术中人脑功能实时成像技术进展张鑫 中国科学院自动化研究所 脑网络组研究中心，北京 100190 [摘 要]脑组织恶性病变往往需要通过脑外科手术进行治疗。如何在最大程度切除恶性病变区域同时最小化损伤脑功能区，在神经外科领域一直是世界难题。针对这一问题，本文详细介绍了目前国内外术中脑成像技术的最新进展，并进一步指出内源信号光学成像技术具有明显优势，有望成为解决该问题的关键技术。虽然该技术起步晚、技术新，但是基于此技术研发的成像系统无需与脑组织接触，能够实现高时空分辨率成像，可以为临床应用解决重要问题。已经有研究利用该技术在啮齿类和灵长类动物上开展工作，但是目前在人脑上还没有成熟的成像系统，因此急需研制一套基于内源性光学信号成像原理的术中人脑功能活动实时成像仪。 [关键词]脑瘤；神经外科手术；脑功能成像；内源性光学信号成像；功能磁共振 引言脑组织恶性病变往往需要通过脑外科手术进行治疗。外科医生在手术过程中，依靠经验和技术进行手术方案的设计和关键参数的设定，例如头皮切口的大小及位置、术中颅骨钻孔形成骨瓣的大小及位置、皮层功能区的位置判定、深部肿瘤需要如何造瘘、颅内小病变的定位和寻找、病灶切除程度等。由于病变往往毗邻脑部关键功能区，而且在病理状态下，受累皮质功能区可能发生功能重塑，因此在对上述病变进行切除时，往往造成患者功能损害，例如运动功能障碍或术后发生肢体瘫痪、失语、失读、视野缺损等并发症 [1-4]，极大的影响了术后生存质量。因此，如何在最大程度切除恶性病变区域同时最小损伤正常脑功能区，这在神经外科领域一直是世界难题 [5-7]。 为了克服这一困难，在脑外科手术过程中，就需要对患者的关键脑功能区进行定位，主要包括术前和术中两个过程。术前的诊断过程，主要是完成病患区域、关键脑功能区域定位。但由于患者尚未进行病患区域切除，术前定位常结合功能神经导航技术。相关技术包括依赖于血氧饱和水平检测（Blood Oxygen Level Dependent，BOLD）技术的功能磁共振成像技术（functional Magnetic Resonance Imaging，fMRI）成像及弥散张量成像（Diffusion TensorImaging，DTI）技术 [8-10]。然而在手术实施过程中，由于脑组织随着切除过程会不断移位，术前指定的定位标记会逐渐消失，难以再次确认脑功能区域的准确位置；再者由于剥离颅骨之后，患者脑区完全暴露在视野内，这与影像看到的形式明显不同。因此亟需术中定位患者的关键功能区域技术，即术中人脑功能成像技术。 1 国外常见术中人脑功能成像技术1.1 术中皮层电刺激 术中皮层电刺激目前是脑皮层功能区定位的“金标准” [4,11]。术中皮层电刺激已被实验及临床证实为一个可靠的方法。电刺激在术中可实时确定功能区，实时性较好，已成为功能研究的“金标准”。利用这一技术，可在术中对脑皮层功能区进行实时定位，从而实现对脑功能区的保护。不过，术中皮层电刺激技术也存在明显不足。首先，这一技术操作较为费时，在术中需要对电刺激参数进行反复调整，术中需对多个靶点进行电刺激以确定脑功能区的范围；其次，这一技术的实施需要麻醉师、神经电生理监测人员及手术者等多方人员的密切配合，有一定的技术难度，有些情况下可能会因为技术原因而导致失败；再次，皮层电刺激本身是有创的，有可能会引发术中癫痫等并发症；最后，术中皮层电刺激作用时会在脑组织一个大区域内引起复杂的累计效应，而由于脑组织近端和远端生理和形态结构的差异这一累计效应目前还难以解释 [12-13]。因此，术中皮层电刺激技术仍是一个值得研究的课题。 1.2 术中磁共振 术中磁共振（intraoperative MRI，iMRI）出现于上个世纪90年代，历经20年的发展及临床实践，目前这一技术已较为成熟，国内外部分神经外科中心已开展临床应用。术中磁共振可在术中获得高质量的解剖影像，从而在术中发现残留的肿瘤，并纠正术中脑组织移动引起的功能区位置变化。高场强术中磁共振还能够在术中行DTI扫描，配合导航系统可以在术中实时显示白质纤维束。iMRI对于功能区胶质瘤的手术切除程度的提高及功能保护都有着十分重要的意义。其中BOLD-fMRI，即血氧水平依赖功能磁共振成像，是一种无创的、利用内源性血红蛋白为对比剂的、通过去氧血红蛋白水平的对比变化来反映脑神经功能活动情况的影像学检查。利用这一检查，可在术前重建出脑皮层功能区（如运动皮层功能区、语言皮层功能区），结合导航系统可在术中实时显示脑皮层功能区的位置，为脑皮层功能区的保护提供重要的参考。但BOLD-fMRI导航的精确性也受到许多因素的影响，如肿瘤本身对脑组织血流动力学的影响、肿瘤的占位效应、肿瘤周围的水肿、患者对检查的配合程度、重建脑皮层功能区采用的参数、术中脑组织的移位等。因此目前将BOLD-fMRI应用对脑皮层功能区的导航还存在一定的争议。 1.3 内源信号光学成像 探索其他安全、高效、准确的方法成为目前术中脑功能成像领域的研究热点。内源信号光学成像（Optical Intrinsic Signal Imaging，OISI）可以通过皮层反射的光勾画脑部的功能活动区域。原理上内源信号光学成像与功能近红外光谱成像（functional Near Infrared Spectroscopy，fNIRS）是一样的，都是采用了光谱技术。由于组织内不同物质对红外光吸收不同，从而实现对不同组织特性的检测。OISI系统采用激光管发射红光或红外光照射去除颅骨后的脑皮层，反射后的光信号通过透镜汇聚到面阵电荷耦合元件（Charge Coupled Device，CCD）上进行成像。脑皮层活动相关的内源性信号是指由神经元电活动引起的有关物质成分、运动状态的改变而导致的光学特性的变化。