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基于个性化fMRI的脑肿瘤内功能区域定位研究

期刊:Annals of NeurologyDOI:10.1002/ana.26303

这篇文档属于类型a,即报告了一项原创研究。以下是针对该研究的学术报告:

主要作者及机构

本研究由Weigang Cui博士、Yinyan Wang博士、Jianxun Ren硕士等多位作者共同完成,研究团队来自多个机构,包括北京航空航天大学、哈佛医学院马萨诸塞总医院、清华大学等。该研究于2022年发表在《Annals of Neurology》期刊上。

学术背景

本研究属于神经科学和医学影像学领域,旨在开发一种非侵入性技术,用于绘制脑肿瘤患者大脑中保留功能区域的个体化功能网络。背景知识表明,尽管脑肿瘤可能侵犯或包围健康脑组织,但已有证据表明,肿瘤内部及周围可能存在功能保留的区域。然而,现有的功能映射技术要么覆盖范围有限,要么精度不足,无法在个体水平上全面绘制功能网络。因此,本研究的目标是开发一种基于静息态功能磁共振成像(rsfMRI)的个体化功能网络分割方法,以识别肿瘤内部及周围的功能保留区域,并为术前规划提供支持。

研究流程

本研究包括以下主要步骤:

  1. 参与者招募
    研究纳入了20名脑肿瘤患者,肿瘤位于额叶、颞叶和顶叶。所有患者均为右利手,且均为新诊断的肿瘤患者。患者接受了3T磁共振扫描,包括结构MRI和rsfMRI数据采集。

  2. 数据采集与预处理
    结构MRI数据使用FreeSurfer软件处理,rsfMRI数据则经过切片时间校正、头动校正、全局信号强度归一化、带通滤波等预处理步骤。此外,患者还进行了手部运动任务的功能磁共振扫描。

  3. 个体化功能网络分割
    研究团队开发了一种全脑体积功能网络分割方法,用于肿瘤患者的大脑。该方法包括以下步骤:

    • 初始化:将群体水平的体积功能图谱投影到患者的非病变半球,作为初始分割。
    • 非病变半球的功能网络映射:通过迭代算法,将每个体素重新分配到18个功能网络之一,基于其与参考信号的最大相关性。
    • 病变半球的功能映射:构建新的参考信号,包括非病变半球的18个功能网络信号和肿瘤网络信号,并将病变半球的体素分配到19个网络之一。
    • 病变半球的功能个体化:通过相同的优化程序,对病变半球的19个网络进行分割。
    • 两半球结合:将两半球的参考信号结合,最终确定每个体素的网络分配。
  4. 直接皮层刺激(DCS)验证
    在15名患者中,通过术中直接皮层刺激(DCS)验证了手部感觉运动网络的准确性。研究结果表明,rsfMRI方法绘制的手部感觉运动网络与DCS定位的区域高度一致。

  5. 功能连接分析
    研究团队分析了肿瘤内部及周围功能网络的功能连接模式,特别是感觉运动网络与小脑的连接。结果显示,肿瘤内部的功能区域仍保留了一定的功能连接。

  6. 任务激活验证
    通过手部运动任务的功能磁共振扫描,验证了肿瘤内部及周围感觉运动网络的功能显著性。结果显示,肿瘤内部的功能区域在任务中表现出激活。

主要结果

  1. 个体化功能网络分割
    研究成功将20名患者的脑部分割为18个大规模功能网络和一个肿瘤网络。结果显示,约33.2%的肿瘤质量被分类为功能区域,特别是在低级别胶质瘤患者中,功能保留区域的比例显著高于高级别胶质瘤患者。

  2. 功能连接分析
    肿瘤内部及周围的功能网络表现出独特的功能连接模式。肿瘤内部的功能区域仍保留了一定的功能连接,特别是感觉运动网络与小脑的连接。

  3. DCS与任务激活验证
    rsfMRI方法绘制的手部感觉运动网络与DCS定位的区域高度一致。此外,手部运动任务的功能磁共振扫描验证了肿瘤内部及周围感觉运动网络的功能显著性。

结论

本研究开发的个体化功能网络分割方法能够成功识别肿瘤内部及周围的功能保留区域,具有潜在的临床应用价值。该方法可以为术前规划提供支持,帮助医生在最大化肿瘤切除的同时保留患者的大脑功能。此外,研究结果还表明,低级别胶质瘤患者的功能保留区域比例显著高于高级别胶质瘤患者,这可能为肿瘤分型提供新的生物标志物。

研究亮点

  1. 创新性方法:研究团队开发了一种基于rsfMRI的个体化功能网络分割方法,能够全面绘制肿瘤患者大脑中的功能网络。
  2. 临床价值:该方法可以为术前规划提供支持,帮助医生在最大化肿瘤切除的同时保留患者的大脑功能。
  3. 重要发现:研究首次在个体水平上全面绘制了肿瘤内部及周围的功能网络,并发现低级别胶质瘤患者的功能保留区域比例显著高于高级别胶质瘤患者。

其他有价值的内容

研究还探讨了肿瘤网络的功能连接机制,并提出了肿瘤功能边界的概念,这可能为未来的神经外科实践提供新的思路。此外,研究结果还为开发新型“预康复”策略提供了理论支持,通过个性化神经调控疗法,可能促进大脑功能的重组,从而改善患者预后。

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