人腦醫學新紀元:

利用功能性腦造影及腦圖技術來定位人腦重要功能區及病灶區

 

醫師     92/04/21

台北榮總教學研究部 整合性腦功能研究室 主持人

 

台北榮總教學研究部整合性腦功能研究室為臺北榮民總醫院的一個特殊研發單位,負責發展各項人腦神經資訊視覺化的重點高科技(功能性腦造影及腦圖)及醫學研究。在結合臨床與研究的目標下,創國內醫學中心之先,建立超高磁場3T功能性磁振造影(Functional Magnetic Resonance Imaging; fMRI)全頭型腦磁圖(Magnetoencephalography; MEG)方法學,更開發諸多神經訊號之分析技術平台。

功能性磁振造影(fMRI)在臨床上可定位大腦各種功能區,提供神經外科手術決策之重要醫學資訊。腦磁圖(MEG)則提供比傳統腦電波儀更為精確的腦神經活動訊號,並與結構性MRI檢查結合,對於癲癇病灶的偵測尤其精確。不論是fMRIMEG,其所根據的原理都是神經元活動所引發的各項生理訊號變化,所以神經資訊判讀工具及分析技術平台的重要性就不言而喻。

目前我們的研究成果已分別發表於國際神經醫學最高學術雜誌Annals of Neurology、生醫影像及腦功能造影國際最高學術雜誌NeuroImage、及國際磁振影像醫學最高雜誌Magnetic Resonance in Medicine,其中諸多研究發現及技術發展皆為國際首創。在本次的記者會中,我們將就目前臨床上的顯著效用,由葉子成醫師、林永煬醫師及吳育德副研究員等三位主要負責成員做詳細報告。


一、人腦的功能性磁振造影圖譜

報告人 葉子成 醫師

1.    教學研究部整合性腦功能研究室主治醫師

2.    放射線部兼任主治醫師

 

當我們在茶餘飯後,談論著人體基因解密或複製人近於科幻小說的情節時,殊不知當1909年Korbinian Brodmann(1868-1918)依據解剖組織將腦部分成47區後,至今仍為人腦圖譜之主要依據,只能顯示我們對“腦袋”了解的不足。時有病患因為腦瘤、血管畸形、或癲癇等等病情,需接受腦部手術,但術後出現行動不便、感官不良、語言失能、喪失記憶等等的後遺症,成為在治療程序中的遺憾,常是因為“腦袋”生病的地方,與這些重要的腦功能區域太接近了,以至於手術時破壞了這些區域,如果能在開刀前就能將這些重要的腦功能區域標定出來,應該可以將術後的後遺症降至最低,就像打仗時,能知己知彼才能打贏這場“腦袋”之戰。

當我們透過五官去感知外在的世界或自發性運作我們的心智時,負責該項功能的腦部特定區域其神經元的電生理活動會增加,繼而帶動該區域局部血流量之增加,因此導致血氧濃度改變的對比訊號 (BOLD contrast)改變,可用來研究我們大腦心智活動的腦神經網路運作及解析腦神經結構與功能的關係,揭開人類腦中樞之意識及心智活動其腦網路之機轉。功能磁振影像的BOLD基本原理是藉腦部神經元活動時,其所在區域的局部血流量會增加,導致局部腦血管內之去氧血紅素濃度亦隨之變化,因去氧血紅素具類似磁振造影顯影劑的效應,同時血紅素局限於血管內,故而在血管內外形成磁化係數的差異,而在磁振影像上隨血管內之去氧血紅素濃度改變造成訊號的起伏;可在檢查中讓病患執行不同之工作或經歷不同的感官刺激,於檢查完成後藉影像及統計模式計算出腦功能區域的位置。相關資料可見網頁(ibru.vghtpe.gov.tw/fmri_tech.htm)。

非常重要的一點,功能性腦磁振造影技術,對腦部或身體是完全無侵襲性的。受試者或病人必須在磁振造影檢查的過程中,接受特別設計的知覺刺激或實際從事認知神經工作。這點迥異於目前一般的靜態的常規臨床醫療影像檢查,也正是功能性磁振造影其定義的由來。我們可藉手部及臉部運動工作,為一位十四歲的腦瘤病患標定其“腦袋”負責運動功能的區域(圖一),以了解運動功能區域與右邊大腦腦瘤的相對關係,做為手術計畫的重要依據。

