第四章 脑功能磁共振成像

第四章 脑功能磁共振成像

• fMRI简介

1. HBP：人类脑计划，利用现代化信息工具探索大脑
2. 现代神经科学：多学科、多水平的综合研究领域

1. 脑功能成像fMRI及其特点

1. 脑功能成像fMRI：

1. fMRI根据MRI对组织磁化高度敏感的特点来研究人脑功能
2. fMRI以受到不同激励或执行不同任务的脑区的MRI信号差别为依据，也就是说fMRI测定的是活动脑区对刺激的间接反应，例如测量相关刺激结束后活动皮层所在的局部血容量、血流以及氧饱和度的变化

1. fMRI的特点：

1. 高空间分辨率+一定的时间分辨率
2. 无创的检测方法
3. 无电离辐射

1. fMRI的生理学基础：

1. fMRI的生理学基础尚未完全明了
2. 人脑可划分为许多静息功能区域，人们能设计出各种刺激方案分别对其进行研究
3. 生理性的脑活动与局部脑血流、血容量和能量代谢之间存在一定的耦合关系，因此测量神经活动的伴随线性就可以得到有关闹活动的信息，fMRI采用的就是对上述变化比较敏感的脉冲序列来成像的技术
4. fMRI的出现标志着MRI从仅提供形态学信息的阶段发展到反映人脑活动信息的新阶段

1. fMRI的对比度产生机制

1. fMRI的信号来源仍然为氢质子，MRI解剖图像对解剖结构的差别非常敏感，fMRI功能图像对神经元活动所伴随的生理变化敏感
2. fMRI利用与脑活动生理过程相伴的脑血流、脑血流容积、血液含氧量等微弱的能量代谢过程形成对比度，分别称为脑血流量CBF成像技术、脑血容量CBV成像技术、血氧水平BOLD成像技术

1. fMRI的成像方法简介

1. 造影剂团块注射法：

1. 利用静息态和刺激状态下两次团块注射造影剂来检测血流的变化以间接获取脑活动信息
2. 采用对血流敏感的成像序列在团注前后分别进行MRI扫描，产生的两幅CBF图之差即为功能性刺激所的引起的信号变化
3. 顺磁性造影剂：增强局部弛豫率，产生较大的磁化率效应，从而降低水质子的T1弛豫时间

1. 血氧水平BOLD法：

1. BOLD法利用血液中的血红蛋白作为固有对比度增强剂，而不适用外加的造影剂

1. 大脑皮层功能性活动期间，BOLD法的信号幅度变大，而造影剂团块法的信号幅度变小
2. BOLD法的关键是血红蛋白的磁特性，携氧的血红蛋白称为氧合血红蛋白，失去氧的血红蛋白称为脱氧血红蛋白，二者具有完全相反的磁特性
3. 神经活动时局部组织中氧的供应量超过代谢的耗氧量，即氧合血红蛋白的量大于脱氧血红蛋白的量，T2*延长，在T2*图像中信号强度增加

• fMRI的解剖学和生理学基础

1. 脑的神经解剖学

1. 大脑皮层：

1. 大脑皮层是构成大脑半球沟和回表层的一层灰质
2. 大脑皮层内有两种主要成分，一种是细胞，一种是神经纤维
3. 大脑皮层是人类一切活动的高级控制中枢，大脑皮层的信号变化是fMRI观察的重点

1. 大脑皮层分区——布劳德曼分区：

1. 脑的功能不对称性：

1. 大脑左右半球在认知过程中有不通过作用，又称为半球特化、大脑优势
2. 左半球在认知方面具有更重要的作用，右半球与空间技巧更有关
3. 了解脑的不对称性特点对于fMRI研究具有重要意义，例如左利手和右利手的受试者的fMRI表现是不同的

1. fMRI的生理学基础

1. 脑的血液动力学：

1. 大脑由许多特定的功能区所组成，脑的多样性构造也反应在血流分布上，对鼠脑的研究表明不同大脑区域的供血量相差近18倍
2. 毛细血管中血流随着邻近区域代谢需要的变化而变化，这是fMRI的生理学基础

