醫(yī)學(xué)功能成像技術(shù)

1、醫(yī)學(xué)功能成像技術(shù)第二講功能性磁共振成像呂維雪本講座撰寫人呂維雪先生浙江大學(xué)教授.解剖結(jié)構(gòu)的磁共振成像已經(jīng)在臨床和研究中被普遍接受了V功能性磁共振成像做腦功能定位的出現(xiàn)更進(jìn)一步擴(kuò)大了磁共振成像技術(shù)在臨床上的作用“這一新技術(shù)可以通過檢測神經(jīng)活動(dòng)對局域血流、流量.以及氧飽和的影響產(chǎn)生被激活腦 區(qū)的圖像.它對于進(jìn)一步理解腦的結(jié)構(gòu)、功能和病理學(xué)之間的關(guān)系有重要的作用" 而且該技術(shù)是無損的.能很容易地和現(xiàn)有的臨床實(shí)踐集成所以受到了很大的重 視-僅有結(jié)構(gòu)成像技術(shù)是不能確定功能性的神經(jīng)解剖學(xué)的已經(jīng)證明即使在正常人中.其腦的中央溝都有很大差異”這種情況當(dāng)存在腦腫瘤時(shí)變得更為嚴(yán)重這 時(shí)會(huì)有質(zhì)量效應(yīng)和功能

2、性的重新組織、能做功能性定位的技術(shù)可以在畸變和腦解 剖不確定的場合下提供有臨床意義的信息”在對腦腫瘤做手術(shù)治療時(shí)功能性成像也是很有價(jià)值的.在很多場合中需要對 主要的功能性皮層做精確的定位、以便能最大程度地切除病態(tài)組織而使術(shù)后的神 經(jīng)性后遺癥減到最少：術(shù)前能確定主要的功能區(qū)對于評價(jià)手術(shù)是否可行和手術(shù)的 方案都有重要意義術(shù)前關(guān)鍵功能區(qū)的定位是功能性磁共振成像立即可以對臨床有用的領(lǐng)域、fMRI可以在醫(yī)院現(xiàn)有的MRI掃描儀上做功能區(qū)定位的常規(guī)檢查、圖像的采集和 處理時(shí)間基本上和結(jié)構(gòu)性 MRI檢查類似.除了這種應(yīng)用以外.fMRI對許多心理 學(xué)和認(rèn)知異常方面的理解和治療也有潛在的臨床價(jià)值 .功能性磁共振的

3、原理要了解功能性磁共振需要熟悉磁共振的物理原理它決定了信號的特性并由 這些信號形成圖像1990年Seiji Ogawa首先報(bào)道了在磁共振圖像中發(fā)現(xiàn)了血液氧合對 T2*的影 響.他注意到當(dāng)血液氧合降低時(shí)皮層血管變得更清楚了 ，他知道這是由于去氧基 血紅素造成局域磁場不均勻的結(jié)果并把這一方法稱為BOLD(Blood Oxygenation Level Dependent迭:以后Robert Turner用快速平面回波成像觀察到了動(dòng)物在吸了 缺氧的氮?dú)夂筮@種氧合變化的過程.很快在人體上也觀察到類似的變化.人腦中受激發(fā)區(qū)會(huì)有局域血流增加是由PET的功能性成像所證實(shí)了的用造影劑的MR成像證實(shí)了由于感官的

4、刺激血容量也會(huì)增加看來血流的增加量超過 了組織對氧的需求量.于是在靜脈血液中的含氧量增加.去氧基血紅素降低（圖 1b由于去氧基血紅素是順磁的它改變了 T2*加權(quán)的磁共振圖像信號.這樣去 氧基血紅素有時(shí)被看成是內(nèi)生的反差增強(qiáng)劑（造影劑）.并用作fMRI的信號源:.采 用適當(dāng)?shù)某上裥蛄?人腦的皮層功能可以在臨床用的掃描儀上（場強(qiáng)1.5T）不用外 加的反差增強(qiáng)劑來觀察.從磁共振信號決定的腦區(qū)功能性活動(dòng)證實(shí)了已知的解剖 學(xué)上不同處理區(qū)（視覺皮層.運(yùn)動(dòng)皮層.與說話和語言活動(dòng)相關(guān)的Broca區(qū)）,.fMRI作為一種把大腦活動(dòng)與特定任務(wù)或感受過程聯(lián)系起來的成像技術(shù)其主 要優(yōu)點(diǎn)包括：（1）不需要注射放射性同位

