功能磁共振成像

1、功能磁共振成像（fMRI）功能磁共振成像技術(shù)簡(jiǎn)述功能性磁共振成像（fMRI）是一種新興的神經(jīng)影像學(xué)方式，其原理是利用磁振造影來(lái)測(cè)量神經(jīng)元活動(dòng)所引發(fā)之血液動(dòng)力的改變。由于fMRI的非侵入性、沒(méi)有輻射暴露問(wèn)題與其較為廣泛的應(yīng)用，從1990年代開(kāi)始就在腦部功能定位領(lǐng)域占有一席之地。目前主要是運(yùn)用在研究人及動(dòng)物的腦或脊髓。相關(guān)技術(shù)發(fā)展自從1890年代開(kāi)始，人們就知道血流與血氧的改變（兩者合稱(chēng)為血液動(dòng)力學(xué)）與神經(jīng)元的活化有著密不可分的關(guān)系。神經(jīng)細(xì)胞活化時(shí)會(huì)消耗氧氣，而氧氣要借由神經(jīng)細(xì)胞附近的微血管以紅血球中的血紅素運(yùn)送過(guò)來(lái)。因此，當(dāng)腦神經(jīng)活化時(shí)，其附近的血流會(huì)增加來(lái)補(bǔ)充消耗掉的氧氣。從神經(jīng)活化到引發(fā)血液

2、動(dòng)力學(xué)的改變，通常會(huì)有1-5秒的延遲，然后在4-5秒達(dá)到的高峰，再回到基線(xiàn)（通常伴隨著些微的下沖）。這使得不僅神經(jīng)活化區(qū)域的腦血流會(huì)改變，局部血液中的去氧與帶氧血紅素的濃度，以及腦血容積都會(huì)隨之改變。血氧濃度相依對(duì)比（Bloodoxygen-leveldependent,BOLD首先由貝爾實(shí)驗(yàn)室小川誠(chéng)二等人于1990年所提由2，小川博士與其同事很早就了解BOLD寸于應(yīng)用MRI于腦部功能性造影的重要性，但是第一個(gè)成功的fMRI研究則是由JohnW.Belliveau與其同事于1991年透過(guò)靜脈內(nèi)造影劑（Gd）所提由。接著由邙健民等人于1992年發(fā)表在人身上的應(yīng)用。同年，小川博士于4月底提由了他的

3、結(jié)果且于7月發(fā)表于PNAS在接下來(lái)的幾年，小川博士發(fā)表了BOLD勺生物物理學(xué)模型于生物物理學(xué)期刊。Bandettini博士也于1993年發(fā)表論文示范功能性活化地圖的量化測(cè)量。由于神經(jīng)元本身并沒(méi)有儲(chǔ)存所需的葡萄糖與氧氣，神經(jīng)活化所消耗的能量必須快速地補(bǔ)充。經(jīng)由血液動(dòng)力反應(yīng)的過(guò)程，血液釋由葡萄糖與氧氣的比率相較于未活化神經(jīng)元區(qū)域大幅提升。這導(dǎo)致了過(guò)多的帶氧血紅素充滿(mǎn)于活化神經(jīng)元處，而明顯的帶氧/缺氧血紅素比例變化使得BOLD可作為MRI的測(cè)量指標(biāo)之一。幾乎大部分的功能性磁共振成像都是用BOLD的方法來(lái)偵測(cè)腦中的反應(yīng)區(qū)域，但因?yàn)檫@個(gè)方法得到的信號(hào)是相對(duì)且非定量的，使得人們質(zhì)疑它的可靠性。因此，還有其

4、他能更直接偵測(cè)神經(jīng)活化的方法（像是氧抽取率（OxygenExtractionFraction,OEF這種估算多少帶氧血紅素被轉(zhuǎn)變成去氧血紅素的方法；或偵測(cè)神經(jīng)訊號(hào)造成的電磁場(chǎng)變化）被提由來(lái)，但由于神經(jīng)活化所造成的電磁場(chǎng)變化非常微弱，過(guò)低的信雜比使得至今仍無(wú)法可靠地統(tǒng)計(jì)定量。BOLD效應(yīng)fMRI原理血紅蛋白包括合氧血紅蛋白和去氧血紅蛋白，兩種血紅蛋白對(duì)磁場(chǎng)有完全不同的影響。合氧血紅蛋白是抗磁性物質(zhì)，對(duì)質(zhì)子弛豫沒(méi)有影響。去氧血紅蛋白屬順磁性物質(zhì)，可產(chǎn)生橫向磁化弛豫時(shí)間（T2）縮短效應(yīng)。因此，當(dāng)去氧血紅蛋白含量增加時(shí),T2加權(quán)像信號(hào)減低。當(dāng)神經(jīng)元興奮時(shí).電活動(dòng)引起腦血流量顯著增加，同時(shí)氧的消耗量也增

