功能磁共振成像自動刺激裝置研究進展

王驍冠，祝禎偉，徐雅潔，田浩然，常嚴(yán)，張廣才，蔣瑞瑞，楊曉冬

1.中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機械與物理研究所，吉林 長春 130033；2.中國科學(xué)院大學(xué)，北京100049；3.中國科學(xué)院蘇州生物醫(yī)學(xué)工程技術(shù)研究所，江蘇 蘇州 215163

功能磁共振成像自動刺激裝置研究進展

王驍冠1,2,3，祝禎偉3，徐雅潔3，田浩然3，常嚴(yán)3，張廣才3，蔣瑞瑞1,2,3，楊曉冬3

1.中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機械與物理研究所，吉林 長春 130033；2.中國科學(xué)院大學(xué)，北京100049；3.中國科學(xué)院蘇州生物醫(yī)學(xué)工程技術(shù)研究所，江蘇 蘇州 215163

欄目主編：楊曉冬

楊曉冬，男，35歲，博士，中國科學(xué)院“百人計劃”入選者，中國科學(xué)院蘇州生物醫(yī)學(xué)工程技術(shù)研究所副研究員，碩士研究生導(dǎo)師。于 2005 年在中國科學(xué)院武漢物理與數(shù)學(xué)所獲無線電物理學(xué)博士學(xué)位。2005～2007 年赴澳大利亞懷特醫(yī)學(xué)國家研究中心任訪問學(xué)者。2008～2010 年赴德國慕尼黑工業(yè)大學(xué)任客座研究員。主要從事磁共振脈沖技術(shù)和磁體線圈等關(guān)鍵部件的國產(chǎn)化研發(fā)，主持國家自然科學(xué)基金、中科院“百人計劃”項目、江蘇省和蘇州市科技項目、中科院外國專家特聘研究員計劃、中德科學(xué)基金研究交流中心項目等多項國家、省部級項目的研究，發(fā)表學(xué)術(shù)論文30 余篇，擁有專利 15 項。

近年來功能磁共振成像（functional Magnetic Resonance Imaging，fMRI）技術(shù)在人類腦科學(xué)研究中得到了越來越廣泛的應(yīng)用，用于fMRI的人體感官刺激手段和裝置也在不斷發(fā)展。如何準(zhǔn)確認識各種fMRI研究對刺激裝置的不同需求，并針對其開發(fā)設(shè)計適用的刺激裝置，正成為腦功能研究中亟需解決的一個難題。本文簡單介紹了fMRI對刺激裝置的需求背景，著重分析評價了fMRI研究中各類刺激裝置的研發(fā)和使用現(xiàn)狀，歸納了目前fMRI刺激裝置在開發(fā)和應(yīng)用方面存在的問題，并基于上述內(nèi)容對其發(fā)展趨勢做出展望。本文著力于對該領(lǐng)域作一個全景式的概括，使相關(guān)人員通過閱讀本文獲得對該領(lǐng)域的整體把握。

功能磁共振成像；刺激裝置；感官刺激；腦功能成像

0 前言

近代自然科學(xué)發(fā)展的趨勢表明，生命科學(xué)將成為21世紀(jì)自然科學(xué)的重心。分子生物學(xué)奠基人之一、諾貝爾獎獲得者沃森[1]曾宣稱 ：“20 世紀(jì)是基因的世紀(jì)，21 世紀(jì)是腦的世紀(jì)?！?001 年 10 月，中國成為參加“人類腦計劃”的第 20 個成員國，并開始啟動“中華人類腦計劃”，國內(nèi)越來越多的科研院所、高校和醫(yī)院開展了腦科學(xué)各個方面的基礎(chǔ)研究和應(yīng)用研究[2]。作為腦科學(xué)研究的基礎(chǔ)手段，腦功能成像成為近年來神經(jīng)科學(xué)和心理學(xué)中發(fā)展最為迅速的領(lǐng)域之一。在各種腦功能成像技術(shù)中，功能磁共振成像（functional Magnetic Resonance Imaging，fMRI）技術(shù)由于其非侵入、無輻射和高分辨率等特點而成為腦功能成像的一種主要技術(shù)手段，使我們能夠從整體水平來研究活體腦，在無創(chuàng)傷條件下了解人類在感覺、運動和思維活動時腦功能的活動情況[3]，目前應(yīng)用最廣泛的 fMRI 技術(shù)是基于血氧水平（Blood Oxygenation Level Dependent，BOLD）的。

fMRI技術(shù)基于不同的生理學(xué)原理分為具體的不同技術(shù)，它又可分為任務(wù)態(tài) fMRI和靜息態(tài) fMRI，其中任務(wù)態(tài)fMRI需要在成像時通過某種刺激裝置給被試呈現(xiàn)設(shè)計好的刺激任務(wù)，進而得到被試對該刺激的腦激活圖。由于它發(fā)展得最早也最成熟，故如果沒有特殊說明，通常所說的fMRI均指任務(wù)態(tài) BOLD fMRI，本文下面也遵循這種習(xí)慣。

進行 fMRI實驗，需要通過外部刺激手段對目標(biāo)腦功能區(qū)進行最大程度的激活，所以首先要盡量排除無關(guān)刺激的干擾，實現(xiàn)功能活動的單一化；刺激呈現(xiàn)還要具有較高的時間分辨率，并且要和功能圖像采集實現(xiàn)精確的時間同步，以上兩點決定了人工對被試進行相應(yīng)的刺激很難滿足實驗要求，刺激系統(tǒng)最好為計算機自動控制，并和 MRI儀進行接口通訊。