在与某些特定波长的光量子相互作用后，通过成像仪器探测包含这些特性的光信号的某一时间间隔内的空间分布，也就是脑功能的内源信号光学成像。所谓内源，是指在不对组织施加任何染色、荧光标记等外源性影响，信号由组织本身的光学特性变化（包括光吸收和散射）所引起。 由于近红外波段的光穿透组织最深，一般采用该光窗范围内的光照射组织。在这个波段范围内，主要是由于组织内的血红蛋白对光有较强的吸收作用。在680 nm处，含氧血红蛋白吸收最少，主要反映的是脱氧血红蛋白引起的变化；在795 nm处，含氧和脱氧血红蛋白的吸收都是一样的，因此可以反映总血红蛋白的变化；而在850 nm处脱氧血红蛋白的吸收最少，因此反映的主要是含氧血红蛋白的变化。 早在1949年，Hill等 [14]在离体神经组织实验中已经发现了发射的光信号中包含了神经功能活动的信息。到了1990年，Frostig和Lieke将内源信号光学成像成功应用到了恒河猴上，进行了视觉皮层眼优势柱的成像，在9 mm×2.5 mm的范围内采用540 nm和810 nm的光观察到了局部血管的功能活动。1995年，美国加州大学洛杉矶分校Arthur Toga实验室开始采用这一技术在鼠脑皮层进行了大量功能活动成像研究 [15]。之后很多课题组开始采用这一技术进行动物（包括灵长类动物）的脑功能活动研究 [16]。美国Vanderbilt University的Roe等 [17]采用这一技术开展长时间的记录，观察灵长类动物在发育过程中皮层的功能活动演化过程。由于内源信号光学成像技术可以对大范围的皮层的功能活动进行精细（空间分辨率50～100 μm）、快速（10～100 帧/s）成像，该技术也逐渐在人脑功能区域检测中崭露头角。1992年，Hagloud等 [18]在Nature上介绍将这一技术应用于癫痫患者，并观察了患者在脑内痫样放电过程中皮层的功能活动。Arthur在1995年进一步论述了内源性光学成像的时空间分辨率 [19]。Schwartz等 [20]进一步观察了癫痫患者癫痫灶的皮层功能活动。进入2000年，一些关于人脑功能活动的研究也借助这一技术开展工作。Cannestra和Bookheimer利用这一技术在术中唤醒患者后进行了语言区动态和拓扑属性的研究 [21]。 虽然内源信号光学成像手段在动物上已开展了为数不少的研究工作，但是目前还没有成熟的系统应用于术中的人脑功能区域检测，而且目前的检测手段受限于算法设计，不能进行实时成像，需要进行后处理来呈现激活区域。 2 国内常见术中人脑功能成像技术果我国在术中脑功能区域检测技术上起步较晚，目前主要是依赖国外进口的设备开展相关研究工作。但在实验动物上，复旦大学的寿天德教授课题组在1999年率先开发了一套适用于大鼠的脑功能成像系统 [22]，之后该课题组在鼠与猴上也开展了一系列研究工作。华中科技大学的骆清铭和李鹏程课题组从2000年开始在大鼠上还进行了多模态光学信号的记录 [23-24]。北京师范大学的吕海东教授将该技术应用于猴脑，成功记录了视神经柱的功能活动 [25]。中国科学院自动化研究所在2003年率先使用美国TechEn公司的CW5型脑功能近红外光谱成像原型机，我们课题组在此基础上开始进行脑功能信号检测和应用研究以及光学重建算法研究 [26]，采用该技术在认知和临床研究中探索了脑血氧信号的变化和在疾病下的特征表现形式 [27-29]，并于2010年开始进行脑功能检测设备的研制。 在临床手术过程中，iMRI是国内实现术中脑功能区定位的主要方法，用以纠正脑移位。2006年起，复旦大学附属华山医院开展0.15T Pole Star iMRI导航手术300余例，效果良好 [30]。2009年，中国人民解放军总医院开始应用1.5T iMRI。2010年，复旦大学附属华山医院引进3.0T iMRI，以此为核心，建立了数字一体化神经外科手术中心。首都医科大学附属北京天坛医院在多模态分子影像技术和术中皮层电刺激技术指导脑肿瘤治疗的实验研究方面开展了大量的工作 [31-32]，形成了以唤醒状态下神经电刺激为核心的汉语语言关键中枢定位技术，且研发出一套适合汉语人群的语言功能评价量表，用于术前功能成像初定位、术中唤醒状态下神经电刺激精确定位 [33]。 但是由于磁共振本身设备昂贵，对于医院和患者引入和使用这样的设备都是一个较大的负担，因此目前只在屈指可数的几家医院开展临床应用。然而在我国正面临着神经外科手术急剧增长，而成像手段非常匮乏的困境。研发有自主知识产权的脑功能成像设备无论是设备产销的经济利益，还是疾病治愈后的社会效益都将带来巨大的好处。只有开发轻量级的、快速的成像系统才能满足这一需求。采用光学手段进行脑功能实时成像虽然起步晚、技术新，但是该成像系统具有无需与脑组织接触、高时空分辨率等显著优势，可以为临床应用解决重要问题。我国目前还没有自主研发的能够应用于临床脑外科手术的脑区实时成像系统，本项目这是面向这一挑战，希望通过我们课题组的研究基础和研发经验，研发一套术中人脑功能区实时成像仪，可以在术中唤醒过程中实现患者功能区域的实时成像。 3 总结与展望本文综述了国内外常规脑功能成像技术，指出术中皮层电刺激存在操作费时、在术中反复调整、实施技术难度较大、有创且易有并发症等问题；术中磁共振存在导航的精确性易受影响、术中脑组织的移位等问题。而内源信号光学成像技术作为近年来术中人脑功能成像技术的热点之一，虽然起步晚、技术新，但是基于此技术研发的成像系统无需与脑组织接触，且能够实现高时空分辨率成像等显著优势，可以为临床应用解决重要问题。 采用光学手段进行脑功能实时成像，利用组织发射的光学信号进行功能区域的提取，已经在啮齿类和灵长类动物上开展了研究工作，但是在人脑上目前还没有成熟的成像系统。该研究成果在临床工作中发挥作用，需解决以下几个问题： （1）脑功能区域的准确性。