功能磁共振成像技術(shù)的研究進(jìn)展

功能磁共振成像技術(shù)的研究進(jìn)展

自10年前發(fā)表了《功能磁共振成像》一文以來，該算法能夠準(zhǔn)確地定位神經(jīng)活動(dòng)，具有較高的空間和時(shí)間分辨率、良好的重復(fù)性和可行性等優(yōu)點(diǎn)。已成為大腦功能成像發(fā)展最快的新技術(shù)之一，并在核電站數(shù)學(xué)的基礎(chǔ)研究領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，如視覺、運(yùn)動(dòng)、感覺、聽覺、感知、語(yǔ)言、音樂、記憶等。同時(shí),fMRI的臨床應(yīng)用前景也很廣闊,一些文獻(xiàn)報(bào)道fMRI可應(yīng)用于神經(jīng)內(nèi)科、神經(jīng)外科和精神性疾病的診斷和治療。筆者就fMRI的原理以及它在腦腫瘤、癲癇和神經(jīng)可塑性方面的臨床應(yīng)用綜述如下。1asl技術(shù)的應(yīng)用特點(diǎn)fMRI是一種通過血流和/或代謝的改變來反映主要組織對(duì)比的MR掃描技術(shù)。這些組織的信號(hào)差別十分細(xì)小,但現(xiàn)代MR掃描儀器性能非常穩(wěn)定,足以準(zhǔn)確檢測(cè)到這些細(xì)小的差別。應(yīng)用于fMRI的主要增強(qiáng)機(jī)制有:血氧水平依賴性增強(qiáng)(bloodoxygenationleveldependent,BOLD)和動(dòng)脈自旋標(biāo)記性灌注增強(qiáng)(arterialspinlabeling,ASL)。BOLD-fMRI是利用內(nèi)源性血紅蛋白作為對(duì)比劑,通過血氧飽和度的變化實(shí)現(xiàn)的成像方法,反映了血流、血容量和血紅蛋白氧合作用三者之間的相互作用關(guān)系。當(dāng)腦功能區(qū)受到刺激,局部活動(dòng)增強(qiáng)時(shí),鄰近血管床的血流和血容量增加,此增加值高于局部氧代謝所需的量(這種不匹配的具體機(jī)制還不明確),使得腦功能活動(dòng)區(qū)的局部氧合血紅蛋白含量高于非活動(dòng)區(qū),即腦功能活動(dòng)區(qū)的脫氧血紅蛋白含量低于非活動(dòng)區(qū),脫氧血紅蛋白作為順磁性物質(zhì)縮短T2的作用亦減少,因此在T2WI/T2*WI上腦功能活動(dòng)區(qū)的信號(hào)強(qiáng)度高于非活動(dòng)區(qū)。ASL技術(shù)則是利用反轉(zhuǎn)脈沖標(biāo)記動(dòng)脈血中的氫質(zhì)子作為示蹤劑測(cè)量腦血流(CBF),并將標(biāo)記前后采集的圖像進(jìn)行對(duì)比,從而獲得能夠反映組織血流灌注情況的MR圖像。在成像層面供血?jiǎng)用}的流入側(cè)施加反轉(zhuǎn)脈沖,使血中氫質(zhì)子的磁化矢量發(fā)生反轉(zhuǎn),引起動(dòng)脈血的T1時(shí)間延遲,由此而獲得標(biāo)記后的圖像,再減去不施加反轉(zhuǎn)脈沖的標(biāo)準(zhǔn)圖像即可得到灌注圖像。ASL技術(shù)可利用特異性較好的物理單位ml/100g·min直接定量CBF。相對(duì)于非臨床性fMRI(神經(jīng)生理性fMRI)而言,臨床性fMRI的執(zhí)行相對(duì)困難。首先,研究設(shè)計(jì)階段,臨床fMRI刺激方案必須適合患者的特殊病理狀態(tài),例如:要求一位癱瘓者去完成某項(xiàng)復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)功能是不可行的;其次,數(shù)據(jù)采集階段,臨床fMRI的研究時(shí)間必須局限在患者可耐受的時(shí)間段內(nèi);第三,圖像后處理階段,必須認(rèn)真過濾臨床fMRI數(shù)據(jù)以消除由預(yù)先存在的腦部病變所引起的偽影信號(hào);最后,讀片階段,由患者所獲取的臨床fMRI結(jié)果難以解讀,且通常需要與金標(biāo)準(zhǔn)(如術(shù)中所見)相對(duì)比才能確認(rèn)。