除了 fMRI，目前研究腦功能的方法還有事件相關(guān)電位（Event-Related Potential，ERP）和正電子放射斷層掃描（Positron Emission Tomography，PET）等技術(shù)。它們在 fMRI技術(shù)成熟之前已經(jīng)為腦功能研究做出了很多貢獻，且所用的刺激裝置已經(jīng)發(fā)展得較為成熟。這對 fMRI適用的刺激裝置設(shè)計有借鑒意義，很多 fMRI刺激方案都是從 ERP 和PET 刺激方案上發(fā)展過來的，下文中也會涉及一些它們的介紹。

引發(fā)人腦功能活動的信息主要是通過感官系統(tǒng)獲得的，因此目標(biāo)腦功能區(qū)的激活需要對人類的5種基本感官——視覺、聽覺、嗅覺、味覺和皮膚觸覺，通過相應(yīng)刺激裝置施加特定刺激作用。本文將上述5種感覺刺激分成了化學(xué)刺激和非化學(xué)刺激兩大類，其中嗅覺刺激和味覺刺激通過化學(xué)刺激物來對相應(yīng)感受器進行作用，故屬于化學(xué)刺激，它們在刺激裝置的設(shè)計上有著某些共同點。而視覺、聽覺、觸覺刺激通過光學(xué)、聲學(xué)、電學(xué)、力學(xué)等物理方式進行刺激，歸為非化學(xué)刺激。

以下將先介紹 fMRI對刺激裝置的一些通用要求，然后分別闡述各種感覺對應(yīng)的刺激裝置的研究現(xiàn)狀，最后歸納fMRI刺激裝置目前存在的問題和將來的發(fā)展趨勢。

1 fMRI刺激裝置概述

雖然 fMRI刺激裝置可以按刺激感覺的不同進行分類，但是由于它們的使用環(huán)境相同，并且從整體上來說都是對人體進行刺激，所以在某些要求和基本組成結(jié)構(gòu)上有很多共同點。

1.1 通用要求

1.1.1 電磁兼容

MRI儀通過主磁場、射頻場、梯度場與人體中的質(zhì)子進行相互電磁作用進而生成圖像，所得圖像的質(zhì)量依賴于上述3個磁場的準(zhǔn)確度。為了不和其他的電磁設(shè)備產(chǎn)生相互干擾，保證 MRI儀的磁場質(zhì)量，通常將 MRI儀磁體系統(tǒng)置于電磁屏蔽室內(nèi)。進行 fMRI實驗時，刺激裝置要對人體呈現(xiàn)刺激，必須部分或全部置于屏蔽室內(nèi)，所以要采取措施保證它具有良好的電磁兼容性，工作時和MRI儀互不干擾。

1.1.2 不引入無關(guān)刺激

目前腦科學(xué)研究中一個主要的觀點是人腦不同的區(qū)塊負責(zé)不同的功能，通過 fMRI實驗可以測得對應(yīng)不同功能的腦區(qū)位置[1]。刺激裝置通過對被試呈現(xiàn)設(shè)計好的刺激任務(wù)，讓人腦實時地進行某種功能，同時進行成像，就可以得到相應(yīng)的腦激活區(qū)圖像。如果刺激裝置在進行刺激呈現(xiàn)時引入了其他的無關(guān)刺激，就會產(chǎn)生對應(yīng)這些無關(guān)刺激的腦激活，最終得到錯誤的結(jié)果。所以，保證單一刺激是刺激系統(tǒng)必須滿足的要求。

1.1.3 成像同步

fMRI實驗要在被試受到刺激時進行成像，即需要刺激呈現(xiàn)和功能成像的時間點統(tǒng)一。為了達到此目的，一般刺激裝置要接收 MRI儀發(fā)出的同步信號，并以此作為觸發(fā)刺激的條件。實現(xiàn)精確的時間同步，需要相應(yīng)的硬件和軟件，典型的成像同步模塊包括用來接收 MRI儀發(fā)出的同步光信號的光電轉(zhuǎn)換器、計算機接口電路和控制軟件等。目 前 常 見 的 刺 激 軟 件 如 E-prime[4]、Presentation[5]等 均 有同步模塊，可實現(xiàn)同步功能。

1.1.4 較高的刺激時間精度

刺激時間精度指的是從MRI儀發(fā)出同步信號到被試接收到刺激裝置刺激所需的延遲時間，較高的刺激時間精度要求刺激裝置的延遲時間盡量短并保持穩(wěn)定。目前MRI儀采用高時間分辨率的 EPI（平面回波成像）序列已經(jīng)可以在 2 s左右得到全腦的 3D 圖像，故刺激裝置的時間精度一般要求在 2 s 以內(nèi)。

fMRI 刺激裝置作為 fMRI實驗的輔助設(shè)備，完全以實驗設(shè)計方案的需求為設(shè)計導(dǎo)向。雖然 fMRI實驗種類繁多，但根據(jù)研究問題的不同，它們的實驗設(shè)計一般可以歸結(jié)為以下 3 種范式 ：組塊設(shè)計（Blocked Design）、事件相關(guān)設(shè)計（Event-Related Design）和混合設(shè)計（Mixed Design），它們對時間精度的要求各不相同。其中組塊設(shè)計在一個較長時間的刺激組塊（10～60 s）中給予被試同樣的刺激事件，對刺激呈現(xiàn)的時間精度要求相對較低。事件相關(guān)設(shè)計則是分別地給予被試單個刺激事件，相鄰兩個刺激事件的間隔時間（Interstimulus Interval，ISI）為 2～20 s，要求更高的刺激時間精度?；旌显O(shè)計是在大的時間段上按組塊設(shè)計呈現(xiàn)刺激，但在每一組塊中按事件相關(guān)設(shè)計的方法呈現(xiàn)刺激事件，所以也要求高時間精度。此外，在人腦高級功能研究和心理生理學(xué)研究等方面，可能會涉及到被試的反饋，為了確定反饋時間等實驗數(shù)據(jù)，得到包含刺激呈現(xiàn)時間點、被試反饋時間點和 MRI成像時間點的時間軸，會更加注重刺激裝置的時間精度要求[6]。

