双张量UKF纤维束示踪技术显像弓状束的优势探讨及临床应用

摘要

研究背景和目的：
　　弓状束的扩散张量纤维束示踪技术和导航系统融合已经广泛应用于语言区胶质瘤的手术切除，以帮助神经外科医生最大程度切除病变的同时最小限度损伤神经功能。然而传统的基于单张量模型的纤维束示踪技术因纤维交叉效应、部分容积效应及瘤内和瘤周区域白质纤维束扩散异常等因素，对弓状束的示踪成像提出了挑战。为了解决上述问题，本研究提出一种先进的纤维束示踪技术，该技术以双张量无损卡尔曼滤波（unscented Kalman filter, UKF）算法模型为基础进行纤维束示踪成像，即双张量UKF纤维束示踪技术。本文拟首先在健康受试者中初步探讨该技术显像弓状束的优势；然后进一步探讨该技术在语言区胶质瘤患者中显像弓状束的优势，以期达到更佳的纤维束成像效果，帮助神经外科医生实现“最大程度安全切除”的目标；最后将该技术用于语言区胶质瘤患者的围手术期纵向研究，定量评估手术后弓状束修复情况，探索将弓状束变化用于判断语言功能预后，以期为胶质瘤患者语言功能的恢复提供一定的借鉴。
　　方法和结果：
　　第一部分，双张量UKF纤维束示踪技术在健康受试者中显像弓状束的优势探讨。选取20名右利手健康志愿者，采集T1结构像和扩散张量成像（diffusion tensor imaging, DTI）。分别应用传统的单张量线性纤维束示踪技术和双张量UKF纤维束示踪技术重建左侧弓状束，包括深支、前支和后支，采用解剖形态比对和体积定量的方法比较两种技术显像弓状束的差异。结果发现：（1）应用单张量线性纤维束示踪技术重建左侧弓状束时，3例深支、2例前支和1例后支显像失败，而应用双张量UKF纤维束示踪技术重建左侧弓状束时，三个分支在所有被试中均成功完整显像。（2）弓状束重建后比较解剖形态：经单张量线性纤维束示踪技术重建左侧弓状束后，64.7％的深支嘴部和尾部终端分布于单一脑回，其中嘴部终端主要位于前运动皮层区，尾部终端主要位于颞中回后部；全部前支的嘴部终端和88.9%的尾部终端分布于单一脑回，其中嘴部终端主要位于前运动皮层区，尾端终端主要位于缘上回；68.4%的后支嘴部终端和84.2%的尾部终端分布于单一脑回，其中嘴部终端主要位于颞中回后部，尾部终端主要位于角回。经双张量UKF纤维束示踪技术重建左侧弓状束后，终端分支纤维显示更完整，分布面积更广。75%的深支嘴部终端同时位于额下回和前运动皮层区，90%的尾部终端同时位于颞上回、颞中回和颞下回；70%的前支嘴部终端同时位于额下回和前运动皮层区，80%的尾部终端同时位于缘上回和角回；75%的后支嘴部终端同时位于颞上回、颞中回和颞下回，80%的尾部终端同时位于缘上回和角回。（3）体积定量比较：与单张量线性纤维束示踪技术相比，应用双张量UKF纤维束示踪技术重建的左侧弓状束深支（t=14.812, P＜0.001）、前支（t=9.372, P＜0.001）和后支（t=16.406, P＜0.001）的体积更大。
　　第二部分，双张量UKF纤维束示踪技术在语言区胶质瘤患者中显像弓状束的优势探讨。选取43例右利手脑语言区胶质瘤患者，术前1天采集结构像和DTI影像。按照第一部分的方法，分别应用传统的单张量线性纤维束示踪技术和双张量UKF纤维束示踪技术重建左侧弓状束深支、前支和后支，采用解剖形态比对和体积定量的方法比较两种技术显像弓状束的差异。结果发现：（1）应用单张量线性纤维束示踪技术重建左侧弓状束时，16例深支、12例前支和8例后支显像失败，而应用双张量UKF纤维束示踪技术重建左侧弓状束时，1例深支、4例前支和2例后支显像失败。（2）体积较大的胶质瘤周围弓状束的显像：在18例肿瘤体积＞50 cm3的患者中，应用单张量线性纤维束示踪技术重建左侧弓状束时，6例深支、6例前支和3例后支显像失败，而应用双张量UKF纤维束示踪技术重建左侧弓状束时，深支均显像成功，2例前支和1例后支显像失败。（3）瘤周水肿区弓状束的显像：在10例伴有明显瘤周水肿区的胶质瘤患者中，应用单张量线性纤维束示踪技术重建左侧弓状束时，4例深支、4例前支和6例后支在水肿区显像失败，而应用双张量UKF纤维束示踪技术重建左侧弓状束时，10例深支均在水肿区清晰显像，3例前支和2例后支在水肿区显像失败，且显像的纤维束分布范围更广。