功能磁共振技术现状与发展.pps

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1、功能磁共振技术现状与发展刘怀军2006.1,功能磁共振成像（functional magnetic resonance imaging,fMRI）是近年来迅速发展起来的MR技术，主要是用于脑科学研究即人脑高级功能的研究。了解人脑的高级功能可以使人类更好地认识脑、保护脑、开发脑和利用脑，并为许多重大脑疾病（如老年痴呆、儿童精神疾病、帕金森综合症和药物依赖等各类精神疾病）的诊断、治疗以及病理学研究提供科学依据。目前，国际上fMRI技术也广泛用于神经学和心理学的研究，并在已作过大量研究的基础上逐步转入临床应用阶段，中国各临床研究机构就此热点研究课题也开展了与国际的广泛合作和学术户动，国家基金在此方面

2、的投入也是逐年攀升,功能磁共振技术发展概述 脑是心灵的器官，脑的奥秘一直是几千年来人们所探索的课题。从古至今，科学家研究脑的途径多种多样：对脑的直观理解是通过脑损伤病人而获得的。1861年法国医生布罗卡发现有些病人能听得懂别人说话，发音器官是正常的，但是除了个别音外，不会发其他声音，病人死后尸检发现患者左侧额叶区受到损伤，他判断是该区负责语言加工，这就是布罗卡语言区。,美国生理心理学家斯佩里为了治疗癫痫症，把联系大脑两半球的神经纤维束通路胼胝体切断，发现虽然病人的症状缓解，但带来了其他语言、记忆方面的问题。自从科学心理学兴起后，科学家还通过测量受试者的反应时间和正确率推测脑的认知加工过程。,虽

3、然对脑损伤病人的实验观察、损毁、损毁方法和常规的行为心理学方法使人们获得了关于脑的很多知识，但是这些手段由于是有损伤的或者是把脑当成一个黑箱子，不能进行在体的实时观察，人类无法无创地对正常人的大脑进行细致全面的分析和理解，神经科学家、心理学家为寻求好的研究方法而煞费苦心。,功能磁共振是1990年贝尔实验室的科学家Owaga发现的。血红蛋白分为含氧血红蛋白和脱氧血红蛋白，脱氧血红蛋白是顺磁性物质，含氧血红蛋白是逆磁性物质。顺磁性物质在主磁场中受到磁化，在其周围产生一个微弱磁场，影响主磁场的均匀性；而逆磁性物质对磁场没有影响或影响很小。脑在进行认知任务加工活动时，会消耗能量，消耗氧，血液中的含氧血

4、红蛋白脱氧成为脱氧血红蛋白，这时需要补充含氧血红蛋白，局部血管膨胀，输入大量的含氧血红蛋白，使得在局部区域内脱氧血红蛋白的浓度降低，从而在采集的T2*加权像上表现为微弱的信号升高，这种现象称为血氧含量对比度（BOLD)显像，现在一般功能磁共振成像都是基于这种成像原理。,医学成像技术的发展为脑的研究带来了新的手段。通过事件相关单位（ERP)可以实时观察受试者在进行认知加工时的脑电活动。而功能磁共振成像技术（fMRI)的诞生，则可以通过脑区局部血氧含量的变化间接观察的活动。一百多年来人们就推测血氧活动与神经活动有着紧密的联系，神经细胞激活时需要消耗局部毛细血管中的氧。当神经无放电后大概4-6秒便出

5、现血氧反应。BOLD 信号的发现让神经科学、认识科学、心理学、临床脑科学研究者如获珍宝，也奏响了影像学研究发展崭新的乐章。,功能磁共振基本试验方法 功能磁共振研究需要不同学科背景的人员在一起共同完成，包括磁共振物理、影像放射学、心理学实验设计、统计学、图像处理等。典型的（fMRI)实验中，受试者躺在磁共振病床上，磁共振成像系统扫描的同时，刺激任务控制计算机与磁共振扫描同步触发刺激程序，通过射频屏蔽投影系统呈现给病人视觉刺激，或者通过耳机呈现给病人听觉刺激，病人需要根据刺激程序的要求做指定的任务，并用按键反馈响应，然后通过MR扫描采集结构和功能原始数据，用专业的图像后处理与统计分析软件进行计算，

6、就可重建出人脑的激活区并做各项定量分析研究。,首先要根据实验目的需要设计实验，分组块设计（Block Design)和事件相关设计（Event-related Design)。实验设计需要保证很高的时间精度，通常要求不超过几毫秒的误差，因此需要一些专用的心理实验软件如E-prime、pre-sentation等。在实验前面要写上指导语，然后呈现任务刺激、随后屏幕呈现十字交叉线，提示受试者注视屏幕，不放认知任务；任务重复几次，有助于提高统计的可靠性。图1的例子是一个典型的视觉实验任务，让受试者注视屏幕，任务刺激是闪动的棋盘格，控制刺激是十字交叉线。首先受试者注视十字交叉线的交点，试验将按照图示时