由于不同刺激方式的原理不同，它們實現(xiàn)同樣的刺激時間精度的難度也不同。一般來說，視覺、聽覺刺激可以較容易地達到毫秒級的時間精度，而嗅覺、味覺、觸覺刺激要達到相同的時間精度，需要更復(fù)雜的方案和更高的成本。

1.1.5 刺激強度可控

為了對刺激進行量化，引入刺激強度的概念。對于不同感覺的刺激，刺激強度的概念也有所不同。但總的來說，刺激系統(tǒng)的刺激強度要求可以調(diào)節(jié)，范圍在人體感覺閾值到引起人體損傷的臨界值之間。當(dāng)進行腦科學(xué)、神經(jīng)科學(xué)的基礎(chǔ)研究時，刺激強度可以作為一個實驗變量，對腦激活產(chǎn)生相應(yīng)的不同影響。在進行其他方面的研究時，也要求刺激強度確定，以進行實驗之間的對比。

1.2 刺激裝置的基本結(jié)構(gòu)

fMRI 刺激裝置作為 fMRI 整體設(shè)備的一個系統(tǒng)，在功能層面可分為控制子系統(tǒng)和執(zhí)行子系統(tǒng)，一個完整的fMRI刺激系統(tǒng)的典型結(jié)構(gòu)，見圖 1。其中，控制子系統(tǒng)軟件要和刺激序列設(shè)計軟件進行聯(lián)合或集成，按照設(shè)計好的刺激序列產(chǎn)生并發(fā)出相應(yīng)的刺激指令，并負責(zé)對執(zhí)行子系統(tǒng)進行狀態(tài)監(jiān)控。執(zhí)行子系統(tǒng)接收控制子系統(tǒng)發(fā)出的指令，通過驅(qū)動模塊使執(zhí)行機構(gòu)產(chǎn)生相應(yīng)的感官刺激動作，實現(xiàn)對被試的刺激呈現(xiàn)。在某些實驗中還會加入反饋子系統(tǒng)，如反饋鍵盤等，以得到被試對相應(yīng)刺激的反饋；或者加入生理監(jiān)測子系統(tǒng)，如眼動儀、呼吸帶等，測量被試在受到刺激時的生理狀態(tài)，甚至根據(jù)被試的生理狀態(tài)觸發(fā)特定刺激。

圖1 一種完整fMRI刺激系統(tǒng)的典型基本結(jié)構(gòu)圖

2 化學(xué)刺激

化學(xué)刺激是指通過某些化學(xué)物質(zhì)對人體的特定化學(xué)感受器進行刺激，如嗅覺刺激和味覺刺激。

化學(xué)刺激裝置要在給定的時間點將某種物態(tài)（氣態(tài)或液態(tài)）的物質(zhì)投送到相應(yīng)人體感受器的位置（如鼻腔或舌面），并在此過程中嚴(yán)格控制刺激物的溫度、濕度等狀態(tài)以不引起其他無關(guān)的干擾刺激。這種投送是基于流體力學(xué)原理進行的，在時間精度上相對光、聲刺激更難控制。另外，此類刺激的刺激強度取決于刺激物的濃度，它的控制相對非化學(xué)刺激也更困難。刺激開始后刺激物的濃度從零逐漸增加到最大值，有一個過渡過程，通常要求這個過渡時間盡量短，以達到更高的時間分辨率。最后，相對于視覺、聽覺和觸覺來說，嗅覺、味覺這些化學(xué)感覺隨著刺激時間的加長更容易產(chǎn)生感覺疲勞現(xiàn)象，導(dǎo)致被試對刺激物的敏感度降低，不利于 fMRI實驗的進行。綜上，化學(xué)刺激類刺激裝置的設(shè)計比非化學(xué)刺激類刺激裝置的設(shè)計更加復(fù)雜。

2.1 嗅覺刺激

嗅覺刺激裝置向被試提供含特定氣味分子的氣體，激活其嗅覺功能。鼻腔中含有三叉神經(jīng)末梢，為了不引入對其的觸覺刺激，刺激氣體應(yīng)該滿足溫度、濕度、流速均可調(diào)節(jié)。對于嗅覺刺激來說，刺激強度具體表現(xiàn)為氣體中氣味分子的濃度，一般要求濃度在實驗時保持基本穩(wěn)定，有些情況還要求其可以量化調(diào)節(jié)。

除了要滿足 fMRI刺激裝置的通用要求，有些嗅覺刺激裝置還需要具有呼吸同步觸發(fā)功能。人體的呼吸活動由呼氣、吸氣兩個過程交替進行，嗅覺刺激的呈現(xiàn)應(yīng)該在吸氣相進行，在呼氣相停止，故這類刺激裝置要能夠自動或手動監(jiān)測呼吸狀態(tài)，并根據(jù)其狀態(tài)觸發(fā)刺激。

