腦功能磁共振成像原理及其在神經(jīng)外科學(xué)中的應(yīng)用*

蘇春秋 邱小紅 馬蔚吟 郁 蕓*

[文章編號] 1672-8270(2015)03-0057-04 [中圖分類號] R445.2 [文獻(xiàn)標(biāo)識碼] A

腦功能磁共振成像原理及其在神經(jīng)外科學(xué)中的應(yīng)用*

蘇春秋①邱小紅②馬蔚吟③郁 蕓③*

[文章編號] 1672-8270(2015)03-0057-04 [中圖分類號] R445.2 [文獻(xiàn)標(biāo)識碼] A

功能性磁共振成像(fMRI)是一種以核磁共振現(xiàn)象為理論基礎(chǔ)的成像技術(shù)，正迅速發(fā)展成為不同領(lǐng)域研究工作的一項(xiàng)重要工具。作為一種非侵入性的成像技術(shù)，fMRI技術(shù)不僅可以顯示高空間分辨率和時(shí)間分辨率的不同大腦區(qū)域活動的變化，還可以客觀地對腦功能區(qū)準(zhǔn)確定位。目前，在現(xiàn)代神經(jīng)科學(xué)，特別是神經(jīng)外科學(xué)中，使用fMRI技術(shù)對腦結(jié)構(gòu)和腦功能進(jìn)行研究已成為一個(gè)熱點(diǎn)。為此，本研究將闡述fMRI的成像原理及其在神經(jīng)外科學(xué)中的臨床應(yīng)用。

腦功能；磁共振成像；神經(jīng)外科

DOI∶ 10.3969/J.ISSN.1672-8270.2015.03.019

[First-author’s address] Medical Imaging of First Clinical College, Nanjing Medical University, Nanjing 210029, China.

醫(yī)學(xué)影像技術(shù)是借助于某種介質(zhì)(如X射線、電磁場、超聲波及放射性核素等)與人體相互作用，用理工學(xué)基礎(chǔ)理論和技術(shù)，把人體內(nèi)部組織器官的結(jié)構(gòu)、功能等具有醫(yī)療情報(bào)的信息源傳遞給影像信息接收器，最終以影像的方式表現(xiàn)出來的一門科學(xué)技術(shù)。醫(yī)生根據(jù)其知識和經(jīng)驗(yàn)對提供的醫(yī)學(xué)影像中的信息分析判斷，從而對患者的健康狀況進(jìn)行診斷治療[1]。目前，臨床應(yīng)用中已有X射線、CT、MRI、功能性磁共振成像(functional magnetic resonance imaging，fMRI)、B超、超聲波以及超聲心動圖等影像技術(shù)。隨著時(shí)代的進(jìn)步，影像技術(shù)發(fā)展也愈來愈迅猛，越來越多的疾病可通過影像技術(shù)而明確診斷。

1 磁共振成像原理

人體內(nèi)部的大量氫質(zhì)子所形成的雜亂無章的小磁矩，在強(qiáng)大的靜磁場作用下形成總磁矩，并在射頻脈沖作用下所形成的射頻磁場激勵下而發(fā)生進(jìn)動，出現(xiàn)馳豫現(xiàn)象。當(dāng)射頻脈沖撤離之后，氫質(zhì)子即將射頻脈沖所提供的激勵能量釋放出來，這種被釋放出來的無線電信號，被體外的接收線圈所接收，人體將被接收的無線電信號再轉(zhuǎn)化成相應(yīng)的灰度，從而獲取人體不同斷層的灰度像。

對于不同斷層的空間位置及其各個(gè)斷層上所提供的不同灰度像素的氫質(zhì)子空間位置，則由梯度磁場來完成。梯度磁場的作用是完成每個(gè)斷層位置及其斷層面上每個(gè)像素灰度大小的空間位置編碼。由于人體內(nèi)部有水分子存在的地方均存在氫質(zhì)子，磁共振成像即建立于分子量級的基礎(chǔ)之上[2]。因而MRI設(shè)備是目前醫(yī)學(xué)成像領(lǐng)域中先進(jìn)的成像設(shè)備，也是能夠發(fā)現(xiàn)早期癌變的成像設(shè)備。

