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(lái)迅速發(fā)展起來(lái)的MR技術(shù)，主要是用于腦科學(xué)研究即人腦高級(jí)功能的研究。了解人腦的高級(jí)功能可以使人類更好地認(rèn)識(shí)腦、保護(hù)腦、開(kāi)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(guó)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(guò)大量研究的基礎(chǔ)上逐步轉(zhuǎn)入臨床應(yīng)用階段，中國(guó)各臨床研究機(jī)構(gòu)就此熱點(diǎn)研究課題也開(kāi)展了與國(guó)際的廣泛合作和學(xué)術(shù)戶動(dòng)，國(guó)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(lái)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(duì)腦的直觀理解是通過(guò)腦損傷病人而獲得的。1861年法國(guó)醫(yī)生布羅卡發(fā)現(xiàn)有些病人能聽(tīng)得懂別人說(shuō)話，發(fā)音器官是正常的，但是除了個(gè)別音外，不會(huì)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(yǔ)言加工，這就是布羅卡語(yǔ)言區(qū)。雖然對(duì)腦損傷病人的實(shí)驗(yàn)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(shí)，但是這些手段由于是有損傷的或者是把腦當(dāng)成一個(gè)黑箱子，不能進(jìn)行在體的實(shí)時(shí)觀察，人類無(wú)法無(wú)創(chuàng)地對(duì)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(fèi)苦心。功能磁共振是1990年貝爾實(shí)驗(yàn)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(chǎng)中受到磁化，在其周?chē)a(chǎn)生一個(gè)微弱磁場(chǎng)，影響主磁場(chǎng)的均勻性；而逆磁性物質(zhì)對(duì)磁場(chǎng)沒(méi)有影響或影響很小。腦在進(jìn)行認(rèn)知任務(wù)加工活動(dòng)時(shí)，會(huì)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(shí)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(hào)升高，這種現(xiàn)象稱為血氧含量對(duì)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(lái)了新的手段。通過(guò)事件相關(guān)單位（ERP)可以實(shí)時(shí)觀察受試者在進(jìn)行認(rèn)知加工時(shí)的腦電活動(dòng)。而功能磁共振成像技術(shù)（fMRI)的誕生，則可以通過(guò)腦區(qū)局部血氧含量的變化間接觀察的活動(dòng)。一百多年來(lái)人們就推測(cè)血氧活動(dòng)與神經(jīng)活動(dòng)有著緊密的聯(lián)系，神經(jīng)細(xì)胞激活時(shí)需要消耗局部毛細(xì)血管中的氧。當(dāng)神經(jīng)無(wú)放電后大概4-6秒便出現(xiàn)血氧反應(yīng)。BOLD信號(hào)的發(fā)現(xiàn)讓神經(jīng)科學(xué)、認(rèn)識(shí)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(lè)章。 功能磁共振基本試驗(yàn)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(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)、統(tǒng)計(jì)學(xué)、圖像處理等。典型的（fMRI)實(shí)驗(yàn)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(shí)，刺激任務(wù)控制計(jì)算機(jī)與磁共振掃描同步觸發(fā)刺激程序，通過(guò)射頻屏蔽投影系統(tǒng)呈現(xiàn)給病人視覺(jué)刺激，或者通過(guò)耳機(jī)呈現(xiàn)給病人聽(tīng)覺(jué)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?lái)憫?yīng)，然后通過(guò)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(jì)分析軟件進(jìn)行計(jì)算，就可重建出人腦的激活區(qū)并做各項(xiàng)定量分析研究。然后確定要掃描的主要部位，實(shí)驗(yàn)刺激程序與掃描步開(kāi)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?yàn)閳D像獲取非?？?，一般可以在1500ms時(shí)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(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)采用簡(jiǎn)單的“任務(wù)―控制―任務(wù)―控制…”的實(shí)驗(yàn)范式，則具備實(shí)時(shí)成像的掃描系統(tǒng)主控制計(jì)算機(jī)上可以實(shí)時(shí)顯示腦激活區(qū)。功能磁共振成像獲得大量圖像，通過(guò)在線實(shí)時(shí)處理或離線處理方法進(jìn)行圖像的配準(zhǔn)、統(tǒng)計(jì)可以獲得針對(duì)實(shí)驗(yàn)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(gè)體磁共振圖像或標(biāo)準(zhǔn)化腦模板圖像上，使人們對(duì)腦的高級(jí)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(shí)驗(yàn)研究之一，涉及到腦高級(jí)功能研究的各個(gè)領(lǐng)域：語(yǔ)言、記憶、視覺(jué)、聽(tīng)覺(jué)、運(yùn)動(dòng)、知覺(jué)、情緒等。來(lái)自美國(guó)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(shí)驗(yàn)，打破了150年來(lái)占統(tǒng)治地位的小腦只負(fù)責(zé)全身運(yùn)動(dòng)的理論，實(shí)驗(yàn)證據(jù)表明小腦也對(duì)感覺(jué)和知覺(jué)做出反應(yīng)，這促使科學(xué)家開(kāi)始了對(duì)小腦的再認(rèn)識(shí)。功能磁共振不僅對(duì)腦科學(xué)研究有著重要的價(jià)值，對(duì)臨床和藥物作用評(píng)價(jià)也有著重要意義?