腦深部電刺激系統(tǒng)磁共振成像研究

【摘要】 目的 評估腦深部電刺激（DBS）系統(tǒng)在帕金森?。≒D）丘腦底核（STN）刺激術(shù)后磁共振成像（MRI）的安全性，分析掃描前后的偽影大小及其對電極阻抗的影響。方法 納入2023年5月—2024年6月在北京協(xié)和醫(yī)院行DBS植入術(shù)后的23例PD患者，對所有入組患者行頭部1.5 T MRI，記錄掃描前后電極各觸點阻抗值、溫度和特殊吸收率（SAR）值，比較掃描前后各參數(shù)差異；分析患者掃描所得MRI圖像的偽影，比較兩種不同序列偽影體積的差別；探究電極阻抗變化與偽影體積的相關(guān)性。結(jié)果 所有患者在1.5 T MRI掃描前后的溫度和電極阻抗值差異無統(tǒng)計學意義，T1序列雙側(cè)偽影體積平均值均大于T2序列（P=0.001）；掃描前后電極阻抗值變化與偽影體積無顯著相關(guān)（r=-0.268，P=0.355；r=-0.389，P=0.170）。結(jié)論 DBS植入術(shù)后1.5 T MRI掃描具備臨床安全性，雙側(cè)電極植入引起的圖像偽影在不同序列以及不同側(cè)別的體積大小不同，但與掃描前后的阻抗值變化無明顯相關(guān)。

【關(guān)鍵詞】 腦深部電刺激；帕金森?。?.5 T磁共振；磁共振圖像偽影；電極阻抗

【中圖分類號】 R651 【文獻標志碼】 A 【文章編號】 1672-7770（2024）05-0524-05

Magnetic resonance imaging of implanted deep brain stimulation system PAN Huiru， WANG Yaning， BI Yuewei， XU Chi， TAN Xuelin， GUO Kun， GUO Yi. Department of Neurosurgery， Peking Union Medical College Hospital， Beijing 100010， China

Corresponding author： GUO Yi

Abstract： Objective To evaluate the safety of magnetic resonance imaging（MRI） after subthalamic nucleus（STN） stimulation deep brain stimulation（DBS） surgery in Parkinson’s disease（PD）， and to analyze the size of artifacts before and after MRI workup and its impact on the electrode impedance. Methods A total of 23 PD patients who underwent DBS implantation surgery at Peking Union Medical College Hospital from May 2023 to June 2024 were recruited. All enrolled patients underwent 1.5 T MRI， the differences in electrode impedance， temperature， and specific absorption rate（SAR） values before and after MRI were recorded and compared. The artifacts of MRI workup were analyzed and the differences in artifact volume between two different sequences were compared. The correlation between electrode impedance changes and artifact volume were explored. Results There was no statistical significant difference in temperature and electrode impedance values between patients before and after 1.5 T MRI workup. The average volume of bilateral artifacts in T1 sequence was larger than that in T2 sequence（P=0.001）. The changes in electrode impedance values before and after MRI was not significantly correlated with artifact volume（r=-0.268，P=0.355，r=-0.389，P=0.170）. Conclusions PD patients receiving deep brain stimulation may safely undergo 1.5 T MRI workup. The volume of artifacts caused by bilateral electrode implantation vary in different sequences and sides， but it is not significantly correlated with changes in electrode impedance values before and after scanning.

Key words： deep brain stimulation; Parkinson’s disease; 1.5 T MRI; MRI artifacts; electrode impedance

基金項目：國家重點研發(fā)計劃課題（2021YFC2400204）

作者單位：100010 北京，中國醫(yī)學科學院北京協(xié)和醫(yī)院神經(jīng)外科（潘慧茹，王雅寧，畢月薇，郭毅）；北京市第六醫(yī)院醫(yī)學影像科（徐馳，譚雪林，郭坤）