2 fMRI原理

傳統(tǒng)的MRI與fMRI之間的主要區(qū)別是其所測量的磁共振信號有所不同。MRI是利用組織水分子中的氫原子核處于磁場中發(fā)生的核磁共振現(xiàn)象，對組織結(jié)構(gòu)進(jìn)行成像，而fMRI是通過血流的變化間接測量大腦在受到刺激或發(fā)生病變時(shí)功能的變化[3]。

fMRI是一種通過血流和(或)代謝的改變來反映人體組織對比的MR掃描技術(shù)。這些組織的信號差別十分細(xì)小，但現(xiàn)代MR掃描儀器性能非常穩(wěn)定，足以準(zhǔn)確檢測到這些細(xì)小的差別。應(yīng)用于fMRI的增強(qiáng)機(jī)制主要有血氧水平依賴(blood oxygenation level dependent，BOLD)性增強(qiáng)和動脈自旋標(biāo)記(arterial spin labeling，ASL)性灌注增強(qiáng)。fMRI的突出特點(diǎn)是可以利用超快速的成像技術(shù)，反映出大腦在受到刺激或發(fā)生病變時(shí)腦功能的變化。fMRI是研究活體腦神經(jīng)細(xì)胞活動的一項(xiàng)新技術(shù)，將高分辨率磁共振成像技術(shù)與神經(jīng)活動相結(jié)合，因其無創(chuàng)、無輻射、空間分辨力高以及功能與形態(tài)同時(shí)成像而被廣泛應(yīng)用于許多研究中，突破了過去僅從生理學(xué)或病理生理學(xué)角度對人腦實(shí)施研究和評價(jià)的狀態(tài)，打開了從語言、記憶和認(rèn)知等領(lǐng)域?qū)Υ竽X進(jìn)行探索的大門[4-5]。

2.1 基于BOLD的fMRI

(1)血氧水平依賴功能磁共振成像(BOLD fMRI)是利用內(nèi)源性血紅蛋白作為對比劑，通過血氧飽和度的變化實(shí)現(xiàn)的成像方法，反映了血流、血容量和血紅蛋白氧合作用三者之間的相互作用關(guān)系。BOLD fMRI信號強(qiáng)度主要依賴于神經(jīng)系統(tǒng)活性及由此引起的血流變化，因此任何改變大腦血液動力學(xué)和神經(jīng)系統(tǒng)活性的因素均會影響B(tài)OLD fMRI信號[6]。當(dāng)大腦在執(zhí)行特殊任務(wù)或受到某種刺激時(shí)，某個(gè)腦區(qū)的神經(jīng)元活動會增強(qiáng)。增強(qiáng)的腦活動導(dǎo)致局部腦血流量的增加，從而使更多的氧通過血流傳送到增強(qiáng)活動的神經(jīng)區(qū)域，使該區(qū)域里的氧供應(yīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出神經(jīng)元新陳代謝所需的氧量，導(dǎo)致血流中氧供應(yīng)與氧消耗之間失衡，造成功能活動區(qū)血管結(jié)構(gòu)中氧合血紅蛋白增加，脫氧血紅蛋白相對減少。

(2)脫氧血紅蛋白是一種磁性物質(zhì)，其鐵離子有4個(gè)不成對電子，磁距較大，有明顯的T2(指橫向磁化由零恢復(fù)到原來值的37%時(shí)所需的時(shí)間，即橫向弛豫時(shí)間)[7]縮短效應(yīng)，因此在某一腦區(qū)脫氧血紅蛋白的濃度相對減少將會造成該區(qū)域T2信號的相對延長，使得該區(qū)域中的MR信號強(qiáng)度增強(qiáng)。在腦功能成像時(shí)功能活動區(qū)的皮層表現(xiàn)為高信號，利用回波平面成像(echo planar imaging，EPI)技術(shù)快速成像序列將其檢測出來。EPI是目前成像速度最快的技術(shù)，可在30 ms內(nèi)采集一幅完整的圖像，使每秒鐘獲取的圖像達(dá)到20幅，EPI可以與所有常規(guī)成像序列進(jìn)行組合[7]。采樣過程需設(shè)置活動和休息兩種狀態(tài)，收集因代謝活動改變而引起血氧水平變化的信息，將原始數(shù)據(jù)傳送至離線工作站進(jìn)行離線處理。為抑制圖像中的各種噪聲，可將同一狀態(tài)下反復(fù)獲得的多幅圖像疊加后平均，得到的圖像稱為均值圖像。該方法不僅可減少噪聲，還可使像素灰度值的標(biāo)準(zhǔn)差減少。通過閾值設(shè)定，將兩種狀態(tài)下的均值圖像進(jìn)行匹配減影，重建每一層像素，分別獲得刺激活動狀態(tài)下和休息狀態(tài)下均值圖像進(jìn)行減影后的圖像。