，F(xiàn)在外科醫(yī)生可以在術(shù)前對(duì)病人進(jìn)行手指運(yùn)動(dòng)或語(yǔ)言實(shí)驗(yàn)，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(yùn)動(dòng)或語(yǔ)言區(qū)的激活圖位置，和導(dǎo)航光學(xué)儀器的指引避開(kāi)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(gè)領(lǐng)域，fMRI技術(shù)即將進(jìn)入臨床。目前最為熱門(mén)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(guó)一些醫(yī)院的手術(shù)計(jì)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(méi)有充分的證據(jù)表明兩個(gè)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(wú)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(yùn)動(dòng)是隨機(jī)的，在各個(gè)方向上的運(yùn)動(dòng)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(guò)施加不同的梯度進(jìn)行擴(kuò)散張量成像，通過(guò)計(jì)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(duì)藥物的功效做出評(píng)價(jià)，但是精神性藥物的評(píng)價(jià)指標(biāo)往往比較主觀，容易造成偏差。通過(guò)功能磁共振可以對(duì)藥物進(jìn)行客觀的評(píng)價(jià)：對(duì)服藥前后的病人做認(rèn)知功能測(cè)試，發(fā)現(xiàn)激活區(qū)域有所不同。美國(guó)科學(xué)家凱瑟琳·埃爾斯佩思博士和史蒂芬·M·饒博士，對(duì)帕金森病人給予多巴胺藥物，另一組病人不給藥物，通過(guò)手指運(yùn)動(dòng)的功能磁共振成像，發(fā)現(xiàn)藥物治療的病人在輔助運(yùn)動(dòng)區(qū)有激活，但比正常對(duì)照組激活體積小，而沒(méi)有藥物治療的病人輔助運(yùn)動(dòng)區(qū)完全沒(méi)有激活。這一差異不能通過(guò)傳統(tǒng)的神經(jīng)心理學(xué)方法檢測(cè)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(shí)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(lái)需要達(dá)到0.1mm或更低。而時(shí)間分辨率如達(dá)到ms級(jí)的水平，也將大大增強(qiáng)對(duì)腦活動(dòng)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(chǎng)內(nèi)變化的能量釋放及特有的體液流動(dòng)效應(yīng)以及近幾年來(lái)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(shí)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(gè)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(guò)組織的平均通過(guò)時(shí)間（MTT）；流量指標(biāo)-局部腦血流量（rCBF)組成。通過(guò)這些指標(biāo)能全部了解腦梗塞、腦缺血、腦再通及過(guò)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(yùn)動(dòng)，這種運(yùn)動(dòng)在物理學(xué)上稱為布朗氏運(yùn)動(dòng)。該詞常用來(lái)描述粒子由高濃度區(qū)向低濃度區(qū)的微觀運(yùn)動(dòng)。在活體組織里這種運(yùn)動(dòng)是一種具有方向性、不等量運(yùn)動(dòng)，其空間狀態(tài)為張量。磁共振彌散成像實(shí)際上是測(cè)量水分子之間運(yùn)動(dòng)的信號(hào)。其成像基礎(chǔ)在于MP在磁場(chǎng)不均勻的情況下，對(duì)移動(dòng)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(hào)衰減就越明顯。通過(guò)EPI技術(shù)可得到反映這種水分子彌散運(yùn)動(dòng)的圖像，并通過(guò)數(shù)學(xué)方法可計(jì)算出反映水分子相位位移量，即運(yùn)動(dòng)自由度的表現(xiàn)彌散系數(shù)ADC值（apparentdiffusioncoefficient)。水分子彌散運(yùn)動(dòng)的自由度大小，是通過(guò)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(diǎn)。2.病理生理基礎(chǔ)腦彌散成像的信號(hào)高低取決于小分子彌散運(yùn)動(dòng)的自由度大小及運(yùn)動(dòng)方向。信號(hào)的變化直接反映了這種水分子微觀運(yùn)動(dòng)，正常水分子以彌散運(yùn)動(dòng)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(hào)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(dòng)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(yùn)動(dòng)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(yàn)。在腦缺血的病理進(jìn)程中，PWI和DWI反映了同一病因的二個(gè)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(duì)早期診斷、分期診斷、預(yù)后測(cè)和療法評(píng)估均有實(shí)際意義。2.PWI和DWI的技術(shù)要求和圖像特點(diǎn)高b值-增強(qiáng)缺血灶的對(duì)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(dòng)處理程序-獲得CBF、CBV、MTT很高的時(shí)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(wú)需注射時(shí)間分辨率低時(shí)間分辨率高空間分辨率低空間分辨率高五、功能活動(dòng)性MRI(BOLD)1.成像活動(dòng)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(shí)，局部小動(dòng)脈擴(kuò)張，血流量增加，但局部的氧耗量?jī)H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)