通信作者：郭毅

腦深部電刺激（deep brain stimulation，DBS）用于治療帕金森?。≒arkinson’s disease，PD）、原發(fā)性震顫和肌張力障礙等運動障礙疾病^［1］。它的基本原理是通過術(shù)中將電極植入到腦深部核團、利用埋植在皮下的植入式脈沖發(fā)生器（implantable pulse generator，IPG）發(fā)放慢性的電刺激，來調(diào)節(jié)功能失常的神經(jīng)環(huán)路^［2-4］。此外，它也在以抑郁癥等為代表的精神和認知障礙疾病的治療中展現(xiàn)了一定的效果^［5-6］。與計算機斷層掃描（computed tomography，CT）相比，磁共振成像（magnetic resonance imaging，MRI）自問世以來，因其對軟組織出色的結(jié)構(gòu)與功能成像效果，在臨床中被廣泛運用^［7］。然而，DBS等神經(jīng)調(diào)控系統(tǒng)硬件植入物的MRI掃描一直受到嚴格限制，但由于不同醫(yī)療單位的成像設(shè)備、成像序列和具體成像參數(shù)各不相同，關(guān)于DBS植入后的磁共振掃描標準和安全性評估尚未達成共識。本研究回顧性分析2023年5月—2024年6月在北京協(xié)和醫(yī)院行DBS植入術(shù)后的23例PD患者的臨床資料，旨在通過記錄掃描前后的電極阻抗、特殊吸收率（specific absorption rate，SAR）值和溫度等來評估DBS系統(tǒng)植入后1.5 T MRI掃描的安全性；并通過計算DBS植入術(shù)后患者腦MRI圖像不同序列的偽影大小，來探討腦深部電極植入后對腦MRI成像的影響。

1 資料與方法

1.1 一般資料 共納入23例DBS植入后的PD患者，一般資料見表1。入組標準為：（1）經(jīng)臨床診斷確診為帕金森患者；（2）DBS植入丘腦底核（subthalamic nucleus，STN）；（3）依從性好，能夠配合完成術(shù)前量表測試和術(shù)后隨訪等；（4）無嚴重的認識、心理和溝通障礙^［8］。排除標準：（1）患者由于心肺功能障礙等自身原因而無法進行手術(shù)；（2）患者存在導致無法配合各項檢查和隨訪的認知障礙；（3）患者存在磁共振掃描禁忌證，如體內(nèi)存在非鈦金屬植入物和幽閉恐懼癥等。所有患者或家屬均簽署知情同意書，本研究經(jīng)北京協(xié)和醫(yī)院醫(yī)學倫理委員會審批通過。

1.2 DBS植入與磁共振掃描 所有患者均于掃描前接受了基于國產(chǎn)（電極型號L301，延長導線E202，脈沖發(fā)生器G102、G102Rz和G102R，北京品馳醫(yī)療有限公司）DBS植入手術(shù)，使用1.5 T MRI（美國通用電氣醫(yī)療公司，Signa MRI）對符合入組標準的患者進行了MRI掃描，掃描序列主要包括：T1加權(quán)液體衰減反轉(zhuǎn)序列（fluid attenuated inversion recovery，F(xiàn)LAIR）和T2快速自旋回波序列（fast spin echo，F(xiàn)SE），見表2。在進行1.5 T MRI掃描前，每位被試均預先設(shè)定好刺激參數(shù)，開機后測定阻抗值，然后關(guān)機掃描。待掃描結(jié)束后，開機再次測定阻抗值。

1.3 電極阻抗測量方法 所有的患者均分別在MRI掃描前、后開機進行阻抗測定。此外，本研究還通過GE Signa計算機設(shè)備自帶的測量工具記錄了SAR值和溫度等熱效應相關(guān)的參數(shù)。

1.4 圖像偽影測量方法 偽影定義為圖像中自延長導線入顱層面開始出現(xiàn)的、沿導線軌跡分布的類圓形不規(guī)則異常信號。在MRI掃描獲得原始圖像之后，首先使用SPM（SPM12，University College of London，UK）制作出粗略的二進制掩膜（GM+WM+CSF）并將其配準到原始圖像上，再通過ITK-SNAP軟件（www.itksnap.org）導入配準后的圖像，并在此基礎(chǔ)上手動逐層對分割結(jié)果進行勾畫修改，計算偽影體積并記錄。見圖1。

1.5 統(tǒng)計學分析 使用SPSS 26.0進行統(tǒng)計分析。對于連續(xù)變量，首先進行正態(tài)性檢驗，符合正態(tài)分布的使用均值±標準差（x-±s）表示，并使用成對樣本t檢驗來評估其掃描前后的變化；而不符合正態(tài)分布的則使用中位數(shù)（四分位數(shù)間距）［M（P25，P75）］表示，并采用 Kruskal-Wallis 秩和檢驗進行組間比較。采用Spearman相關(guān)分析來描述圖像偽影大小和掃描前后阻抗變化的相關(guān)性，雙側(cè)Plt;0.05表示差異有統(tǒng)計學意義。

