血氧水平依賴功能磁共振成像在腫瘤中的應(yīng)用研究進(jìn)展

吳琴　李光明

(1.川北醫(yī)學(xué)院附屬醫(yī)院腫瘤科，四川 南充　637000；2.川北醫(yī)學(xué)院第二臨床學(xué)院南充市中心醫(yī)院腫瘤防治中心，四川 南充　637000)

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血氧水平依賴功能磁共振成像在腫瘤中的應(yīng)用研究進(jìn)展

吳琴1,2李光明2△

(1.川北醫(yī)學(xué)院附屬醫(yī)院腫瘤科，四川 南充637000；2.川北醫(yī)學(xué)院第二臨床學(xué)院南充市中心醫(yī)院腫瘤防治中心，四川 南充637000)

摘要血氧水平依賴功能磁共振成像(Blood oxygenation level dependent functional magnetic resonance imaging，BOLD-fMRI)是一種融合解剖、功能于一體的無創(chuàng)性檢查，它利用人體自身內(nèi)部血氧濃度變化作為天然造影劑成像，通過血氧飽和度的對比變化來反映腦神經(jīng)功能活動情況，能提供較高的空間及時間分辨率，相較于傳統(tǒng)的電子計算機斷層圖掃描、磁共振成像及正電子發(fā)射斷層圖等影像成像方法，BOLD-fMRI具有無創(chuàng)、、非侵入性、無放射性、無需注射對比劑、空間及時間分辨率高等優(yōu)點，能獲得分辨率高、精確度好、清晰度高的功能及解剖圖像，在臨床就診過程中扮演著越來越重要的角色。腫瘤是21世紀(jì)全球主要的公共健康問題之一，因其具有高復(fù)發(fā)率、高致殘率及高死亡率的特點，已成為當(dāng)今社會威脅人類健康的重要殺手，如何提高腫瘤患者的治療療效及生存質(zhì)量越來越引起大家的注意，而BOLD-fMRI為腫瘤的診斷、治療及預(yù)后評價提供了更為可靠地證據(jù)，本文就BOLD-fMRI在腫瘤中的應(yīng)用進(jìn)行簡單的綜述。

關(guān)鍵詞：血氧水平依賴功能磁共振成像；腫瘤；診斷；治療

1BOLD-fMRI的基本原理及其影響因素

1.1基本原理

血氧水平依賴功能磁共振成像(Blood oxygenation level dependent functional magnetic resonance imaging，BOLD-fMRI)作為一種近年來發(fā)展的一種非侵入性檢查，在1990年最先由Ogawa等[1,2]提出，他們認(rèn)為BOLD-fMRI利用人體自身內(nèi)源性血紅蛋白作為對比劑，通過血氧濃度的變化作為天然造影劑成像，通過血氧飽和度的對比變化來反映腦神經(jīng)功能活動情況，反映了神經(jīng)活動下血流、血容量和血紅蛋白氧合程度三者的變化，獲得解剖和功能信號。而早在20世紀(jì)30年代，就有學(xué)者提出去氧血紅蛋白是一種存在體內(nèi)的天然順磁性物質(zhì)，血液中的去氧血紅蛋白及氧合血紅蛋白兩者具有相反的磁特性，因而血紅蛋白的氧合程度可以決定體內(nèi)血液的磁性[4]。Kwong[5]認(rèn)為當(dāng)局部血管內(nèi)血流量增加時，隨之氧合血紅蛋白含量相對增加，去氧血紅蛋白減少，而具有順磁性的去氧血紅蛋白在血管和其周邊產(chǎn)生的局部梯度小磁場，縮短T2*的作用也減少，就使局部 T2* 相對延長；反之，當(dāng)去氧血紅蛋白增加，T2*值縮短。由于組織去氧血紅蛋白濃度與橫向弛豫率(R2*)值相關(guān)，因此影像學(xué)上多采用 R2*值(R2*=1/T2*，單位Hz)作為評價指標(biāo)[6]，BOLD-fMRI 技術(shù)正是基于以上原理開發(fā)應(yīng)用的，以組織器官的血流動力學(xué) 為基礎(chǔ)，利用血氧濃度的變化作為天然造影劑，研究正常及異常組織內(nèi)氧含量的變化，因此在處理BOLD-fMRI圖像時，可通過專業(yè)測量軟件測量T2*值或R2*值。