5、加，但增加幅度較低，其綜合效應(yīng)是局部血液氧含量增加，去氧血紅蛋白的含量減低，削弱了T2加權(quán)像信號(hào)增強(qiáng)?？傊?，神經(jīng)元興奮能引起局部T2加權(quán)像信號(hào)增強(qiáng)，反過(guò)來(lái)講就是T2加權(quán)像信號(hào)能反映局部神經(jīng)元活動(dòng)。這就是BOLDB應(yīng)。BOLD-fMRI是建立在與腦活動(dòng)有關(guān)的生理響應(yīng)基礎(chǔ)上的。腦功能在空間上市分隔的。大腦皮層可分為不同的功能區(qū)，可細(xì)分到功能柱。通過(guò)MR測(cè)量，響應(yīng)神經(jīng)活動(dòng)的血液動(dòng)力學(xué)變化和代謝變化可以生成腦功能定位圖像。fMRI的空間分辨率雖然受到一定限制，但能提供關(guān)于功能間隔的信息。BOLDM象是利用內(nèi)源性MRI對(duì)比劑一脫氧血紅蛋白作為對(duì)比源。脫氧血紅蛋白的血紅素上的鐵是順磁性的，而合氧血紅蛋白是

6、抗磁性的。當(dāng)包含脫氧血紅蛋白的紅細(xì)胞置于MRI用的磁場(chǎng)中時(shí)，它相對(duì)于周?chē)拇呕什顣?huì)感應(yīng)場(chǎng)畸變，這種與血紅蛋白磁化相關(guān)的場(chǎng)畸變正是BOLD對(duì)比度源，與功能活動(dòng)相關(guān)的脫氧血紅蛋白含量的變化可MRI信號(hào)中被探測(cè)到。腦磁圖(MEG)腦磁圖技術(shù)簡(jiǎn)述腦磁圖(MEG)是無(wú)創(chuàng)傷性地探測(cè)大腦電磁生理信號(hào)的一種腦功能檢測(cè)技術(shù)，它通過(guò)超導(dǎo)量子干涉儀SQUID對(duì)人腦進(jìn)行非侵入性的測(cè)量，得到由腦內(nèi)神經(jīng)活動(dòng)產(chǎn)生的頭外微弱磁場(chǎng)，在進(jìn)行腦磁圖檢查時(shí)不需要固定于患者頭部，檢測(cè)設(shè)備對(duì)人體無(wú)任何副作用。MEG能夠反映毫秒時(shí)間范圍內(nèi)的神經(jīng)活動(dòng)變化，可以用它來(lái)進(jìn)行人腦的動(dòng)態(tài)行為比如誘發(fā)刺激反應(yīng)的腦功能研究。腦磁圖發(fā)展概況19世紀(jì)初，

7、丹麥物理學(xué)家Osrsted發(fā)現(xiàn)隨著時(shí)間變化的電流周?chē)a(chǎn)生磁場(chǎng)，磁場(chǎng)的方向遵循右手法則，即當(dāng)右手拇指指向電流方向時(shí)其余四指所指的方向即為磁場(chǎng)方向。此法則同樣適用于生物電電流。人類(lèi)首次記錄生物磁場(chǎng)測(cè)定是在1963年,由美國(guó)的Baule和Mcfee兩人用200萬(wàn)匝的誘導(dǎo)線(xiàn)圈測(cè)量心臟產(chǎn)生的磁信號(hào)。5年以后，美國(guó)麻省理工學(xué)院的Cohen首次在磁屏蔽室內(nèi)進(jìn)行了腦磁圖記錄。Cohen用誘導(dǎo)線(xiàn)圈和信號(hào)疊加技術(shù)及超導(dǎo)技術(shù)測(cè)量了腦的812Hz的節(jié)律電流所產(chǎn)生的腦磁信號(hào)。隨著電子技術(shù)的發(fā)展，1969Zimmermun與其同事發(fā)明了點(diǎn)接觸式超導(dǎo)量子干涉儀，使探測(cè)磁場(chǎng)的靈敏度大大提高。首次記錄包括心磁圖，隨后在磁屏蔽室

