基于MRI三维皮层映射的唤醒脑手术术中直接电刺激位点标准化定位方法

《Brain Sciences》：Standardized Localization of Intraoperative Direct Electrical Stimulation Sites in Awake Brain Surgery Using MRI-Based 3D Cortical Mapping

　　

摘要专业翻译 目的： 术中直接电刺激（DES）是唤醒脑手术中运动及认知皮层功能定位的金标准。然而，目前仍缺乏一种可重复的方法将这些刺激位点重定位至通用脑模板上，这阻碍了研究的可重复性与数据整合。本文提出并验证了皮层拓扑定位（corticotopography）方法，作为一种将皮层DES位点可靠映射至脑图谱的技术。方法： 皮层拓扑定位通过利用解剖 landmarks（即脑沟、脑回及皮层血管）将术中暴露皮层的图像与术前基于MRI的三维脑重建进行匹配。随后使用FSLeyes提取刺激位点的坐标，并将其映射至MNI152空间。通过评估者间比较评价该方法的可靠性，并检验病灶体积、肿瘤复发状态及开颅范围对定位可靠性的潜在偏倚。结果： 在19例接受胶质瘤切除唤醒手术的患者中识别出90个语言功能区皮层位点。评估者间分析显示高度一致性，87%的刺激位点空间差异小于2.5 mm。在新发或复发肿瘤之间，以及不同病灶体积或开颅大小条件下，定位一致性均无显著差异。结论： 研究人员引入一种标准化且可重复的皮层拓扑定位技术，用于在术前解剖MRI上定位术中皮层刺激位点。通过规范化皮层功能定位的操作流程，该方法降低了研究间变异性，使DES能够成为功能性脑图谱构建的累积性、互操作性资源，从而支持DES数据与其他神经影像模态的整合，并应用于大规模脑图谱构建及连接组学等神经科学领域。

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一、研究背景与问题

术中直接电刺激（DES）在唤醒脑手术中已有一百年应用历史，是目前公认的脑功能定位金标准。DES通过短暂干扰局部神经活动产生可逆的“虚拟损伤”，并伴随可测量的行为学效应，从而实现对脑–功能关系的因果性探究。术中通过DES识别出的功能关键区对于保护患者术后神经功能至关重要。然而，尽管DES具有无与伦比的空间与时间精度，将术中识别出的功能区位点转移至标准化脑图谱的方法却长期缺乏统一规范。既往研究采用的定位策略差异极大，有的在示意性脑模板上人工标注再数字化至蒙特利尔神经研究所152模板（MNI152），有的将个体术中脑表面直接投影至标准参考脑。这些方法因术中脑形态变异与标准化空间匹配困难而固有地存在空间偏倚。术中神经导航系统虽也用于定位，但脑移位（brain shift）常严重削弱其精度。方法学不一致与缺乏可重复性，从根本上削弱了基于DES的功能性脑图谱研究的科学有效性与普适性。近期研究虽提出利用术后MRI匹配术中照片以定位皮层下刺激位点，但术后MRI因手术导致的解剖变形，难以准确对应刚打开硬膜后暴露的皮层表面。因此，亟需一种基于术前MRI的、标准化且可重复的皮层刺激位点定位方法。

二、研究内容与结论

针对上述问题，研究人员提出并验证了一种基于术前解剖MRI的皮层拓扑定位（corticotopography）技术，用于将术中皮层DES位点准确转移至标准化脑图谱。该技术利用脑沟、脑回及皮层血管等形态学特征作为解剖 landmarks，将术中暴露皮层图像与术前MRI三维重建进行视觉匹配，从而在个体空间提取刺激位点坐标，并进一步标准化至MNI152空间。研究纳入2021至2024年间连续收治的19例接受唤醒手术的胶质瘤患者，共识别出90个可重复的语言功能区皮层位点。通过双盲评估者间比较验证定位可靠性，结果显示平均空间距离为1.16 mm，87%的位点空间差异小于2.5 mm，其余位点差异均小于5 mm（即双极刺激器极间距）。进一步采用线性混合效应模型分析临床因素对定位一致性的影响，发现手术时机（新发或复发）、病灶体积及开颅面积均不显著影响定位可靠性。该结果表明，该定位方法在不同手术条件和解剖场景下均具有稳健性。研究的重要意义在于：通过规范化皮层功能定位流程，使DES数据从个案化术中工具转变为可累积、可互操作的脑功能信息来源，为后续与任务态功能磁共振（fMRI）、连接组学等多模态神经影像整合奠定了基础。