（4）胶质瘤内部的弓状束显像：应用单张量线性纤维束示踪技术重建左侧弓状束时，在2例低级别胶质瘤实质边缘（仍位于肿瘤内部）见纤维束显像，而应用双张量UKF纤维束示踪技术重建左侧弓状束时，6例低级别胶质瘤实质边缘见纤维束显像，且显像的纤维束分布范围更广。应用两种技术重建的左侧弓状束，在高级别胶质瘤内均无显像。（5）与单张量线性纤维束示踪技术相比，应用双张量UKF纤维束示踪技术重建的左侧弓状束深支（t=17.208, P＜0.001）、前支（Z=5.442, P＜0.001）和后支（Z=5.579, P＜0.001）的体积更大，终端分支纤维显示更完整。
　　第三部分，双张量UKF纤维束示踪技术评价语言区胶质瘤患者语言功能预后的价值。选取9例成功随访的左侧语言区胶质瘤患者，术前及术后1月～6月采集结构像和DTI影像。应用双张量UKF纤维束示踪技术重建双侧弓状束深支、前支和后支。为了比较手术前后左侧弓状束各分支体积的差别，我们将健侧的弓状束体积作为对照，采用术后弓状束体积相对比率（relative ratio of the arcuate fasciculus, RRAF）作为手术前后弓状束体积变化的指标。弓状束深支、前支和后支RRAF的计算均参照以下公式：RRAF=（术后左侧AF的体积/术后右侧AF的体积）/（术前左侧AF的体积/术前右侧AF的体积）。RRAF＞1.0表明术后左侧弓状束体积增加。采用汉语失语症成套检查法评估患者的语言功能，主要包括自发性语言、理解、复述、命名、阅读和书写六部分，并计算基于前四项指标得到的失语指数（aphasia quotient, AQ），综合性反映失语症的严重程度，评估时间和磁共振采集时间一致。手术前后语言功能的差别标记为△，△值=术后得分-术前得分。结果发现：术后左侧RRAF（深支）和△AQ（r=0.777, P=0.014）、△理解（r=0.711, P=0.032）及△复述（rs=0.740, P=0.023）呈正相关；术后左侧RRAF（后支）和△理解（rs=0.850, P=0.007）及△复述（rs=0.747, P=0.033）呈正相关。
　　结论：
　　1本研究初步显示了双张量UKF纤维束示踪技术在健康受试者复杂的解剖区域显像弓状束有一定的优势，与传统的单张量线性纤维束示踪技术相比，双张量UKF纤维束示踪技术显像的弓状束各分支体积更大，终端在皮层区域分布范围更广，分支纤维显示更完整。
　　2本研究初步显示了双张量UKF纤维束示踪技术在胶质瘤内及瘤周异常区域显像弓状束有一定的优势，与传统的单张量线性纤维束示踪技术相比，双张量UKF纤维束示踪技术显像的弓状束各分支体积更大，分支纤维显示更完整。本研究还发现双张量UKF纤维束示踪技术在肿瘤体积大、瘤周水肿明显的胶质瘤中及低级别胶质瘤内部显像弓状束的效果较佳。
　　3双张量UKF纤维束示踪技术能够相对完整地充分显像语言区胶质瘤患者的弓状束并对其体积进行量化，直观显示手术后弓状束的修复情况。本研究初步表明术后弓状束深支体积增大可能是语言功能恢复的预测因子；术后弓状束深支和后支的修复可能有助于患者理解及复述能力的改善。但由于研究病例数较少，因此需要加大样本量来进一步证实弓状束的修复情况在语言预后转归中的预测价值。

目录

声明

缩略词对照表

前言

第一部分 双张量UKF纤维束示踪技术在健康受试者中显像弓状束的优势探讨

一、引言

二、资料与方法

三、结果

四、讨论

五、小结

第二部分 双张量UKF纤维束示踪技术在语言区胶质瘤患者中显像弓状束的优势探讨

一、引言

二、资料与方法

三、结果

四、讨论

五、小结

第三部分 双张量UKF纤维束示踪技术评价语言区胶质瘤患者语言功能预后的价值

一、引言

二、资料与方法

三、结果

四、讨论

五、小结

全文结论

参考文献

综述: 扩散张量纤维束示踪成像在语言通路相关传导束构建中的应用

个人简历、攻读学位期间发表论文及科研项目

致谢