功能磁共振成像

《功能磁共振成像》由会员分享，可在线阅读，更多相关《功能磁共振成像（7页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。

1、功能磁共振成像(fMRI)功能磁共振成像技术简述功能性磁共振成像(fMRI)是一种新兴的神经影像学方式， 其原理是利用磁振造影来测量神经元活动所引发之血液动力的 改变。由于fMRI的非侵入性、没有辐射暴露问题与其较为广泛 的应用，从1990年代开始就在脑部功能定位领域占有一席之地。 目前主要是运用在研究人及动物的脑或脊髓。相关技术发展自从1890年代开始，人们就知道血流与血氧的改变(两者 合称为血液动力学)与神经元的活化有着密不可分的关系。神 经细胞活化时会消耗氧气，而氧气要借由神经细胞附近的微血 管以红血球中的血红素运送过来。因此，当脑神经活化时，其 附近的血流会增加来补充消耗掉的氧气。从神

2、经活化到引发血 液动力学的改变，通常会有1-5秒的延迟，然后在4-5秒达到 的高峰，再回到基线(通常伴随着些微的下冲)。这使得不仅 神经活化区域的脑血流会改变，局部血液中的去氧与带氧血红 素的浓度，以及脑血容积都会随之改变。血氧浓度相依对比(Blood oxygen-level dependent, BOLD) 首先由贝尔实验室小川诚二等人于1990年所提出，小川博士 与其同事很早就了解BOLD对于应用MRI于脑部功能性造影的重 要性，但是第一个成功的fMRI研究则是由JohnW. Belliveau 与其同事于1991年透过静脉内造影剂(Gd)所提出。接着由邙 健民等人于1992年发表在人身

3、上的应用。同年，小川博士于4 月底提出了他的结果且于7月发表于PNAS。在接下来的几年， 小川博士发表了 BOLD的生物物理学模型于生物物理学期刊。 Bandettini博士也于1993年发表论文示范功能性活化地图的 量化测量。由于神经元本身并没有储存所需的葡萄糖与氧气， 神经活化所消耗的能量必须快速地补充。经由血液动力反应的 过程，血液释出葡萄糖与氧气的比率相较于未活化神经元区域 大幅提升。这导致了过多的带氧血红素充满于活化神经元处， 而明显的带氧/缺氧血红素比例变化使得BOLD可作为MRI的测 量指标之一。几乎大部分的功能性磁共振成像都是用BOLD的方法来侦 测脑中的反应区域，但因为这个方

4、法得到的信号是相对且非定 量的，使得人们质疑它的可靠性。因此，还有其他能更直接侦 测神经活化的方法(像是氧抽取率(Oxygen Ext rac tion Fraction, OEF)这种估算多少带氧血红素被转变成去氧血红素 的方法；或侦测神经讯号造成的电磁场变化)被提出来，但由 于神经活化所造成的电磁场变化非常微弱，过低的信杂比使得 至今仍无法可靠地统计定量。BOLD效应fMRI原理血红蛋白包括合氧血红蛋白和去氧血红蛋白，两种血红蛋 白对磁场有完全不同的影响。合氧血红 蛋白是抗磁性物质，对 质子弛豫没有影响。去氧血红蛋白属顺磁性物质,可产生横向磁 化弛豫时间(T2)缩短效应。因此，当去氧血红蛋

5、白含量增加 时,T2加权像信号减低。当神经元兴奋时电活动引起 脑血流 量显著增加，同时氧的消耗量也增加，但增加幅度较低,其综合 效应是局部血液氧含量增加，去氧血红蛋白的含量减低，削弱 了 T2加权像信号增强。总之，神经元兴奋能引起局部T2加权像 信号增强,反过来讲就是T2加权像信号能反映局部神经元活 动。这就是BOLD效应。BOLD-fMRI是建立在与脑活动有关的生理响应基础上的。 脑功能在空间上市分隔的。大脑皮层 可分为不同的功能区，可 细分到功能柱。通过MR测量，响应神经活动的血液动力学变化和代谢变化可以生成脑功能定位图像。fMRI的空间分辨率虽然 受到一定限制，但能提供关于功能间隔的信息