5、素；（2）所需的總掃描時(shí)間很短；（3）功能圖像平面中的分辨率通常約 1.5mm 1.5mm（小于1mm的分辨率是 可能的人與以PET方法得到的功能圖像相比PET要注射放射性同位素多次采集（因 而增加了成像時(shí)間）.此外.PET圖像的分辨率比fMRI的象素尺寸要大得多"而 且PET通常要用多個(gè)人的腦圖像結(jié)合起來以得到可靠的信號.因而個(gè)體病人的信 息被平均掉了雖然這些限制對許多神經(jīng)科學(xué)方面的應(yīng)用仍可適用 但它們對于 評價(jià)特定病人的神經(jīng)外科和治療計(jì)劃不是最合適的 “fMRI方法盡管fMRI是很有前途的一種技術(shù)但它還不能說是已經(jīng)完全確立的技術(shù)， 因?yàn)閷λ婕暗臏?zhǔn)確機(jī)理可靠的檢查步驟以及應(yīng)用方面

6、的限制都還沒有嚴(yán)格 地建立起來*例如.目前的fMRI技術(shù)是建立在局域血流和血液氧合變化的基礎(chǔ) 上的.如果病人的病理?xiàng)l件或服用的藥物會(huì)改變局域血流和血液氧合則又將會(huì)怎樣.此外.大家都知道磁共振成像本身可以有很多種變化的方法例如在成像脈沖的序列上就有許多不同的種類”fMRI成像的序列也可以根據(jù)不同的成像目的 而有很大的不同所以現(xiàn)在有許多不同的成像序列用于各種不同的檢查 卜事實(shí)上 隨著這種技術(shù)的發(fā)展以往為其它應(yīng)用而開發(fā)的大量成像序列現(xiàn)在都被試用在 fMRI 上 看看是否有用對fMRI序列的要求主要包括對被測參量的敏感性成 像的穩(wěn)定性.以及對偽像的不敏感性”此外.成像速度始終是一個(gè)重要的考慮因素:目前

7、fMRI的大部分要求看來都可以由某種 EPI的變型來滿足不過這些要 求是在迅速發(fā)展的.由于EPI成像對硬件設(shè)備有很高的要求（昂貴的全身梯度線圈 以及能快速切換大電流的放大器）.所以新開發(fā)的成像序列首先應(yīng)考慮要能達(dá)到 EPI的速度.且要能在常規(guī)的成像設(shè)備上使用而且還不清楚EPI是否能始終保 持作為穩(wěn)健和準(zhǔn)確的fMRI檢查的首選方法例如.已經(jīng)有人提出利用某種梯度 回波和自旋回波的結(jié)合如口 GRASE.來利用梯度回波和自旋回波的優(yōu)點(diǎn).同時(shí) 激勵(lì)機(jī)制、信號源.以及偽像源的特征方面的進(jìn)展和考慮都會(huì)繼續(xù)影響fMRI成像序列設(shè)計(jì)的方向.下面是一些新的fMRI成像序列所用的新技術(shù)”1. 成像序列a.交替回波（

8、Interleaved Echos）增加GRE序列的T2*靈敏度典型地會(huì)延長TE它導(dǎo)致TR和成像時(shí)間的增 加"新的fMRI序列試圖保持或增加 T2*的權(quán)重同時(shí)減少總的成像時(shí)間“對于常 規(guī)的GRE成像序列所需的長TE意味著有相當(dāng)一部分時(shí)間（用于等待靈敏度的積 累）沒有被充分利用“改善成像效率的一種途徑是用“回波偏移：即激勵(lì)和梯度 回波的形成被多個(gè)TR分割”這樣的序列如圖2所示其中序列TE比序列TR長" 由第一個(gè)RF脈沖激勵(lì)的自旋造成的梯度回波在第二個(gè)TR間期中重新聚焦“通過把在所希望延時(shí)回波時(shí)間處的相位與每一個(gè)主梯度同相并且與其它的可能梯度和自旋回波錯(cuò)相.就可以實(shí)現(xiàn)偏移的回波

9、“b. K空間置換（K-Space Substitute n）注射造影劑的fMRI可能是對成像序列的時(shí)間分辨率有最高的要求因?yàn)樗?得的結(jié)果與在注劑迅速通過組織的第一次循環(huán)中能否得到足夠的圖像數(shù)十分有 關(guān).因?yàn)镃BV/CBF的估計(jì)直接與能夠從所得數(shù)據(jù)作出多精確的濃度時(shí)間曲線有關(guān).能夠用BOLD法（時(shí)間分辨率的要求低）作fMRI研究的設(shè)備一般不能適應(yīng) Gd-DTPA法所要求的成像速率、為了能在常規(guī)的臨床設(shè)備上快速得到圖像（秒以 下）發(fā)展了一些改善圖像時(shí)間分辨率的方法，其中的一種方法是很快地獲得有限個(gè) 傅里葉空間的樣本并把丟失的數(shù)據(jù)（即傅氏空間中沒有采集的某些行數(shù)據(jù)）用在 開始動(dòng)態(tài)成像前的一次完整采

