脑功能磁共振成像及其应用进展

脑功能磁共振成像及其应用进展

聂生东1,聂斌2

(1.上海第二医科大学计算机教研室,上海 200025; 2.泰山医学院)

功能磁共振成像是近10余年来在传统的磁共振成像技术的基础上迅速发展起来的一种新的成像技术。与传统的磁共振成像技术不同的是，功能磁共振成像得到的是人脑在执行某项任务或受到某种刺激时的功能映射图，而不是人脑的解剖图像。它能够确定人脑在执行某项任务或受到某种刺激时大脑的哪些区域被激活。目前，功能磁共振成像技术在国外已经得到了广泛的应用，其应用领域涉及到脑科学研究的各个领域，如认知科学、心理学、神经科学、药物滥用以及临床应用等。国内在这一方面的研究和应用还刚刚开始。本文对近年来功能磁共振成像及其在国内外的应用进行了综述。

一、功能磁共振成像的原理及特点

功能磁共振成像（functional magnetic resonance imaging,fMRI）的突出特点是可以利用超快速的成像技术，反映出大脑在受到刺激或发生病变时脑功能的变化。它突破了过去仅从生理学或病理生理学角度对人脑实施研究和评价的状态，打开了从语言、记忆和认知等领域对大脑进行探索的大门。

传统的磁共振成像（MRI）与功能磁共振成像（fMRI）之间的主要区别是它们所测量的磁共振信号有所不同[1-3,6]。MRI是利用组织水分子中的氢原子核处于磁场中发生的核磁共振现象，对组织结构进行成像，而fMRI所测量的是在受到刺激或发生病变时大脑功能的变化。根据所测量的脑功能信号的不同，磁共振功能成像主要有以下四种工作方式：①血氧水平依赖功能磁共振成像（blood-oxygen-level-dependent fMRI，BOLD-fMRI）,它主要是通过测量区域中氧合血流的变化（或血流动力学的变化），实现对不同脑功能区域的定位；②灌注功能磁共振成像（perfusion fMRI）,又称为灌注加权成像(perfusion weighted imaging，PWI)。这种成像方法主要用于测量局部脑血流和血容积；③弥散加权功能磁共振成像（diffusion-weighted fMRI）,这种方法主要用于测量水分子的随机运动；④磁共振波谱成像（MRI spectroscopy）,该方法用于测量脑的新陈代谢状态以及参加到新陈代谢中的某些物质(如磷和氧)的含量。目前，临床上和脑科学研究中一般都是用第一种方式，文献中出现的fMRI，如果不做特别说明，一般都是指BOLD-fMRI，简称为fMRI。以下只给出其工作原理。

BOLD技术是fMRI的理论基础。当大脑在执行一些特殊任务或受到某种刺激时，某个脑区的神经元的活动就会增强。增强的脑活动导致局部脑血流量的增加，从而使得更多的氧通过血流传送到增强活动的神经区域，使该区域里的氧供应远远超出了神经元新陈代谢所需的氧量，导致了血流中氧供应和氧消耗之间的失衡，结果造成了功能活动区血管结构中氧合血红蛋白(oxyhemoglobin)的增加，而脱氧血红蛋白(deoxyhemoglobin)的相对减少[3-7]。脱氧血红蛋白是一种顺磁性物质，其铁离子有四个不成对电子，磁距较大，有明显的T2*缩短效应，因此在某一脑区脱氧血红蛋白的浓度相对减少将会造成该区域T2*信号的相对延长，使得该区域中的MR信号强度增强，在脑功能成像时功能活动区的皮层表现为高信号，利用EPI快速成像序列就可以把它检测出来。

目前，在临床和脑科学研究中进行脑功能成像的手段主要有：单光子发射计

算机断层成像（SPECT），正电子发射断层成像（PET）和功能磁共振成像（fMRI）。与其他脑功能成像手段相比，fMRI具有以下特点[8]：①fMRI的空间分辨率和时间分辨率要比PET和SPECT高的多，这意味着fMRI能够对瞬间的认知事件和大脑的微细结构进行成像，并能够提供比较清晰的图像；②与PET和SPECT 不同，fMRI技术对人体无辐射性伤害，它利用脱氧血红蛋白作为内生的造影剂，在成像过程中不需要注射放射性同位素，可对同一患者进行重复成像；③利用fMRI，可以对发生在同一个体的不同的精神状态（如躁狂、压抑和欣喜等）进行比较时，易于作统计推断，而利用PET和SPECT扫描通常要对一组个体在不同的精神状态之间做统计推断。这样，fMRI在理解个体脑功能方面具有重要的应用；④与其他功能成像仪器比，fMRI的扫描费用较低。基于以上特点，fMRI 技术在临床和脑科学研究中得到了广泛的应用。

二、功能磁共振成像的应用

1991年，Belliveau等人在美国麻省总医院首先报道了MRI对脑功能活动的敏感性[3]。他们通过在静脉内注射顺磁性的造影剂，首次利用光刺激获得了人类视觉皮层的功能磁共振图像。1992年，Ogawa等直接利用血液中脱氧血红蛋白的顺磁性特点而不是注射造影剂进行了脑的fMRI。目前fMRI主要应用领域有：临床、药物滥用和正常脑功能研究。这些研究相辅相成，其研究所涉及到的学科主要有：神经生理学、神经生物学、认知科学、心理学、病理学和精神科学等，研究成果可以互相借鉴。例如，正常脑功能的研究成果可以作为临床和药物滥用研究中的异常脑功能的对照，通过与正常脑功能的对比研究，为研究患者的异常脑功能和行为提供依据。

（一）fMRI在临床上的应用

患者的生存时间和生活质量与病灶（如肿瘤、血肿等）的切除程度密切相关[9-11]。如果对病灶过度切除，会造成对病灶周围重要功能区域的损害，而这种损害是不可逆转的，严重影响患者的生活质量；反之如果对病灶切除不够，残余病灶会严重影响患者的生存时间。最大程度地切除病灶，同时使主要的脑功能区域（如视觉、语言和感知运动皮层等）得以保留是神经外科手术的目标。神经外科的风险主要是由外科手术对重要脑功能区域的损伤程度决定的[9,11]。手术的成功与否取决于对大脑结构和重要组织功能的精确描述。迄今为止，实施神经外科手术的主要程序是：在术前，外科医生根据由患者得到的二维CT或MRI图像想象和估计病灶的大小及形状，“构思”病灶与周围组织之间的空间关系，从而确定手术方案；在术中，为了最大程度地切除病灶，最小限度地减小患者重要功能区域的损伤，外科医生一般是通过对脑皮层直接电刺激的方法对重要功能区域进行定位，根据定位结果决定病灶的切除范围。因此，术前计划的合理性及手术的成功与否极大地取决于医生的经验。目前，对重要脑功能区域进行定位的“金标准”仍然是对脑皮层直接进行电刺激[11,12,16]。这种功能定位方法的局限性是显而易见的。首先，它对患者会造成一定的伤害和痛苦，定位的时间和精度取决于医生的经验；其次，这种定位方法只能适用于很有限的脑区（开颅后裸露的脑区）[12]，定位数据只能在术中得到，不能用于术前的手术计划和手术风险的评估。因此，功能定位结果如果能在术前获得，将会大大缩短手术时间，提高手术效率，减轻患者痛苦等。近年来，脑功能成像技术，特别是功能磁共振成像技术（fMRI）的发展，为这一设想的实施奠定了技术基础。

利用fMRI可以在术前无创地获得人脑重要区域的功能映射图，这些信息可