6、。BOLD成像是利用内源性MRI对比剂一脱氧血红蛋白作为对 比源。脱氧血红蛋白的血红素上的 铁是顺磁性的，而合氧血红 蛋白是抗磁性的。当包含脱氧血红蛋白的红细胞置于MRI用的 磁场中时，它相对于周围的磁化率差会感应场畸变，这种与血 红蛋白磁化相关的场畸变正是BOLD对比度源，与功能活动相 关的脱氧血红蛋白含量的变化可MRI信号中被探测到。脑磁图(MEG)脑磁图技术简述脑磁图(MEG )是无创伤性地探测大脑电磁生理信号的一种 脑功能检测技术，它通过超导量子干涉仪SQUID对人脑进行 非侵入性的测量，得到由脑内神经活动产生的头外微弱磁场， 在进行脑磁图检查时不需要固定于患者头部，检测设备对人体 无

7、任何副作用。MEG能够反映毫秒时间范围内的神经活动变化, 可以用它来进行人脑的动态行为比如诱发刺激反应的脑功能研 究。脑磁图发展概况19世纪初，丹麦物理学家Osrsted发现随着时间变化的电 流周围产生磁场，磁场的方向遵循右手法则，即当右手拇指指 向电流方向时其余四指所指的方向即为磁场方向。此法则同样 适用于生物电电流。人类首次记录生物磁场测定是在1963年， 由美国的Baule和Mcfee两人用200万匝的诱导线圈测量心脏 产生的磁信号。5年以后，美国麻省理工学院的Cohen首次在磁 屏蔽室内进行了脑磁图记录。Cohen用诱导线圈和信号叠加技 术及超导技术测量了脑的812Hz的 节律电流所产

8、生的脑磁 信号。随着电子技术的发展，1969 Zimmermun与其同事发明了 点接触式超导量子干涉仪，使探测磁场的灵敏度大大提高。首 次记录包括心磁图，随后在磁屏蔽室内使用该干涉仪技术测量 了脑磁图。最早期的脑磁图设备为单通道，也就是说有1个传 感器，它覆盖的面积非常小，随后出现4通道、7通道、24通 道、37通道及64通道等生物磁仪。MEG信号发生机理人体生物磁场的来源主要分为:生物电流产生的磁场、由生 物磁性材料产生的感应磁场和侵入人体内的强磁性物质产生的 剩余磁场。其中，第一种就是产生脑磁场的磁源。细胞膜内外 的离子移动引起了脑内的电活动，由此产生了磁场。记录下这 种磁场变化即获得脑磁

9、图。对于脑磁研究来说，并不是所有的 神经细胞都会产生可测量的电磁场。在中枢神经系统中，因为 电流偶极子产生的磁场会随着距离的平方而减低，只有在皮层 上的电流才能有贡献，且只有锥体细胞才产生磁场。一个电流 偶极子用来表征处于兴奋或抑制状态的锥体细胞，在大脑皮层 一个小区域内(通常为12cm2)锥体细胞群，同时兴奋或抑制, 也就是它们同时同方向放电，从而形成了一个平面偶极层，因 此也可用一个由较大偶极矩的偶极子来等效。但若锥体细胞群 很多，在皮层内所占面积也较大(2cm2)，并且已不是一个平面， 这时就需要用2个或多个偶极子来等效。一群这样的细胞的平均行为可以被模拟成一个电流偶极子 产生径向的磁场

10、和切向的电场，因此EEG主要是测量平行于颅 骨的神经细胞的活动，而MEG主要是测量垂直于颅骨的这些细胞的活动。由此也可以知道，脑电脑磁能互补地测量皮层区域 的锥体细胞的突触后电位变化而产生的皮层电活动。对于MEG 研究来说，在球头导体模型下，径向偶极子对头外磁场没有贡献, 而只关心切向偶极子。通常，MEG信号源的电流偶极子的偶极 矩在10nAm的量级，故对一个诱发刺激，大约有106个突触会 产生同步的响应。在皮层中约有01106个椎体细胞/mm2,而每个细胞又有大约数千个突触，因此当在每平方毫米的皮层中 有千分之一左右的突触发生同步响应，就产生了可探测到的 MEG信号。MEG测量的主要设备脑磁

11、图的测量设备主要有以下几个部分组成：(1) 磁屏蔽系统，主要作用是确保脑磁信号不被外界磁场干扰。 电机、电线、汽车等各种电磁信号可明显干扰脑磁信号，尤其 是MR扫描设备，场强极高。屏蔽的方法有很多种，如铁磁屏蔽 法、涡流屏蔽法和近年来发明的高温超导屏蔽法，用的最普遍 的屏蔽方法为铁磁屏蔽法和涡流屏蔽法，其原理是磁屏蔽室由 导磁率极高的称之为 金属的合金构成，当外界磁流冲出磁屏 蔽室时，磁流将通过磁屏蔽室壁并远离磁屏蔽室内放置的传感 器系统。(2) 脑磁场的探测装置:主要为超导量子干涉仪及探测线圈组成。 超导量子干涉仪装在一个大的杜瓦桶中，桶中装有液氧，使传 感器周围温度达到-270C,呈超导状