嗅覺刺激裝置的研究目前還處于起步階段，從事專門刺激裝置研究的單位較少，尚未有成熟的標(biāo)準(zhǔn)解決方案，只有國外少數(shù)廠家有商用產(chǎn)品，如 Burghart公司、ETT 公司。其中 Burghart公司的嗅覺刺激器采用了外接 PC 控制，而 ETT 公司的產(chǎn)品使用了嵌入式系統(tǒng)控制，更加小巧 ；國內(nèi)尚未見商用產(chǎn)品。此外，國內(nèi)外有很多研究嗅覺神經(jīng)機制的實驗室根據(jù)自身需要搭建了一些實驗裝置，它們在功能上各有側(cè)重，結(jié)構(gòu)上有簡有繁，為嗅覺刺激裝置的研究提供了可參考的方案，具體如下所述。

1997 年，Sobel[7]等設(shè)計了一套較為復(fù)雜的嗅覺自動刺激裝 置， 它 的 氣路設(shè)計采 用 1985 年 Kobal[8]提 出 的 原理，使用氣泵向被試連續(xù)地提供兩種氣味氣體，通過控制真空泵從被試鼻端附近的氣路匯集管中將其中一種氣味氣體抽出，達到切換氣體的目的，實驗采用了組塊設(shè)計范式，沒有考慮呼吸同步的問題。1999 年，Lorig[9]等提出了另外一種刺激裝置方案，這種方案的氣路設(shè)計中不需要真空泵，而是通過一系列電磁閥控制氣味的選擇與切換，結(jié)構(gòu)相對簡單，造價更低，可以在一次實驗中使用多種氣味氣體，但氣體的切換速度不如 Kobal的方案，另外它采用了呼吸帶監(jiān)測人體的呼吸狀態(tài)并由計算機控制其在被試吸氣時釋放刺激。2004 年，Popp[10]等開發(fā)了一種呼吸同步式封閉嗅覺刺激裝置，該裝置可以在線監(jiān)測受試者呼吸狀態(tài)，在吸氣時同步提供嗅覺刺激，刺激切換響應(yīng)時間短，可提供多種氣味刺激，此外帶有廢氣排出管路，整體氣路封閉，是一種較好的嗅覺刺激方案。2007 年，Johnson 和Sobel[11]提出了一種有特色的嗅覺刺激器，它們通過對氣味輸出濃度變化的研究，開發(fā)出了一種可以輸出確定濃度氣體的配件，任何開發(fā)者都可以通過使用他們的這種氣體著味配件方便地得到所需要濃度的氣體。2009 年，有慧[12]等使用改進的國產(chǎn) OEP-98C 型嗅覺誘發(fā)電位儀進行了事件相關(guān)設(shè)計的嗅覺 fMRI研究，該裝置為開放式氣路設(shè)計，采用呼吸帶監(jiān)測被試呼吸，通過手動觸發(fā)實現(xiàn)呼吸同步。此外，還有其他一些實驗室搭建了各自的實驗刺激 裝 置（2006，Lowen 和 Lukas[13]；2010，Cuevas[14]等 ；2010，Lundstrom[15]等 ；2012，Sommer[16]等 ）， 它 們 采 用的大都是 Lorig 的氣路方案（或其改進方案），也都能達到較好的效果。

目前嗅覺 fMRI的研究和應(yīng)用都還在探索階段，不同研究課題會有不同的實驗方案，對刺激裝置的功能、性能要求也不同，所以會產(chǎn)生上述的種種不同方案。刺激裝置的功能、性能和它的搭建成本成正比，對實驗室為某項課題搭建的專用刺激裝置來說，應(yīng)該看它是否用最少的成本滿足了實驗需要，而不是功能越多越好，性能越強越好。但對商用的通用刺激裝置來說，刺激裝置的功能越多、性能越強，它就會有越廣泛的應(yīng)用。一般情況下，研究人腦高級功能的實驗會對刺激呈現(xiàn)的時間精度和強度控制提出更高的要求，也就需要設(shè)計更加復(fù)雜的刺激裝置。

綜上所述，fMRI專用的嗅覺刺激技術(shù)儲備已經(jīng)比較豐富，目前的研究基本上滿足了刺激裝置需要具備的5項通用要求，相信隨著嗅覺 fMRI應(yīng)用的擴展，商用產(chǎn)品會進一步增加。

2.2 味覺刺激

味覺刺激一般通過將刺激物溶液送到舌面味蕾來進行。相對于嗅覺刺激，味覺刺激難度更大，主要體現(xiàn)在以下 3 點。① 舌面除了味蕾感受味覺刺激外，還有其他神經(jīng)可以感受到皮膚觸覺和溫度覺，這種生理結(jié)構(gòu)使得在進行刺激時會不可避免地引入無關(guān)刺激 ；② 味覺刺激要將溶液不間斷地通入舌面進行，如何排出溶液也是必須考慮的問題，如果被試自行咽下，會產(chǎn)生頭部運動，進而產(chǎn)生運動偽影，故最好要設(shè)計口腔內(nèi)的排液裝置進行排液 ；③ 進行刺激時，刺激溶液會殘留在舌面，有味刺激完成后進行無味刺激時要經(jīng)過較長時間將其沖洗掉，這會使試驗時間延長，進而產(chǎn)生味覺疲勞，所以設(shè)計時還要考慮如何盡量少地將刺激溶液殘留于舌面。

目前商用的味覺刺激器還非常少見。2011 年，Burghart公司推出了首臺商用味覺刺激器 Burghart GU002[17]，它采用了模塊化設(shè)計，可以通過增減模塊實現(xiàn)在一次實驗中使用2～5 種刺激溶液。另外，它還集成了溶液加熱模塊來避免溫度刺激；在舌面的溶液出口使用了噴霧裝置盡量減小觸覺刺激；采用了間隔很小的脈沖刺激方式來提高時間分辨率，同時在一個刺激組塊中使被試不會感覺到明顯的刺激間隙。

