神外资讯【中华神外】专栏,每周发布一篇精选文章,今天刊登的是,由首都医科大学附属北京天坛医院神经外科张建国教授在《中华神经外科杂志》2018年第十二期“述评”上发表的“加强影像后处理技术在癫痫外科的应用与普及”,欢迎阅读。

近年来,癫痫外科的长足进步主要体现在立体脑电图技术和影像后处理技术的快速发展,而后者越来越受到重视的原因是:磁共振成像(MRI)阴性的部分性癫痫是术前评估的一大挑战,据统计颞叶癫痫和额叶癫痫分别有30%和25%~45%的患者归属于MRI阴性癫痫,皮质发育畸形是儿童癫痫最常见的和成人癫痫的第三大病理类型,同样有20%~30%的皮质发育畸形属于MRI阴性[1-3]。医学影像后处理技术可以通过计算机处理辅助筛选颅内异常病灶,提高了MRI阴性致痫灶的检出率,有助于提高癫痫外科的术前评估效率及手术预后。

张建国 教授

北京天坛医院神经外科

数字是医学影像后处理技术的基本元素,临床获得的影像学资料均是由相同大小的体素构成(二维空间称像素;三维空间即为体素),每一体素均有对应的数值,即灰度值,不同大小的灰度值形成了图像的明暗对比,如MRI影像中脑白质、灰质以及脑脊液信号的差异,而影像后处理的本质即是对这些用矩阵代表的影像进行数学运算。利用体素灰度值的大小进行数学运算,可以对MRI影像进行皮质厚度测量、脑组织分割和体积测量等工作,例如可以依据不同皮质厚度进行脑区划分、感兴趣脑区体积测量(海马体积测量、杏仁核体积测量)等。此外,在立体空间里每一个体素均有对应的三维空间坐标(X、Y、Z坐标),以此可以对影像进行缩放、拉伸或平移等操作,可将不同患者的坐标体系进行运算处理,并归属于同一空间体系[即标准化,如蒙特利尔神经学研究所(MNI)的标准空间坐标系],在同一空间体系内不同个体间即能对比彼此间的差异。影像融合前同样需要对不同模态影像的空间坐标体系归一化,常用的即是将所有的影像学资料归一于结构影像(三维T1)空间坐标体系内,这样不同模态影像的脑结构才能完全对应。

影像后处理技术包括结构影像后处理技术、功能影像后处理技术以及多模态影像后处理技术。

结构影像后处理技术在癫痫外科最常用的方法包括目标脑区体积测量、灰度信号分析以及表面形态学分析等。海马硬化大多伴有体积的缩小,海马体积测量主要用以颞叶内侧型癫痫(mesial temporal lobe epilepsy,MTLE)的辅助定性及定侧诊断[4]。自动化海马体积测量对MRI阳性海马硬化的检出率达95%,同时部分增加了MRI阴性MTLE的定性诊断(13%)[5],提示海马体积测量结果虽然可靠,但是对MRI阴性MTLE的检出力有限。随后出现的海马表面形态学分析显示,病变侧海马与标准空间或对侧海马进行配准时,相应的形变信息可以反应海马表面形态的变化(变异)以及两者表面形状的差异,初步研究认为,表面形态分析对海马轻微的萎缩较海马体积测量更为敏感[6]。

此外,MTLE患者伴有同侧内嗅区的萎缩,内嗅区体积测量对于MRI阴性MTLE的定侧准确率为64%[7]。对结构MRI影像进行分割处理后,通过提取脑脊液-灰质交界面信息即能获得脑沟的折叠信息。研究发现,体积小的局灶性皮质发育不良(focal cortical dysplasia,FCD)多位于脑沟沟底(86%),且所在脑沟的深度明显大于正常对照,提示临床对异常加深的脑沟应提防微小FCD的可能[8]。基于形态学测量的分析方法(morphometric analysis programme,MAP)对图像进行计算处理,可以获得灰白质交界区及灰质的位置信息,生成交界图像(junction image)和延伸图像(extension image),分别可以检测MRI结构影像显示不清的灰白质界限及异常突入白质的灰质信号(脑沟异常加深),可以特异性地识别FCD病灶。

临床统计显示,MAP对FCDⅡa的检出率要明显高于传统的肉眼阅片(82%对比65%),而对FCDⅡb的检出率无差异(92%对比91%),可能是因为FCD Ⅱb的MRI影像学改变较显著有关[9]。由此推断,MAP技术可辅助检测MRI显示轻微结构改变及肉眼阅片容易忽略的FCD病灶。MAP技术应用的原则是对计算结果需要进一步的肉眼观察二次确认,若MRI存在轻微结构改变,才能认为MAP结果有意义,MAP无法对MRI绝对阴性的FCD进行检测[9]。此外,基于表面形态(surface-based morphometry,SBM)或形变信息的形态学测量(deformation-based morphometry,DBM)等新型后处理方法在致痫灶中的检测应用正在探索中。