10、集中的數(shù)據(jù)來補(bǔ)足，這一技術(shù)是在傅氏空間取得較 低空間頻率的行數(shù)據(jù)而高頻信息是從一幅基準(zhǔn)圖像得到（圖3）.雖然這樣圖像 的采集時(shí)間可以減少到1/4并且看起來比不加基準(zhǔn)信息的要好一些 但動(dòng)態(tài)信 息含量并不因加了空間頻率而有所改善同時(shí)只有圖像低空間頻率的變化能觀察到.這限制了這種方法用于觀察較大和較均勻的圖像區(qū)域2. 處理方法通常做fMRI要在兩次不同采集（神經(jīng)刺激之前和之后）的結(jié)果之間作比較” fMRI的處理方法要能最優(yōu)地比較這些數(shù)據(jù)組并把找出的激活區(qū)疊加到相應(yīng)的 MR解剖學(xué)圖像上去形成一幅融合的圖像.fMRI的數(shù)據(jù)處理往往需要在圖像組之 間確定微小的誘發(fā)信號之差.這種變化的大小通常處在各種可能干

11、擾源的范圍內(nèi) （特別對1.5T的掃描儀）所以為了提高圖像的信噪比從而提高圖像間的差.通 常對多次采集數(shù)據(jù)取平均.隨著圖像數(shù)目和成像時(shí)間的增加那些非刺激性的過程.如病人的整體運(yùn)動(dòng) 和血液或CSF的脈動(dòng)都會(huì)導(dǎo)致虛假的信號變化.簡單的差值圖像很容易受這種偽 跡的影響.處理的目的就是要使最終的功能圖像不受這種與刺激無關(guān)的信號變化 的影響.并準(zhǔn)確地把激活區(qū)映射到相應(yīng)的解剖學(xué)圖像上去 .fMRI所得數(shù)據(jù)的處理可以說是這一領(lǐng)域中最零亂的部分有許多有趣的方法但很少標(biāo)準(zhǔn)化“除了基本的相減和t-tests以外.有ANOVAZ映射.功率譜分析. 時(shí)域相位偏移.以及頻域相位偏移等一直到復(fù)雜的質(zhì)點(diǎn)聚類分析“雖有那么多

12、的方法但用得不適當(dāng)反而會(huì)造成對 fMRI數(shù)據(jù)的錯(cuò)誤解釋"這些方法還必須做許 多驗(yàn)證才能用到臨床上去同時(shí)由于處理步驟的多樣性再加上各種序列和實(shí)驗(yàn)細(xì) 節(jié)的不同.所以很難對各單位的結(jié)果進(jìn)行比較a. 求差最初fMRI結(jié)果的處理只是求兩組平均數(shù)據(jù)的差標(biāo)準(zhǔn)的是靜息圖像的平均 和每一幅激活圖像求差（或與激活圖像的平均求差K這種簡單的方法很容易受噪 聲的影響、特別是對大信號中的小變化.同時(shí)它對刺激和靜息之間發(fā)生的運(yùn)動(dòng)沒 法區(qū)分:測試表明即使是亞象素的移動(dòng)在差值圖像中也會(huì)有相當(dāng)大的表現(xiàn).這種方法對圖像和象素中的亮度變化也很敏感往往激活區(qū)只能通過人工交互地給差 值圖像加一個(gè)閾值來確定.數(shù)據(jù)求差也可以在數(shù)

13、據(jù)采集時(shí)進(jìn)行.大部分的處理方法是在刺激開關(guān)期間采 集全部的數(shù)據(jù)組.也可以對相鄰TR循環(huán)的數(shù)據(jù)求差來得到一系列的圖像這樣 它們只反映兩個(gè)循環(huán)之間的信號差并對移動(dòng)偽差的敏感性降低，此外在顛倒刺激開和關(guān)順序的條件下采集不同的圖像就可以得到有開/關(guān)差值一倍的圖像，b. 激勵(lì)時(shí)程有關(guān)激勵(lì)時(shí)程的先驗(yàn)知識(shí)對于確定激勵(lì)的響應(yīng)是一種很重要的信息源，要設(shè)法利用這一信息.fMRI數(shù)據(jù)分析通?？梢钥闯墒且环N治療/響應(yīng)的模型.把刺激看作是一次治療.其目的是要考察數(shù)據(jù)看看治療對輸出（象素的亮度）是否有大 的影響.用這種簡單的模型.當(dāng)數(shù)據(jù)是在不平衡條件下取得時(shí)就會(huì)有問題當(dāng)圖 像的采集速率可以與血流動(dòng)力學(xué)的響應(yīng)時(shí)間可比時(shí)數(shù)據(jù)

