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1、医学功能成像技术第二讲功能性磁共振成像吕维雪本讲座撰写人吕维雪先生浙江大学教授.解剖结构的磁共振成像已经在临床和研究中被普遍接受了V功能性磁共振成像做脑功能定位的出现更进一步扩大了磁共振成像技术在临床上的作用“这一新技术可以通过检测神经活动对局域血流、流量.以及氧饱和的影响产生被激活脑 区的图像.它对于进一步理解脑的结构、功能和病理学之间的关系有重要的作用 而且该技术是无损的.能很容易地和现有的临床实践集成所以受到了很大的重 视-仅有结构成像技术是不能确定功能性的神经解剖学的已经证明即使在正常人中.其脑的中央沟都有很大差异”这种情况当存在脑肿瘤时变得更为严重这 时会有质量效应和功能性的重新组织
2、、能做功能性定位的技术可以在畸变和脑解 剖不确定的场合下提供有临床意义的信息”在对脑肿瘤做手术治疗时功能性成像也是很有价值的.在很多场合中需要对 主要的功能性皮层做精确的定位、以便能最大程度地切除病态组织而使术后的神 经性后遗症减到最少：术前能确定主要的功能区对于评价手术是否可行和手术的 方案都有重要意义术前关键功能区的定位是功能性磁共振成像立即可以对临床有用的领域、fMRI可以在医院现有的MRI扫描仪上做功能区定位的常规检查、图像的采集和 处理时间基本上和结构性 MRI检查类似.除了这种应用以外.fMRI对许多心理 学和认知异常方面的理解和治疗也有潜在的临床价值 .功能性磁共振的原理要了解功
3、能性磁共振需要熟悉磁共振的物理原理它决定了信号的特性并由 这些信号形成图像1990年Seiji Ogawa首先报道了在磁共振图像中发现了血液氧合对 T2*的影 响.他注意到当血液氧合降低时皮层血管变得更清楚了 ，他知道这是由于去氧基 血红素造成局域磁场不均匀的结果并把这一方法称为BOLD(Blood Oxygenation Level Dependent迭:以后Robert Turner用快速平面回波成像观察到了动物在吸了 缺氧的氮气后这种氧合变化的过程.很快在人体上也观察到类似的变化.人脑中受激发区会有局域血流增加是由PET的功能性成像所证实了的用造影剂的MR成像证实了由于感官的刺激血容量也
4、会增加看来血流的增加量超过 了组织对氧的需求量.于是在静脉血液中的含氧量增加.去氧基血红素降低（图 1b由于去氧基血红素是顺磁的它改变了 T2*加权的磁共振图像信号.这样去 氧基血红素有时被看成是内生的反差增强剂（造影剂）.并用作fMRI的信号源:.采 用适当的成像序列.人脑的皮层功能可以在临床用的扫描仪上（场强1.5T）不用外 加的反差增强剂来观察.从磁共振信号决定的脑区功能性活动证实了已知的解剖 学上不同处理区（视觉皮层.运动皮层.与说话和语言活动相关的Broca区）,.fMRI作为一种把大脑活动与特定任务或感受过程联系起来的成像技术其主 要优点包括：（1）不需要注射放射性同位素；（2）所
5、需的总扫描时间很短；（3）功能图像平面中的分辨率通常约 1.5mm 1.5mm（小于1mm的分辨率是 可能的人与以PET方法得到的功能图像相比PET要注射放射性同位素多次采集（因 而增加了成像时间）.此外.PET图像的分辨率比fMRI的象素尺寸要大得多而 且PET通常要用多个人的脑图像结合起来以得到可靠的信号.因而个体病人的信 息被平均掉了虽然这些限制对许多神经科学方面的应用仍可适用 但它们对于 评价特定病人的神经外科和治疗计划不是最合适的 “fMRI方法尽管fMRI是很有前途的一种技术但它还不能说是已经完全确立的技术， 因为对所涉及的准确机理可靠的检查步骤以及应用方面的限制都还没有严格 地建
6、立起来*例如.目前的fMRI技术是建立在局域血流和血液氧合变化的基础 上的.如果病人的病理条件或服用的药物会改变局域血流和血液氧合则又将会怎样.此外.大家都知道磁共振成像本身可以有很多种变化的方法例如在成像脉冲的序列上就有许多不同的种类”fMRI成像的序列也可以根据不同的成像目的 而有很大的不同所以现在有许多不同的成像序列用于各种不同的检查 卜事实上 随着这种技术的发展以往为其它应用而开发的大量成像序列现在都被试用在 fMRI 上 看看是否有用对fMRI序列的要求主要包括对被测参量的敏感性成 像的稳定性.以及对伪像的不敏感性”此外.成像速度始终是一个重要的考虑因素:目前fMRI的大部分要求看来
