血氧水平依賴性腦功能成像的研究進(jìn)展

馮俊榜，王光昶，艾敏

（1.成都醫(yī)學(xué)院臨床學(xué)院，成都 610500；2.成都醫(yī)學(xué)院物理教研室，成都 610500）

1 磁共振腦功能成像（fMRI）及研究現(xiàn)狀

隨著磁共 振［1，2］技 術(shù) 的 發(fā) 展，1990 年 Ogawa等［3］首 先利用血氧水平依賴性磁共振腦功能成像（BOLD－fMRI）［4，5］。fMRI主要通過(guò)磁共振成像來(lái)探索人類的神經(jīng)系統(tǒng)［6］，并對(duì)發(fā)現(xiàn)的組織進(jìn)行準(zhǔn)確的功能定位，模擬出相應(yīng)的圖像，為某個(gè)部位的手術(shù)提供直接的幫助。與常規(guī)的MRI相比，fMRI只對(duì)大腦的某一特定功能區(qū)域感興趣部位進(jìn)行監(jiān)視、控制和動(dòng)態(tài)觀察，因而具有定位精確、干擾少、易于操作、無(wú)創(chuàng)、成像速度快、圖像清晰等特點(diǎn)。

目前常用的腦功能成像技術(shù)主要有CT［7］、X線、MRI。CT檢查方便迅速，密度分辨率高，易為患者接受，但是CT對(duì)疾病監(jiān)測(cè)的敏感度并不是100%，且少部分病人對(duì)CT對(duì)比劑有過(guò)敏反應(yīng)；X線［8］對(duì)人體也有一定的放射性損害；而MRI有較高的組織對(duì)比度和分辨力，對(duì)軟組織的病變比CT顯示清楚，并且不受骨偽影的影響，在中樞神經(jīng)系統(tǒng)病變中，對(duì)后顱窩等的病變顯示清楚，其多參數(shù)成像，可獲得T1WI、T2WI、PDWI等多種圖像，更有利于病變的比較和鑒別診斷。

2 fMRI磁共振成像的原理

腦活動(dòng)功能成像簡(jiǎn)稱腦功能成像（brain functional MRI，fMRI），是 基 于 血 氧 水 平 依 賴 （blood oxygen level dependent，BOLD）［9，10］增強(qiáng)技術(shù)原理引起的局部組織的 T2改變，從而在T2WI圖像上反映出局部腦組織功能活動(dòng)的成像技術(shù)。1990年Ogawa與Turner等［3］的研究證明了脫氧血可以作為天然的對(duì)比劑，利用fMRI觀察病人的成像特異性，對(duì)疾病的治療起到了重要作用，從此開辟了fMRI的新紀(jì)元。

人體的各種生理活動(dòng)由相應(yīng)的大腦皮層控制，當(dāng)大腦處于活動(dòng)狀態(tài)，與這些活動(dòng)相對(duì)應(yīng)的局部大腦皮質(zhì)組織區(qū)域的血流量會(huì)增加。腦組織血流、血流容積及耗氧量增加，但是增加的程度及比例不相同，導(dǎo)致相應(yīng)的腦活動(dòng)區(qū)域的靜脈血中的氧和血紅蛋白增加，脫氧血紅蛋白相對(duì)減少。而脫氧血紅蛋白縮短T2弛豫時(shí)間，在T2加權(quán)上成低信號(hào)。當(dāng)其濃度降低時(shí)則使T2加權(quán)時(shí)間延長(zhǎng)，在T2加權(quán)上呈高信號(hào)，使腦功能活動(dòng)區(qū)表現(xiàn)為高信號(hào)。BOLD技術(shù)就是基于這一原理，活躍的局部腦組織區(qū)域血流的增加，使腦組織輸送更多的富含氧的血液，從而降低脫氧血紅蛋白的濃度，因此增加了T2WI圖像上活躍腦組織的信號(hào)強(qiáng)度。脫氧血紅蛋白有4個(gè)不配對(duì)的電子，具有順磁性，可以縮短T2WI弛豫時(shí)間。在T2WI圖像上，信號(hào)強(qiáng)度與脫氧血紅蛋白的濃度呈反比關(guān)系，脫氧血紅蛋白濃度越高，T2WI信號(hào)越低。這種血氧水平增加并不是一直持續(xù)的，只持續(xù)幾秒時(shí)間，因此通常采用EPI技術(shù)掃描獲得圖像。由于這種靠血氧水平增加導(dǎo)致的信號(hào)強(qiáng)度增加很少，一般＜10，再利用相應(yīng)的軟件及后處理技術(shù)來(lái)清晰地顯示出這些活躍的腦活動(dòng)功能區(qū)域。