因此,臨床性fMRI的應(yīng)用是影像學(xué)的巨大進(jìn)步。2組織血流灌注fMRI的先進(jìn)性極大地拓展了它在臨床神經(jīng)科學(xué)方面的應(yīng)用。由于ASL技術(shù)可直接定量CBF,反映組織血流灌注情況,因此較多應(yīng)用于心腦血管缺血性疾病的診斷。但ASL技術(shù)難以實(shí)施,成像范圍小,激活區(qū)信號(hào)改變較少,而BOLD增強(qiáng)容易獲得,同時(shí)可提供較高的信噪比,因此BOLD-fMRI是目前fMRI最常用且最敏感的技術(shù)。2.1醫(yī)院fmri成像的臨床應(yīng)用fMRI在定位腦功能活動(dòng)區(qū)方面具有較高的敏感性,因此fMRI最早應(yīng)用于臨床即是腦腫瘤患者術(shù)前功能區(qū)的定位。手術(shù)切除腦腫瘤時(shí),正確辨認(rèn)中央溝、中央前后回對(duì)確認(rèn)功能區(qū)是至關(guān)重要的;但實(shí)際手術(shù)過程中做到這點(diǎn)卻比較困難,一是由于術(shù)野暴露的限制,二是由于病變常引起正常解剖結(jié)構(gòu)的變形、移位,fMRI的出現(xiàn)使術(shù)前無(wú)創(chuàng)傷性地顯示腦內(nèi)病灶與其鄰近重要功能區(qū)之間的關(guān)系成為現(xiàn)實(shí)。神經(jīng)外科醫(yī)師通常借助傳統(tǒng)的解剖標(biāo)記定位中央?yún)^(qū)附近的腦腫瘤,fMRI除可清楚辨認(rèn)傳統(tǒng)解剖標(biāo)記之外,還為臨床醫(yī)師提供了額外的功能解剖標(biāo)記,如手運(yùn)動(dòng)結(jié)節(jié)(hand-motorknob)和中央溝靜脈(centralsulcalvein),它們?cè)趂MRI圖像上的共同特點(diǎn)是:易于辨認(rèn),恒定存在,具有較高的可信度和實(shí)用性。Lehericy等聯(lián)合應(yīng)用傳統(tǒng)的解剖標(biāo)記和額外的fMRI標(biāo)記確定腫瘤與鄰近腦功能區(qū)之間的關(guān)系,87%的患者取得了成功。尤其當(dāng)腫瘤及其周圍水腫引起顯著的占位效應(yīng)時(shí),傳統(tǒng)的解剖標(biāo)記無(wú)法應(yīng)用,更顯示了fMRI標(biāo)記的獨(dú)特價(jià)值。手術(shù)治療腦腫瘤的目的在于盡可能保留腦功能皮層的情況下最大限度地切除腫瘤。fMRI應(yīng)用于臨床之前,神經(jīng)外科醫(yī)師主要是用侵襲性方法(如皮層電刺激等)進(jìn)行術(shù)中定位,不僅延長(zhǎng)了手術(shù)時(shí)間,也使得術(shù)野暴露過大。如果患者術(shù)前通過fMRI進(jìn)行解剖和功能定位,并將fMRI信息登錄在立體定向神經(jīng)外科手術(shù)導(dǎo)航儀上,即可術(shù)中導(dǎo)航,從而有效的彌補(bǔ)術(shù)中定位的缺陷。研究表明fMRI定位與術(shù)中定位的金標(biāo)準(zhǔn)比較相關(guān)系數(shù)為0.81～1,平均登錄誤差僅約2mm。一旦腦腫瘤定位在中央?yún)^(qū),評(píng)價(jià)術(shù)后功能缺失的發(fā)生率就變得尤為重要。Yetkin等研究認(rèn)為當(dāng)腫瘤邊界與腦功能激活區(qū)之間的距離>2cm時(shí),患者術(shù)后不會(huì)出現(xiàn)功能缺失,手術(shù)切除是安全的;隨著兩者距離的減少,功能缺失的幾率增加,當(dāng)腫瘤邊界距離腦功能激活區(qū)<1cm時(shí),50%的患者術(shù)后會(huì)出現(xiàn)功能缺失。