除了商用刺激裝置，一些實驗室也自行搭建了味覺刺激裝置來進行各種研究。2007 年，Veldhuizen[18]等人提出了一種味覺刺激方案。該方案設(shè)置了 11個獨立的由計算機控制的可編程注射泵，在一次實驗中可以最多使用9種刺激溶液（剩下兩種分別是控制溶液和沖洗溶液），每個注射泵的流速可以控制在 6～15 mL/min 之間，11 個支路管道穿過屏蔽室波導(dǎo)管，到達垂直固定在頭部線圈上的匯流管，匯流管出口下方通過小孔將刺激溶液導(dǎo)向一個小球表面，被試舌面在實驗中要一直接觸該小球，從而達到刺激目的。由于溶液流量很小，故該方案沒有設(shè)計排液裝置，需要被試周期性地將溶液吞咽下去。2011 年，Nakamura[19]等人提出了一種純味覺刺激方案。該方案的口腔部件采用新穎的結(jié)構(gòu)方式，將味覺刺激溶液直接投送到對味覺敏感的舌頭側(cè)邊緣，同時刺激溶液通過回液管流出，這種通過式味覺刺激方式避免了常見味覺刺激中因不時吞咽刺激液體而產(chǎn)生的吞咽動作，從而避免了吞咽運動偽影的產(chǎn)生，實現(xiàn)了味覺的精確刺激。

由于實現(xiàn)精確味覺刺激的技術(shù)難度大，目前味覺刺激裝置的研發(fā)還處于初步階段，特別是對于上述的5項通用要求中的“不引入其他刺激”，還需要進一步研究。

3 非化學(xué)刺激

非化學(xué)刺激即除嗅覺、味覺刺激之外的其他刺激，包括視覺刺激、聽覺刺激和觸覺刺激。它們不需要刺激物，在時間和強度上比化學(xué)刺激更易于控制。由于電子技術(shù)和信息技術(shù)的飛速發(fā)展，此類刺激裝置的設(shè)計越來越簡單，刺激呈現(xiàn)的可靠性和可重復(fù)性也更好。相對于嗅覺和味覺，視覺、聽覺、觸覺對人類來說更加重要，應(yīng)用更廣泛，在大腦中激活范圍也更大。所以，目前各種 fMRI應(yīng)用研究主要通過非化學(xué)刺激方式（尤其是視覺刺激）進行，其中視聽覺刺激裝置發(fā)展已經(jīng)較為成熟。

3.1 視覺刺激

視覺刺激在人類受到的外界神經(jīng)刺激中占了絕大部分，進入大腦的信息 70% 以上是通過視覺系統(tǒng)接收的，故視覺刺激是利用 fMRI進行腦科學(xué)研究時應(yīng)用最頻繁的一類刺激。它不僅用于簡單視覺通路的研究，還可以通過文字、圖片、動畫傳達給人具體、直觀、豐富的信息，作為探索大腦的記憶、思維、情感等高級功能時外界信息的輸入口。

視覺刺激裝置通過屏幕將設(shè)計好的視覺刺激內(nèi)容按要求精確呈現(xiàn)給被試，可分為反射式和直視式兩種。反射式刺激裝置用放置在 MRI儀前面或后面的投影儀幕布或 LCD屏幕顯示刺激內(nèi)容，然后通過固定在頭部線圈上的棱鏡或平面鏡將其反射到被試視野中，這種方案構(gòu)造簡便，成本較低，應(yīng)用廣泛，但要求被試實驗中必須一直注視屏幕，做長時間實驗時，被試容易走神，視線偏離屏幕，此時會降低實驗的可靠性。直視式刺激裝置使用光纖傳導(dǎo)刺激內(nèi)容，并將其顯示到鏡筒中的小屏幕上，可以使被試直接通過貼近眼睛的鏡筒觀看刺激信息，避免了其他無關(guān)刺激的干擾，提高了實驗可靠性，但此方案結(jié)構(gòu)復(fù)雜，技術(shù)難度較大，成本較高。另外還有一些視覺刺激裝置為了滿足更多的應(yīng)用要求，集成了眼動監(jiān)視系統(tǒng)，可以實時地監(jiān)視被試眼球凝視點，獲得更多的被試生理信息。

對于視力不正常的被試者，為了能夠順利地進行刺激呈現(xiàn)，要給他們佩戴相應(yīng)的視力校正鏡（即近視或遠視鏡片）。因為通常的眼鏡鏡架會有金屬存在，為了滿足電磁兼容要求，必須設(shè)計專門的塑料眼鏡架和配套鏡片，作為視覺刺激裝置的配件。

目前，商用視覺刺激裝置產(chǎn)品很多，實驗室和醫(yī)院一般都直接購買使用。國內(nèi)外一些主要廠家有 Invivo、CRS、NordicNeuroLab、Avotec、Resonance Technology 公司以及深圳美德公司等。

3.2 聽覺刺激

聽覺刺激裝置要將音頻信號按特定要求精確地呈現(xiàn)給被試。它一般和被試監(jiān)控裝置集成在一起，通過雙向語音傳輸系統(tǒng)實現(xiàn)。被試端設(shè)有耳機和拾音器，它們穿過屏蔽室波導(dǎo)管接到控制室的語音控制臺上，控制臺連接控制室內(nèi)的音箱、麥克風(fēng)和計算機。這樣，系統(tǒng)既可以用于操作人員和被試溝通，也可以播放計算機中設(shè)計好的音頻刺激文件形成聽覺刺激。

