FMRI脑功能磁共振成像的原理及应用进展

ＦＭＲＩ脑功能磁共振成像的原理及应用进展

功能磁共振是在磁共振原理的基础上根据人脑功能区被信号激活时血红蛋白和脱氧血红蛋白两者之间比例发生改变，随之产生局部磁共振信号的改变而进行工作的。凭借其具有较高的空间、时间分辨率，无辐射损伤以及可在活体上重复进行检测等优点已广泛应用于脑功能的研究。

1 磁功能磁共振概述

磁共振功能成像(function magnetic resonance imaging，FMRI)是目前脑功能研究中的一个热点。20世纪90年代后，BOLD（blood oxygenation level dependent）磁共振功能成像已广泛应用于脑功能的研究。其优点是就有较高的空间、时间分辨率，无辐射损伤以及可以在活体上重复进行检测。理论上讲，凡以反映器官功能状态成像为目标的磁功能成像技术都应称之为功能磁共振成像。目前，临床上已较为普遍使用的功能成像技术有：各种弥散加权磁共振成像技术（diffusion-weighted imaging，DWI），各种灌注加权磁共振成像技术（perfusion weighted imaging，PWI），磁共振波谱和波谱成像技术（blood oxygenation level dependent，BOLD）。观察脑神经元活动和神经通路的成像技术时，这种成像技术应叫做脑功能磁共振成像（FMRI），它一般包括水平依赖成像；脑代谢测定技术成像；神经纤维示踪技术如弥散张量和磁化转移成像。

1.1 FMRI的基本原理：FMRI的方法很多，主要包括注射照影剂、灌注加权、弥散加权及血氧水平依赖（blood oxygenation level dependent，BOLD）法，目前应用最广泛的方法为BOLD法：血红蛋白包括含氧血红蛋白和去氧血红蛋白[1]，两种血红蛋白对磁场有完全不同的影响，氧合血红蛋白是抗磁性物质，对质子弛豫没有影响，去氧血红蛋白是顺磁性物质，其铁离子有4个不成对电子，可产生横向磁化磁豫缩短效应（preferential T2 proton relaxation effect，PT2PRE）。因此，当去氧血红蛋白含量增加时，T2加权像信号减低。当神经元活动增强时，脑功能区皮质的血流显著增加，去氧血红蛋白的含量降低，削弱了PT2PRE，导致T2加权像信号增强，即T2加权像信号能反映局部神经元活动，这就是所谓血氧水平依赖BOLD[2]效应，它是FMRI基础[3]。

梯度回波成像（gradient recall echo，GRE）是FMRI的常规脉冲序列，它对磁化效应引起的T2效应非常敏感，梯度回波脉冲序列使用单次激发小翻转角射频脉冲和极性翻转的f编码梯度场，在采集信号过程中，由于梯度场引起的去相位就会完全被再聚集，而回波信号则取决于组织的T2。在信号采集过程中，GRE 与SE序列相似。都是通过多次反复采集回波信号完成全部的相位编码和数据采集。ＧRＥ扫描对流空现象，扩散现象以及对功能成像非常重要的Ｔ２效应等诸

因素非常敏感[4]。特别适用于能够产生很强很可靠的功能信号的部位，如感觉皮质[5]。

平面回波扫描（echo planar imaging，EPI）：EPI是梯度回波的一种变形技术，它可以通过一次或数次激发采集完成像所需的所有数据，它既可以用梯度回波的方式采集信号（SE-EP）。可以说ＥＰＩ是目前FMRI的最佳扫描方法。使用单次激发ＥＰＩ，系统仅用一次读取信号之后就可以完成扫描，每层扫描最快仅需数十毫秒，是目前临床应用的最快扫描脉冲序列。它完成一次全脑采集（１５~２０层）仅需２~３秒，并可以进行多层面大容积的扫描，这样可以同时观察整个中央前回，运动前区和附属运动区等结构，还可避免因病人头部运动而造成的伪影。另外，EPI由于使用长TR时间，可以提高图像音噪比。

1.2 ＦＭＲＩ的基本过程：进行FMRI研究之前首先要确定试验计划，制定最优化方案。刺激方案对FMRI的检出非常重要。目前常用的使用方法有单次刺激（single trial）和事件相关法（event related），前者主要用于视觉、听觉、运动、感觉等，后者主要用于认知活动的刺激。BOLD加权像扫描之前，首先获取4~6幅高分辨率T1W1解剖定位图，然后在刺激（on）和静止（off）两种状态下的原始图像。之后在离线（offline）工作站上对原始图像进行降噪，匹配相减，统计学处理，叠加得到功能活动图，再与T1Ｗ１解剖定位图叠加得到可视化功能解剖定位图。