2 結(jié) 果

MRI掃描前后，23例被試患者均未發(fā)現(xiàn)急性或長期不良反應，其MRI圖像也沒有顯示急性腦變化（腦出血、水腫和腦梗等）。術(shù)前和術(shù)后測試阻抗均未發(fā)生電極設(shè)備故障等不良事件。其中3例患者的MRI圖像由于運動偽影過大而被排除在外。

2.1 MRI圖像偽影體積 通常植入電極后，核磁圖像中的偽影的大小會因患者而異，但本研究發(fā)現(xiàn)，在雙側(cè)電極植入的患者中，T1結(jié)構(gòu)像的平均電極接觸偽影體積大于T2序列，而T1和T2序列的左側(cè)電極接觸偽影均大于右側(cè)。圖像處理后的偽影統(tǒng)計見表3。

2.2 MRI掃描前后各參數(shù)變化 所有患者掃描前后的SAR值均沒有超過1.5 T MRI掃描的安全閾值0.1 W/kg^［9］。掃描前后溫度為（21.9±0.6）℃，（22.0±0.6）℃，無顯著差異（P=0.680）。對23例患者的每個電極觸點分別在掃描前后進行電極阻抗測定，比較其平均值，結(jié)果顯示掃描前后的電極阻抗值差異無統(tǒng)計學意義（P＞0.05）。見表4。

2.3 掃描前后偽影體積與對電極阻抗變化的關(guān)系比較單個患者掃描前后阻抗值的變化，并與同側(cè)電極接觸偽影體積做相關(guān)性分析。結(jié)果顯示，單個被試掃描前后整體阻抗值變化與T1、T2序列整體偽影體積均無顯著相關(guān)性（r=-0.268，P=0.355；r=-0.389，P=0.170）。見圖2。此外，分側(cè)別的統(tǒng)計分析結(jié)果顯示，T1序列同側(cè)阻抗值（左側(cè)r=-0.137，P=0.639；右側(cè)r=-0.210，P=0.472）、T2序列（左側(cè)r=-0.308，P=0.284；右側(cè)r=-0.297，P=0.139），無顯著相關(guān)性。

3 討 論

隨著全球范圍內(nèi)接受DBS植入的PD患者增多，MRI掃描由于其在軟組織分辨率方面的優(yōu)勢，在臨床中被越來越廣泛地應用^［10］，但DBS植入后的MRI掃描兼容性和安全性問題仍未得到統(tǒng)一共識。本研究記錄MRI掃描前后的植入電極阻抗、SAR值和溫度等參數(shù)來評估DBS植入后MRI掃描的安全性，并通過計算掃描獲得的不同序列結(jié)構(gòu)像的偽影大小，來探討DBS對MRI掃描的影響。

在本研究中，患者掃描前后各個電極觸點的阻抗值均無統(tǒng)計學差異，且掃描前后均未出現(xiàn)電路故障，證明本研究中使用的DBS設(shè)備對1.5 T MRI檢查有良好的兼容性。在MRI掃描過程中，MRI射頻能量會被導線收集，并傳導至電極與腦組織接觸區(qū)域，造成發(fā)熱效應，這是導致SAR值產(chǎn)生的直接原因，也是評價DBS系統(tǒng)和MRI是否兼容的標準之一^［11］。美國食品藥品監(jiān)督管理局（Food and Drug Administration，F(xiàn)DA）規(guī)定，頭部MRI檢查的SAR最高閾值為3 W/kg，1.5 T的閾值為0.1 W/kg^{［9，12］}。在本研究中，患者掃描前后未出現(xiàn)顯著的溫度變化，且掃描全程監(jiān)控得到的SAR值均未超過0.1 W/kg，進一步驗證了DBS植入后1.5 T MRI的安全性。

