帕金森病腦深部電刺激電極術后位置規律分析

王 滔，張陳誠，李殿友，孫伯民，傅 萌

1. 上海交通大學醫學院附屬瑞金醫院功能神經外科，上海 200025；2. 上海交通大學醫學院附屬瑞金醫院放射科，上海 200025

腦深部電刺激（deep brain stimulation，DBS）治療帕金森?。≒arkinson's disease，PD）最常用的靶點為丘腦底核（subthalamic nucleus，STN）與蒼白球內側部（globus pallidus internal，GPi）；向治療靶點準確放置電極不僅能夠使患者獲得最優的治療效果，還可以減少刺激相關的潛在不良反應[1-2]。DBS達到與最佳藥物治療相當或更優的療效直接取決于DBS電極位置的準確性，據報道1%～13.6%的患者因電極位置欠理想而需要再次手術[3-4]。

目前，DBS術中常用的成像方式包括X射線（通常為C型臂X光機）、計算機斷層掃描（computed tomography，CT） 或 磁 共 振 成 像（magnetic resonance imaging，MRI）等，術后則常用CT、MRI對電極位置進行評價[5]。既往的研究[6]顯示，X射線僅能夠判斷DBS電極沿電極單一方向的位移，無法顯示其與腦深部靶向核團的相對位置；CT影像需與術前MRI影像融合，以CT影像的分辨率顯示電極觸點與靶點的相對位置；MRI影像能夠直觀顯示腦深部電極與靶點的相對位置而不必與術前MRI影像融合，但融合影像能夠定量計算實際電極的位置與手術計劃的空間距離。當前，DBS系統的電極位置評價仍以影像判斷為主，對判斷定位準確性與選擇刺激觸點程控具有重要參考意義。

鑒于快速成像的CT影像能夠高分辨率顯示DBS電極，而相對耗時的MRI影像能夠清楚呈現腦組織與DBS電極的相對關系，本研究回顧性評價術后短期CT聯合術前MRI的融合影像、長期MRI影像對電極末端位置顯示的差異，并探討2種技術成像不同的原因，以期為臨床影像的選擇提供參考。

1 對象與方法

1.1 研究對象

本研究選取2016年1月—2017年12月期間于上海交通大學醫學院附屬瑞金醫院（簡稱瑞金醫院）功能神經外科接受DBS治療的PD患者?；颊叩幕拘畔ⅲ挲g、性別等）源自瑞金醫院電子住院系統。所有患者均簽署了知情同意書。

患者的納入標準：①為原發性PD，符合英國UK腦庫PD臨床診斷標準或中國PD的診斷標準（2016版）[7-8]。②服用左旋多巴類藥物，既往療效良好，但目前療效明顯下降或出現運動癥狀波動與運動障礙，影響生活質量。③ 未服藥時，PD病情關期Hoehn-Yahr分級為2.5～4期。排除標準：①患有帕金森綜合征與帕金森疊加綜合征，或伴有癡呆、嚴重抑郁癥。②未服藥時，PD病情關期Hoehn-Yahr分級為5期。③因存在諸如人工耳蝸、心臟起搏器、心臟除顫器等金屬植入物，僅采用CT影像定位而無法獲取MRI影像。④因存在惡病質、嚴重心血管疾病等無法耐受DBS手術。

1.2 成像流程

擬手術患者術前不安裝Leksell頭架（Elekta，瑞典），采集3.0 T頭顱MRI影像（Signa HDx 3.0 T，GE Healthcare，美國），包括橫斷位、冠狀位的T1加權成像（T1 weighted image，T1WI）增強影像（經靜脈推注10.0 mL釓噴酸葡胺注射液）與T2加權成像（T2 weighted image，T2WI）。T1WI采用三維磁化準備快速梯度回波（three-dimensional magnetization prepared rapid gradient-echo，3D-MPRAGE） 序列，成像參數如下：回波時間（echo time，TE） =2.0 ms、反轉時間（inversion time，TI） =450.0 ms、重復時間（repetition time，TR） =6.5 ms、 翻 轉 角（flip angle，FA） =15.0°、帶寬（bandwidth） =31.3 Hz、掃描野（field of view，FOV） =24.0 cm、矩陣（matrix） =320×256、激發次數（number of excitation，NEX） =1次、層厚=2.0 mm、層間隔=0 mm，成像時間=3′3″。T2WI采用快速自旋回波（fast spin echo，FSE）序列，成像參數如下：TE=129.1 ms、TR=3 000.0 ms、FA=90.0°、 帶 寬 =31.3 Hz、FOV=24.0 cm、 矩 陣 =320×192、NEX=1次、層厚=2.0 mm、層間隔=0 mm，成像時間 =3′31″。選取前聯合 - 后聯合（anterior commissureposterior commissure，AC-PC）平面作為參考平面，采用常規方法對患者全顱進行成像，橫斷位成像平行于參考平面，冠狀位成像垂直于參考平面，平均每例患者掃描15～20 min。

