醫(yī)學(xué)-功能磁共振技術(shù)現(xiàn)狀與發(fā)展

1、功能磁共振技術(shù)現(xiàn)狀與發(fā)展2019.1功能磁共振成像(functionalmagneticresonanceimaging,fMRI)是近年來迅速發(fā)展起來的MR技術(shù)，主要是用于腦科學(xué)研究即人腦高級功能的研究。了解人腦的高級功能可以使人類更好地認(rèn)識腦、保護腦、開發(fā)腦和利用腦，并為許多重大腦疾病(如老年癡呆、兒童精神疾病、帕金森綜合癥和藥物依賴等各類精神疾病)的診斷、治療以及病理學(xué)研究提供科學(xué)依據(jù)。目前，國際上fMRI技術(shù)也廣泛用于神經(jīng)學(xué)和心理學(xué)的研究，并在已作過大量研究的基礎(chǔ)上逐步轉(zhuǎn)入臨床應(yīng)用階段，中國各臨床研究機構(gòu)就此熱點研究課題也開展了與國際的廣泛合作和學(xué)術(shù)戶動,國家基金在此方面的投入也是逐年

2、攀升功能磁共振技術(shù)發(fā)展概述腦是心靈的器官，腦的奧秘一直是幾千年來人們所探索的課題。從古至今,科學(xué)家研究腦的途徑多種多樣：對腦的直觀理解是通過腦損傷病人而獲得的。1861年法國醫(yī)生布羅卡發(fā)現(xiàn)有些病人能聽得懂別人說話，發(fā)音器官是正常的，但是除了個別音外，不會發(fā)其他聲音，病人死后尸檢發(fā)現(xiàn)患者左側(cè)額葉區(qū)受到損傷，他判斷是該區(qū)負(fù)責(zé)語言加工，這就是布羅卡語言區(qū)。美國生理心理學(xué)家斯佩里為了治療癲癇癥，把聯(lián)系大腦兩半球的神經(jīng)纖維束通路耕骯體切斷，發(fā)現(xiàn)雖然病人的癥狀緩解，但帶來了其他語言、記憶方面的問題。自從科學(xué)心理學(xué)興起后，科學(xué)家還通過測量受試者的反應(yīng)時間和正確率推測腦的認(rèn)知加工過程。雖然對腦損傷病人的實驗觀

3、察、損毀、損毀方法和常規(guī)的行為心理學(xué)方法使人們獲得了關(guān)于腦的很多知識，但是這些手段由于是有損傷的或者是把腦當(dāng)成一個黑箱子，不能進行在體的實時觀察,人類無法無創(chuàng)地對正常人的大腦進行細(xì)致全面的分析和理解，神經(jīng)科學(xué)家、心理學(xué)家為尋求好的研堯方法而煞費苦心。功能磁共振是1990年貝爾實驗室的科學(xué)家Owaga發(fā)現(xiàn)的。血紅蛋白分為香氧血壟蚩白和脫氧血紅蛋白，脫氧血紅蛋白是順磁性物質(zhì)，含氧血紅蛋白是逆磁性物質(zhì)。順磁性物質(zhì)在主磁揚中受到磁化，在其匍圍古念一個薇弱磁場,影響主磁場的均勻性；而逆磁性物質(zhì)對磁場沒有影響或影響很小。腦在進行認(rèn)知任務(wù)加工活動時，會消耗能量，消耗氧，血液中的含氧血紅蛋白脫氧成為脫氧血紅蛋

4、白，這時需要補充含氧血紅蛋白，局部血管膨脹，輸入大量的含氧血紅蛋白，使得在局部區(qū)域內(nèi)脫氧血紅蛋白豔器辭而麟驛翦度(BOLD)顯像，現(xiàn)在一般功能磁共振成像都是基于這種成像原理。醫(yī)學(xué)成像技術(shù)的發(fā)展為腦的研究帶來了新的手段。通過事件相關(guān)單位（ERP）可以實時觀察受試者在進行認(rèn)知加工時的腦電活動。而功能磁共振成像技術(shù)（fMRI）的誕生，則可以通過腦區(qū)局部血氧含量的變化間接觀察的活動。一百多年來人們就推測血氧活動與神經(jīng)活動有著緊密的聯(lián)系，神經(jīng)細(xì)胞激活時需要消耗局部毛細(xì)血管中的氧。當(dāng)神經(jīng)無放電后大概4-6秒便岀現(xiàn)血氧反應(yīng)。BOLD信號的發(fā)現(xiàn)讓神經(jīng)科學(xué)、認(rèn)識科學(xué)、心理學(xué)、臨床腦科學(xué)研究者如獲珍寶，也奏響了影

