医学功能成像技术(详细)

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

一功能性磁共振的原理

要了解功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)法以后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

1)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)

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

二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 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 Substitution)

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