功能磁共振成像

功能磁共振成像(fMRI)功能磁共振成像技術(shù)簡(jiǎn)述〔fMRI是一種興的神經(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)力的轉(zhuǎn)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)1990年月開(kāi)頭就在腦部功能定位領(lǐng)域占有一席之地。目前主要是運(yùn)用在爭(zhēng)論人及動(dòng)物的腦或脊髓。相關(guān)技術(shù)進(jìn)展自從1890〔兩者合稱為血液動(dòng)力學(xué)〕與神經(jīng)元的活化有著密不行分的關(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)胞四周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)，其四周的血流會(huì)增加來(lái)補(bǔ)充消耗掉的氧氣。從神經(jīng)活化到引發(fā)血液動(dòng)力學(xué)的轉(zhuǎn)變，通常會(huì)有1-5秒的延遲，然后在4-5秒到達(dá)的頂峰，再回到基線〔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)轉(zhuǎn)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)隨之轉(zhuǎn)變?！睟loodoxygen-leveldependent,BOLD〕首先由貝爾試驗(yàn)室小川誠(chéng)二等人于1990年所提出[2與其同事很早就了解BOLD對(duì)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爭(zhēng)論則是由JohnW.Belliveau1991〔Gd〕健民等人于19924月底提出了他的結(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的生物物理學(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需快速地補(bǔ)充。經(jīng)由血液動(dòng)力反響的過(guò)程，血液釋出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)多的帶氧血紅素布滿于活化神經(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。幾乎大局部的功能性磁共振成像都是用BOLD的方法來(lái)偵測(cè)腦中的反響區(qū)域，但由于這個(gè)方法得到的信號(hào)是相對(duì)且非定量的，使得人們質(zhì)疑它的牢靠性。因此，還有其他能更直接偵測(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〕被提出來(lái)，但由于神經(jīng)活化所造成的電磁場(chǎng)變化格外微弱，過(guò)低的信雜比使得至今仍無(wú)法牢靠地統(tǒng)計(jì)定量。BOLDfMRI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)氧的消耗量也增加,但增加幅度較低,其綜合效了T2T2加權(quán)像信號(hào)增加,反過(guò)來(lái)講就是T2BOLDBOLD-fMRIMR測(cè)量,響應(yīng)神經(jīng)活動(dòng)的血液動(dòng)力學(xué)變化fMRI的空間區(qū)分率雖然受到肯定限制,但能供給關(guān)于功能間隔的信息。BOLD成像是利用內(nèi)源性MRI比照劑—脫氧血紅蛋白作為比照MRI紅蛋白磁化相關(guān)的場(chǎng)畸變正是BOLD比照度源,與功能活動(dòng)相MRI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)量子干預(yù)儀SQUID對(duì)人腦進(jìn)展非侵入性的測(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)展腦磁圖檢查時(shí)不需要固定于患者頭部，檢測(cè)設(shè)備對(duì)人體可以用它來(lái)進(jìn)展人腦的動(dòng)態(tài)行為比方誘發(fā)刺激反響的腦功能爭(zhēng)論。腦磁圖進(jìn)展概況19Osrsted覺(jué)察隨著時(shí)間變化的電流四周產(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)線圈測(cè)量心臟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)展了腦磁圖記錄。Cohen用誘導(dǎo)線圈和信號(hào)疊加技8~12Hz節(jié)律電流所產(chǎn)生的腦磁信號(hào)。隨著電子技術(shù)的進(jìn)展，1969Zimmermun與其同事制造了點(diǎn)接觸式超導(dǎo)量子干預(yù)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，隨后在磁屏蔽室內(nèi)使用該干預(yù)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，它掩蓋的面積格外小，隨后消滅4通道、7通道、24通道、3764MEG信號(hào)發(fā)生氣理物磁性材料產(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)于腦磁爭(zhēng)論來(lái)說(shuō)，并不是全部的神經(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，由于電流偶極子產(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奉獻(xiàn)，且只有錐體細(xì)胞才產(chǎn)生磁場(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1~2cm2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。但假設(shè)錐體細(xì)胞群(>2cm22一群這樣的細(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MEG主要是測(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)于MEG而只關(guān)心切向偶極子。通常，MEG信號(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)0.1106個(gè)椎體細(xì)胞/mm2，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MEGMEG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)局部組成: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、汽車等各種電磁信號(hào)可明顯干擾腦磁信號(hào)，尤其是MR法、渦流屏蔽法和近年來(lái)制造的高溫超導(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)磁率極高的稱之為金屬的合金構(gòu)成，當(dāng)外界磁流沖出磁屏蔽室時(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)。腦磁場(chǎng)的探測(cè)裝置:主要為超導(dǎo)量子干預(yù)儀及探測(cè)線圈組成。超導(dǎo)量子干預(yù)儀裝在一個(gè)大的杜瓦桶中，桶中裝有液氧，使傳感器四周溫度到達(dá)-2700C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)展處理。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)耳前點(diǎn)、鼻根處建立坐標(biāo)系，通過(guò)固定在頭外表的四個(gè)或三個(gè)線圈確定頭的位置。MRI掃描前需將雙側(cè)耳前點(diǎn)及鼻AEMEG與MRI一坐標(biāo)系統(tǒng)。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)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，賜予聽(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。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MEG資料通過(guò)分析工作站對(duì)資料進(jìn)展分析，需要將MRI所獲得的腦解剖構(gòu)造資料通過(guò)計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)傳送到MEG分析工作站，將MRI資料與MEG資料疊加形成磁源性影像。同時(shí)在MEG資料記錄的同時(shí)可同時(shí)記錄EEG資料,以便與MEG資料比較。灌液氧裝置:為了保持超導(dǎo)量子干預(yù)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)要準(zhǔn)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留意低溫傷及窒息。腦磁圖的特點(diǎn)觀看人腦主要有3:MRI和CT形態(tài)和解剖學(xué)方面的信息;正電子放射斷層掃描PET和功能性核磁共振fMRI，供給有關(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MEG和腦電圖EEG供給的是有關(guān)人腦在信息處理方面的功能性信息。MEG通過(guò)非侵入性的、對(duì)人體完全無(wú)動(dòng)的直接反映，能供給較好的時(shí)間區(qū)分率。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)的爭(zhēng)論成為了腦功能爭(zhēng)論的趨勢(shì)。腦磁圖技術(shù)的應(yīng)用MEGMEG1976A5腦腫瘤四周腦重要功能區(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)四周正常構(gòu)造造成擠壓移切除腫瘤，而避開(kāi)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)伽馬刀的覺(jué)皮質(zhì)、視覺(jué)、皮質(zhì)及語(yǔ)言皮質(zhì)定位。腦外傷后的腦功能檢查:對(duì)某些輕度腦