1.2影響因素

Ogawa 等[1,2,3]認(rèn)為BOLD-fMRI是通過腦血流量、腦血容量及腦血氧代謝率來間接反應(yīng)腦神經(jīng)元的電活動，任何可影響上述三者的因素都會影響B(tài)OLD-fMRI信號，而不是通過直接檢測神經(jīng)元的電活動來完成。而Gupta等[7]發(fā)現(xiàn)BOLD信號由三部分組成：真正的神經(jīng)元活動、敏感性偽影以及神經(jīng)血管解偶聯(lián)效應(yīng)，其中后兩者均可產(chǎn)生偽信號，干擾最終結(jié)果。臨床檢測過程中可聯(lián)合多種磁共振功能成像技術(shù)，如彌散張量成像(DTI)、增強灌注成像(PWI)、磁共振波譜(MRS)等獲得更加真實可靠的結(jié)果。Kim等[8,9]發(fā)現(xiàn)BOLD信號改變與腦血流(Cerebral blood flow，CBF)和腦氧代謝率(Cerebral metabolic rate of oxygen，CMRO2)的相對變化有負(fù)相關(guān)的關(guān)系。而除了器官組織局部的血流影響因素外，還有其他干擾BOLD-fMRI信號的檢測，倪萍等[10]對77例行運動功能BOLD-fMRI的受檢者開展質(zhì)量控制，發(fā)現(xiàn)主磁場的不均勻、梯度磁場的非線性、數(shù)模轉(zhuǎn)換不準(zhǔn)、系統(tǒng)噪聲等設(shè)備因素，被試者的頭動、心跳、呼吸、情緒狀態(tài)、吞咽及咳嗽等受試者因素，磁體是否遠(yuǎn)離震動源、磁共振系統(tǒng)的電源是否具有高質(zhì)量穩(wěn)定電源、屏蔽房是否具有良好的射頻屏蔽性能等外界環(huán)境因素，數(shù)據(jù)處理過程中SPM軟件分析包產(chǎn)生的偽激活圖等均可影響最終的BOLD-fMRI結(jié)果。所以就要求在行BOLD-fMRI前，制定合理的實驗設(shè)計，考慮可能出現(xiàn)的各種干擾因素，并在條件許可的情況下進(jìn)行有效的干預(yù)及控制，保證數(shù)據(jù)的可靠性和結(jié)果的準(zhǔn)確性。尤其是原始數(shù)據(jù)的質(zhì)量控制至關(guān)重要。

2BOLD-fMRI在腫瘤中的臨床應(yīng)用

2.1BOLD-fMRI在腦腫瘤中的臨床應(yīng)用

大腦作為人體特殊器官，有著許多的特殊功能，當(dāng)大腦發(fā)生腫瘤時，腦腫瘤?？衫奂斑\動、語言等特殊功能區(qū)，大腦處于病理狀態(tài)下，受累腦區(qū)神經(jīng)元的功能及參與該功能的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)都會受到影響，術(shù)前準(zhǔn)確定位這些功能區(qū)，有利于在切除腫瘤病灶時盡量避免損傷腦功能區(qū),在患者術(shù)后的恢復(fù)、減少術(shù)后并發(fā)癥、提高術(shù)后生活質(zhì)量等方面有重要意義。BOLD-fMRI分為任務(wù)態(tài)及靜息態(tài)，任務(wù)態(tài)BOLD-fMRI是在腦功能活動的同時對腦組織進(jìn)行實時的腦功能成像，在有外部刺激情況下神經(jīng)元活動引發(fā)的局部腦血氧水平的改變。已有研究證明任務(wù)態(tài)BOLD-fMRI在有刺激任務(wù)條件下可確定部分腦功能區(qū)[11,12]。靜息態(tài)BOLD-fMRI是根據(jù)腦組織自發(fā)性活動而獲得整個大腦在靜息狀態(tài)下的腦功能成像，患者在靜息狀態(tài)下就能獲得腦功能區(qū)的信息，從而彌補了任務(wù)態(tài)BOLD-fMRI的局限性，如不配合的患者、精神病患者、意識不清、失語或昏迷等特殊情況下不能準(zhǔn)確測量腦功能區(qū)的患者。結(jié)合任務(wù)態(tài)及靜息態(tài)的BOLD-fMRI能更加全面的用圖像的方式顯示抽象的大腦功能活動，在感興趣的腦功能活動區(qū)對腦組織進(jìn)行功能成像。用無創(chuàng)的方式描繪大腦的解剖結(jié)構(gòu)及功能區(qū)，制定最佳治療方案，提高腦腫瘤的切除率，在更完整和精確地切除腫瘤的同時最大程度地具有保全患者的功能。

