神经外科

术中超声在脑胶质瘤手术中的应用

作者:佚名 来源:MedSci梅斯 日期:2021-02-21
导读

         胶质瘤是最常见的原发性中枢神经系统恶性肿瘤,约占恶性脑肿瘤的81%,其中胶质母细胞瘤(WHOIV级)是预后最差的类型。近年来,相较于胶质瘤在分子诊断方面取得的进展,胶质瘤的临床治疗仍以放疗及替莫唑胺化疗为主,因耐药等原因预后不佳。患者术后生活质量、生存期等与手术切除程度密切相关,因此肿瘤全切对于胶质瘤患者至关重要。现有的术中辅助影像系统包括术中磁共振(IOMR)、术中CT、术中超声等,可以实现肿

关键字:  脑胶质瘤 

        胶质瘤是最常见的原发性中枢神经系统恶性肿瘤,约占恶性脑肿瘤的81%,其中胶质母细胞瘤(WHOIV级)是预后最差的类型。近年来,相较于胶质瘤在分子诊断方面取得的进展,胶质瘤的临床治疗仍以放疗及替莫唑胺化疗为主,因耐药等原因预后不佳。患者术后生活质量、生存期等与手术切除程度密切相关,因此肿瘤全切对于胶质瘤患者至关重要。现有的术中辅助影像系统包括术中磁共振(IOMR)、术中CT、术中超声等,可以实现肿瘤术中的实时精准定位,在胶质瘤手术中发挥着巨大的作用。然而,操作复杂、费用高、时间长等原因限制了术中磁共振在我国的应用。

        早在1980年术中超声技术就被认为是协助颅脑手术的潜在工具,但当时超声图像的质量较差,阻碍了其在神经外科中的广泛应用。近年来,超声技术因易用性、实时性、便携性和低成本等优势已广泛应用于临床。既往研究发现术中超声的特异性较高,但与术中磁共振成像相比,对残留微小肿瘤检测敏感性低。为此,很多新的技术,如新型探头、造影剂等均已应用于术中超声,这对于提高胶质瘤患者的手术切除率和延长生存期是非常有意义的。近年来术中超声技术得到了迅速的发展和普及,本文将对术中超声新技术的应用,术中超声的优势与局限性进行综述。

1.胶质瘤的超声特征

        脑胶质瘤常表现为不均匀的强回声,由于其浸润性生长的特点边界多不清楚,周边可见低回声带,为肿瘤周边水肿所致。胶质瘤的恶性程度对超声图像也有重要意义。低级别胶质瘤(WHOⅠ-Ⅱ级)常表现为内部回声均匀,瘤周形态规则、与周围脑组织边界清晰、周围无明显水肿区。高级别胶质瘤(WHOⅢ-Ⅳ级)常表现为内部回声不均匀、部分有液性坏死区、瘤周形状不规则、边界不清、水肿区明显。低级别胶质瘤瘤周水肿带不明显,因而使术中超声在低级胶质瘤手术中的鉴别意义更大。术中超声的应用可以实时反馈病变信息,更好的区分水肿和肿瘤组织。

 

2.术中超声新技术

        2.1超声造影

        超声造影(contrast-enhancedultrasound,CEUS)是一种重要的影像学诊断方法,已广泛应用于肝、肾等器官疾病的诊疗,目前在神经外科应用较少。CEUS应用动态连续模型,提供不同器官和肿瘤血流分布的实时图像,提高了图像分辨率与超声诊断的灵敏度和特异性,并可用于评估肿瘤的切除程度。BogdahnU等人在1993年首次在脑外科手术中的应用CEUS检测早期脑肿瘤新生血管情况,结果与MRI、CT的检查结果相似。超声造影通过超声造影剂实时关注感兴趣区域的造影情况。造影剂本身无活性,其微泡特征与红细胞相似,是一种理想的增强造影剂。且造影微泡具有良好的安全性和耐受性,对脑部、肝脏等未发现特殊毒性。

        造影剂微泡可通过肺毛细血管床进入全身组织,且其具有很好的散射性并与周围血液形成高声阻抗差,达到很好的“血管造影”效果。超声造影有助于实时、准确、迅速地定位肿瘤并显示瘤内血管与瘤周血管走形情况,并在评价肿瘤良恶性及肿瘤微循环灌注方面发挥着重要作用。此外,肿瘤切除后观察瘤腔内有无造影剂外逸,可以协助判断有无隐性出血。高级别胶质瘤超声造影多表现为高增强且伴有内部未增强的坏死区,而低级别胶质瘤表现为稍高增强,较少伴有坏死区。