7、间及内容进行。,然后确定要扫描的主要部位，实验刺激程序与扫描步开始。随着磁共振技术发展，现在一般可以扫描全脑图像。首先进行解剖定位像扫描。解剖定位像是高分辨率的T1成像，图像大小可达256 256或512 512矩阵。能清晰显示解剖结构。,随后是快速回波平面功能成像，因为图像获取非常快，一般可以在1500ms时间内采集36层全面图像，为了提高信噪比，采集图像大小一般为6464或128128矩阵。如果实验设计采用简单的“任务控制任务控制”的实验范式，则具备实时成像的扫描系统主控制计算机上可以实时显示脑激活区。,如果实验设计比较复杂，或需要更多的定量分析，则可以在数据采集完成后，采用功能更加强大的

8、软件来分析，如SPM、AFNI和FSL等。最后采集三维全脑结构像，如采用矢状面采集，图像矩阵为256 256 124层。,功能磁共振成像获得大量图像，通过在线实时处理或离线处理方法进行图像的配准、统计可以获得针对实验任务的激活区，这些脑区的激活程度差异，不同激活脑区之间的相互关系等，把激活结果叠加到三维个体磁共振图像或标准化脑模板图像上，使人们对脑的高级功能有更加丰富的理解。,功能磁共振的广泛应用 功能磁共振成像方法目前已成为神经科学系和心理学系的重要实验研究之一，涉及到脑高级功能研究的各个领域：语言、记忆、视觉、听觉、运动、知觉、情绪等。来自美国得克萨斯大学圣安东尼奥分校脑成像中心的小脑功能

9、磁共振实验，打破了150年来占统治地位的小脑只负责全身运动的理论，实验证据表明小脑也对感觉和知觉做出反应，这促使科学家开始了对小脑的再认识。,功能磁共振不仅对脑科学研究有着重要的价值，对临床和药物作用评价也有着重要意义。,现代神经外科，要求手术创伤最小化，不能因为手术损伤重要功能区。在实际的外科手术中，因为病人开颅后的可见区域很小，大脑皮层相似的纹理使医生很难判断功能区，尤其是脑肿瘤部位临近脑运动区和布罗卡语言区时。,现在外科医生可以在术前对病人进行手指运动或语言实验，得到激活区，融合到定位图像上，术中医生可以凭借运动或语言区的激活图位置，和导航光学仪器的指引避开这些病区，进行精确高质量的神经

10、外科手术，在这个领域，fMRI技术即将进入临床。,目前最为热门的DTI与fMRI的融合技术，是fMRI技术最受临床医生青睐的应用方法，在美国一些医院的手术计划方案中作为重要的判据。功能磁共振成像能够显示任务相关的脑功能区，但这些功能区是在大脑皮层上，功能磁共振还没有充分的证据表明两个功能区是否有联系及如何联系在一起的。,扩散张量成像/扩散谱成像（DTI/DSI)是当前唯一能够无损伤显示白质纤维束的方法。在大脑皮层（灰质）中，水分子的运动是随机的，在各个方向上的运动表现为各向同性。而在脑白质由于受细胞膜和髓鞘的影响，水分子只能沿着纤维束的方向进行扩散。通过施加不同的梯度进行扩散张量成像，通过计算

11、可以追踪出白质纤维束，图5是跟踪出的大脑皮层的白质纤维束。,把功能磁共振成像获得的激活区和扩散张量成像得到的白质纤维束融合在一起，可以看出两个功能激活区是否有白质纤维束相联结。图 6 绿色表示与语言相关的脑区，分析显示了两侧语言区通过白质纤维束联系在一起。,生产治疗精神疾病的药物前，需要对药物的功效做出评价，但是精神性药物的评价指标往往比较主观，容易造成偏差。通过功能磁共振可以对药物进行客观的评价：对服药前后的病人做认知功能测试，发现激活区域有所不同。,美国科学家凯瑟琳埃尔斯佩思博士和史蒂芬M饶博士，对帕金森病人给予多巴胺药物，另一组病人不给药物，通过手指运动的功能磁共振成像，发现药物治疗的病

12、人在辅助运动区有激活，但比正常对照组激活体积小，而没有药物治疗的病人辅助运动区完全没有激活。这一差异不能通过传统的神经心理学方法检测到。,虽然功能磁共振技术得到了广泛应用，但它还需要在时间分辨率和空间分辨率上得到提高。目前的空间分辨率在毫米尺度上，将来需要达到0.1mm或更低。而时间分辨率如达到ms级的水平，也将大大增强对脑活动更深入的理解。,一、MPI脑功能成像的基本概念与种类 用影像学图像反映机体器官的代谢、兴备、生物活性及血流状态的病理生理变化是功能成像的主要内容，亦是近几年来医学影像界为之倾心的热点。由于脑组织的高度兴奋性、高代谢性、高血供性以及成像时可静止的生理特点，使其首先成为功能