Tuntiyatorn等[13]術(shù)后利用BOLD-fMRI比較5個原發(fā)性腦腫瘤患者雙手做簡單動作時受累半球與未受累半球的定位圖像，發(fā)現(xiàn)BOLD-fMRI可顯示術(shù)后殘留的功能區(qū)及對側(cè)功能區(qū)的代償情況。Hou等[14]報道了利用BOLD-fMRI及MR灌注成像方法研究腦瘤患者的初級運動皮層(PMC)中BOLD-fMRI激活量對腦腫瘤新生血管形成的影響，收集的57例腦瘤患者的結(jié)果證明，對于IV級神經(jīng)膠質(zhì)瘤，在腫瘤同側(cè)的PMC內(nèi)的BOLD fMRI的活化體積減小，對側(cè)PMC相對區(qū)域腦血容量的增加。Hall等[15]應(yīng)用BOLD-fMRI術(shù)前標(biāo)識腦腫瘤患者的功能區(qū)，并與術(shù)中磁共振神經(jīng)導(dǎo)航系統(tǒng)相結(jié)合，其中69%的患者達(dá)到腫瘤全切除，而且BOLD-fMRI數(shù)據(jù)在所有的病例中術(shù)前定位準(zhǔn)確。另有研究[16]報道BOLD-fMRI可應(yīng)用于腦膠質(zhì)瘤術(shù)后放療靶區(qū)的勾畫及放射劑量的制訂，可降低其放射性損傷的風(fēng)險。和鴻[17]對27例腦星形細(xì)胞瘤術(shù)后擬行進(jìn)一步放療的患者行BOLD-fMRI檢查，不僅可直觀的了解外科切除術(shù)對運動皮層區(qū)的影響，還可指導(dǎo)術(shù)后放療靶區(qū)的勾畫，在保證靶區(qū)治療劑量的同時盡量減少功能區(qū)受量，制定出具有針對性區(qū)域保護(hù)作用的放療計劃，提高患者的生存質(zhì)量。