2 磁功能磁共振的应用

2.1 感觉

2.1.1 听觉：最初的FMRI成像研究是用发单音或单词来作为听觉刺激，使位于颞上回的听觉皮质（brodmann氏41区）活化。近期的研究发现在有噪音的环境下说单次和短文，可在颞上回及沿颞上沟附近，引起比单纯噪音环境大得多的明显的活化区。说单词和短文有时也能在颞中回，颞横回附近引起活化，同时听觉皮层也纯在不均一性，一侧刺激虽能激活双侧听觉皮质，大多数仍以左侧为主[6]。在对音乐刺激的研究中发现左侧颞平面的激活程度与开始音乐训练的年龄相关，而左后背外侧额前皮质的激活程度和绝对定调能力成有意义的相关。Jancke的fMRI研究发现，改变音量（分别为75，85，95dB），所有受试者均可见在颞上回有兴奋，且兴奋的范围与音量大小呈正相关，从而说明声音的强度对脑功能活动范围有影响[7]。

2.1.2 视觉：FMRI中对视觉皮质的研究是最早的。研究发现，主要视皮质位于双侧距状裂两侧，属于布劳德曼（Bondman）17区，次要皮质为Bondman19区和18区，即纹旁及纹周区，为楔回，舌回，枕颞内外侧回后部及颞下回后部皮层[8]。视觉刺激有性别和年龄的差异，男性较女性能激活更多的兴奋区，成

人较婴幼儿，儿童的激活区广泛。但自然色及非自然色物体激活人脑的过程却几乎一致，都是从Ⅴ区到Ⅴ区的传导途径。根据偏侧光刺激随时间延长在信号强度和范围上的变化，fMRI已成为术前描绘视皮质的一个有效方法。

2.1.3 嗅觉：嗅觉刺激可引起脑内多个区域的活动功能变化，主要包括丘脑中部前份，额下回，运动前区边缘，杏仁核，下丘脑，海马回区等结构，大脑半球两侧功能活动区基本对称，无明显的半球优势，但额下回的功能活动区主要位于左侧，两侧对比有显著差异[9]。在第一嗅觉皮质内，气味引起了一个强烈、早期和短暂的信号幅度的增强，然后在气味存在的30~40秒内适应了。高难度化学物质刺激时丘脑的信号改变较低浓度刺激时明显，表示该区域的活动有浓度依赖性，而额下回和扣带回的功能活动则无明显的浓度依赖性。即使在无味感的条件下，只要空气内有一定程度的化学物质存在，就能够引起脑内相关结构的功能活动[10]。Levy等[11]对嗅觉想象FMRI研究发现，嗅觉想象与实际嗅觉激活的功能区相似，但想象激活的功能区相对小些。

2.2 躯体运动功能：研究结果显示简单运动的激活区主要位于初级运动皮质，复杂运动的活动区位于对侧初级运动皮质、辅助运动区（SMA）、运动前皮质，偶尔可出现于同侧的相应部位；而想象复杂运动主要激发辅助运动区及运动前皮质，但信号强度较低。同时该研究还表明慢速运动对激发的活动强度也较低。大量FMRI表明实验发现，右侧运动皮层可以被左侧手指活动激活，而左侧运动皮层可以被双侧手指激活，证实了人脑功能的不对称性。躯体运动FMRI能够描绘出每一个手指运动的代表区，单一手指的运动受到第一运动皮质内占据重叠区域的神经元网的控制[10]。

2.3 记忆：分别用工作记忆（WM）研究正常人，前者发现工作记忆主要激活双侧前额叶背外侧皮层[布劳德曼区（BA）9，10，46，47区]，后者也有类似的发现，且WM的作业难度及额叶其他脑区有关。对语言和视觉工作记忆试验时发现不影响记忆方式在大脑有不同传导环路[12]。性别也可以影响记忆，在语意记忆决策任务中，发现男性主要引起左侧大脑半球激活，主要集中在左额下回和左颞上回；而女性主要表现为双侧半球激活，特别是左颞上回和右额下回。另外，前额叶是来源记忆的重要神经基础，与其他脑区相比，对老年化较敏感，可见年龄也是影响记忆的一个重要因素。

2.4 神经病学和精神病学：对13例AD和13例年龄、性别匹配的正常人行磁敏感对比剂进行增强MRI检查，发现AD患者颞顶叶的血容量明显降低；以双侧颞顶叶的血容量明显降低；以双侧颞顶叶血容量的变化为参照对正常或AD 的鉴别准确度达88%。此外还发现轻度AD的颞顶叶血容量也降低。据报道nⅥ-RI观察癫痫开始发作后的局部血流情况，并研究了正常人左侧和患者优势半球的语言功能，发现患者很少见到混合或右侧优势半球语言功能区域[5]。精神分裂症患者，有额叶功能减退的现象。另有研究说明对患有强制性神经症的患者及志愿者进行FMRI检查，发现在患者的眶回及额叶背外侧皮层有活化区，而志愿者则没有。

综上所述，FMRI已广泛用于对听觉，视觉，嗅觉等各项脑功能出现的研究