欲将基于OISI技术应用于脑部外科手术中进行人脑功能术中实时成像，急需解决的关键问题是进行功能区域绘制的准确性评价。可分别在动物和人上进行检测。在实验动物（鼠、猴）上分别进行在体脑部功能活动区域成像，采用成熟的实验范式，验证成像的功能区域是否与已有结果一致。同时与术中电刺激技术结合，核心区域要经过术中电刺激的检验。在临床手术中，在成像系统获得脑部功能区域后，采用术中电刺激技术进行验证，检测结果确保100%的匹配。 （2）脑功能区域成像的实时性。脑部功能区域的成像是找到在患者进行言语、行为等活动时皮层参与功能活动的区域。从本质上说，就是检测到功能活动与静息时脑部活动的差异区域。但是从信号来看，在功能活动时检测到的光信号变化量是静息时光信号强度的0.1%～1%，为了提高成像质量可采用多次任务叠加的方式提供信噪比。然而脑外科手术涉及到人脑这一重要器官，不能在外部暴露太久，也不能让手术时间过长，因此必须快速进行脑功能区域成像。 （3）该技术在临床应用中可靠性问题。术中脑部功能区成像仪必须具有高可靠性。在手术室环境中，需要辅助工具务必能够顺利工作，不能因为工具丧失工作能力而耽误手术时间。除此之外，由于手术室中通常会有多套医疗设备在同时工作，必须保证系统在复杂的电磁环境下能够不受干扰，同时也不能干扰别的设备。 [参考文献] [1] Sanai N,Mirzadeh Z,Berger MS.Functional outcome after language mapping for glioma resection[J].N Engl J Med, 2008,358(1):18-27. [2] Duffau H,Capelle L,Denvil D,et al.Usefulness of intrao-perative electrical subcortical mapping during surgery for low-grade gliomas located within eloquent brain regions: functional results in a consecutive series of 103 patients[J]. J Neurosurg,2003,98(4):764-768. [3] Duffau H,Lopes M,Arthuis F,et al.Contribution of intraoperative electrical stimulations in surgery of low grade gliomas: a comparative study between two series without (1985-96) and with (1996-2003) functional mapping in the same institution[J]. J Neurol Neurosurg Psychiatry,2005,76(6):845-851. [4] De Witt Hamer PC,Robles SG, Zwinderman AH,et al.Impact of intraoperative stimulation brain mapping on glioma surgery outcome: a meta-analysis[J].J Clin Oncol,2012,30(20):2559-2565. [5] Mcgirt MJ,Chaichana KL,Gathinji M,et al.Independent association of extent of resection with survival in patients with malignant brain astrocytoma[J].J Neurosurg,2009,110(1):156-162. [6] Berger MS.Minimalism through intraoperative functional mapping[J].Clin Neurosurg,1996,43:324-337. [7] Shah MN,Leonard JR,Inder G,et al.Intraoperative magnetic resonance imaging to reduce the rate of early reoperation for lesion resection in pediatric neurosurgery[J].J Neurosurg Pediatr,2012,9(3):259-264. [8] Ogawa S,Tank DW,Menon R,et al.Intrinsic signal changes accompanying sensory stimulation: functional brain mapping with magnetic resonance imaging[J].Proc Natl Acad Sci USA, 1992,89(13):5951-5955. [9] Dale AM,Liu AK,Fischl BR,et al.Dynamic Statistical Parametric Mapping : Combining fMRI and MEG for High-Resolution Imaging of Cortical Activity[J].Neuron,2000,26(1):55-67. [10] Schonberg T,Pianka P,Hendler T,et al.Characterization of displaced white matter by brain