以往的研究多聚焦于DBS植入后MRI掃描的安全性和可行性，Boutet等^［12］曾對比同一批被試使用同一序列在1.5 T和3.0 T MRI掃描后的偽影大小，但仍缺少對DBS植入后不同序列間的比較。本研究比較了常規(guī)掃描中最常使用的兩種結(jié)構(gòu)像成像序列的圖像偽影體積大小，發(fā)現(xiàn)T2序列雙側(cè)的偽影平均體積均小于T1序列。且進一步按側(cè)別分析發(fā)現(xiàn)，T1、T2序列掃描所得圖像的左側(cè)偽影體積均大于右側(cè)，之前的一項研究也曾報道過類似結(jié)果，雙側(cè)電極植入的PD患者術(shù)后1.5 T MRI掃描的PWI序列圖像中，那些電極經(jīng)顱隧穿到右頂骨區(qū)域的患者左側(cè)偽影略大于右側(cè)，反之則亦然^［13］。DBS植入后MRI圖像偽影最主要的產(chǎn)生原因是電極中的金屬材料與人體組織的磁化率差異引起的電極周圍靜磁場分布不均，繼而造成空間編碼不準確，最終產(chǎn)生圖像扭曲和信號強度異常，而這種偽影本質(zhì)上屬于磁敏感偽影。Port等^［14］曾嘗試通過優(yōu)化GRE序列的掃描參數(shù)來減少圖像的磁敏感偽影，在該過程中他們發(fā)現(xiàn)，回波時間（time of echo，TE）與磁化率呈正相關(guān)，T2序列的TE時間要長于T1，但偽影體積卻小于T1，可能是因為與T1-FLAIR序列相比，T2-FSE序列成像使用了180°脈沖重新聚焦自旋，剔除了主磁場不均勻性對氫質(zhì)子失相位的影響，從而在一定程度上減少了局部場失真。因此，在實際掃描過程中，可以通過改進MRI序列參數(shù)來減少射頻能量的吸收，如縮短TE和掃描時間等^［15-16］。

另一方面，傳統(tǒng)的鉑銥合金電極因其自身固有的磁化率，只通過改進序列參數(shù)，偽影仍無法避免，因此使用新型材料代替金屬電極將是MRI兼容植入系統(tǒng)下一步的發(fā)展方向^［17］。近年來，已有研究開始使用碳纖維和石墨烯電極等代替?zhèn)鹘y(tǒng)的鉑銥合金電極，它們能減小對磁場均勻性的影響，從而使MRI偽影大大減小，同時，它們比鉑銥合金電極在MRI環(huán)境中誘發(fā)的熱效應也更小^［18-19］。

有研究發(fā)現(xiàn)，MRI掃描期間梯度磁場的變化會引起植入電極導線系統(tǒng)內(nèi)的感應電壓波動，這一波動可能會進一步影響DBS系統(tǒng)的電極阻抗值^{［10，20］}。因此，為探究DBS系統(tǒng)植入MRI掃描對電極阻抗的影響，本研究分析了患者MRI圖像偽影體積大小和掃描前后阻抗變化的關(guān)系。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，掃描前后阻抗值變化與T1、T2序列偽影體積均無明顯相關(guān)。這一結(jié)果可能是因為偽影體積大小和電極阻抗值的變化不能直接地用于量化梯度磁場的變化和MRI掃描過程中DBS系統(tǒng)的環(huán)路以及硬件變化，也可能是因為本研究納入的被試總量較少導致統(tǒng)計學效力減小，因此，該方向仍需進一步研究。

此外，本研究存在一些局限與不足。首先，本研究的1.5 T圖像缺少與3.0 T MRI掃描的對比分析，且由于時間原因沒有做縱向追蹤比較。其次，本研究只針對以STN為刺激靶點的 DBS植入患者，下一步應當做多位點的偽影和阻抗對比分析。

綜上所述，MRI兼容的DBS設(shè)備可較為安全地應用于PD患者的術(shù)后1.5 T MRI掃描，雙側(cè)STN電極植入后的MRI圖像偽影在不同序列表現(xiàn)不同，偽影體積大小與掃描前后阻抗值的變化關(guān)系需要進一步的驗證。

利益沖突：所有作者均聲明不存在利益沖突。

作者貢獻聲明：潘慧茹負責圖像處理、統(tǒng)計分析、文章撰寫；王雅寧、畢月薇負責查閱文獻、數(shù)據(jù)分析和材料支持；徐馳、譚雪林、郭坤負責圖像掃描和論文原始數(shù)據(jù)采集；郭毅負責課題指導和文章審閱。

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（收稿2024-07-02 修回2024-08-02）