由于 MRI儀的強磁場影響，刺激裝置中的被試耳機不能采用普通的動圈式耳機，只能采用氣導(dǎo)式、壓電式或靜電式耳機。如果采用壓電式或靜電式耳機，還要選用高阻抗的線纜，并在耳機線纜之前加裝RF濾波模塊，濾掉影響 MRI儀 RF發(fā)射和接收的頻帶，以免對成像質(zhì)量造成不良影響。氣導(dǎo)式耳機結(jié)構(gòu)簡單，故常見的耳機為氣導(dǎo)式耳機。

另外，MRI儀在成像過程中切換梯度時會產(chǎn)生較強的噪聲，故對耳機附加的一個功能要求是要盡量屏蔽外界噪聲，否則會引入無關(guān)刺激，影響實驗的準(zhǔn)確性。常見的降噪方式為被動降噪，通過全覆式耳機并且內(nèi)置聲屏蔽材料來實現(xiàn)，降噪效果一般可達到 30 dB 左右。有些頭部線圈空間較小，不能容納全覆式耳機，只能采用入耳式耳機，達不到被動降噪的效果。如果想進一步減少噪聲，必須加裝主動降噪模塊，通過實時監(jiān)測環(huán)境噪聲，產(chǎn)生與噪聲信號相反的音頻信號達到抵消噪聲的目的。

在生產(chǎn)廠家方面，有些MRI設(shè)備廠家會自帶被試監(jiān)控系統(tǒng)，可以用來進行聽覺刺激。也有一些專業(yè)的刺激裝置 生 產(chǎn) 廠 家 有 相 關(guān) 產(chǎn) 品， 如 Sensimetrics Corporation、MR CONFON、Avotec、Imagilys、NordicNeuroLab、Invivo、 深 圳美德公司等。

3.3 觸覺刺激

觸覺是一種復(fù)雜而廣泛的感覺，具體可分為觸壓覺、痛覺和溫度覺。人體的觸覺器遍布于體表皮膚內(nèi)，但在不同部位的分布有所不同，導(dǎo)致感受特性存在差異。目前皮膚觸覺 fMRI主要還處于實驗研究階段，主要是通過手、臉、足等部位的刺激研究人體的觸覺機制。

觸覺刺激的方式多種多樣，實現(xiàn)手段五花八門，可以通過振動、氣流、圖案、電流、針刺、激光、溫度等方式進行，其中通過圖案進行刺激時可以通過印有不同圖案的壓塊讓被試進行辨別實驗，用于研究人腦的觸覺與運動、記憶、分析等高級功能的關(guān)系。國外研究者對觸覺 fMRI的研究比較全面，上述各種刺激手段均有涉及，并針對不同刺激手段搭建了多種復(fù)雜的自動刺激裝置。相對而言，國內(nèi)的相關(guān)研究較少，內(nèi)容主要集中在比較容易實現(xiàn)的針刺穴位、電流、溫度刺激等方面，刺激手段也基本都是人工進行。以下對幾種典型刺激手段分別作一些介紹。

3.3.1 觸壓覺刺激

觸壓覺刺激主要通過振動、氣流和圖案等方式來呈現(xiàn)。

給予被試振動刺激時可以通過不同的原理方案進行，其中通過氣動裝置實現(xiàn)振動刺激應(yīng)用較為廣泛。2009 年，Chakravarty[20]等設(shè)計了一種對整個手掌進行振動刺激的裝置，它采用氣動原理，通過控制兩路氣體的流速使得握在被試手中的一個刺激棒產(chǎn)生 40～50 Hz 的振動，達到刺激效果。2010 年，Gallasch[21]等設(shè)計了一種對單個手指進行振動刺激的裝置，它用尼龍搭扣將一個小氣囊環(huán)繞固定在手指上，氣路系統(tǒng)對小氣囊中的氣體氣壓以 1～20 Hz 的頻率進行周期性改變，達到振動刺激目的。通過壓電陶瓷實現(xiàn)振動刺激也是一種較好的方案，2005 年，Gizewski[22]等搭建了一種基于壓電陶瓷的觸覺刺激裝置進行了 fMRI研究， 該 裝置是 2002 年 Uffmann[23]等 為 進 行磁共振 彈 性 成像（Magnetic Resonance Elastography，MRE） 而 設(shè) 計 的，它有兩個優(yōu)點，一是可以進行高頻刺激（0～300 Hz），二是可以通過精確地調(diào)整振幅（0～1 mm）來調(diào)整刺激強度。另外還可以采用純機械的方式產(chǎn)生振動刺激，2002 年，Golaszewski[24]等設(shè)計了一種通過機械傳動產(chǎn)生振動刺激的裝置，其中電動機在屏蔽室外，一根起傳動作用的碳纖維撓性軸穿過波導(dǎo)管進入屏蔽室，接到內(nèi)含偏心轉(zhuǎn)子的振動頭上，最終可以產(chǎn)生頻率可調(diào)（1～30 Hz）、幅值可調(diào)（0.5～4 mm）的振動刺激。

給予被試氣流刺激的典型設(shè)計可以參考 2007 年 Huang和 Sereno[25]進行的研究，他們設(shè)計的氣流刺激裝置可以同時獨立地控制 12條氣路對被試的臉部和手部進行刺激，優(yōu)點是可以用于大面積刺激且適用于體表的任何刺激部位。