tumors using combined DTI and fMRI[J].Neuroimage,2006,30(4):1100-1111. [11] Duffau H,Capelle L,Denvil D,et al.Usefulness of intraoperative electrical subcortical mapping during surgery for low-grade gliomas located within eloquent brain regions: functional results in a consecutive series of 103 patients[J].J Neurosurg, 2003,98(4):764-768. [12] Borchers S,Himmelbach M,Logothetis N,et al.Direct electrical stimulation of human cortex-the gold standard for mapping brain functions?[J].Nat Rev Neurosci,2011,13(1):63-70. [13] Logothetis NK,Augath M,Murayama Y,et al.The effects of electrical microstimulation on cortical signal propagation[J]. Nat Neurosci,2010,13(10):1283-1291. [14] Hill DK,Keynes RD.Opacity changes in stimulated nerve[J].J Physio,1949,108(3):278-281. [15] Blood AJ,Narayan SM,Toga AW.Stimulus parameters influence characteristics of optical intrinsic signal responses in somatosensory cortex[J].J Cereb Blood Flow Meta,1995,15(6):1109-1121. [16] Devor A,Dunn AK,Andermann ML,et al.Coupling of total hemoglobin concentration, oxygenation, and neural activity in rat somatosensory cortex[J].Neuron,2003,39(2):353-359. [17] Roe AW.Long-term optical imaging of intrinsic signals in anesthetized and awake monkeys[J].Appl Opt,2007,46(10):1872-1880. [18] Haglund MM,Ojemann GA,Hochman DW.Optical imaging of epileptiform and functional activity in human cerebral cortex[J]. Nature,1992,358(6388):668-671. [19] Toga AW,Cannestra AF,Black KL.The temporal/spatial evolution of optical signals in human cortex[J].Cereb Cortex, 1995,5(6):561-565. [20] Schwartz TH,Bonhoeffer T.In vivo optical mapping of epileptic foci and surround inhibition in ferret cerebral cortex[J].Nat Med, 2001,7(9):1063-1067. [21] Cannestra AF,Bookheimer SY,Pouratian N,et al.Temporal and topographical characterization of language cortices using intraoperative optical intrinsic signals[J].Neuroimage,2000,12(1): 41-54. [22] 张鹍,俞洪波,寿天德.基于内源信号的脑光学成像系统的研制[J].生物物理学报,1999,15(3):597-604. [23] 李鹏程.脑皮层活动的内源信号光学成像及其应用研究[D].武汉:华中科技大学,2003. [24] 孙小丽.脑皮层功能多模式光学成像系统及其应用的研究[D].武汉:华中科技大学,2011. [25] Kaskan PM,Lu HD,Dillenburger BC,et al.Intrinsic-Signal Optical Imaging Reveals Cryptic Ocular Dominance Columns in Primary Visual Cortex of New World Owl Monkeys[J].Front Neurosci,2007,1(1):67-75. [26] Zhao Q,Ji L,Jiang T.Improving depth resolution of diffuse optical tomography with a layer-based sigmoid adjustment method[J].Opt