(3)應(yīng)用圖像動態(tài)處理功能，將功能圖像和相應(yīng)解剖圖像疊加，就獲得了腦功能活動定位圖。BOLD所使用的掃描序列有單次激發(fā)自旋回波(spin echo，SE)-EPI和敏感梯度回波(gradient echo，GE)-EPI，具有良好的空間及時(shí)間分辨率，隨著磁共振技術(shù)的完善，其成像時(shí)間進(jìn)一步縮短，梯度場強(qiáng)和切換率進(jìn)一步提高，為普及fMRI的臨床應(yīng)用提供了成像基礎(chǔ)。

(4)與其他腦功能成像手段相比，fMRI具有下述特點(diǎn)：①fMRI的空間分辨率和時(shí)間分辨率比PET和SPECT高，這意味著fMRI能夠?qū)λ查g的認(rèn)知事件和大腦的微細(xì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行成像，并能夠提供比較清晰的圖像；②與PET和SPECT相比，fMRI技術(shù)對人體無輻射性傷害，利用脫氧血紅蛋白作為內(nèi)生的造影劑，在成像過程中不需要注射放射性核素，可對同一患者進(jìn)行重復(fù)成像[8]。

2.2 基于ASL的fMRI

ASL技術(shù)是利用反轉(zhuǎn)脈沖標(biāo)記動脈血中的氫質(zhì)子作為示蹤劑測量腦血流量(cerebral blood flow，CBF)，并將標(biāo)記前后采集的圖像進(jìn)行對比，從而獲得能夠反映組織血流灌注情況的MR圖像在成像層面供血動脈的流入側(cè)施加反轉(zhuǎn)脈沖，使血中氫質(zhì)子的磁化矢量發(fā)生反轉(zhuǎn)，引起動脈血的T1時(shí)間延遲，由此而獲得標(biāo)記后的圖像，再減去不施加反轉(zhuǎn)脈沖的標(biāo)準(zhǔn)圖像即可得到灌注圖像。ASL技術(shù)可利用特異性較好的物理單位為ml/(100g·min)直接定量CBF[8]。

3 fMRI在神經(jīng)外科學(xué)中的臨床應(yīng)用

傳統(tǒng)的MRI與fMRI之間的主要區(qū)別是其所測量的磁共振信號有所不同。MRI是利用人體組織水分子中的氫原子核處于磁場中發(fā)生的核磁共振現(xiàn)象，對組織結(jié)構(gòu)進(jìn)行成像，而fMRI所測量的是在受到刺激或發(fā)生病變時(shí)大腦功能的變化。因此，fMRI對于神經(jīng)外科學(xué)的應(yīng)用具有很重要的臨床價(jià)值。

相對于非臨床性fMRI(神經(jīng)生理性fMRI)而言，臨床性fMRI的執(zhí)行相對困難。①研究設(shè)計(jì)階段，臨床fMRI刺激方案必須適合患者的特殊病理狀態(tài)；②在數(shù)據(jù)采集階段，臨床fMRI的研究時(shí)間必須局限在患者可耐受的時(shí)間段內(nèi)；③圖像后處理階段，必須認(rèn)真過濾臨床fMRI數(shù)據(jù)以消除由預(yù)先存在的腦部病變所引起的偽影信號；④讀片階段，由患者所獲取的臨床fMRI結(jié)果難以解讀，且通常需要與金標(biāo)準(zhǔn)(如術(shù)中所見)相對比才能確認(rèn)。因此，臨床性fMRI的應(yīng)用是影像學(xué)的巨大進(jìn)步[5]。fMRI已在基礎(chǔ)研究中廣泛應(yīng)用于聽說讀寫等具體腦功能區(qū)的定位，在臨床實(shí)踐中已廣泛應(yīng)用于確定腦損傷與周圍感覺、運(yùn)動等皮層功能區(qū)的關(guān)系[9-12]。