手術當日，經局部麻醉后將Leksell頭架安裝至患者頭顱，完成術前CT成像（LightSpeed 16 Slice CT Scanner，GE Healthcare，美國），獲取全顱平行基環平面的橫斷位CT影像，Helical掃描層厚3.75 mm，無縫重建層厚0.625 mm。將術前MRI與CT影像傳輸到Leksell三維手術計劃系統（Elekta，瑞典）進行影像配準融合及三維重建，手術計劃靶點由神經外科醫生確定。

于患者住院期間（即術后3～5 d）再次獲取CT影像以評價DBS電極（3387型號電極，Medtronic，美國）末端觸點位置，成像參數與術前一致，取患者仰臥位、不帶頭架進行成像。利用手術計劃系統將術后CT影像與術前影像融合，評價DBS電極末端觸點與手術計劃靶點坐標的空間差距。

于患者長期程控隨訪期間（通常為術后3～6個月）按需獲取MRI影像，評價顱內電極位置與偏移情況。鑒于患者已手術植入DBS設備，故獲取1.5 T MRI橫斷位影像。T1WI采用三維快速擾相梯度回波（three-dimension fast spoiled gradient-echo，3D-FSPGR）序列，成像參數如下：TE=2.4 ms、TI=350.0 ms、TR=8.1 ms、FA=20.0°、 帶寬=16.7 Hz、FOV=26.0 cm、矩陣=224×224、NEX=1次、層厚 =2.0 mm、層間隔 =0 mm，成像時間 =5′5″。T2WI采用快速恢復快速自旋回波（fast recovery fast spin echo，FRFSE） 序 列， 成 像 參 數 如 下：TE=107.9 ms、TR=5400.0 ms、FA=90.0°、帶寬 =10.4 Hz、FOV=26.0 cm、矩陣=256×224、NEX=3次、層厚=2.0 mm、層間隔=0 mm，成像時間=3′52″。利用手術計劃系統將術后MRI影像與術前影像融合，評價DBS電極末端觸點與手術計劃靶點坐標的空間差距。

1.3 統計學方法

采用SPSS 23.0軟件對研究數據進行統計分析。符合正態分布的定量資料以表示，采用配對樣本t檢驗進行分析；不符合正態分布的定量資料以M（Q1，Q3）表示，采用配對樣本的非參數檢驗Wilcoxon符號秩和檢驗進行分析。P≤0.05表示差異具有統計學意義。

2 結果

2.1 人口統計學信息分析

本研究共入選49例PD患者，男性22例、女性27例，年齡40～82歲，平均年齡（62.8±8.2） 歲。其中1例患者因帕金森癥狀改善欠佳而由雙側STN靶點調整為雙側GPi，即接受2次手術治療，納入研究統計2項記錄。因此，共計有36例患者植入DBS電極至雙側GPi，7例患者為雙側STN，另有7例患者為單側GPi與對側STN的不對稱靶點。

2.2 影像學分析

48例患者獲取了術前3.0 T MRI影像，2例因植入DBS設備而獲取1.5 T MRI影像。于術后住院期間，平均（2.6±1.2）d獲取患者CT影像，用于評價電極位置；于長期程控隨訪期間，平均（7.4±5.9）個月獲取1.5 T MRI影像，用于評價電極位置。因此，針對所有患者，共獲得了50組術后CT融合影像與術后MRI影像。