13、成像研究的领域。,MPI由于其成像源于机体组织内质子在磁场内变化的能量释放及特有的体液流动效应以及近几年来回波平面成像技术（EPI)成熟与完善，使MPI成为进行脑功能成像最实用的手段。,二、MP脑灌注（Perfusion PWI）,1.成像原理及方法 灌注成像有两个内容：一种是利用磁共振造影剂的血管内注射和快速成像程序相结合：另一种利用血流内水分子自旋标记技术观察微循环的灌注情况。两种灌注方法均属于非弥散灌注范畴。,目前常用的方法为动态对比增强磁敏感(dynamiccontrast-enhanced susceptibility)加权灌注MRI。基本原理为静脉团注顺磁性对比剂后，立即用EPI进

14、行快速扫描，获得对比剂首先通过感兴趣区血管床的图像。,由于顺磁性对比剂可使脑局部磁场不均匀，引起去相位，T2时间缩短，致信号降低，其降低程度与正常脑组织局部对比剂浓度成正比，因而能反映局部脑组织灌注的血容量。,2.病理生理基础及应用指标 脑灌注成像，反映了毛细血管床内血流分布特征，这些特征由容量指标-局部脑血容积（rCBV);速度指标-血液通过组织的平均通过时间（MTT）；流量指标-局部脑血流量（rCBF)组成。通过这些指标能全部了解脑梗塞、脑缺血、脑再通及过度充盈等不同状况下脑微循环的变化。,三、MR弥散成像（Diffusion DWI)1.成像的原理及方法 弥散概念是指分子的不规则随机平行

15、运动，这种运动在物理学上称为布朗氏运动。该词常用来描述粒子由高浓度区向低浓度区的微观运动。在活体组织里这种运动是一种具有方向性、不等量运动，其空间状态为张量。磁共振弥散成像实际上是测量水分子之间运动的信号。,其成像基础在于MP在磁场不均匀的情况下，对移动水所携带的质子在横向磁化上产生的相位位移的敏感性，相位位移越大，信号衰减就越明显。通过EPI技术可得到反映这种水分子弥散运动的图像，并通过数学方法可计算出反映水分子相位位移量，即运动自由度的表现弥散系数ADC值（apparent diffusion coefficient)。,水分子弥散运动的自由度大小，是通过ADC值量化表达的，该值的大小反映

16、了不同病理基础的病变，亦可反映同一病理基础病变不同的病理阶段，在临床诊断中具有重要意义。ADC值目前常用MP弥散图形（Mpdiffusion mapping)表达，它具有直观、快捷、误差小等优点。,2.病理生理基础 脑弥散成像的信号高低取决于小分子弥散运动的自由度大小及运动方向。信号的变化直接反映了这种水分子微观运动，正常水分子以弥散运动方式平衡于细胞内外、组织间隙中，一旦这种平衡破坏，即可出现DWI的信号变化。因此可以认为DWI反映了细胞内外水分子的流动状态。根据弥散原理，我们可分别得到三向同性弥散图，各向异性弥散图，ADC图和指数ADC图。,四、PWI、DWI的临床应用1.PWI 和 DW

17、I PWI和DWI作为反映机体组织器官流体微观运动的手段，首先应用于脑缺血性疾病的诊断，已获得肯定的结果和经验。在脑缺血的病理进程中，PWI和DWI反映了同一病因的二个不同的病理方面。联合应用有助于全面了解脑缺血性疾病病理生理变化，对早期诊断、分期诊断、预后测和疗法评估均有实际意义。,2.PWI和DWI的技术要求和图像特点高b值-增强缺血灶的对比度短TE-增强信噪化短ESP-改善颅底图像质量大范围扫描-全脑诊断三相同性成像-缺血灶与正常组织鉴别快速成像-患者合作自动处理程序-获得CBF、CBV、MTT很高的时间分辨率-获得精确的血流量和绘制血流图,3.PWI和DWI的临床意义 PWI-组织的异

18、常灌注（min)DWI-组织的细胞毒性水肿（6hr)DWI T2 FLAIR,4.fMRI 与PET比较PET fMRI碘剂 非碘剂需注射 无需注射时间分辨率低 时间分辨率高空间分辨率低 空间分辨率高,五、功能活动性MRI(BOLD)1.成像活动性成像是利用脱氧血红蛋白的磁敏感性为基础的磁共振成像技术，亦称为血氧水平依赖性成像（blood oxygen level dependent imaging,BOLD Imaging)。大脑皮层的某一区域兴奋时，局部小动脉扩张，血流量增加，但局部的氧耗量仅轻度增加，故氧合血红蛋白量明显增加，氧合血红蛋白中含有反磁性铁，在T1和T2加权上，相应区域信号增高，可根据信号强度的变化反映区域灌注的变化，利用该原理可行皮层功能定位成像。,2.成像方法a.建立功能区兴奋方式（如听、说、光 觉、嗅觉、肢体运动外周体表刺激等）；b.按一定的节律进行兴奋（take on),静 止（take off)交替；c.用EPI序列进行全过程快速扫描；,3.临床应用a.评价区域性血流状态-对脑缺血性疾患现状及预后评价；b.功能区定位-外科手术学；c.心理学，认知过程的基础研究；d.消遣。,结束,