給予被試圖案刺激以研究人腦的觸覺信息處理機制也是目前觸覺 fMRI研究的熱點之一。2006 年，Ingeholm[26]等人開發(fā)了一種螺旋軸式多模觸覺刺激裝置。整套裝置采用旋轉(zhuǎn)軸式結(jié)構(gòu)，在刺激鼓盤上有大量圖案或文字隨著轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)而切換，整個鼓盤還可實現(xiàn)軸向振動。為了避免手指運動對腦功能激活的干擾，該裝置還設(shè)有手指位置控制機構(gòu)對手指的位置和觸壓力度進行控制。整套裝置采用計算機控制,可以實現(xiàn)振動、空間圖案和文字的聯(lián)合刺激，并精確控制刺激參數(shù)，具有良好的刺激重復(fù)性，是一種較好的觸壓覺刺激方案。此外還有一些研究者也設(shè)計了其他圖案刺激裝置來研究此類問題，如 2007 年的 Dykes[27]、2010年的 Lane[28]、2011 年的 Yang[29]等。

3.3.2 痛覺刺激

痛覺刺激主要通過電流、針刺、化學(xué)刺激物、激光等手段進行。通過電流進行的痛覺 fMRI研究國內(nèi)外都很多，主要是因為可以采用通用的醫(yī)用誘發(fā)電位儀產(chǎn)生直流電脈沖進行刺激，而且刺激強度、頻率、時間都比較 容 易 控 制[30-31]。 通 過 針 刺 手 段 進 行 痛 覺 fMRI 的 研 究在國內(nèi)近年來也很多，主要用來探索中醫(yī)穴位針灸的神經(jīng)機 制， 但均 為 人工 刺 激[32-34]。 也 有使 用 電針 聯(lián) 合 刺 激 的fMRI的研究，刺激裝置為細針和醫(yī)用低頻脈沖電子治療儀等[35-36]。國外有一些自動化的針刺刺激裝置，2008 年，Dresel[37]等設(shè)計了一種使用 von Frey 絲的針刺刺激裝置，它通過控制雙作用氣缸產(chǎn)生往復(fù)運動，再經(jīng)過傳動系統(tǒng)最終形成 von Frey 絲的往復(fù)運動，達到針刺效果。該裝置同時可以獨立地控制 8 路刺激，刺激的最高頻率是 10 Hz，可以通過使用不同的 von Frey 絲達到改變刺激強度的目的，由于采用了柔性的刺激頭固定方案，刺激位置可以任意調(diào)整。另外，也有通過化學(xué)刺激來產(chǎn)生一些特殊部位痛覺刺激的研究，如使用嗅覺刺激裝置通過 CO2氣體對鼻腔內(nèi)三叉神經(jīng)末梢產(chǎn)生痛覺刺激等[38]。最后，還可以采用激光進行痛覺刺激，2010 年，Pott[39]等人開發(fā)了一種適用于磁共振環(huán)境的激光痛覺刺激裝置，該裝置利用可控性好的激光光源作為刺激源，利用激光的熱效應(yīng)產(chǎn)生痛覺刺激。為了避免激光熱效應(yīng)在皮膚表面的熱積聚造成實質(zhì)性皮膚灼傷，該裝置設(shè)計了一種小巧的氣動激光光斑移動結(jié)構(gòu)，通過不斷地改變光斑位置避免熱積聚，從而防止熱灼傷。整個裝置體積小，時間精度高，刺激強度也容易控制，是一種較好的痛覺刺激方案。

3.3.3 溫度覺刺激

進行溫度覺 fMRI研究時，需要給予被試?yán)錈岽碳ぃ话阃ㄟ^讓被試刺激部位接觸具有不同溫度的物體表面來實現(xiàn)。為了對刺激溫度進行精確控制，通常以帕爾貼效應(yīng)（Peltier Effect）為原理搭建刺激裝置，目前已經(jīng)有公司推出了 fMRI適用的此類產(chǎn)品，如 Medoc 公司的 PATHWAY產(chǎn)品，可以在 -10～54℃范圍內(nèi)以最快 70 ℃ /s 的切換速度進行溫度刺激。一些研究者使用 Medoc 公司的刺激裝置進 行 了 相 關(guān) 課 題 研 究（1999 年，Becerra[40]等 ；2012 年，Chen[41]等）。

目前觸覺 fMRI的研究和應(yīng)用同嗅覺、味覺 fMRI 一樣，都還在探索階段，不同研究課題會對刺激裝置有不同的需求，再加上觸覺刺激方式和部位的多樣性，導(dǎo)致產(chǎn)生了上述種種不同方案。將來隨著觸覺 fMRI技術(shù)的成熟和其應(yīng)用的擴展，可能會出現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)的觸覺刺激方式和對應(yīng)的刺激裝置。

4 問題和展望

4.1 問題

雖然視覺和聽覺在人類感知外界信息方面處于主導(dǎo)地位，但嗅覺、味覺和觸覺3種基本感覺仍必不可少，并在某些方面具有獨特的作用。腦功能涉及到很多方面，對腦功能進行全面的研究需要科學(xué)完備的功能刺激方案和裝置，因此，嗅覺、味覺和觸覺刺激裝置在一些 fMRI研究中有著明確的需求。目前功能磁共振自動刺激裝置面臨的主要問題是，對這3種感覺的刺激，成熟的刺激手段和商用裝置還相對較少，標(biāo)準(zhǔn)的刺激范式也還沒有建立。隨著fMRI研究的不斷深入和拓展，非視聽類刺激裝置的需求將日益迫切。

fMRI刺激裝置的發(fā)展和 fMRI研究是相互促進、相輔相成的。一般來說，研究的腦功能越高級，對刺激裝置的功能、性能要求就越高，刺激裝置就越復(fù)雜。在嗅覺、味覺、觸覺刺激方面，目前國內(nèi)缺乏復(fù)雜刺激裝置已經(jīng)成為了限制高級腦科學(xué)研究的因素之一。