三、主要关键技术方法

研究人员采用了以下关键技术方法：其一，基于术前MRI的皮层拓扑定位（corticotopography），利用脑沟、脑回及皮层血管作为解剖 landmarks，将术中暴露皮层图像与三维MRI重建进行视觉匹配；其二，利用FSLeyes软件（版本1.15.0）进行三维皮层表面重建与刺激位点坐标提取，坐标以毫米为单位记录于扫描仪原生空间；其三，通过自定义Python脚本将刺激坐标转换为半径2.5 mm的感兴趣区（ROI）二值掩膜；其四，采用SPM12的Clinical Toolbox将FLAIR图像及刺激位点坐标标准化至MNI152空间。样本队列来源于意大利IRCCS Neuromed神经放射科，MRI数据由3T GE Signa HDxT扫描仪采集，包括高分辨率三维T1增强及三维T2 FLAIR序列。定位操作由两位神经外科医生（CRM和AE）独立盲法完成。

四、研究结果

4.1 患者临床数据

研究共纳入19例患者（6例女性），其中6例（31.5%）因胶质瘤复发接受手术。患者平均年龄39.4±12.4岁。组织学诊断包括：5例（26.3%）胶质母细胞瘤IDH野生型IV级、3例（15.8%）少突胶质细胞瘤IDH突变型III级、3例（15.8%）少突胶质细胞瘤IDH突变型II级、7例（36.8%）星形细胞瘤IDH突变型、1例（5.3%）神经节胶质瘤。病灶位于左额叶10例（52.7%）、左顶叶5例（26.3%）、左颞叶4例（21.1%）。

4.2 术中位点识别

全部19例患者均完成脑功能定位并记录，共获得90个可重复位点（即在三次独立刺激中均诱发语言错误）。其中26个位点（28%）来自复发肿瘤患者。

4.3 术中位点评估者间验证

评估者间验证显示良好一致性，平均空间距离为1.16 mm（±1.1 mm），78个（87%）刺激位点的欧氏空间差异小于2.5 mm，其余12个（13%）位点差异均小于5 mm。线性混合效应模型分析显示：手术时机对定位差异无显著影响，提示重复手术或肿瘤复发不显著影响评估者间一致性；开颅面积与定位差异无显著关联，表明皮层暴露范围不显著影响定位一致性；病灶体积同样无显著效应，说明即使在较大病灶及潜在占位效应导致皮层解剖改变的情况下，该定位方法仍保持可靠。

五、讨论与结论

讨论部分指出，准确的脑功能定位对于理解人脑内在组织至关重要，DES作为直接探测脑功能的工具具有不可替代的价值。然而，将术中脑功能定位数据转移至参考脑图谱缺乏标准化方法，这严重限制了数据的普适性与科学潜力。研究人员提出的皮层拓扑定位方法通过识别脑沟、脑回及皮层血管等解剖 landmarks进行视觉匹配，这些 landmarks相对不受脑移位影响，为皮层定位提供了可靠参考。与既往利用术后MRI进行定位的方法相比，本研究采用术前MRI序列，因术前影像最接近硬膜打开后皮层的术中解剖状态，从而优先保证了皮层定位的准确性。本研究首次系统评估了基于术前MRI的皮层拓扑定位工作流在皮层DES位点定位中的评估者间可靠性，结果显示该方法可重复、易于临床应用，且不受病灶体积、开颅范围及肿瘤复发等内在临床条件的影响。研究局限性包括：皮层表面重建质量依赖术前MRI的空间分辨率与对比度；定位可靠性部分依赖操作者对技术的熟悉程度；FSLeyes对增强T1图像的表面渲染质量欠佳，部分病例需借助商业软件BrainWavePA辅助识别 landmarks；坐标提取功能在开源平台3D Slicer的标准图形界面中不直接可用。未来研究应在独立临床环境中评估该方法的可重复性与多中心可靠性，并开发整合高质量皮层与血管表面可视化及直接坐标提取的统一开源工作流。结论部分强调，所提出的皮层拓扑定位技术为在术前解剖MRI上定位术中皮层刺激位点提供了可靠且实用的方法。通过规范化皮层功能定位流程，该方法使DES超越个案化术中工具的范畴，成为脑功能信息的累积性、互操作性来源，同时对病灶体积、开颅范围及肿瘤复发等潜在偏倚保持稳健。图谱一致性定位进一步支持DES数据与其他神经影像模态的整合，为大规模脑功能图谱构建及连接组学等神经科学领域的研究提供了基础。