分別將同一患者的術后CT影像（圖1）與術后MRI影像（圖2）融合至術前影像，以獲得空間坐標值從而比較空間差距，即按照左右側DBS電極分別比較同側電極內外（X軸）、前后（Y軸）、頂底（Z軸）以及空間距離。結果（表1）顯示術后CT融合影像與術后MRI影像中，DBS電極在內外、前后、頂底3個方向及空間距離間差異均具有統計學意義（右側電極內外、頂底方向除外）；因此，整體而言2種成像方法在各自時間節點對術后DBS電極末端觸點位置的顯示存在較大差異。

圖1 DBS術后患者CT影像與術前MRI影像的融合影像Fig 1 Fused image of CT images after DBS surgery and preoperative MRI images of patients

此外，將同一患者的術后CT影像所示的電極末端觸點空間坐標值與術后MRI影像坐標值間的差值進行排列并分析其分布情況（圖3）。手術計劃系統的影像空間以右、后、頂部為坐標原點，坐標值朝左、前、底部按照空間距離逐漸增加。依據表1所示空間差距以及手術計劃系統三維坐標系實值分布提示，雙側電極在術后長期與短期相比均存在向內側、后方、底部與腦組織發生相對位移的趨勢。

圖2 DBS術后患者MRI影像與術前影像的融合影像Fig 2 Fused image of MRI images after DBS surgery and preoperative images of patients

表1 DBS電極在術后CT融合影像與術后MRI影像中的立體定向空間差異Tab 1 DBS electrodes differences of stereotactic space between postoperative CT fused images and the postoperative MRI images

圖3 患者術后CT、MRI影像所示電極末端觸點坐標差異的頻數分布直方圖Fig 3 Histogram of the frequency distribution of the differences among last contacts of electrodes shown in the CT and MRI images of the patients after operation

3 討論

本研究通過術后短期CT與術前3.0 T MRI的融合影像、術后長期隨訪采集的MRI影像對比分析DBS電極末端觸點所示空間位置發現，前者的顯示結果并未明顯優于后者，但2種成像方法在各自時間節點對術后DBS電極末端觸點位置的顯示存在較大差異。本研究還發現，DBS電極在內外、前后、頂底三維方向均有明確位移，兩者成像誤差達到0～4.7 mm，且雙側電極的相對位移均存在向內側、后方、底部發生的趨勢；該誤差范圍將顯著影響依據術后影像判斷的DBS電極觸點與靶向核團的相對空間關系，但其二者間相對位置的變化趨勢可提示在術后長期過程中存在潛在的位移規律。由此可見，術后短期DBS電極位置仍有可能在顱內發生變化，而既往研究[9-11]提示多種因素的影響對DBS電極觸點位置的評價不容忽視。本研究主要考慮以下潛在影響因素對術后短期電極位置的判斷。

3.1 腦漂移

DBS手術期間顱骨被鉆孔后可導致空氣進入，從而使腦實質發生相對顱骨的非線性變形——主要由腦脊液（cerebrospinal fl uid，CSF）流失所致腦漂移——患者仰臥位時積氣將前腦朝枕骨方向推擠。然而，在術后短期成像時患者的氣顱并未完全消退，DBS電極可能因此未能嚴格按照手術計劃被植入腦深部核團，造成電極觸點未完全處于靶點的植入誤差范圍；即使顱內空氣逐漸被吸收，腦實質變形亦逐漸恢復，但其空間位置未必能夠與術前一致，從而亦可能使DBS電極相對腦實質發生位移。

據報道，與年齡、術前腦室容積、手術時間相比，腦漂移對患者DBS電極植入的影響更為顯著[9-11]。術后顱內空氣容積與AC的移位顯著相關，且因此導致的在單側植入DBS電極手術中AC-PC連線朝對側移位、雙側手術中AC-PC連線朝后側移位等情況已屢見不鮮[12-13]。隨顱內硬膜下積氣被吸收，DBS電極可沿電極路徑向上平均位移（3.3±2.5）mm，位移程度與術后硬膜下積氣量顯著相關。為減少所觀察到的位移，部分醫師在植入DBS電極時選擇比經測試刺激后有良好反應的最腹側點更深的位置作為實際電極的植入深度值點[14]，或者需要設計多條路徑以準確定位靶點；然而，補償性調整電極位置未必適合所有的患者，且路徑的增加也可能增加患者腦出血等的潛在風險，因此減少CSF流失對腦漂移至關重要。目前，常通過縮小硬腦膜切口，減少手術時間，減少CSF吸引，用生理鹽水沖洗顱骨鉆孔并以生物蛋白膠封閉，達到減少CFS流失的目的。