5、像學(xué)研究發(fā)展嶄新的樂章。功能磁共振基本試驗方法功能磁共振研究需要不同學(xué)科背景的人員在一起共同完成，包括磁共振物理、影像放射學(xué)、心理學(xué)實驗設(shè)計、統(tǒng)計學(xué)、圖像處理等。典型的(fMRI)實驗中，受試者躺在磁共振病床上，磁共振成像系統(tǒng)掃描的同時，刺激任務(wù)控制計算機與磁共振掃描同步觸發(fā)刺激程序，通過射頻屏蔽投影系統(tǒng)呈現(xiàn)給病人視覺刺激，或者通過耳機呈現(xiàn)給病人聽覺刺激，病人需要根據(jù)刺激程序的要求做指定的任務(wù)，并用按鍵反饋響應(yīng)，然后通過MR掃描采集結(jié)構(gòu)和功能原始數(shù)據(jù)，用專業(yè)的圖像后處理與統(tǒng)計分析軟件進行計算，就可重建出人腦的激活區(qū)并做各項定量分析研究。首先要根據(jù)實驗?zāi)康男枰O(shè)計實驗，分組塊設(shè)計(BlockDe

6、sign)和事件相關(guān)設(shè)計(Event-relatedDesign)o實驗設(shè)計需要保證很高的時間精度，通常要求不超過幾毫秒的誤差，因此需要一些專用的心理實驗軟件如E-prime、pre-sentation等。在實驗前面要寫上指導(dǎo)語，然后呈現(xiàn)任務(wù)刺激、隨后屏幕呈現(xiàn)十字交叉線，提示受試者注視屏幕，不放認(rèn)知任務(wù)；任務(wù)重復(fù)幾次，有助于提高統(tǒng)計的可靠性。圖1的例子是一個典型的視覺實驗任務(wù)，讓受試者注視屏幕，任務(wù)刺激是閃動的棋盤格，控制刺激是十字交叉線。首先受試者注視十字交叉線的交點，試驗將按照圖示時間及內(nèi)容進行。然后確定要掃描的主要部位，實驗刺激程序與掃描步開始。隨著磁共振技術(shù)發(fā)展，現(xiàn)在一般可以掃描全腦圖

7、像。首先進行解剖定位像掃描。解剖定位像是高分辨率的T成像，圖像大小可達256X256或512X512矩陣。能清晰顯示解剖結(jié)構(gòu)。隨后是快速回波平面功能成像，因為圖像獲取非?？?，一般可以在1500ms時間內(nèi)采集36層全面圖像，為了提高信噪比,釆集圖像大小一般為64X64或128X128矩陣。如果實驗設(shè)計采用簡單的“任務(wù)一控制一任務(wù)一控制”的實驗范式，則具備實時成像的掃描系統(tǒng)主控制計算機上可以實時顯示腦激活區(qū)。如果實驗設(shè)計比較復(fù)雜，或需要更多的定量分析，則可以在數(shù)據(jù)采集完成后，采用功能更加強大的軟件來分析，如SPM、AFNI和FSL等。最后釆集三維全腦結(jié)構(gòu)像，如采用矢狀面采集，圖像矩陣為256X25

8、6X124層。功能磁共振成像獲得大量圖像，通過在線實時處理或離線處理方法進行圖像的配準(zhǔn)、統(tǒng)計可以獲得針對實驗任務(wù)的激活區(qū)，這些腦區(qū)的激活程度差異，不同激活腦區(qū)之間的相互關(guān)系等，把激活結(jié)果疊加到三維個體磁共振圖像或標(biāo)準(zhǔn)化腦模板圖像上，使人們對腦的高級功能有更加豐富的理解。功能磁共振的廣泛應(yīng)用功能磁共振成像方法目前已成為神經(jīng)科學(xué)系和心理學(xué)系的重要實驗研究之一，涉及到腦高級功能研究的各個領(lǐng)域：語言、記憶、視覺、聽覺、運動、知覺、情緒等。來自美國得克薩斯大學(xué)圣安東尼奧分校腦成像中心的小腦功能磁共振實驗，打破了150年來占統(tǒng)治地位的小腦只負(fù)責(zé)全身運動的理論，實驗證據(jù)表明小腦也對感覺和知覺做出反應(yīng)，這促使