7、都可以由某种 EPI的变型来满足不过这些要 求是在迅速发展的.由于EPI成像对硬件设备有很高的要求（昂贵的全身梯度线圈 以及能快速切换大电流的放大器）.所以新开发的成像序列首先应考虑要能达到 EPI的速度.且要能在常规的成像设备上使用而且还不清楚EPI是否能始终保 持作为稳健和准确的fMRI检查的首选方法例如.已经有人提出利用某种梯度 回波和自旋回波的结合如口 GRASE.来利用梯度回波和自旋回波的优点.同时 激励机制、信号源.以及伪像源的特征方面的进展和考虑都会继续影响fMRI成像序列设计的方向.下面是一些新的fMRI成像序列所用的新技术”1. 成像序列a.交替回波（Interleaved
8、Echos）增加GRE序列的T2*灵敏度典型地会延长TE它导致TR和成像时间的增 加新的fMRI序列试图保持或增加 T2*的权重同时减少总的成像时间“对于常 规的GRE成像序列所需的长TE意味着有相当一部分时间（用于等待灵敏度的积 累）没有被充分利用“改善成像效率的一种途径是用“回波偏移：即激励和梯度 回波的形成被多个TR分割”这样的序列如图2所示其中序列TE比序列TR长 由第一个RF脉冲激励的自旋造成的梯度回波在第二个TR间期中重新聚焦“通过把在所希望延时回波时间处的相位与每一个主梯度同相并且与其它的可能梯度和自旋回波错相.就可以实现偏移的回波“b. K空间置换（K-Space Substi
9、tute n）注射造影剂的fMRI可能是对成像序列的时间分辨率有最高的要求因为所 得的结果与在注剂迅速通过组织的第一次循环中能否得到足够的图像数十分有 关.因为CBV/CBF的估计直接与能够从所得数据作出多精确的浓度时间曲线有关.能够用BOLD法（时间分辨率的要求低）作fMRI研究的设备一般不能适应 Gd-DTPA法所要求的成像速率、为了能在常规的临床设备上快速得到图像（秒以 下）发展了一些改善图像时间分辨率的方法，其中的一种方法是很快地获得有限个 傅里叶空间的样本并把丢失的数据（即傅氏空间中没有采集的某些行数据）用在 开始动态成像前的一次完整采集中的数据来补足，这一技术是在傅氏空间取得较 低
10、空间频率的行数据而高频信息是从一幅基准图像得到（图3）.虽然这样图像 的采集时间可以减少到1/4并且看起来比不加基准信息的要好一些 但动态信 息含量并不因加了空间频率而有所改善同时只有图像低空间频率的变化能观察到.这限制了这种方法用于观察较大和较均匀的图像区域2. 处理方法通常做fMRI要在两次不同采集（神经刺激之前和之后）的结果之间作比较” fMRI的处理方法要能最优地比较这些数据组并把找出的激活区叠加到相应的 MR解剖学图像上去形成一幅融合的图像.fMRI的数据处理往往需要在图像组之 间确定微小的诱发信号之差.这种变化的大小通常处在各种可能干扰源的范围内 （特别对1.5T的扫描仪）所以为了
11、提高图像的信噪比从而提高图像间的差.通 常对多次采集数据取平均.随着图像数目和成像时间的增加那些非刺激性的过程.如病人的整体运动 和血液或CSF的脉动都会导致虚假的信号变化.简单的差值图像很容易受这种伪 迹的影响.处理的目的就是要使最终的功能图像不受这种与刺激无关的信号变化 的影响.并准确地把激活区映射到相应的解剖学图像上去 .fMRI所得数据的处理可以说是这一领域中最零乱的部分有许多有趣的方法但很少标准化“除了基本的相减和t-tests以外.有ANOVAZ映射.功率谱分析. 时域相位偏移.以及频域相位偏移等一直到复杂的质点聚类分析“虽有那么多 的方法但用得不适当反而会造成对 fMRI数据的错
12、误解释这些方法还必须做许 多验证才能用到临床上去同时由于处理步骤的多样性再加上各种序列和实验细 节的不同.所以很难对各单位的结果进行比较a. 求差最初fMRI结果的处理只是求两组平均数据的差标准的是静息图像的平均 和每一幅激活图像求差（或与激活图像的平均求差K这种简单的方法很容易受噪 声的影响、特别是对大信号中的小变化.同时它对刺激和静息之间发生的运动没 法区分:测试表明即使是亚象素的移动在差值图像中也会有相当大的表现.这种方法对图像和象素中的亮度变化也很敏感往往激活区只能通过人工交互地给差 值图像加一个阈值来确定.数据求差也可以在数据采集时进行.大部分的处理方法是在刺激开关期间采 集全部的数