3 rest fMRI的成像方法和基礎(chǔ)

基于fMRI，人們還研究出一種顯示靜息狀態(tài)下腦功能的成像方法－rest fMRI［11］。經(jīng)典的fMRI研究的腦活動(dòng)的顯示是通過(guò)腦功能區(qū)的有無(wú)任務(wù)狀態(tài)時(shí)相減而得到。而最近發(fā)現(xiàn)，人即使是在清醒的狀態(tài)［12］，大腦仍有許多的神經(jīng)元在活動(dòng)，與之相對(duì)應(yīng)大腦皮層的活動(dòng)構(gòu)成了靜息態(tài)默認(rèn)的功能網(wǎng)絡(luò)。這一網(wǎng)絡(luò)和相應(yīng)任務(wù)誘導(dǎo)的腦區(qū)域的激活呈動(dòng)態(tài)平衡狀態(tài)，病人的異常行為也許就是因?yàn)檫@種動(dòng)態(tài)平衡被打破。例如阿爾茲海默?。?3］、幻聽以及肝性腦病［14］病人均出現(xiàn)了反常的默認(rèn)功能網(wǎng)絡(luò)，提示許多疾病都會(huì)有這種現(xiàn)象，而不是某一疾病所特有。

4 磁共振技術(shù)在腦功能成像中的運(yùn)用

4.1 fMRI在腦部皮質(zhì)區(qū)腫瘤中的作用

腦特定功能區(qū)腫瘤［15］如惡性腫瘤［16］，外科手術(shù)仍是首選，其切除徹底與否和病人的預(yù)后有直接關(guān)系，所以腦外和神經(jīng)外科者常常追求最大程度地切除腫瘤，以提高患者的生存質(zhì)量，但由于術(shù)中缺乏有效直觀的監(jiān)控，所以給手術(shù)帶來(lái)了很大的困難。

Schulder等［17］報(bào)道了7例主要運(yùn)動(dòng)區(qū)腫瘤，其中膠質(zhì)瘤［18，19］4例，腦膜瘤［20，21］3例，在術(shù)前1d以對(duì)指運(yùn)動(dòng)的激發(fā)模式進(jìn)行fMRI檢查，通過(guò)后處理技術(shù)把所有的解剖圖像進(jìn)行融合，然后通過(guò)工作站把圖像經(jīng)網(wǎng)絡(luò)輸送到神經(jīng)外科立體定向?qū)Ш较到y(tǒng)上，較精確地顯示腦活動(dòng)功能區(qū)和腫瘤的對(duì)應(yīng)關(guān)系。與術(shù)中直接體感誘發(fā)電位（somatosensory evoked potentials，SSEPS）相比，誤差縮小到了2.2mm，切除腫瘤更徹底，并且沒有出現(xiàn)異常、持久的神經(jīng)功能喪失。Alexandre等［22］報(bào)道了17例皮質(zhì)運(yùn)動(dòng)區(qū)腫瘤的激活形式及分類。臨床上fMRI顯示腦功能激活區(qū)移位的病例，其運(yùn)動(dòng)功能會(huì)相應(yīng)減弱，如果移位只有占位效應(yīng)［23］而沒有累及中央前回，則只有手、足的靈活性降低，而握力不變。因此，fMRI能夠精確地對(duì)腦的具體部位進(jìn)行定位，為臨床上治療腦部腫瘤提供了有力的保障。