3.1 fMRI在癲癇手術(shù)中的應(yīng)用

在癲癇手術(shù)中對于難治性顳葉癲癇而言，顳葉切除術(shù)比藥物治療效果好，可更好地控制癲癇發(fā)作，降低病死率。但顳葉切除術(shù)能否成功與海馬的切除范圍以及由此引起的功能缺失密切相關(guān)，常見的術(shù)后并發(fā)癥是由于切除了優(yōu)勢和(或)副優(yōu)勢半球引起的語言和記憶缺失以及視覺通路受損引起的上層視野缺損，前者后果相對要嚴(yán)重得多。因此，要求神經(jīng)外科醫(yī)師必須同時(shí)衡量顳葉切除術(shù)的益處和其可能導(dǎo)致語言或記憶缺失的風(fēng)險(xiǎn)性，故術(shù)前對患者語言優(yōu)勢半球的確認(rèn)以及記憶功能的定位至關(guān)重要。

患有癲癇時(shí)腦局部神經(jīng)元活動增加，即突觸活動增加(局部場電位升高)時(shí)，腦組織代謝需求量升高，引起局部耗氧量和腦血流灌注量明顯增加，但腦血流增加更為顯著，導(dǎo)致靜脈血中脫氧血紅蛋白濃度減低，由于含氧血紅蛋白和脫氧血紅蛋白之間存在磁敏感性差異，fMRI研究通過BOLD效應(yīng)將興奮腦組織顯示為BOLD信號升高(正性激活)。fMRI通過這種信號的改變得到不同的成像進(jìn)而對各腦功能活動區(qū)進(jìn)行定位[13]。

3.2 fMRI在腦瘤手術(shù)中的應(yīng)用

研究表明，fMRI在手術(shù)前方案的制定中越接近腫瘤區(qū)fMRI質(zhì)量越好，而輕癱等神經(jīng)功能障礙則對fMRI質(zhì)量無顯著影響，fMRI可準(zhǔn)確地了解腫瘤區(qū)與正常功能組織之間的解剖關(guān)系，有利于術(shù)前手術(shù)方案的制訂。

fMRI在定位腦功能活動區(qū)方面具有較高的敏感性，因此fMRI最早應(yīng)用于臨床即是腦腫瘤患者術(shù)前功能區(qū)的定位。手術(shù)切除腦腫瘤時(shí)正確辨認(rèn)中央溝、中央前后回對確認(rèn)功能區(qū)至關(guān)重要；但在實(shí)際手術(shù)過程中做到這點(diǎn)卻比較困難，主要是由于術(shù)野暴露的限制以及由病變常引起正常解剖結(jié)構(gòu)的變形、移位，fMRI的出現(xiàn)使術(shù)前無創(chuàng)傷性地顯示腦內(nèi)病灶與其鄰近重要功能區(qū)之間的關(guān)系成為現(xiàn)實(shí)。神經(jīng)外科醫(yī)師通常借助傳統(tǒng)的解剖標(biāo)記定位中央?yún)^(qū)附近的腦腫瘤，fMRI除可清楚辨認(rèn)解剖標(biāo)記之外，還為臨床醫(yī)師提供額外的功能解剖標(biāo)記，其在fMRI圖像上的共同特點(diǎn)為易于辨認(rèn)，恒定存在，具有較高的可信度和實(shí)用性。尤其當(dāng)腫瘤及其周圍水腫引起顯著的占位效應(yīng)時(shí)傳統(tǒng)的解剖標(biāo)記無法應(yīng)用，更顯示fMRI標(biāo)記的獨(dú)特價(jià)值。