 

功能性磁振造影腦圖
圖一: 一位十四歲女性病患,右邊大腦有一腦瘤(低訊號區域,如藍色箭頭所指),接受功能性磁振造影檢查,藉左手(左上圖)及臉部運動來標定其“腦袋”負責運動的功能區域(右下圖為該病患的三度空間的腦圖,紅色區域為負責左手運動,綠藍色區域為負責嘴部運動),顯示腦瘤位於負責運動功能區域的前方,可做為手術計畫的重要依據

1999年臺北榮民總醫院啟用全國第一部超高磁場3T磁振造影系統,藉由超高磁場對BOLD對比訊號的優越性(圖二),專門從事功能性腦磁振造影之臨床及基礎研究工作,在無健保給付下提供臨床服務達兩百餘人次。在功能性腦磁振造影之技術方面,研發自裝式線上功能磁振造影分析系統,將耗費時間的影像計算改善為即時性功能磁振造影分析系統,提供線上的影像重組、運動位移修正的影像重新排列及統計功能分析,該線上處理系統可提供醫師即時的臨床功能性磁振檢查回饋及功能性磁振造影的品管控制;於一般功能性磁振造影檢查下,可於40秒內獲得線上處理結果,同時該系統無需額外經費並可應用於標準的臨床磁振造影系統。在榮總陽明團隊合作研究下,發展功能性腦磁振造影的國語語言功能檢查方法,於術前定位語言優勢腦,以供臨床檢查及手術決策之需。

 

功能性磁振造影腦圖
圖二:相較於一般 1.5T磁振造影系統,超高磁場3T系統對BOLD對比訊號的敏感度約高二倍,可提供更準確的功能性磁振造影腦圖。圖內顯示同一受試者於3T及1.5T系統下,接受視覺光線刺激時,相同統計檢定標準下的腦部視覺反應區域(紅色區域)。


二、癲癇診斷的新利器─腦磁圖檢查

報告人 林永煬 醫師

1.    教學研究部整合性腦功能研究室主治醫師

2.    神經醫學中心神經內科兼任主治醫師

 

臺北榮民總醫院引進一套非常精密的儀器─全頭型腦磁圖儀,研究員藉由磁圖儀得仔細探討腦部功能與運作,應用於癲癇患者將更可以精確地執行癲癇棘波的偵測,進而確切找出產生癲癇的病灶,以提昇手術治療的可行性及安全性。目前在全亞洲國家當中,只有日本及台灣的癲癇患者,有機會接受這種檢查,以改善治療計劃。

癲癇是由於腦部神經細胞不正常放電造成的反覆性發作病症,這個病症會影響患者的生理發展、心理、健康、求學、求職,患者及家屬之生活品質也會大受影響。癲癇的發生率是千分之五至十,因此,整體而言癲癇的社會成本是相當高的,而癲癇診治的成果也可視為文明國家進步的指標之一。一般而言,癲癇專家根據病狀型態、腦電圖檢查及腦部影像掃描等資料,研判該患者的癲癇病灶所在位置,但對於某些較為困難的個案,這些檢查仍然無法提供充分的訊息,使得後續治療方法之選擇無以為據。

腦部神經細胞興奮時會產生腦電流,同時合併有腦電位變化及腦磁場。大家較熟悉的腦電圖儀就是藉由記錄腦電位變化,以探討神經興奮現象,而最近台北榮總引進的腦磁圖儀能偵測腦磁場,將所記錄到的腦磁波,加以分析以了解腦部神經興奮的過程及主要放電源所在的腦部區位。我們所屬的環境到處都有磁場,這些磁場通常比腦神經興奮產生之腦磁場強過數千、數萬或數億倍,要偵測腦磁場必須利用高技術的超導感應磁波記錄器及磁場遮蔽室的建置。

腦電位與腦磁場的差異之一是,前者由腦部癲癇源頭傳出到頭皮表面的過程,會受腦脊髓液、頭骨及頭皮等組織所阻擋而減弱,但腦磁場在傳遞過程則不受這些組織構造所影響,這正是腦磁圖檢查較腦電圖檢查更能精確找到放電源頭所在的原因之一。癲癇的主要治療方式包括服用抗癲癇藥物及癲癇手術,大約百分之七十患者可以藉由藥物得到良好的療效,另外,百分之三十的個案若經過仔細評估及檢查,有些患者可以藉由手術治療獲得改善或治癒。