4.2 fMRI在廣泛性焦慮癥中的作用

廣泛性焦慮癥［24，25］（generalized anxiety disorder，GAD）是目前發(fā)病率較高的身心疾病之一，我國(guó)的發(fā)病率約為4%，Wittchen等報(bào)道美國(guó)人口中GAD的患病率為5% 。GAD以長(zhǎng)期、廣泛、不能自控的焦慮為特點(diǎn)，是癥狀持續(xù)6個(gè)月以上的慢性疾病［26－28］，對(duì)人類的健康構(gòu)成了嚴(yán)重的威脅。

ACC和Am是與GAD病人聯(lián)系較緊密的腦功能區(qū)。Kim等［29，30］研究顯示ACC與Am存在著一定的反比關(guān)系。Nitschke等［31］對(duì)14例GAD病人的治療前后進(jìn)行了BOLD－fMRI對(duì)比，結(jié)果發(fā)現(xiàn)：治療前對(duì)GAD病人進(jìn)行中性或負(fù)性情緒刺激時(shí)，Am的激活水平明顯升高，而治療后Am的激活水平明顯降低；ACC在一定范圍內(nèi)隨著文拉法辛［32］活性的增強(qiáng)而逐漸增強(qiáng)，而病人的焦慮程度隨著文拉法辛活性的增強(qiáng)而減弱。其結(jié)果說(shuō)明Am的活性降低或ACC的活性增強(qiáng)可以反映GAD病人的治療有效。BOLD－fMRI能夠觀察到GAD病人皮質(zhì)下腦活動(dòng)區(qū)在不同刺激階段的變化。通過(guò)檢測(cè)感興趣的腦區(qū)激活，分析各神經(jīng)系統(tǒng)、神經(jīng)傳導(dǎo)和神經(jīng)同路之間的相互聯(lián)系，BOLD－fMRI在對(duì)焦慮癥患者病變區(qū)的定位、動(dòng)態(tài)監(jiān)視以及抗焦慮藥物［33］的治療和預(yù)后方面起著重要的指導(dǎo)作用。

5 腦功能成像技術(shù)的應(yīng)用前景

fMRI是快速發(fā)展的一個(gè)全新領(lǐng)域，有著良好的發(fā)展前景。fMRI圖像的空間分辨率和時(shí)間分辨率相對(duì)較高，無(wú)電離輻射，無(wú)創(chuàng)，經(jīng)濟(jì)，并且可以直接顯示腦功能激活區(qū)的部位、大小和范圍，進(jìn)行精確的定位。但fMRI仍然有著自身的缺點(diǎn)，如成像時(shí)間仍較長(zhǎng)，植入金屬假體的病人不能進(jìn)行MRI檢查等。

目前，動(dòng)態(tài)、實(shí)時(shí)的成像MRI系統(tǒng)已研制成功，最近成功安裝的8TMRI系統(tǒng)，可以清晰顯示直徑240tzm的小血管，為腦皮層相應(yīng)活動(dòng)的定位提供了更好的開拓前景，為fMRI腦功能向更深層次的發(fā)展打開了方便之門。

fMRI可以從影像學(xué)上證實(shí)傳統(tǒng)的視覺中樞、聽覺中樞及運(yùn)動(dòng)中樞存在的具體區(qū)域，可以為神經(jīng)外科手術(shù)的術(shù)前評(píng)估、預(yù)后等提供影像學(xué)證據(jù)，可以通過(guò)功能成像發(fā)現(xiàn)許多精神疾?。?4，35］，如抑郁癥、精神分裂癥等的影像學(xué)異常，將為這些精神疾病的診斷、治療及預(yù)后提供很大的幫助，還可以為中醫(yī)針灸、疼痛治療等提供有力的影像學(xué)證據(jù)。

綜上所述，fMRI已廣泛應(yīng)用于基礎(chǔ)研究和臨床，并取得了相當(dāng)大的成就。它將隨著科技的進(jìn)步和生產(chǎn)力的提高而不斷得到發(fā)展和完善，在未來(lái)的醫(yī)學(xué)影像和人類疾病的診斷中發(fā)揮越來(lái)越重要的作用。

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