以前認(rèn)為腫瘤的生長(zhǎng)主要引起功能皮層的移位而不是分散,因此可以沿腫瘤邊界切除腫瘤而不損傷功能區(qū)。近來這種說法受到了挑戰(zhàn),因?yàn)閒MRI和術(shù)中皮層電刺激均發(fā)現(xiàn)在神經(jīng)膠質(zhì)瘤內(nèi)存在明顯的功能激活區(qū);同時(shí)Holodny等認(rèn)為雖然血管反應(yīng)和/或局部微血管壓力的改變使功能區(qū)的激活信號(hào)明顯降低甚至無(wú)信號(hào)激活,但此時(shí)皮層中樞仍可能有功能,這就要求手術(shù)人員慎重分析,防止誤切,產(chǎn)生后遺癥。ASL技術(shù)應(yīng)用于腦腫瘤診斷的研究較少。Gaa等通過計(jì)算ASL灌注增強(qiáng)圖像中腫瘤區(qū)域與正常腦白質(zhì)的MR信號(hào)強(qiáng)度比來診斷腦腫瘤,他們的研究發(fā)現(xiàn):腦膜瘤的腫瘤白質(zhì)信號(hào)比最高,低組織學(xué)分級(jí)的膠質(zhì)瘤、淋巴瘤最低,而高組織學(xué)分級(jí)的膠質(zhì)瘤介于其間,并有明顯的不均勻性。2.2fmri的語(yǔ)言功能定位和治療設(shè)備的改進(jìn)對(duì)難治性顳葉癲癇來說,顳葉切除術(shù)比藥物治療效果好,它可以更好地控制癲癇發(fā)作,降低死亡率。但顳葉切除術(shù)的成功與否和海馬的切除范圍以及由此引起的功能缺失密切相關(guān),最常見的術(shù)后并發(fā)癥是由于切除了優(yōu)勢(shì)/副優(yōu)勢(shì)半球引起的語(yǔ)言和記憶缺失以及視覺通路受損引起的上層視野缺損,前者后果相對(duì)要嚴(yán)重得多。這就要求神經(jīng)外科醫(yī)師必須同時(shí)衡量顳葉切除術(shù)的益處和它可能導(dǎo)致語(yǔ)言或記憶缺失的風(fēng)險(xiǎn)性,因此術(shù)前對(duì)患者語(yǔ)言優(yōu)勢(shì)半球的確認(rèn)以及記憶功能的定位至關(guān)重要。1960年Wada提出的頸動(dòng)脈異戊巴比妥實(shí)驗(yàn)(intracarotidamobarbitaltesting,IAT)是術(shù)前語(yǔ)言和記憶功能定位的金標(biāo)準(zhǔn),但它有創(chuàng),具有很大風(fēng)險(xiǎn)性。許多學(xué)者證實(shí)fMRI在語(yǔ)言功能定位方面與IAT一致性較好,包括Fernandez等應(yīng)用實(shí)時(shí)fMRI即時(shí)獲得的圖像。但利用BOLD成像確認(rèn)語(yǔ)言優(yōu)勢(shì)半球和語(yǔ)言相關(guān)皮層時(shí),最佳刺激方式的選擇仍有爭(zhēng)議:Benson等采用語(yǔ)詞流利性刺激,而Binder等則采用語(yǔ)義刺激。相比較而言,前者Broca區(qū)有明顯激活,但后語(yǔ)言區(qū)缺乏顯著激活,因此大多數(shù)研究者主張采用后一種刺激方案。Bellgowan等研究表明fMRI有助于癲癇患者記憶功能的定位。但記憶系統(tǒng)的復(fù)雜性阻礙了這方面fMRI刺激方案的發(fā)展,不同類型的記憶刺激與不同的皮層區(qū)域有關(guān),尤其是參與語(yǔ)詞性/非語(yǔ)詞性記憶的皮層不同。值得注意的是:fMRI可以評(píng)價(jià)全腦的功能,而IAT主要針對(duì)病灶局部,因此Killgore等提出盡管最初認(rèn)為無(wú)創(chuàng)的fMRI可以取代IAT,其實(shí)兩者的診斷價(jià)值是互補(bǔ)的。ASL技術(shù)和正電子發(fā)射計(jì)算機(jī)體層成像(positronemissiontomography,PET)均證實(shí)癲癇發(fā)作時(shí)常伴隨有局部腦血流(rCBF)和代謝的顯著降低。