手術(shù)治療腦腫瘤的目的在于盡可能保留腦功能皮層的情況下最大限度地切除腫瘤。如果患者術(shù)前通過fMRI進(jìn)行解剖和功能定位，并將fMRI信息登錄在立體定向神經(jīng)外科手術(shù)導(dǎo)航儀上，即可術(shù)中導(dǎo)航，從而有效的彌補(bǔ)術(shù)中定位的缺陷。研究表明，fMRI定位與術(shù)中定位的金標(biāo)準(zhǔn)比較相關(guān)系數(shù)為0.81～1，平均登錄誤差僅為2 mm。以往認(rèn)為，腫瘤的生長主要引起功能皮層的移位而不是分散，因此可以沿腫瘤邊界切除腫瘤而不損傷功能區(qū)。近年來，這種觀點(diǎn)受到了挑戰(zhàn)，fMRI和術(shù)中皮層電刺激研究均發(fā)現(xiàn)，在神經(jīng)膠質(zhì)瘤內(nèi)存在明顯的功能激活區(qū)，因此要求手術(shù)人員慎重分析，防止誤切，產(chǎn)生后遺癥[14]。切除顱內(nèi)腦腫瘤須詳細(xì)了解病灶與周圍功能結(jié)構(gòu)的關(guān)系，尤其當(dāng)病灶累及重要的皮質(zhì)功能區(qū)，如語言、視覺、運(yùn)動及感覺功能區(qū)時(shí)。為了區(qū)分腫瘤與皮質(zhì)功能區(qū)時(shí)，可采用MRI腦磁波掃描術(shù)、正電子發(fā)射斷層術(shù)、尤其是fMRI等方法了解腦皮層功能區(qū)，制定最佳手術(shù)方案，保護(hù)重要的皮質(zhì)功能區(qū)，提高患者長期生存率，進(jìn)而改善生活質(zhì)量[15-22]。

fMRI還可應(yīng)用于腦動靜脈畸形、海綿狀血管瘤等顱內(nèi)血管畸形手術(shù)，也應(yīng)用于其他神經(jīng)疾病手術(shù)中，如斯特有一韋伯綜合征、結(jié)節(jié)狀硬化癥及臘斯默森腦炎等的手術(shù)，其作用與在癲癇、腦瘤手術(shù)中的應(yīng)用相似，但在手術(shù)效果、手術(shù)風(fēng)險(xiǎn)的術(shù)前評估及指導(dǎo)病灶切除等方面比癲癇、腦瘤的手術(shù)具有更高的價(jià)值。

4 fMRI臨床應(yīng)用展望

隨著fMRI臨床技術(shù)的發(fā)展和逐漸完善，fMRI必將愈來愈廣泛地在臨床上用于神經(jīng)疾病手術(shù)方面的研究，為疾病的診斷、手術(shù)方案的制定和術(shù)前對手術(shù)效果的評估提供敏感、客觀及準(zhǔn)確的信息，與MRI所提供的多方位、高軟組織分辨力的形態(tài)學(xué)信息及術(shù)中導(dǎo)航技術(shù)的應(yīng)用相聯(lián)合，將極大地提高手術(shù)治療的效果，且應(yīng)用前景十分廣闊。

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Research on the principles of functional magnetic resonance imaging and its application in the neurosurgery

SU Chun-qiu, QIU Xiao-hong, MA Wei-yin, et al// China Medical Equipment,2015,12(3)∶57-60.

Functional magnetic resonance imaging (fMRI) is an imaging technique based on the theory of nuclear magnetic resonance phenomenon and gradually becomes an important tool for research work in different areas. As a non-invasive imaging technique, functional magnetic resonance imaging (fMRI) can not only show activity changes in different brain regions with high spatial and temporal resolution in real-time, but also position the functional areas objectively and accurately. Nowadays, in the modern neuroscience, especially in neurosurgery, the functional magnetic resonance imaging (fMRI) has become widely applied in the study of brain structure and brain function. In this paper, we will review the imaging principle of fMRI and its clinical application in the department of neurosurgery.

Brain function; Magnetic resonance imaging; Neurosurgery

蘇春秋,女,(1992- ),本科在讀。南京醫(yī)科大學(xué)第一臨床醫(yī)學(xué)院醫(yī)學(xué)影像學(xué)系，研究方向：醫(yī)學(xué)影像。

2014-08-20

江蘇省大學(xué)生實(shí)踐創(chuàng)新訓(xùn)練計(jì)劃(201310312016Z)“基于SPM的功能磁共振成像數(shù)據(jù)的預(yù)處理研究”

①南京醫(yī)科大學(xué)第一臨床醫(yī)學(xué)院醫(yī)學(xué)影像學(xué)系 江蘇 南京 210029

②南京醫(yī)科大學(xué)基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)院生物醫(yī)學(xué)工程系 江蘇 南京 210029

③南京醫(yī)科大學(xué)基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)院計(jì)算機(jī)教研室 江蘇 南京 210029

*通訊作者：yuyun@njmu.edu.cn