功能磁共振技術(shù)現(xiàn)狀與發(fā)展課件

功能磁共振技術(shù)現(xiàn)狀與發(fā)展2006.1

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(hù)腦、開發(fā)腦和利用腦，并為許多重大腦疾?。ㄈ缋夏臧V呆、兒童精神疾病、帕金森綜合癥和藥物依賴等各類精神疾?。┑脑\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(jī)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)。雖然對腦損傷病人的實驗觀察、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(jìn)行在體的實時觀察，人類無法無創(chuàng)地對正常人的大腦進(jìn)行細(xì)致全面的分析和理解，神經(jīng)科學(xué)家、心理學(xué)家為尋求好的研究方法而煞費苦心。功能磁共振是1990年貝爾實驗室的科學(xué)家Owaga發(fā)現(xiàn)的。血紅蛋白分為含氧血紅蛋白和脫氧血紅蛋白，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)在主磁場中受到磁化，在其周圍產(chǎn)生一個微弱磁場，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(jìn)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白，這時需要補(bǔ)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)脫氧血紅蛋白的濃度降低，從而在采集的T2*加權(quán)像上表現(xiàn)為微弱的信號升高，這種現(xiàn)象稱為血氧含量對比度（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(jìn)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秒便出現(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(jī)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(jī)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(jìn)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。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像。首先進(jìn)行解剖定位像掃描。解剖定位像是高分辨率的T1成像，圖像大小可達(dá)256×256或512×512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，采集圖像大小一般為64×64或128×128矩陣。如果實驗設(shè)計采用簡單的“任務(wù)―控制―任務(wù)―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(jī)上可以實時顯示腦激活區(qū)。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(jìn)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)在外科醫(yī)生可以在術(shù)前對病人進(jìn)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(jìn)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(jìn)入臨床。目前最為熱門的DTI與fMRI的融合技術(shù)，是fMRI技術(shù)最受臨床醫(yī)生青睞的應(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示任務(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(kuò)散張量成像/擴(kuò)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(jī)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(jìn)行擴(kuò)散。通過施加不同的梯度進(jìn)行擴(kuò)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。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(jìn)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。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(dá)到0.1mm或更低。而時間分辨率如達(dá)到ms級的水平，也將大大增強(qiáng)對腦活動更深入的理解。MPI由于其成像源于機(jī)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，使MPI成為進(jìn)行腦功能成像最實用的手段。二、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。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(jī)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(dá)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(dá)，它具有直觀、快捷、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、PWI、DWI的臨床應(yīng)用1.PWI和DWIPWI和DWI作為反映機(jī)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(jìn)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。2.PWI和DWI的技術(shù)要求和圖像特點高b值-增強(qiáng)缺血灶的對比度短TE-增強(qiáng)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3.PWI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)PWI-組織的血腦屏障破壞（>6hr)DWIT2FLAIR4.fMRI

與PET比較PET

fMRI碘劑非碘劑需注射無需注射時間分辨率低時間分辨率高空間分辨率低空間分辨率高五、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（bloodoxygenlevel

dependentimaging,BOLDImaging)。大腦皮層的某一區(qū)域興奮時，局部小動脈擴(kuò)張，血流量增加，但局部的氧耗量僅輕度增加，故氧合血紅蛋白量明顯增加，氧合血紅蛋白中含有反磁性鐵，在T1和T2加權(quán)上，相應(yīng)區(qū)