        肿瘤的血供模式与正常脑组织不同,造影剂的微泡可在体循环中运行,根据肿瘤微血管的密度不同而呈现不同的增强方式。因此与常规超声相比,CEUS可通过病灶与周围脑组织不同的增强特征,在定位和判断胶质瘤边界方面发挥巨大的优势。瘤周水肿带是导致胶质瘤复发的重要原因,术中CEUS能有效区分肿瘤组织和瘤周水肿,其显示的大部分肿瘤边界大于传统超声显示的肿瘤边界。然而,由于肿瘤复发灶、放射性坏死组织和瘤周水肿组织的影响,CEUS在评估复发胶质瘤和放疗后胶质瘤患者的肿瘤切除程度方面受到限制。

        同时,脑肿瘤超声造影显示效果是否受血脑屏障以及不同脑肿瘤的增强模式和增强时间的影响,均有待于进一步研究。目前术中CEUS为肿瘤切除提供依据,并最大限度地保护正常脑组织。术中超声造影的应用能清晰的显示肿瘤边界,准确判断肿瘤是否残留,提高脑胶质瘤的切除率,有望在神经外科中得到更广泛的应用。

        2.2三维超声

        术中三维超声(three-dimensionalnultrasound,3DUS)是一种提供实时成像的便携式技术,在传统二维超声成像的基础上,三维超声增加了冠状面成像。3DUS目前主要应用于心脏、产科和妇科,在神经外科也开始广泛应用。3DUS可完成一系列功能,包括立体成像、图像分割、图像旋转和图像分析等。经3D技术重建的图像清晰直观,可用来测量胶质瘤的大小和体积,并能清晰的显示病变区域的三维形状和空间位置。3DUS不仅可以弥补传统二维超声在空间成像上的不足,更好的显示脑肿瘤血管的立体架构与走行、血管树三维形态及空间位置,同时一定程度上减少肿瘤切除后产生的伪影。

        CampSJ等发现3DUS参数平均像素亮度(meanpixelbrightness,MPB)和标准偏差(standarddivision,SD)与胶质瘤病理级别具有相关性。MPB和SD是反映3DUS对胶质瘤的探测敏感程度的客观指标,它们间接的提示肿瘤的恶性程度,同时对于检测残余肿瘤具有较高敏感性。功能区胶质瘤可以通过3DUS的应用对功能区进行实时判定,从而实现在保留功能的基础上最大限度的切除肿瘤。因此,3DUS不仅可以作为一种诊断工具,还可以用于制定手术策略。既往研究发现通过3DUS技术引导低级别胶质瘤切除后,大多数患者保留了高质量的生活质量。

        目前,3DUS在临床应用时常联合超声造影和神经导航系统,CEUS与3DUS技术的联用主要是通过采集微气泡的信息进行三维重建。2016年ArltF等人将3DUS联合CEUS用于脑肿瘤的切除,结果表明3DUS与CEUS的结合在胶质瘤手术中具有很多优势。90%的高级别胶质瘤对造影剂有高摄取性,超声图像质量的改善超过50%。同时,超声造影三维重建能清晰的显示脑肿瘤滋养动脉及其主要分支的起始、空间立体走行,并清晰显示肿瘤内微血管床的空间立体分布。

        超声造影三维重建显示高级别胶质瘤滋养动脉发出分支呈“侵袭状”深入瘤体内,脑膜瘤滋养血管呈“抱球状”环绕肿瘤,这为制定手术方案提供了重要的参考信息。上述结论证明了3DUS在胶质瘤手术中的重要价值,3DUS是一种低成本、可靠、便携和实时的术中超声模式,这将进一步促进胶质瘤手术的发展。

        2.3导航超声

        传统的导航系统基本上是基于术前获取的成像数据(CT或MRI图像),它们有助于精确规划和确定手术切口,对于术前定位病变和制定手术入路也发挥着巨大作用。然而,由于脑组织移位会使原有导航系统出现较大的误差。超声导航(navigatedultrasound,NUS)是一种通过追踪2D或3D超声图像来定位肿瘤的新技术,允许通过迅速的实时更新来达到切除肿瘤目的。

        超声导航主要以三维超声为基础,为了产生三维图像,常使用预先校准的2D探头,获取图像后再进行三维重建。目前,3D探头已出现并应用于临床。与2D探头相比,应用3D探头成像时间更短且术中实时成像更加准确。3D-NUS可提供高质量超声图像,导航具有高度准确性,可以协助辨别肿瘤与正常脑组织。在鉴别瘤周水肿方面,可以达到甚至超过MRIT2水平。

