 四, fmri 存 在 的 问 题 及 发 展 前 景 2,fMRI 运 动 伪 影 : fmri 对 患 者 头 部 的 运 动 十 分 敏 感 微 小 头 部 运 动 造 成 脑 边 缘 素 强 度 的 变 化 远 大 于 BOLD 激 活 反 映 因 此, 作 fmri 时, 固 定 患 者 的 头 部 非 常 主 要 对 于 一 些 不 能 控 制 头 部 运 动 的 患 者, 可 利 用 图 像 配 准 技 术 对 运 动 伪 影 进 行 校 正 四, fmri 存 在 的 问 题 及 发 展 前 景 3, BOLD 技 术 fmri 的 工 作 机 制 问 题 : fmri 通 过 MR 信 号 的 测 定 来 反 应 血 氧 饱 和 度 及 血 流 量, 肿 瘤 及 肿 瘤 周 围 血 管 的 异 常 变 化, 在 受 到 刺 激 时 血 流 量 有 时 增 加 不 明 显 或 不 增 加, 从 而 减 弱 了 fmri 对 活 动 功 能 区 的 检 测 能 力 另 外,fMRI 不 能 显 示 皮 层 下 功 能 活 动, 对 脑 功 能 的 评 价 不 全 面 5

四, fmri 存 在 的 问 题 及 发 展 前 景 fmri 仍 然 是 一 种 处 于 发 展 阶 段 的 研 究 性 功 能 成 像 方 法 在 脑 科 学 研 究 及 临 床 应 用 中 涉 及 到 几 个 环 节 的 问 题 : 刺 激 方 案 的 设 计 问 题 ; 所 使 用 的 快 速 成 像 序 列 的 优 化 问 题 ; 图 像 的 后 处 理 方 法 的 选 择 及 可 视 化 问 题 等 四, fmri 存 在 的 问 题 及 发 展 前 景 尽 管 fmri 还 存 在 一 些 问 题, 但 作 为 发 展 最 迅 速 的 脑 功 能 成 像 技 术, 随 着 深 入 的 研 究,fMRI 将 在 脑 肿 瘤 SRT 治 疗 方 面 发 挥 更 大 的 作 用 MRS 在 脑 肿 瘤 立 体 定 向 放 射 治 疗 中 的 应 用 二. MRS 的 基 本 图 像 四. MRS 存 在 的 问 题 及 发 展 前 景 MRS 技 术 是 利 用 原 子 核 的 化 学 位 移 分 析 分 子 结 构, 观 察 细 胞 代 谢 变 化 的 非 创 性 技 术 1987 年 Gordon 获 得 了 第 一 个 人 体 31 P 波 谱 可 用 医 学 领 域 波 谱 研 究 的 原 子 核 有 1H 31 P 7Li 13 C 23Na 19F 15N 等, 其 中 以 1 H MRS 质 子 波 谱 技 术 的 应 用 最 为 广 泛 根 据 这 此 代 谢 物 含 量 的 多 少 来 分 析 组 织 代 谢 的 变 化, 结 合 MRI 图 像 提 供 的 病 变 形 态 学 特 点 综 合 分 析 后 对 肿 瘤 生 物 学 类 型 肿 瘤 的 分 级 肿 瘤 的 预 后 以 及 肿 瘤 的 鉴 别 诊 断 6