12、态。目前大多数的脑磁图设 备的探测装置使用梯度仪或磁强仪，或者两者皆有。采集的信 号输入采集计算机工作站进行处理。(3) 头位置指示器：通过头位置指示器将头进行数字化处理，建 立头坐标系统，以便与磁共振叠加时共用一个坐标系统。主要 是以双侧耳前点、鼻根处建立坐标系，通过固定在头表面的四 个或三个线圈确定头的位置。MRI扫描前需将双侧耳前点及鼻 根用维生素A或E胶囊固定，以便在MEG与MRI叠加时使用同 一坐标系统。(4) 刺激系统:为了获得脑诱发磁场,需要对某些部位进行刺激， 以兴奋脑的某些重要功能区，如用电极刺激双侧腕部正中神经 使脑体感皮质兴奋,需要电刺激器或气动的触觉刺激器;运动食 指从

13、而获得支配食指运动的皮质兴奋需要光电耦合装置，给予 听觉刺激获得听觉皮质区的位置需要声音产生及输送装置等等, 这些系统要与数据采集计算机及刺激计算机相连。(5) 信息综合处理系统:主要由分析工作站组成。由数据采集计 算机获得的MEG资料通过分析工作站对资料进行分析，需要将 MRI所获得的脑解剖结构资料通过计算机网络传送到MEG分析 工作站，将MRI资料与MEG资料叠加形成磁源性影像。同时在 MEG资料记录的同时可同时记录EEG资料，以便与MEG资料比较。(6) 灌液氧装置:为了保持超导量子干涉仪的超导状态，目前所 使用的脑磁图设备需要每周灌1-2次液氧，最好常备一个大的 无磁性的杜瓦桶，以及输

14、送液氧的虹吸管，当液氧水平降到0 时要及时补充液氧。由于液氧由液态变为气态时体积膨胀740 倍，而且液氧为超低温液体，因此在输送及补充时要注意安全， 注意低温伤及窒息。脑磁图的特点观察人脑主要有3种方法:MRI和CT扫描，主要提供脑结 构形态和解剖学方面的信息；正电子发射断层扫描PET和功能 性核磁共振fMRI，提供有关脑血流量，脑耗氧量及脑代谢机能 方面的信息;而脑磁图MEG和脑电图EEG提供的是有关人脑在信 息处理方面的功能性信息。MEG通过非侵入性的、对人体完全 无危害的测量，能提供精确的皮层电流源的定位，是对大脑皮层 活动的直接反映，能提供较好的时间分辨率。也正是由于各种 成像技术的特

15、点，因此开展多模态的研究成为了脑功能研究的 新趋势。脑磁图技术的应用MEG在临床上的应用MEG临床研究始1976年，主要包括以下几个方面：A癫痫灶精确定位：脑磁图最突出的优点是对癫痫灶进行精确 定位，其定位误差小于5毫米。B脑肿瘤周围脑重要功能区的定位：脑的功能区在个体间存在 差异，并且，患有脑肿瘤时，肿瘤对周围正常结构造成挤压移 位。而脑磁图可以显示肿瘤与脑功能区的立体关系，最大范围地 切除肿瘤，而避免损伤重要的功能区，从而提高患者术后生活 质量。对某些不适合手术的患者，脑磁图还可以指导伽马刀的 定位治疗。目前主要的功能区定位有:体感皮质、运动皮质、听 觉皮质、视觉、皮质及语言皮质定位。C脑外伤后的脑功能检查:对某些轻度脑外伤患者，CT及MRI 检查正常，但是患者还有外伤后的临床症状，脑磁图可以提供 客观的证据，从而确定脑外伤损害的程度。脑磁图在脑科学研究方面的应用由于脑磁图具有毫米级的空间分辨率和毫秒级的时间分辨 率，可以探测各种感觉、心理活动，目前脑磁图已经应用于脑 神经科学的一系列研究如知觉、记忆、情感、运动、语言、计 算等脑的咼级功能的研究，为人脑的咼级功能的研究提供了有 效手段。