13、据组.也可以对相邻TR循环的数据求差来得到一系列的图像这样 它们只反映两个循环之间的信号差并对移动伪差的敏感性降低，此外在颠倒刺激开和关顺序的条件下采集不同的图像就可以得到有开/关差值一倍的图像，b. 激励时程有关激励时程的先验知识对于确定激励的响应是一种很重要的信息源，要设法利用这一信息.fMRI数据分析通常可以看成是一种治疗/响应的模型.把刺激看作是一次治疗.其目的是要考察数据看看治疗对输出（象素的亮度）是否有大 的影响.用这种简单的模型.当数据是在不平衡条件下取得时就会有问题当图 像的采集速率可以与血流动力学的响应时间可比时数据可能是在过渡状态下采集的.此外.因为这些响应对于突然施加或去
14、除的刺激有滞后性 所以如果数据 是在响应还没有开始时采集的则数据对治疗作用的“标注就是完全错误的（图 4通常这些过渡的点在分析中要略去或者在采集前加一个延时.与刺激同步、 并以长得多的时间来采集的图像往往可以忽略这种过渡效应.通常fMRI是观察在不同神经活动条件下（典型的情况是加刺激和静息）所采 集的信号差为基础的.通常这种过程对稍有移动和失配是很敏感的 所以这两种 状态要在同一次成像期间进行.往往采用短的刺激和静息间期反复进行以防止 信号的饱和.并能对信号作平均.以提高信噪比.fMRI是一种建立在血流动力学响应基础上的技术 所以它和PET或SPECT 的应用领域有所重叠：.但由于fMRI高的
15、空间和时间分辨率（空间分辨率为几毫米 时间分辨率小于1s）没有辐射.以及低的成本它将会在临床上获得更多的应用. 至于与MEG和EEG的关系.由于它们之间的机理是非常不同的所以它们提供 的信息是互补的/艮可能将来在临床上会用多种模态的方法来取得更全面的信息.应用1.实例功能性磁共振信号的大小和血液有关.血液在灰质中只有约 6% 在白质中 更少所以在脑激发时的血流动力学信号改变是很小的 .对于中等磁场强度（1.5T） 为25% 在4T时约15% 尽管如此只要图像有适当的信噪比这种变化还是 清晰可见的.图5是视觉皮层V1在光刺激下信号改变的图像它是在8Hz光图 案的刺激下、在禽距沟层面的图像.上左图
16、是在黑暗时的图后四幅图是与它相 减.在禽距沟处可见信号的增加.图6是在光刺激下禽距沟附近一个小面积上的 信号强度变化，从图6可以看到刺激后fMRI信号要经过一段时间才达到其峰值即存在一 定的滞后性这个数值显然大于实际的神经响应时间，这种滞后的大小对不同的 脑区和不同的刺激方式都会有不同.关于fMRI的空间分辨率”从标准的MRI技术来讲.分辨率可以达到100 pm 左右.但对于fMRI来讲它受到一系列的限制.磁共振的信号是脑组织内生的 是相当小的.要提高空间分辨率就使每个象素的 MR信号能量变得更小而同时噪声水平却几乎不变.因此信噪比以体素大小的三次方下降、.目前fMRI禾I用的 都是百分之几的
17、信号改变所以一定要有相当高的信噪比才能观察这种变化.2.方法及过程a.图像采集：图像是用T2*加权梯度回波序列采集：TE=60ms反转角=90?用 的是GE公司的1.5T磁共振成像系统.这一系统配有平面回波选件能提供极快 速的图像采集通常层厚设在5mm 不过可以薄到3mm 可以同时采集沿任意 合适平面取向的接续的16个层面图像（在较长的采集时间时可以到 21个层面人 每个成像序列约需30个完整头部体积的采集.b.试验过程：病人与对象在扫描仪中与常规扫描一样定位同时平面线根据常规成像方法设置在一次典型的功能性成像序列中在90s运转时间内采集30幅图像.其中最初和最后10幅图像为基线条件.而中间的
18、10幅图像（30s）是一次 试验所采集的.例如.在一次设计做确定包含手和手指运动的脑组织区的典型试 验中.病人在活动期打手指.这一活动期的开始和末尾由一视觉或听觉信号提示 相应地出现在图像10和20*语言的、感觉的、视觉的、听觉的.以及其它的目 标功能也以类似的方式成像.在图7中表示了一由测试诱发的信号变化它是包 括左手触碰刺激（触摸）的感觉试验.横轴表示在一 90s间期中30幅图像的采集、 最初触摸前的（基线）10幅图像接着是10幅活动图像（左手触摸）以及10幅触摸 后图像每90s图像序列（用一个体素的灰度表示）实际上重复两次.虽然只示出 了一个序列.在此例中左手触摸造成右半球的活动并推测代表后中心脑沟的感 觉带（Post Central Sulcus Se nsory Strip）L未完待续丿