9、科學(xué)家開始了對小腦的再認(rèn)識。功能磁共振不僅對腦科學(xué)研究有著重要的價值，對臨床和藥物作用評價也有著重要意義?，F(xiàn)代神經(jīng)外科，要求手術(shù)創(chuàng)傷最小化，不能因為手術(shù)損傷重要功能區(qū)。在實際的外科手術(shù)中，因為病人開顱后的可見區(qū)域很小，大腦皮層相似的紋理使醫(yī)生很難判斷功能區(qū)，尤其是腦腫瘤部位臨近腦運動區(qū)和布羅卡語言區(qū)時?，F(xiàn)在外科醫(yī)生可以在術(shù)前對病人進行手指運動或語言實驗，得到激活區(qū)，融合到定位圖像上，術(shù)中醫(yī)生可以憑借運動或語言區(qū)的激活圖位置，和導(dǎo)航光學(xué)儀器的指引避開這些病區(qū),進行精確高質(zhì)量的神經(jīng)外科手術(shù)，在這個領(lǐng)域，fMRI技術(shù)即將進入臨床。目前最為熱門的DTI與fMRI的融合技術(shù)，是fMR肢術(shù)最受臨床醫(yī)生青睞

10、的應(yīng)用方法，在美國一些醫(yī)院的手術(shù)計劃方案中作為重要的判據(jù)。功能磁共振成像能夠顯不任務(wù)相關(guān)的腦功能區(qū),但這些功能區(qū)是在大腦皮層上，功能磁共振還沒有充分的證據(jù)表明兩個功能區(qū)是否有聯(lián)系及如何聯(lián)系在一起的。擴散張量成像/擴散譜成像（DTI/DSI）是當(dāng)前唯一能夠無損傷顯示白質(zhì)纖維束的方法。在大腦皮層（灰質(zhì)）中，水分子的運動是隨機的，在各個方向上的運動表現(xiàn)為各向同性。而在腦白質(zhì)由于受細(xì)胞膜和髓鞘的影響，水分子只能沿著纖維束的方向進行擴散。通過施加不同的梯度進行擴散張量成像，通過計算可以追蹤出白質(zhì)纖維束，圖5是跟蹤出的大腦皮層的白質(zhì)纖維束。把功能磁共振成像獲得的激活區(qū)和擴散張量成像得到的白質(zhì)纖維束融合在一

11、起，可以看出兩個功能激活區(qū)是否有白質(zhì)纖維束相聯(lián)結(jié)。圖6綠色表示與語言相關(guān)的腦區(qū)，分析顯示了兩側(cè)語言區(qū)通過白質(zhì)纖維束聯(lián)系在一起。生產(chǎn)治療精神疾病的藥物前，需要對藥物的功效做出評價，但是精神性藥物的評價指標(biāo)往往比較主觀，容易造成偏差。通過功能磁共振可以對藥物進行客觀的評價：對服藥前后的病人做認(rèn)知功能測試，發(fā)現(xiàn)激活區(qū)域有所不同。美國科學(xué)家凱瑟琳埃爾斯佩思博士和史蒂芬M饒博士，對帕金森病人給予多巴胺藥物，另一組病人不給藥物，通過手指運動的功能磁共振成像,發(fā)現(xiàn)藥物治療的病人在輔助運動區(qū)有激活，但比正常對照組激活體積小，而沒有藥物治療的病人輔助運動區(qū)完全沒有激活。這一差異不能通過傳統(tǒng)的神經(jīng)心理學(xué)方法檢測到

12、。雖然功能磁共振技術(shù)得到了廣泛應(yīng)用，但它還需要在時間分辨率和空間分辨率上得到提高。目前的空間分辨率在毫米尺度上，將來需要達到0.1mm或更低。而時間分辨率如達到ms級的水平,也將大大增強對腦活動更深入的理解o一、MPI腦功能成像的基本概念與種類用影像學(xué)圖像反映機體器官的代謝、興備、生物活性及血流狀態(tài)的病理生理變化是功能成像的主要內(nèi)容，亦是近幾年來醫(yī)學(xué)影像界為之傾心的熱點。由于腦組織的高度興奮性、高代謝性、高血供性以及成像時可靜止的生理特點，使其首先成為功能成像研究的領(lǐng)域。MPI由于其成像源于機體組織內(nèi)質(zhì)子在磁場內(nèi)變化的能量釋放及特有的體液流動效應(yīng)以及近幾年來回波平面成像技術(shù)（EPI）成熟與完善