台北榮總癲癇小組自民國七十八年開始進行癲癇手術相關之診察及治療服務,目前為止,已有近400位成人及150位兒童的藥物難治型癲癇患者接受手術治療,手術後得到良好的治療,進而改善生活品質。然而我們並不以此為滿足,因為仍有許多患者經暨有之檢查仍無法確認其放電源頭在那個腦區位,前年十二月開始,應用腦磁圖以檢測及定位藥物難治型癲癇患者之癲癇放電源及鄰近腦功能區,目前已有多位患者因這項檢查而確定放電源所在位置,因而得以進行手術治療或引導相關檢查之進行(見圖例)。

目前有二大類癲癇患者最需要腦磁圖儀檢查以利治療方針的擬定: (1) 藥物難治型癲癇患者,(2) 患有腦腫瘤之癲癇患者。國內癲癇患者,將因此一新技術的應用而獲得更確切的診斷、接受更適當的手術治療、以及減少手術併發症。

 

功能性磁振造影腦照手術前後圖示
圖例:一位40歲男性,三十年癲癇病史,手術前錄影暨腦電圖檢查疑是右側顳葉區放電所引起之癲癇。腦磁圖檢測標示出右側顳葉癲癇放電區位(紅色點),患者接受顳葉手術治療,將放電區切除後患者不再有癲癇發作。


三、獨立成分分析法在順磁性對比劑之血流灌注磁振造影臨床應用

報告人 吳育德 副研究員

1.    國立陽明大學放射醫學科學系所副教授

2.    台北榮總整合性腦功能研究室副研究員

 

血管疾病一直是占國人十大死因之一,早期診斷及適當治療,對病患在疾病的預防上,和降低社會成本極為重要。因此如何去評估病生理上的改變(例如腦血流)即是一個很重要的問題。而腦血流灌流之生理參數評估,便是主要的方法之一。

 

血流灌注一般而言乃指由新鮮含氧的動脈血,運送氧氣養分給組織細胞,再將組織細胞所代謝出來的廢物經由靜脈血運走的一個過程。這樣的一個過程和微血管的解剖結構,組織結構,血液微循環及血液和組織間交換有關。因為實際上我們並無法直接量測組織的血流灌注,只能藉由血流循環動力參數(hemodynamic parameters)的量測來反應出組織血流灌注的情況。所謂的血流循環動力參數,包含腦血流體積、腦血流流量 、腦血流平均穿流時間等。近十年來由於快速、動態磁振造影的發展,其時間及空間解析度佳、不具游離輻射…等優點,讓血流灌注的磁振造影成為量測腦血流灌注的一種利器。運用磁振造影來量測血流動力參數主要的概念就是:以彈丸的方式快速注入順磁性的對比劑,由於腦部具有血腦障蔽,當此順磁性對比劑流經血管時會改變組織的磁化率,進而造成局部的磁場不均勻現象,使得訊號下降,隨著對比劑逐漸離開,訊號會開始回升。若能正確的辨認出動脈在磁振影像中的動脈區域並算出此組織內對比劑濃度隨時間變化之曲線,我們便可計算出血流循環動力參數,進而反應出組織血流灌注的情況。這些血流循環動力參數值,臨床上可以用來早期診斷一些腦血管疾病,例如:腦部動靜脈畸形、腦細胞瘤、急性局部缺血中風梗塞多發性硬化症等,是相當重要的一項輔助診斷工具。

 

在臺北榮民總醫院與國立陽明大學放學醫學科學研究所密切合作之下,利用數理統計學上最近提出的獨立成份分析法,我們自行研發技術平台,可以快速且正確的從複雜的磁振訊號中自動分辨動靜脈與其他不同的組織區域,計算其內部的對比劑濃度,進而得到腦血流體積、腦血流流量 、腦血流平均穿流時間等血流循環動力參數。此一新技術為國際首創,我們應用於臨床上動靜脈畸形、腦細胞瘤、急性中風等病患之診斷輔助與手術後之評估上,並獲得突出的成果