        既往研究显示应用三维导航系统对高级别胶质瘤手术的切除率可达92%,且对采用唤醒手术的功能区低级别胶质瘤患者,应用3D超声导航的患者肿瘤切除率更高,并不会造成更多的功能损伤。得益于图像的采集过程,NUS有助于避免由于图像配准算法导致的误差。NUS也存在挑战,医生需要准确的理解超声图像。通过使用大视角,包括周围的大脑和已知的解剖标志(不仅局限于肿瘤区域)进行三维图像重建,可便于术者对超声图像进行理解。3D-NUS是一种新兴的术中成像策略,是脑肿瘤手术期间的独立导航系统。NUS可以提供可重复、高质量、实时更新的图像,对于手术切除很有意义,尤其适用于唤醒手术。

        2.4超声弹性成像

        随着超声技术的广泛使用,近年来超声弹性成像(ultra-soundelastography,UE)已应用于脑肿瘤手术中。OphirJ在1991年第一次提出了“弹性成像”的概念,指是一种利用不同组织硬度或弹性度不同来产生的超声图像。它被用于反映组织硬度并一定程度上替代临床医生触诊,实时脑弹性成像是胶质瘤手术中病灶定位和肿瘤边界评估的一种新辅助工具。

        脑肿瘤的超声弹性图像特征与其病理特点想符,超声弹性成像能够反映病灶的硬度,更佳明确的显示病灶与周围正常组织的边界。MacéE等人于2010年首次应用弹性成像测量大鼠的弹性模量数据,同时发现肿瘤引起的弹性模量值变化也有助于术者进行肿瘤的术中定位和诊断。剪切波弹性成像技术(shear-waveelastography,SWE)作为超声弹性成像的一种,可客观、定量的评估组织的弹性硬度。

        SWE通常用于乳腺、甲状腺和肝脏疾病,ChauvetD等人于2015年首次测试了正常人及脑肿瘤的弹性模量值,结果正常脑组织的弹性模量值为(7.3±2.1)kPa,同时测得脑膜瘤、低级别胶质瘤、高级别胶质瘤、脑转移癌患者的弹性模量值分别为:(33.1±5.9)kPa、(23.7±4.9)kPa、(11.4±3.60)kPa和(16.7±2.5)kPa。研究表明,弹性模量值在不同脑肿瘤之间存在显著差异。因而,术中应用SWE剪切波弹性成像技术,可协助术者预测性质并指导肿瘤的切除。相比于传统超声,超声弹性成像具有更好的分辨率和特异性。弹性超声成像可以提供更多胶质瘤内部的组织信息,帮助术者对肿瘤的性质进行初步的判定,提高手术的切除率,对减少术后并发症和复发率具有重要的指导意义。

        2.5功能性超声

        浸润性生长是胶质瘤的主要特征之一,它经常侵及功能区。功能性神经成像对胶质瘤的切除、减少术后并发症、提高患者生活质量具有重要意义。然而,功能性神经成像不能直接提供脑功能活动的运动图像,同时2D超声因敏感性低不足以检测颅内血管,因而将神经功能成像与超声相结合是最佳选择。

        相比于其他脑功能成像,功能性超声(functionalultrasound,FUS)具有很大优势,可以实现对脑血流的瞬时变化进行成像,同时在大脑皮层功能区的精确定位方面具有很大的优势。FUS基于高帧率的平面波(1kHz)发射,灵敏度高,可以检测大多数颅内血管的血流(低至1mm/s血流速度)。皮质神经元活化的典型血流动力学反应是血流增加,因而FUS可以通过监测脑血容量的瞬时变化,确定并区分脑功能区。

        FUS目前主要应用于二维超声,相信未来高分辨率的3DUS及4DUS在FUS中的应用并将显示出更大的优势,这一技术的广泛应用将对研究人脑血流动力学研究具有更重要的价值。

3.术中超声在胶质瘤手术中的应用

        胶质瘤手术的主要目的是尽可能切除肿瘤组织,降低肿瘤复发率。术中超声具有低成本、操作容易、图像实时更新和无辐射等特点,目前其胶质瘤手术中主要应用于:①术中导航定位;②评估切除范围;③监测脑组织移位。

        3.1术中导航定位

        神经导航系统提高了神经外科手术的准确性和安全性,极大改善了患者的预后。由于术前影像学不考虑脑移位,术中实时成像是非常重要的。与其他仪器相比,术中超声是一种便携式系统,提供实时成像功能,目前2D和3D技术都可用于执行术中导航。术中3D超声克服了传统超声存在的定向问题,可提供更精确的术中实时图像。随着超声成像技术的进步,术中超声可通过实时数据更新指导手术过程。