14、可能是在過渡狀態(tài)下采集的.此外.因?yàn)檫@些響應(yīng)對于突然施加或去除的刺激有滯后性 所以如果數(shù)據(jù) 是在響應(yīng)還沒有開始時(shí)采集的則數(shù)據(jù)對治療作用的“標(biāo)注"就是完全錯(cuò)誤的（圖 4通常這些過渡的點(diǎn)在分析中要略去或者在采集前加一個(gè)延時(shí).與刺激同步、 并以長得多的時(shí)間來采集的圖像往往可以忽略這種過渡效應(yīng).通常fMRI是觀察在不同神經(jīng)活動(dòng)條件下（典型的情況是加刺激和靜息）所采 集的信號差為基礎(chǔ)的.通常這種過程對稍有移動(dòng)和失配是很敏感的 所以這兩種 狀態(tài)要在同一次成像期間進(jìn)行.往往采用短的刺激和靜息間期反復(fù)進(jìn)行以防止 信號的飽和.并能對信號作平均.以提高信噪比.fMRI是一種建立在血流動(dòng)力學(xué)響應(yīng)基礎(chǔ)上的技

15、術(shù) 所以它和PET或SPECT 的應(yīng)用領(lǐng)域有所重疊：.但由于fMRI高的空間和時(shí)間分辨率（空間分辨率為幾毫米 時(shí)間分辨率小于1s）沒有輻射.以及低的成本它將會(huì)在臨床上獲得更多的應(yīng)用. 至于與MEG和EEG的關(guān)系.由于它們之間的機(jī)理是非常不同的所以它們提供 的信息是互補(bǔ)的/艮可能將來在臨床上會(huì)用多種模態(tài)的方法來取得更全面的信息.應(yīng)用1.實(shí)例功能性磁共振信號的大小和血液有關(guān).血液在灰質(zhì)中只有約 6% 在白質(zhì)中 更少所以在腦激發(fā)時(shí)的血流動(dòng)力學(xué)信號改變是很小的 .對于中等磁場強(qiáng)度（1.5T） 為25% 在4T時(shí)約15% 盡管如此只要圖像有適當(dāng)?shù)男旁氡冗@種變化還是 清晰可見的.圖5是視覺皮層V1在光刺激

16、下信號改變的圖像它是在8Hz光圖 案的刺激下、在禽距溝層面的圖像.上左圖是在黑暗時(shí)的圖后四幅圖是與它相 減.在禽距溝處可見信號的增加.圖6是在光刺激下禽距溝附近一個(gè)小面積上的 信號強(qiáng)度變化，從圖6可以看到刺激后fMRI信號要經(jīng)過一段時(shí)間才達(dá)到其峰值即存在一 定的滯后性"這個(gè)數(shù)值顯然大于實(shí)際的神經(jīng)響應(yīng)時(shí)間，這種滯后的大小對不同的 腦區(qū)和不同的刺激方式都會(huì)有不同.關(guān)于fMRI的空間分辨率”從標(biāo)準(zhǔn)的MRI技術(shù)來講.分辨率可以達(dá)到100 pm 左右.但對于fMRI來講它受到一系列的限制.磁共振的信號是腦組織內(nèi)生的 是相當(dāng)小的.要提高空間分辨率就使每個(gè)象素的 MR信號能量變得更小而同時(shí)噪聲水平

17、卻幾乎不變.因此信噪比以體素大小的三次方下降、.目前fMRI禾I用的 都是百分之幾的信號改變所以一定要有相當(dāng)高的信噪比才能觀察這種變化.2.方法及過程a.圖像采集：圖像是用T2*加權(quán)梯度回波序列采集：TE=60ms反轉(zhuǎn)角=90?用 的是GE公司的1.5T磁共振成像系統(tǒng).這一系統(tǒng)配有平面回波選件能提供極快 速的圖像采集通常層厚設(shè)在5mm 不過可以薄到3mm 可以同時(shí)采集沿任意 合適平面取向的接續(xù)的16個(gè)層面圖像（在較長的采集時(shí)間時(shí)可以到 21個(gè)層面人 每個(gè)成像序列約需30個(gè)完整頭部體積的采集.b.試驗(yàn)過程：病人與對象在掃描儀中與常規(guī)掃描一樣定位同時(shí)平面線根據(jù)常規(guī)成像方法設(shè)置"在一次典型的功能性成像序列中在90s運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間內(nèi)采集30幅圖像.其中最初和最后10幅圖像為基線條件.而中間的10幅圖像（30s）是一次 試驗(yàn)所采集的.例如.在一次設(shè)計(jì)做確定包含手和手指運(yùn)動(dòng)的腦組織區(qū)的典型試 驗(yàn)中.病人在活動(dòng)期打手指.這一活動(dòng)期的開始和末尾由一視覺或聽覺信號提