可 用 来 检 测 颅 内 多 种 微 量 代 谢 物, 如 胆 碱 Choline (Cho) 肌 酸 Creatine (Cr) 肌 醇 Myo2inosi2tol (MI) N2 乙 酰 天 门 冬 氨 酸 N2acetyl aspartate (NAA) 谷 氨 酸 Glutamic Acid (Glu) 和 谷 氨 酰 胺 Glu2tamine (Gln) 乳 酸 Lactate (Lac) 丙 氨 酸 Alanine (Ala) 脂 质 Lipid (Lip) 等 常 见 代 谢 物 及 其 相 应 意 义 1,N2 乙 酰 天 门 冬 氨 酸 (NAA) : 神 经 元 标 志 物, 当 神 经 元 减 少 和 破 坏 时 信 号 峰 变 低 见 于 缺 血 炎 症 肿 瘤 等 2, 胆 碱 (Cho) :Cho 的 升 高 意 味 着 细 胞 膜 分 裂 增 殖 旺 盛, 见 于 肿 瘤 炎 症 缺 氧 等 二.MRS 的 基 本 图 像 常 见 代 谢 物 及 其 相 应 意 义 3, 脂 质 (Lip) :Lipid 峰 的 升 高 反 映 了 组 织 坏 死 的 产 生, 其 常 见 于 转 移 瘤, 脑 膜 瘤, 胶 质 瘤 等 4, 肌 酸 (Cr) : 升 高 见 于 创 伤 高 渗, 降 低 见 于 肿 瘤 卒 中 缺 氧 等 二.MRS 的 基 本 图 像 二.MRS 的 基 本 图 像 采 集 体 素 的 体 积 不 能 小 于 1ml, 代 谢 物 的 浓 度 必 须 大 于 1mM, 才 有 可 能 得 出 可 判 读 的 在 体 MRS 谱 线 7

二.MRS 的 基 本 图 像 二.MRS 的 基 本 图 像 Cho 升 高,NAA 降 低 Cho 明 显 升 高,NAA 明 显 降 低 近 年 来 众 多 的 研 究 发 现 1 H MRS 在 描 述 脑 部 肿 瘤 的 恶 性 程 度 肿 瘤 放 射 治 疗 计 划 的 制 订 和 评 价 预 后 方 面 比 常 规 MRI 有 着 更 重 要 的 意 义 男 57 岁 脑 胶 质 瘤 术 后 8

肿 瘤 精 确 勾 画 Pirzkall A 等 34 名 星 形 细 胞 瘤 放 疗, 发 现 利 用 MRS 可 使 放 疗 范 围 减 少, 同 时 瘤 体 的 放 射 照 射 量 增 加, 因 而 可 有 效 的 降 低 放 疗 并 发 症 的 发 生 Graves EE 等 对 36 例 复 发 胶 质 瘤 利 用 MRS 定 位 指 导 r 刀 计 划, 可 降 低 治 疗 体 积 及 减 少 治 疗 时 间 (p<0.01), 认 为 MRS 可 改 善 治 疗 方 案, 提 高 局 控 率 Pirzkall A et al, Int J Radiat Oncol Biol Phys, 2001, 50: 315-328. Graves EE, University of California USA Grosu 对 44 例 放 疗 复 发 胶 质 瘤 SRT 定 位 方 式 中 位 生 存 期 p MRS,PET CT, MRI 14 个 月 6 个 月 0.03 Grosu A et al, Int J Radiat Oncol Biol Phys, 2004, 60: 202. 9

四. MRS 存 在 的 问 题 及 发 展 前 景 1,MRS 伪 影 : A, 化 学 位 移 伪 影, 设 备 均 匀 性 及 稳 定 性 调 整, 定 期 测 定 B, 磁 敏 感 性 伪 影, 与 周 围 磁 敏 感 性 物 质 有 关, 如 靠 近 含 大 量 脂 肪 的 颅 骨 C, 运 动 性 伪 影, 固 定 患 者 头 部 四. MRS 存 在 的 问 题 及 发 展 前 景 总 结 2, 结 果 的 可 靠 性 :MRS 对 胶 质 瘤 的 分 级 尚 有 一 定 困 难 理 论 上, 肿 瘤 的 恶 性 程 度 越 高, Cho / NAA 越 大 但 研 究 中 发 现 在 高 级 胶 质 瘤 的 坏 死 区 Cho/ NAA 低, 肿 瘤 坏 死 的 污 染, 影 响 其 最 终 测 算 结 果 通 过 fmri 定 位, 使 SRT 避 开 脑 功 能 区, 减 少 并 发 症 通 过 MRS 定 位, 使 SRT 更 有 的 放 矢, 提 高 疗 效. 感 谢 感 谢 北 京 医 院 核 磁 共 振 室 中 国 科 学 院 吴 钦 宏 肖 素 华 高 鸿 刘 明 远 李 高 峰 修 霞 10