13、，使MPI成為進行腦功能成像最實用的手段。:、MP腦灌注(PerfusionPWI)1.成像原理及方法灌注成像有兩個內(nèi)容：一種是利用磁共振造影劑的血管內(nèi)注射和快速成像程序相結(jié)合：另一種利用血流內(nèi)水分子自旋標(biāo)記技術(shù)觀察微循環(huán)的灌注情況。兩種灌注方法均屬于非彌散灌注范疇。目前常用的方法為動態(tài)對比增強磁敏感(dynamiccontrast-enhancedsusceptibility)加權(quán)灌注MRI。基本原理為靜脈團注順磁性對比劑后，立即用EPI進行快速掃描，獲得對比劑首先通過感興趣區(qū)血管床的圖像。由于順磁性對比劑可使腦局部磁場不均勻，引起去相位，T?時間縮短，致信號降低，其降低程度與正常腦組織局部

14、對比劑濃度成正比，因而能反映局部腦組織灌注的血容量。2.病理生理基礎(chǔ)及應(yīng)用指標(biāo)腦灌注成像，反映了毛細(xì)血管床內(nèi)血流分布特征，這些特征由容量指標(biāo)-局部腦血容積（rCBV）;速度指標(biāo)-血液通過組織的平均通過時間（MTT）；流量指標(biāo)-局部腦血流量（rCBF）組成。通過這些指標(biāo)能全部了解腦梗塞、腦缺血、腦再通及過度充盈等不同狀況下腦微循環(huán)的變化。三、MR彌散成像(DiffusionDWI)1成像的原理及方法彌散概念是指分子的不規(guī)則隨機平行運動，這種運動在物理學(xué)上稱為布朗氏運動。該詞常用來描述粒子由高濃度區(qū)向低濃度區(qū)的微觀運動。在活體組織里這種運動是一種具有方向性、不等量運動，其空間狀態(tài)為張量。磁共振彌散

15、成像實際上是測量水分子之間運動的信號。其成像基礎(chǔ)在于MP在磁場不均勻的情況下，對移動水所攜帶的質(zhì)子在橫向磁化上產(chǎn)生的相位位移的敏感性，相位位移越大，信號衰減就越明顯。通過EPI技術(shù)可得到反映這種水分子彌散運動的圖像，并通過數(shù)學(xué)方法可計算出反映水分子相位位移量，即運動自由度的表現(xiàn)彌散系數(shù)ADC值(apparentdiffusioncoefficient)。水分子彌散運動的自由度大小，是通過ADC值量化表達的，該值的大小反映了不同病理基礎(chǔ)的病變，亦可反映同一病理基礎(chǔ)病變不同的病理階段，在臨床診斷中具有重要意義。ADC值目前常用MP彌散圖形(Mpdiffusionmapping)表達，它具有直觀、快

16、捷、誤差小等優(yōu)點。2.病理生理基礎(chǔ)腦彌散成像的信號高低取決于小分子彌散運動的自由度大小及運動方向。信號的變化直接反映了這種水分子微觀運動，正常水分子以彌散運動方式平衡于細(xì)胞內(nèi)外、組織間隙中，一旦這種平衡破壞，即可出現(xiàn)DWI的信號變化。因此可以認(rèn)為DWI反映了細(xì)胞內(nèi)外水分子的流動狀態(tài)。根據(jù)彌散原理，我們可分別得到三向同性彌散圖，各向異性彌散圖，ADC圖和指數(shù)ADC圖。四、PWkDWI的臨床應(yīng)用1PWI和DWIPWI和DWI作為反映機體組織器官流體微觀運動的手段，首先應(yīng)用于腦缺血性疾病的診斷，已獲得肯定的結(jié)果和經(jīng)驗。在腦缺血的病理進程中,PWI和DWI反映了同一病因的二個不同的病理方面。聯(lián)合應(yīng)用有

17、助于全面了解腦缺血性疾病病理生理變化，對早期診斷、分期診斷、預(yù)后測和療法評估均有實際意義。2PWI和DWI的技術(shù)要求和圖像特點高b值-增強缺血灶的對比度短TE-增強信噪化短ESP-改善顱底圖像質(zhì)量大范圍掃描-全腦診斷三相同性成像-缺血灶與正常組織鑒別快速成像-患者合作自動處理程序-獲得CBF、CBV、MTT很高的時間分辨率-獲得精確的血流量和繪制血流圖3PWI和DWI的臨床意義PWI-組織的異常灌注(min)DWI-組織的細(xì)胞毒性水腫(6hr)DWIFLAIR4fMRI與PET比較PET碘劑需注射時間分辨率低空間分辨率低fMRI非碘劑無需注射時間分辨率高空間分辨率高五、功能活動性MRI(BOLD)1成像活動性成像是利用脫氧血紅蛋白的磁敏感性為基礎(chǔ)的磁共振成像技術(shù)，亦稱為血氧水平依賴性成像(bloodoxygenleveldependentimaging,BOLDImaging)。大腦皮層的某一區(qū)域興奮