2.2BOLD-fMRI在其他腫瘤中的臨床應(yīng)用

BOLD-fMRI在非腦腫瘤中的臨床應(yīng)用近年來也有研究，有研究報道利用BOLD-fMRI可幫助鑒別良惡性腫瘤，如孫峰等[18]收集了20例患有四肢骨與軟組織腫瘤的患者，利用BOLD-fMRI對其進(jìn)行檢查，結(jié)果顯示，不同腫瘤及同一腫瘤不同區(qū)域局限性缺血BOLD信號強度信號變化曲線不一致，腫瘤區(qū)域與周圍正常組織BOLD信號變化也有統(tǒng)計學(xué)差異。于德新等[19]對35例肝良性腫瘤、62例肝惡性腫瘤及12例肝膿腫病人行治療前 BOLD-fMRI檢查，結(jié)果表明T2*相關(guān)值有助于鑒別肝臟良惡性腫瘤，T2*值及其病灶/肌比值可為肝膿腫與肝良性腫瘤的鑒別診斷提供支持。有學(xué)者[20]研究了34例存活日期超過10年乳腺癌幸存患者，其中化療組為19例經(jīng)大劑量輔助化療患者，對照組為15例化療劑量不明患者，利用BOLD-fMRI及神經(jīng)心理測試患者化療后的認(rèn)知功能，結(jié)果表明，高劑量的輔助化療與長期的認(rèn)知損害相關(guān)聯(lián)。Gawrysiak等[21]報道了BOLD-fMRI監(jiān)測1例經(jīng)行為激活治療的乳腺癌抑郁患者的腦功能的變化。Boland等[22]研究對24例存在周圍神經(jīng)病變的中樞性疼痛患者進(jìn)行研究，其中12例為慢性化療后引起周圍神經(jīng)病變的多發(fā)性骨髓瘤患者，12例為存在中樞性疼痛的普通志愿者，結(jié)果顯示功能MRI能作為抗癌和鎮(zhèn)痛治療期間監(jiān)測腦功能變化的工具。另有學(xué)者利用BOLD-fMRI監(jiān)測了26例初治的晚期非小細(xì)胞肺癌(NSCLC)患者的(分為厭食組與非厭食組)腦功能，給予食物刺激，非厭食癥患者表現(xiàn)出BOLD信號激活，厭食癥肺癌患者該腦區(qū)域缺乏激活信號[23]。Salvan等[24]利用BOLD-fMRI定位了1例64歲的完全喪失視覺識別功能的轉(zhuǎn)移性乳腺癌患者的大腦視覺功能區(qū)的侵犯病灶。Haneder等[25]利用BOLD-fMRI及彌散加權(quán)成像(DWI)監(jiān)測4例經(jīng)放射治療的晚期胃癌患者的腎功能，2例行三維適形放射治療(3D-CRT)，2例行調(diào)強放射治療(IG-IMRT)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)3D-CRT組腎功能發(fā)生改變，而IG-IMRT組未發(fā)現(xiàn)腎功能改變，他們認(rèn)為fMRI能夠評估放療后腎功能的變化，并且支持IG-IMRT是更有利于患者的放射治療方式。翟曉輝等[26]觀察與比較21例乳腺浸潤性導(dǎo)管癌患者吸氧前后BOLD-fMRI信號的特征及變化，吸氧前腫瘤組織 BOLD-fMRI呈高信號，吸氧后顯示病灶信號減低，證實了BOLD-fMRI具有檢測腫瘤氧合改變的能力，對病灶的準(zhǔn)確定位提供可靠證據(jù)。有學(xué)者[6,27-29]也報道了在肝癌的研究中也得出了同樣的結(jié)果，提示 BOLD-fMRI 能夠評價腫瘤乏氧狀態(tài)，為肝癌治療及術(shù)后隨訪提供評價指標(biāo)。

3結(jié)論與展望

眾多研究結(jié)果表明，因BOLD-fMRI具有安全無創(chuàng)性、可重復(fù)性及高效性等特點，在臨床工作中已逐漸被接受，對腫瘤的診斷、治療計劃的制定及腫瘤術(shù)后功能的監(jiān)測等方面應(yīng)用越來越廣泛。BOLD-fMRI在腫瘤基礎(chǔ)和臨床應(yīng)用方面都具有很大的潛力和廣闊前景，但它也存在一定的局限性，首先，設(shè)備裝置的是否合格和檢查人員的專業(yè)技能是否過硬，會對BOLD-fMRI信號的采集產(chǎn)生一定的影響；其次，部分容積效應(yīng)的影響、圖像偽影的處理、感興趣區(qū)的選擇等均受人為因素的影響，以及存在不可避免的受試者自身影響因素和外界環(huán)境干擾因素，都會對最終的結(jié)果產(chǎn)生影響，因此BOLD-fMRI作為一種具有臨床意義的技術(shù)存在不少問題，需要人們進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)并解決,相信隨著MRI掃描設(shè)備軟硬件的進(jìn)一步改進(jìn)與完善，檢查人員的專業(yè)技能進(jìn)一步的提高，BOLD-fMRI的進(jìn)一步深入研究以及臨床應(yīng)用的經(jīng)驗積累，數(shù)據(jù)處理軟件進(jìn)一步的精進(jìn)，這些問題會逐步得到解決，在將來的臨床工作中發(fā)揮更重要的作用。

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Research progress of blood oxygen level dependent functional magnetic resonance imaging in tumors

Wu Qin1,2, Li Guang-ming2△

(1.Department of Oncology, The Affiliated Hospital of North Sichuan Medical College,Sichuan Nanchong 637000; 2.The Second Clinical Medical College of North Sichuan Medical University/Oncology Center, Nanchong Central Hospital, Sichuan Nanchong 637000)

作者簡介：吳琴，女，川北醫(yī)學(xué)院在讀研究生，主要從事腫瘤放化療工作，Email：846984005@qq.com。 △通訊作者：李光明，男，教授，主要從事腫瘤的時辰治療工作，Email：ligm99999@163.com。

(收稿日期：2016-3-21)