1. 血红蛋白及其磁性：

1. 脱氧血红蛋白dHb具有顺磁特性
2. 氧合血红蛋白HbO2具有逆磁特性
3. 红细胞中的脱氧血红蛋白和氧合血红蛋白的含量多少回使血流与周围额组织出现不同的磁敏感性

1. BOLD效应：

1. 氧合血红蛋白的逆磁特性与组织接近，不影响其弛豫过程或NMR信号
2. 脱氧血红蛋白的顺磁特性影响周围的磁场特性，出现非均匀性磁场，加速质子的散相，T2*，NMR信号的缺失
3. 实际上，BOLD方法中信号的幅度是增加的，这是因为神经元活动时，氧的供应量超过代谢所需的耗氧量，即氧合血红蛋白的增加量大于脱氧血红蛋白的产生量，顺磁性物质的相对减少，质子的散相也减少，T2*延长，T2*加权像上的信号强度有所增加
4. 大脑皮层的微血管中的血氧变化时，会引起局部磁场均匀性变化，从而引起NMR信号强度变化，称为血氧水平依赖性BOLD

        

1. 由于纵向弛豫与场的非均匀性无关，上述血氧合水平的变化不能用T1加权的脉冲序列来测量

1. 大脑fMRI的信号特征

1. 信号强度：

1. 在脑活动期间，血液变化一般是很小的
2. 灰质中的变化约为6%，白质中的变化更小
3. 相应的，血液动力学信号变化极小，从2%-5%（1.5TMRI中）到5%-20%（4TMRI中）

   

1. 信号的时程和潜伏期：

1. 信号的变化可分为静息期、上升时间、反应期和下降时间
2. 之所以出现上升或下降时间，是因为皮层对刺激的反应存在一定延迟，刺激开始后，fMRI信号需要经过几秒后才到达其峰值，这种特征响应延迟随脑区不同、刺激情况不同而有差别

1. 信号的时间和空间分辨率：

1. EPI及其他快速成像方法的时间分辨率已经达到50ms左右
2. 由于潜伏期的存在，fMRI的响应总是滞后于神经或生理反应，于是fMRI的时间分辨率在EEG之后
3. 标准的MRI解剖图像的特征分辨率可以达到100微米，fMRI信号是本征的，在主视觉皮层可以达到1-2mm的分辨率

   

1. fMRI的脑动力学模型

1. 在fMRI中，一个最为关键的目标是完全了解脑激活和所观察到的MR信号变化之间的对应关系
2. 为达到此目标，需要建立生物物理模型给出定量的方程式

1. fMRI的成像方法

1. fMRI技术的生理机制认为是大脑皮层活动时脑代谢的增强以及由此引发的脑血流和血容量的变化
2. 在BOLD方法中进一步假设氧的传送量超过了组织的需要量，用BOLD加权的序列可对这一现象进行检测，获得所需的NMR信号

1. fMRI成像的基本过程：

1. 确定研究目标
2. 不同的研究目标需要制定不同的激发方案
3. 根据解剖图像选定fMRI的研究层面
4. BOLD加权扫描及数据获取
5. 数据处理
6. 可视化显示

1. fMRI的脉冲序列选择：

1. fMRI序列有快速序列和常规序列之分
2. 快速序列指具有GRE和SE变量的EPI序列
3. 普通序列是指SE序列和相位重聚的GRE类序列
4. 选用序列时要考虑磁敏感性、时间分辨率、SNR

1. 回波信号位移技术——一种新的序列：

1. 在回波信号位移技术中，激发和梯度回波信号的形成不在一个TR周期内，被一个以上的TR所隔离

   

1. fMRI的应用及其展望

1. 应用：

1. 视觉研究
2. 运动研究
3. 听觉研究
4. 语言研究
5. 认知研究
6. 手术前定位

1. 展望与挑战：

1. fMRI的研究重点集中于对其机理的深刻理解和应用上，作为一种很有前途的工具为神经科学家提供了很多帮助
2. fMRI的推广面临着诸多挑战：BOLD方法适合于超高场强的fMRI研究中，困难有磁体成本上升、技术难度增大、生物效应问题；需要EPI序列，但是具有EPI功能的磁共振扫描仪在临床上还为数不多
3. 一种新的发展趋势是脑功能成像与多技术联合，例如fMRI和PET图像的融合技术