 

 

 

注入順磁性對比劑之動態磁振造影

注入順磁性對比劑之動態磁振造影圖示

上圖顯示所圈選的區域訊號強度隨對比劑濃度而變化。一開始對比劑由靜脈注射進入人體,剛開始因尚未到達腦部,所獲得的訊號大小不受對比劑影響,當對比劑經一段時間到達腦部後,造成磁場不均勻,訊號強度迅速降低,當對比劑緩緩流過所測的組織後,訊號又逐漸恢復。

 

獨立成分分析法與血流動力參數圖

 

獨立成分分析法與血流動力參數圖示

獨立成份分析法運用了數學方法從混合的訊號當中分離出彼此不相關的獨立訊號成分。此分法可以快速且正確的分辨不同的組織區域與其內部的對比劑濃度。

 

體積腦血流
腦血流流量參數圖
腦血流平均穿流時間參數圖
體積腦血流
腦血流流量參數圖
腦血流平均穿流時間參數圖

利用動脈血液濃度為參考值可進一步計算出腦中任意部位的血流動力參數 (如上列左、中、右圖),提供醫師臨床處置所需的資料與治療後效果的評估。

個案一: 腦膠質細胞瘤

注射對比劑之前
注射對比劑之後
注射對比劑之前
注射對比劑之後

這是一位22歲的男性,其左半臉最近一個月來,發生陸續間歇抽搐的現象。在注射對比劑之後的磁振影像中,發現他的右腦運動皮質區有異常的對比劑滯留而導致訊號增強(右圖圓圈標示之處) 。 此外經由磁振頻譜分析此一區域也發現該區域有不正常的代謝現象,因初步推斷可能為腦膠質細胞瘤。

 

腦血流體積參數圖
腦血流流量參數圖
血流平均穿流時間參數圖
腦血流體積參數圖
腦瘤區/正常區=1.68
腦血流流量參數圖
腦瘤區/正常區=1.7
血流平均穿流時間參數圖
腦瘤區/正常區=1.103

利用獨立成分分析法所產生的血流動力參數圖,其中很明顯的看出右腦運動區腫瘤的血流體積與流量高出左腦相對區域的數值。此外血流平均穿流時間在腫瘤中心有兩個特別長的地方(圓圈內的兩個紅色亮點),這些數據顯示腫瘤細胞的增生已破壞部分腦血流屏障,而導致對比劑外滲並滯留在腫瘤區域。

 

此利用磁振造影與獨立成分分析法所產生的血流動力參數圖可快速準確地提供醫師決定臨床處置所需的資料

病人接受立體定位切片手術,取出腫瘤中血流平均穿流時間特別長的部分組織,該組織經病理診斷為第二級膠質細胞瘤。顯微鏡下顯示不正常的膠質細胞分裂(左上圖箭頭所指之處) 。此利用磁振造影與獨立成分分析法所產生的血流動力參數圖可快速準確地提供醫師決定臨床處置所需的資料。

 

個案二: 腦血管畸形

腦血流體積參數圖
腦血流流量參數圖
血流平均穿流時間參數圖
異常區/正常區=9.8
異常區/正常區=13
異常區/正常區=0.6
治療前
異常區/正常區=9.8
異常區/正常區=13
異常區/正常區=0.6
治療前之圖示
治療後十二個月
異常區/正常區=5.0
異常區/正常區=5.4
異常區/正常區=1.1
異常區/正常區=5.0
異常區/正常區=5.4
異常區/正常區=1.1

治療前的磁振影像呈現左腦的腦血管畸形區(右圖圓圈標示之處)的血流動力參數異常。 加馬刀治療後十二個月的磁振影像追蹤檢查,發現血流動力參數已經大幅改善。磁振造影與獨立成分分析法所產生的血流動力參數圖可以有效地用來評估治療腦血管畸形的效果。

 

合作單位及人員

臺北榮民總醫院神經醫學中心: 施養性、姚俊興、吳進安等主任醫師

尤香玉 主治醫師

臺北榮民總醫院放射線部: 鄧木火、郭萬祐等主任醫師

國立陽明大學放射醫學科學系(所):高怡宣教授

國立陽明大學認知神經心理學實驗室: 郭文瑞 博士