8、內(nèi)使用該干涉儀技術(shù)測(cè)量了腦磁圖。最早期的腦磁圖設(shè)備為單通道，也就是說(shuō)有1個(gè)傳感器，它覆蓋的面積非常小，隨后由現(xiàn)4通道、7通道、24通道、37通道及64通道等生物磁儀。MEG信號(hào)發(fā)生機(jī)理人體生物磁場(chǎng)的來(lái)源主要分為：生物電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)、由生物磁性材料產(chǎn)生的感應(yīng)磁場(chǎng)和侵入人體內(nèi)的強(qiáng)磁性物質(zhì)產(chǎn)生的剩余磁場(chǎng)。其中，第一種就是產(chǎn)生腦磁場(chǎng)的磁源。細(xì)胞膜內(nèi)外的離子移動(dòng)引起了腦內(nèi)的電活動(dòng)，由此產(chǎn)生了磁場(chǎng)。記錄下這種磁場(chǎng)變化即獲得腦磁圖。對(duì)于腦磁研究來(lái)說(shuō)，并不是所有的神經(jīng)細(xì)胞都會(huì)產(chǎn)生可測(cè)量的電磁場(chǎng)。在中樞神經(jīng)系統(tǒng)中，因?yàn)殡娏髋紭O子產(chǎn)生的磁場(chǎng)會(huì)隨著距離的平方而減低，只有在皮層上的電流才能有貢獻(xiàn)，且只有錐體細(xì)胞才產(chǎn)生

9、磁場(chǎng)。一個(gè)電流偶極子用來(lái)表征處于興奮或抑制狀態(tài)的錐體細(xì)胞，在大腦皮層一個(gè)小區(qū)域內(nèi)（通常為12cm2）錐體細(xì)胞群，同時(shí)興奮或抑制，也就是它們同時(shí)同方向放電，從而形成了一個(gè)平面偶極層，因此也可用一個(gè)由較大偶極矩的偶極子來(lái)等效。但若錐體細(xì)胞群很多，在皮層內(nèi)所占面積也較大（2cm2）,并且已不是一個(gè)平面，這時(shí)就需要用2個(gè)或多個(gè)偶極子來(lái)等效。一群這樣的細(xì)胞的平均行為可以被模擬成一個(gè)電流偶極子產(chǎn)生徑向的磁場(chǎng)和切向的電場(chǎng)，因此EEG主要是測(cè)量平行于顱骨的神經(jīng)細(xì)胞的活動(dòng)，而MEGfc要是測(cè)量垂直于顱骨的這些細(xì)胞的活動(dòng)。由此也可以知道，腦電腦磁能互補(bǔ)地測(cè)量皮層區(qū)域的錐體細(xì)胞的突觸后電位變化而產(chǎn)生的皮層電活動(dòng)。對(duì)

10、于MEG研究來(lái)說(shuō)，在球頭導(dǎo)體模型下，徑向偶極子對(duì)頭外磁場(chǎng)沒(méi)有貢獻(xiàn)，而只關(guān)心切向偶極子。通常，MEG1號(hào)源的電流偶極子的偶極矩在10nAm的量級(jí)，故對(duì)一個(gè)誘發(fā)刺激，大約有106個(gè)突觸會(huì)產(chǎn)生同步的響應(yīng)。在皮層中約有0.1106個(gè)椎體細(xì)胞/mmi2,而每個(gè)細(xì)胞又有大約數(shù)千個(gè)突觸，因此當(dāng)在每平方毫米的皮層中有千分之一左右的突觸發(fā)生同步響應(yīng)，就產(chǎn)生了可探測(cè)到的MEG言號(hào)。MEG測(cè)量的主要設(shè)備腦磁圖的測(cè)量設(shè)備主要有以下幾個(gè)部分組成：(1)磁屏蔽系統(tǒng)，主要作用是確保腦磁信號(hào)不被外界磁場(chǎng)干擾。電機(jī)、電線(xiàn)、汽車(chē)等各種電磁信號(hào)可明顯干擾腦磁信號(hào)，尤其是MR掃描設(shè)備，場(chǎng)強(qiáng)極高。屏蔽的方法有很多種，如鐵磁屏蔽法、渦流

11、屏蔽法和近年來(lái)發(fā)明的高溫超導(dǎo)屏蔽法，用的最普遍的屏蔽方法為鐵磁屏蔽法和渦流屏蔽法，其原理是磁屏蔽室由導(dǎo)磁率極高的稱(chēng)之為金屬的合金構(gòu)成，當(dāng)外界磁流沖由磁屏蔽室時(shí)，磁流將通過(guò)磁屏蔽室壁并遠(yuǎn)離磁屏蔽室內(nèi)放置的傳感器系統(tǒng)。(2)腦磁場(chǎng)的探測(cè)裝置：主要為超導(dǎo)量子干涉儀及探測(cè)線(xiàn)圈組成。超導(dǎo)量子干涉儀裝在一個(gè)大的杜瓦桶中，桶中裝有液氧，使傳感器周?chē)鷾囟冗_(dá)到-2700C,呈超導(dǎo)狀態(tài)。目前大多數(shù)的腦磁圖設(shè)備的探測(cè)裝置使用梯度儀或磁強(qiáng)儀，或者兩者皆有。采集的信號(hào)輸入采集計(jì)算機(jī)工作站進(jìn)行處理。(3)頭位置指示器：通過(guò)頭位置指示器將頭進(jìn)行數(shù)字化處理，建立頭坐標(biāo)系統(tǒng)，以便與磁共振疊加時(shí)共用一個(gè)坐標(biāo)系統(tǒng)。主要是以雙側(cè)耳前