Express,2007,15(7):4018-4029. [27] Zhu Y,Liu X,Wang H,et al.Reduced prefrontal activation during Tower of London in first-episode schizophrenia: a multi-channel near-infrared spectroscopy study[J].Neurosci let,2010, 478(3):136-140. [28] Jiang T,Zhu Y,Zhou Y,et al.Studies of Cognitive Disorders with Multichannel Near-Infrared Spectroscopy[A].CME 2007.IEEE/ICME International Conference on[C].New York:IEEE,2007: 957-963. [29] Zhang X,Yu J,Zhao R,et al.Activation detection in functional near-infrared spectroscopy by wavelet coherence[J].J Biomed Opt, 2015,20(1):016004. [30] Lu JF,Zhang H,Wu JS,et al.“Awake” intraoperative functional MRI (ai-fMRI) for mapping the eloquent cortex: Is it possible in awake craniotomy?[J].Neuroimage Clin,2013,2(2):132-142. [31] 姜中利,王忠诚,江涛.不同手术入路切除颞叶内侧胶质瘤的手术效果[J].中华医学杂志,2005,85(34):2428-2432. [32] 唐铠.胶质母细胞瘤核磁共振影像学特点和分子病理相关性研究[D].北京:首都医科大学,2012. [33] 仪晓立,戴建平,陈绪珠,等.术前功能磁共振成像在脑胶质瘤患者语言功能区定位中的应用[J].中国医学影像技术,2009, 25(s1):22-25. 本文编辑 刘峰 Research Progress in Intraoperative Human Brain Functional Imaging ZHANG Xin Abstract：Brain surgery operation has been the critical treatment to severe brain malignant lesions, such as brain tumor or epilepsy. The biggest challenge to neurosurgery is to make a balance between the maximum removal of affected brain tissue and the minimum injury of normal brain tissues. To solve this problem, this article elaborated the latest progress of intraoperative brain imaging technique at home and abroad, further pointed out that Optical Intrinsic Signal Imaging (OISI) is expected to be the key to solve this problem. Although OISI is comparatively new and accomplished recently, the imaging system based on this technique is non-contact with brain tissues and can realize high temporal-spatial resolution imaging. Thus it can address problems for clinical application. The OISI system has been well used in rodents and primate animal studies, yet there is no mature imaging system applicable to human neurosurgery. Therefore, it is necessary to develop intraoperative human function activity imager based on OISI principle. Key words：brain tumor; neurosurgery; brain functional imaging; optical intrinsic signal imaging; functional magnetic resonance imaging [中图分类号]R445 [文献标识码]A doi：10.3969/j.issn.1674-1633.2017.03.028 [文章编号]1674-1633(2017)03-0103-04 收稿日期：2016-12-29 修回日期：2017-02-07 基金项目：科技部十三五国家重点研发计划（2016YFC0102800）。 作者：张鑫，副研究员，主要研究方向为脑信号检测与成像。 作者邮箱：xzhang@nlpr.ia.ac.cn |