正电子发射断层显像术-X线计算机体层成像(PET-CT)是癫痫外科常规应用的功能影像学评估方法,发作间期致痫灶多表现为低代谢,目前传统阅片方法的不足之处在于无法定量评估低代谢的严重程度及结构分辨率。既往研究提示,对于低代谢范围较广的病灶,致痫灶往往位于代谢下降程度最严重的区域[10]。

PET定量分析技术(SPM-PET)是将患者的PET与正常常模进行对比,筛选异常低代谢的位置并定量分析偏离常模低代谢的程度。此外,健康成年人双侧颞极、感觉运动区等部位存在“生理性低代谢”,若与病灶邻近则影响致痫灶边界的判定,SPM-PET可以区分生理性和病理性低代谢,辅助判断异常低代谢的边界。Mayoral等[11]应用SPM-PET对传统阅片PET阴性的患者进行分析,仍可进一步准确定位40%的致痫灶。部分中心也在应用弥散张量成像(diffusion tensor imaging,DTI)进行致痫灶的探索,多数应用弥散系数或纤维密度分析等手段对致痫灶进行探索和检测,但笔者认为其对致痫灶的定位价值和优势仍需进一步探索。

实际上,PET对FCD的检出率较MRI更为敏感,阳性率为70%~90%[12-15]。但是,对于其空间分辨率较低、低代谢局限(如脑沟沟底)、岛叶低代谢的判读,肉眼阅片容易忽略。目前最为先进的PET-MRI一体机可以弥补该项的不足,但价格昂贵难以在全国普及。PET-MRI融合技术简捷易行,融合图像以MRI作为背景,可以清晰地显示岛叶、脑沟沟底的低代谢情况。Chassoux等[10]对MRI阴性的FCDⅡ型的研究显示,单纯PET阅片对其检出率为78%,PET-MRI融合可高达95%。

笔者统计显示,PET-MRI融合技术显著提高了FCD Ⅱa的检出率(数据尚未发表),因为部分FCDⅡa MRI表现阴性,而PET低代谢范围局限,肉眼难以识别;而PET-MRI融合技术可以检测出位于脑沟沟底或局限于单个脑沟的低代谢,对于患者的治疗评估起到重要作用。对于异常代谢部位与临床脑电、症状学相一致的患者,可以直接切除病灶,即可获得满意的疗效[10]。但必须认识到,PET-MRI融合技术仅是检测异常低代谢,其对FCD的检测特异性较低,所以对于PET-MRI融合结果的判读需要密切结合其他临床评估信息。

症状学、脑电图和影像学是癫痫外科术前评估的三大“法宝”,共同决定最终的手术切除方案。本文讨论的影像后处理技术并非要过分夸大影像后处理技术在癫痫外科术前评估中的价值,而是强调后处理技术可以为癫痫科医生提供更多的信息,弥补肉眼阅片的不足,提高术前评估效率。比如MRI三维脑表面成像可以辅助术中定位脑沟、脑回,且不受脑漂移的影响;PET-MRI融合技术可以准确显示低代谢的边界,辅助脑深部电极埋藏或手术切除方案的制定等。

MRI和PET影像是癫痫术前评估的常规检查手段,绝大部分影像后处理技术均是对MRI和PET影像的后处理,并未给患者增加额外的经济负担。影像学数据获取方便,常用的影响后处理技术软件大多是开源软件或工具包,如MRIcron、3D Slicer、SPM和FreeSurfer等。癫痫内、外科医生需初步了解Matlab的基本操作流程,掌握影像后处理技术的运算原理和重要参数的设定原则,才能熟练掌握基本的影像后处理技术并辅助临床工作。但是,影像后处理技术的相关软件是用于科研研发的工具,后处理技术的结果不能作为临床决策的依据,仅能作为辅助手段提高术前评估的效率,治疗方案需综合各项临床信息进行临床决策。

国外癫痫中心,如MNI、意大利米兰Claudio Munari癫痫中心、法国的马赛及Grenoble等癫痫中心均已成熟开展影像后处理技术,国内影像后处理技术也先后在北京、上海、广州等地逐步开展。在此呼吁各癫痫中心应密切交流,在今后的癫痫外科术前评估相关培训班中加强医学影像后处理技术的规范操作培训,共同促进我国癫痫外科事业的发展。

参考文献

【中华神外】往期回顾

| 微型探头血管超声在颞浅动脉-大脑中动脉搭桥术中的应用

| 肌张力障碍脑深部电刺激疗法中国专家共识

不断挑战复杂难治性颅内动脉瘤

PET-MRI影像融合技术在药物难治性癫痫术前评估中的价值

血管超声在颈动脉内膜切除术前风险评估中的价值

|精准医学时代带给脑干胶质瘤治疗的新模式