4.2 趨勢展望

腦神經(jīng)科學(xué)的發(fā)展使得 fMRI的研究不斷成熟，這將會逐漸完善其刺激裝置的功能及性能，同時促進刺激裝置的標(biāo)準(zhǔn)化、集成化、智能化，具體內(nèi)容如下。

首先，fMRI刺激裝置的發(fā)展趨勢是其功能越來越豐富、性能越來越高、商用產(chǎn)品越來越多，將來可以適用于更多的要求、更高的 fMRI實驗方案，提高刺激呈現(xiàn)的準(zhǔn)確性，進而提高實驗的可靠性。

其次，刺激裝置的標(biāo)準(zhǔn)化也是它的發(fā)展趨勢之一。標(biāo)準(zhǔn)化是一個學(xué)科成熟的標(biāo)志，隨著腦功能學(xué)科的不斷發(fā)展，一些典型的 fMRI實驗會形成“標(biāo)準(zhǔn)實驗”，用于臨床應(yīng)用。另外，研究者會總結(jié)出一些最為合理的“基本刺激事件”，只要重新按時間排列組合這些“基本刺激事件”就可以形成自己需要的刺激序列。這些 fMRI實驗設(shè)計的標(biāo)準(zhǔn)化會同時帶來刺激裝置的標(biāo)準(zhǔn)化。

此外，未來各種刺激裝置的集成化程度會更高。隨著fMRI研究的廣泛開展，成套的綜合刺激裝置的需求將越來越多，非視聽類刺激裝置將成為 fMRI綜合功能刺激裝置的必要組成部分。比如，人的視覺、聽覺、味覺、嗅覺刺激都集中在頭部，所以將來可能將這4種刺激裝置以及頭部線圈集成于一個裝置中。另外，痛覺、溫度覺、觸壓覺刺激屬于觸覺刺激，它們也可以集成于同一裝置，裝在一個可以任意移動位置的機械臂上，構(gòu)成多功能的綜合觸覺刺激設(shè)備。通過融合所有感覺的刺激方案，未來的綜合刺激裝置可以在一次實驗中引入多種刺激方式，為深入研究人腦功能機制提供實驗條件。

最后，智能化也是刺激裝置的發(fā)展趨勢之一。未來的刺激裝置在人機交互方面會更加智能，系統(tǒng)的可操作性更好，操作者只要設(shè)計好刺激序列，剩下的刺激呈現(xiàn)將由刺激裝置自動完成。此外，在實驗設(shè)計上也更加智能化，由現(xiàn)在的面向刺激過程的實驗設(shè)計轉(zhuǎn)變?yōu)槊嫦蚓唧w研究功能的實驗設(shè)計，根據(jù)研究者的研究內(nèi)容，刺激裝置會自動引導(dǎo)實驗設(shè)計人員生成所需刺激序列，使實驗設(shè)計過程更高效簡便。

5 結(jié)論

fMRI自動刺激裝置是進行腦功能成像必不可少的輔助設(shè)備，為神經(jīng)系統(tǒng)功能研究提供了極大的便利性，在 fMRI設(shè)備中占有重要的地位。它可以精確地自動對被試進行各種所需的刺激，激活相應(yīng)腦區(qū)，在基礎(chǔ)研究和臨床應(yīng)用中有著廣泛的應(yīng)用前景。fMRI 刺激裝置的發(fā)展和 fMRI 研究是相互促進、相輔相成的，隨著 fMRI研究的需要和工程技術(shù)的進步，fMRI刺激裝置在功能和性能上將更強大，對功能神經(jīng)影像學(xué)的發(fā)展做出更大貢獻。

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Advances in Automatic Stimulation Devices for functional Magnetic Resonance Imaging

WANG Xiao-guan1,2,3, ZHU Zhen-wei3, XU Ya-jie3, TIAN Hao-ran3, CHANG Yan3, ZHANG Guang-cai3, JIANG Rui-rui1,2,3, YANG Xiao-dong3
1 Changchun Institute of Optics, Fine Mechanics and Physics, Chinese Academy of Sciences, Changchun Jilin 130033, China; 2 University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China; 3 Suzhou Institute of Biomedical Engineering and Technology, Chinese Academy of Sciences, Suzhou Jiangsu 215163, China

In recent years, functional magnetic resonance imaging(fMRI) has been more and more widely used in researches of human brain science; the sensory stimulation means and devices for fMRI are also developing. How to correctly understand the various needs of fMRI studies on stimulation devices and develop appropriate stimulation devices, is now a problem for fMRI researchers. This paper briefly describes the needs background for fMRI stimulation devices, focuses on the various available stimulation means and devices in fMRI study, then summarizes the existing problems of fMRI stimulation devices, and finally discusses its development trend. We try to do a comprehensive summary of this field and let readers get a general knowledge of it.

functional magnetic resonance imaging; stimulation device; sensory stimulus; cerebral function imaging

R445.2

A

10.3969/j.issn.1674-1633.2013.01.001

1674-1633(2013)01-0001-08

2012-11-20

國家自然科學(xué)基金（11105096）；蘇州市應(yīng)用基礎(chǔ)科技項目（SYG201125）。

本文作者：王驍冠，中國科學(xué)院蘇州生物醫(yī)學(xué)工程技術(shù)研究所研究生，于2011年在湖南大學(xué)獲機械設(shè)計制造及自動化專業(yè)學(xué)士學(xué)位，研究方向為功能磁共振成像技術(shù)與設(shè)備。

楊曉冬，博士，中國科學(xué)院蘇州生物醫(yī)學(xué)工程技術(shù)研究所副研究員，研究生導(dǎo)師。

通訊作者郵箱：xiaodong．yang@sibet．a(chǎn)c．cn