        3.2评估切除范围

        评估切除的范围有助于提高胶质瘤患者的生存率,经验丰富的外科医生在评估切除范围时仍会犯错,因此客观的评估肿瘤范围是非常重要的。ElBeltagy在25例儿童脑肿瘤手术中应用术中超声,结果显示术中超声的应用可以准确的在打开硬膜前对肿瘤进行定位,并在肿瘤切除后鉴别残留肿瘤与正常脑组织。但术中超声鉴别残留肿瘤的能力受到多种因素的限制,瘤周水肿产生类似于正常脑组织的回声,导致肿瘤的真实边界难以判断,且术腔出血会干扰术者的判断。通过比较术前肿瘤范围和切除后生理盐水灌满的瘤腔,可粗略判断肿瘤是否残留。二维超声能可靠的检测大于1cm的残留肿瘤,但对较小残留的检测不可靠。

        3D超声显示了与2D超声相似的局限性。RyghOM等人研究结果显示,切除前超声对肿瘤边界的判定具有较高的特异性和敏感性(均为95%);肿瘤切除过程中术中超声敏感性为87%,特异性为42%;肿瘤切除后超声敏感性为26%,特异性为88%。肿瘤切除过程中假阳性可能是由水肿和边界伪影引起的。因此CEUS等术中超声新技术可以协助术者在术中客观的评估肿瘤切除程度,对于在安全范围内最大程度的切除肿瘤意义显著。

        3.3监测脑移位

        手术期间,硬脑膜打开后,大脑的形态相比于术前图像会发生形态改变。这种现象被称为“脑移位”,这可能导致术前定位不准确,目前仍然是神经外科手术的一个难题。以往,术者主要根据术前影像学资料和丰富的临床经验设计切口,但精准性差。术中超声可以通过实时更新数据,解决脑组织移位的问题。Geirmund等人发现在边界清晰的病变中,3D超声定位误差小于2mm,而基于术前MRI的导航技术误差约2~10mm。此外,SaetherCA等人研究显示胶质瘤手术联合应用术中超声和导航可以将患者生存期从9.6个月提高到11.9个月(HR=0.7;P=0.034)。导航系统和术中超声相结合可以解决脑组织移位的问题,且特别适合于深部并邻近功能区的脑肿瘤手术。

4.术中超声的不足

        与术中磁共振相比,术中超声提供了一种更为通用、经济、高效的成像方法。尽管如此,它仍然没有得到广泛的应用,这可能是由于术者需要较长学习曲线;传统超声成像效果差;缺乏统一的颅内超声诊断标准;肿瘤较深且体积较小时难以获得图像。同时手术过程中产生的伪影通常与残留肿瘤很难区分,手术牵拉造成的脑损伤或血块可能在切除后使术腔底部出现强烈回声。术中超声在残留肿瘤定位上的局限性主要与图像质量和解剖方向有关。目前超声新技术的出现大大提高了图像分辨率,并通过将体积更小的超声探头深入术腔,近距离观察可疑区域,从而减少伪影的影响,新型耦合剂的使用已被验证可以减少手术引起的超声伪影。

        缺乏解剖标志会使术者在寻找残留肿瘤时遇到困难。技术上实时超声扫描可以克服这一问题,但如果超声探头操作不当,可能导致图像准确性较低。新的小型探头可以提高图像的分辨率,并且随着新科技成果在超声技术上的不断实践,相信上述障碍将很快被克服。

5.总结与展望

        脑胶质瘤的切除程度是决定患者生存时间和生活质量的最重要因素。由于胶质瘤侵袭性生长,通过肉眼或显微镜观察胶质瘤的颜色和质地,难以准确定位胶质瘤的边界。术中超声已成为神经外科的重要工具,它对脑胶质瘤切除程度的判断具有较高的敏感性和特异性。现今超声技术的进步除了可以减少脑肿瘤的伪影和预测组织学诊断外,同时提高了超声图像的分辨率和质量。目前迫切需要的是在超声成像处理方面的进步,以及硬件的不断改进,以充分发挥术中超声的更大潜力。因此,在颅内胶质瘤手术中应用术中超声可以提高肿瘤的切除率,减少肿瘤残留,提高患者的生存率和生活质量,是脑胶质瘤手术中的一项重要辅助技术。

        来源:赵曦,黄泽清.术中超声在脑胶质瘤手术中的应用[J].现代肿瘤医学,2020,28(20):3632-3636.

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