本研究中患者的積氣多分布于前額與鉆孔附近，該情況給術后電極位置的改變造成了顯著影響。結果發現，靠前、靠頂部的積氣隨術后的恢復逐漸被吸收后，受擠壓的腦組織亦可逐漸恢復至術前形態，即向前、向頂部發生小的形變，而DBS電極相對于恢復后腦組織發生的位移傾向即為雙側均向內側、后側與深部。當前，腦漂移仍難以規避且是亟待解決的手術相關問題之一；而當建立相應物理模型時，研究者們需考慮電極與腦組織共同位移傾向（上述研究[12-13]提示）與兩者相對位移傾向（本研究提示），以優化模擬表現。

3.2 影像融合

DBS手術定位與術后評價最常用的影像變換手段即為影像配準與融合，而這些手段多以術前定位、術后無框架頭顱CT影像與術前影像融合以評價電極位置，且有條件的手術中心在術中常用頭顱CT和（或）MRI影像與術前影像融合以評價電極位置[15]。由于術前影像可用于確定解剖結構，術后影像用于確定電極位置，共同配準（co-registration）則是實現上述精確影像的關鍵步驟[16-17]。影像配準與融合算法對融合影像質量具有決定性作用，因此不精確的配準最終會導致影像誤差增加。而在臨床實踐中尤其是術后MRI影像方面，有時僅采集到部分大腦影像而非全顱，將其準確配準到術前影像對于配準算法頗具挑戰性，而在某些情況下甚至需要手動配準術后影像。

3.3 電極識別

因具有金屬材質的特性，DBS電極可在CT與MRI影像中呈現相應偽影；其中，CT影像主要以電極末端4個刺激觸點為中心呈現出放射狀偽影，而MRI影像主要以觸點為中心呈現出4個橢圓狀偽影，即電極刺激觸點在平面影像中以“增粗”的形狀呈現（MRI中局部空間扭曲）——偽影橫截面長軸大于實際電極直徑，從而可以通過人工直視來判斷電極末端觸點中心存在的可以預見的誤差。在計算機重建電極步驟中，既往研究[18-20]利用相應模型證明MRI影像與CT影像的電極偽影中心正是對應的顱內電極中心。為此，通過計算機重建DBS電極，實現電極末端觸點中心的自動識別以客觀評價電極在不同時間節點的相對位移，可能是減少人工偏移的更優方案。

對DBS電極在腦深部位置的驗證不僅可以發揮最大的治療作用，減少潛在的不良反應并降低未來需要額外重新定位手術的可能性，還可以對術后程控刺激觸點的篩選提供參考，避免在刺激靶點外區域引起不必要的相關不良反應。

本研究為單中心回顧性研究設計，尚存在一些局限性，包括術后復查CT與MRI的成像時間節點并未嚴格固定，術后掃描時間節點跨度較大，術后短期顱內水腫、積氣等變化對時間的變化率較大，術后遠期可能存在隨年齡的腦變化等。如前所述，人工直視定位電極末端觸點中心受電極周圍偽影的干擾，給觸點中心的識別增加了一定的難度；盡管融合影像的配準程度在人眼直視下對齊良好，但融合誤差仍可能對其所測結果形成潛在差異。另外，鑒于術后評價影像均取自橫斷位影像，冠狀位與矢狀位平面的影像重建分辨率低于橫斷位影像，故判斷這兩個平面所示電極末端觸點位置存在潛在的不準確性。正因如此，真實觸點中心的判斷應源于電極觸點的橫斷面影像，因而影像配準融合算法的優劣對與影像評價具有至關重要的作用。

目前，利用立體定向手術精準植入DBS設備已為越來越多的患者提供了較好的生活質量。細致的手術定位是治療的基礎，嚴格的定位評價是對個體治療的有效保障。術后短期的CT影像與術前影像融合受多種因素影響，因而對于DBS術后最終電極位置的評價相對有限。本研究發現，與術后短期患者相比，DBS電極在術后長期患者顱內存在微小的相對位移傾向；該結果不僅為當前臨床實踐操作提出了亟待完善的要求，同時也是建立腦漂移物理模型的研究基礎之一，可為優化手術植入DBS電極提供參考。