12、點(diǎn)、鼻根處建立坐標(biāo)系，通過(guò)固定在頭表面的四個(gè)或三個(gè)線(xiàn)圈確定頭的位置。MRI掃描前需將雙側(cè)耳前點(diǎn)及鼻根用維生素A或E膠囊固定，以便在MEGWMRI疊加時(shí)使用同一坐標(biāo)系統(tǒng)。(4)刺激系統(tǒng)：為了獲得腦誘發(fā)磁場(chǎng)，需要對(duì)某些部位進(jìn)行刺激，以興奮腦的某些重要功能區(qū)，如用電極刺激雙側(cè)腕部正中神經(jīng)使腦體感皮質(zhì)興奮，需要電刺激器或氣動(dòng)的觸覺(jué)刺激器；運(yùn)動(dòng)食指從而獲得支配食指運(yùn)動(dòng)的皮質(zhì)興奮需要光電耦合裝置，給予聽(tīng)覺(jué)刺激獲得聽(tīng)覺(jué)皮質(zhì)區(qū)的位置需要聲音產(chǎn)生及輸送裝置等等，這些系統(tǒng)要與數(shù)據(jù)采集計(jì)算機(jī)及刺激計(jì)算機(jī)相連。(5)信息綜合處理系統(tǒng)：主要由分析工作站組成。由數(shù)據(jù)采集計(jì)算機(jī)獲得的MEGf料通過(guò)分析工作站對(duì)資料進(jìn)行分析，

13、需要將MRI所獲得的腦解剖結(jié)構(gòu)資料通過(guò)計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)傳送到ME份析工作站，將MRI資料與ME陵料疊加形成磁源性影像。同時(shí)在ME(W料記錄的同時(shí)可同時(shí)記錄EEG費(fèi)料，以便與ME(W料比較(6)灌液氧裝置：為了保持超導(dǎo)量子干涉儀的超導(dǎo)狀態(tài)，目前所使用的腦磁圖設(shè)備需要每周灌1-2次液氧，最好常備一個(gè)大的無(wú)磁性的杜瓦桶，以及輸送液氧的虹吸管，當(dāng)液氧水平降到0時(shí)要及時(shí)補(bǔ)充液氧。由于液氧由液態(tài)變?yōu)闅鈶B(tài)時(shí)體積膨脹740倍，而且液氧為超低溫液體，因此在輸送及補(bǔ)充時(shí)要注意安全，注意低溫傷及窒息。腦磁圖的特點(diǎn)觀(guān)察人腦主要有3種方法：MRI和CT掃描，主要提供腦結(jié)構(gòu)形態(tài)和解剖學(xué)方面的信息；正電子發(fā)射斷層掃描PET和功能

14、性核磁共振fMRI,提供有關(guān)腦血流量，腦耗氧量及腦代謝機(jī)能方面的信息；而腦磁圖ME3口腦電圖EEGI供的是有關(guān)人腦在信息處理方面的功能性信息。MEGffi過(guò)非侵入性的、對(duì)人體完全無(wú)危害的測(cè)量，能提供精確的皮層電流源的定位，是對(duì)大腦皮層活動(dòng)的直接反映，能提供較好的時(shí)間分辨率。也正是由于各種成像技術(shù)的特點(diǎn)，因此開(kāi)展多模態(tài)的研究成為了腦功能研究的新趨勢(shì)。腦磁圖技術(shù)的應(yīng)用ME阱臨床上的應(yīng)用MEG缶床研究始1976年，主要包括以下幾個(gè)方面：A癲癇灶精確定位：腦磁圖最突生的優(yōu)點(diǎn)是對(duì)癲癇灶進(jìn)行精確定位，其定位誤差小于5毫米。B腦腫瘤周?chē)X重要功能區(qū)的定位：腦的功能區(qū)在個(gè)體間存在差異，并且，患有腦腫瘤時(shí)，腫瘤對(duì)周?chē)＝Y(jié)構(gòu)造成擠壓移位。而腦磁圖可以顯示腫瘤與腦功能區(qū)的立體關(guān)系，最大范圍地切除腫瘤，而避免損傷重要的功能區(qū)，從而提高患者術(shù)后生活質(zhì)量。對(duì)某些不適合手術(shù)的患者，腦磁圖還可以指導(dǎo)伽馬刀的定位治療。目前主要的功能區(qū)定位有：體