常規(guī)影像學(xué)檢查方法對(duì)頑固性癲癇病灶難以精確定位,而利用腦內(nèi)異常放電觸發(fā)BOLD成像則可以對(duì)異常放電的位置和范圍進(jìn)行檢測(cè)。但癲癇發(fā)作時(shí)的異常電活動(dòng)傳播極為迅速,常在幾千毫秒內(nèi)即從初始致癇灶傳至其他皮層/皮層下組織,甚至對(duì)側(cè)半球,從而使得fMRI上有多處皮層激活區(qū)而無(wú)法明確初始致癇灶,fM-RI掃描技術(shù)和分析方法的改進(jìn)有望解決這個(gè)問題。尤其MRI兼容設(shè)備的發(fā)展使得fMRI與腦電圖(electroencephalogram,EEG)配合使用,fMRI較高的空間分辨率可精確定位致癇灶,同時(shí)EEG很好的時(shí)間分辨率可清楚區(qū)分不同激活灶的先后順序,故可以精確定位異常放電時(shí)的局部代謝改變。這樣神經(jīng)科醫(yī)師即可檢查具有亞臨床電活動(dòng)的癲癇患者,避免了掃描發(fā)作患者的危險(xiǎn)性和運(yùn)動(dòng)偽影的產(chǎn)生,大大提高了檢查安全性和診斷準(zhǔn)確性。同時(shí)fMRI-EEG還可以提供腦內(nèi)單/多灶性異常放電的相關(guān)解剖和病理生理信息。2.3運(yùn)動(dòng)功能皮質(zhì)重組腦內(nèi)病灶對(duì)內(nèi)部腦組織的擠壓、推移引起相應(yīng)腦功能區(qū)的機(jī)械移位,或由于其他多種因素引起的功能區(qū)移向鄰近皮層,這種功能移位被稱為“神經(jīng)可塑性”。Bittar等研究表明腦內(nèi)病灶的存在會(huì)改變腦功能區(qū)的成像特點(diǎn),出現(xiàn)以下一種或幾種情況:功能區(qū)范圍增大,功能區(qū)移位到另一解剖區(qū)域,或出現(xiàn)額外的功能區(qū)。Alkadhi等研究中央?yún)^(qū)動(dòng)靜脈畸形(AVM)患者的神經(jīng)可塑性時(shí)發(fā)現(xiàn)主要有3種類型的運(yùn)動(dòng)功能皮層重組:(1)患側(cè)受累及的主要運(yùn)動(dòng)區(qū)發(fā)生移位;(2)患側(cè)未受累及的主要運(yùn)動(dòng)區(qū)仍有激活;(3)非主要運(yùn)動(dòng)區(qū)的功能明顯激活。Cao等證實(shí)中風(fēng)患者健側(cè)半球運(yùn)動(dòng)皮層的激活明顯高于對(duì)照組,同時(shí)副運(yùn)動(dòng)皮層和病灶周圍均有激活。神經(jīng)可塑性同樣發(fā)生在運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)之外。Bilecen等對(duì)一位施行右側(cè)聽神經(jīng)切除術(shù)的聽神經(jīng)瘤患者進(jìn)行的隨訪證實(shí)聽覺皮層也存在功能重組現(xiàn)象:術(shù)前患者雙側(cè)聽力均正常,但患側(cè)聽覺皮層的激活程度僅相當(dāng)于健側(cè)的1/5;術(shù)后患者右側(cè)聽力完全喪失,但隨著時(shí)間的延長(zhǎng),患側(cè)聽皮層的激活程度逐漸增強(qiáng),1年后兩側(cè)聽力完全對(duì)稱。當(dāng)然,人們對(duì)神經(jīng)可塑性的生理機(jī)制還不了解,但上述研究均表明fMRI有助于客觀評(píng)價(jià)神經(jīng)系統(tǒng)疾病各種治療方法的有效性以及患者術(shù)后功能的恢復(fù)情況。3fmri的不足目前國(guó)內(nèi)外學(xué)者的研究多偏重于BOLD-fMRI的臨床應(yīng)用。但是相對(duì)BOLD-fMRI而言,ASL技術(shù)具有一定優(yōu)勢(shì)。由于其大多采用減影的方法分析標(biāo)記前后信號(hào)的差別,因此ASL圖像的運(yùn)動(dòng)偽影和基線偏移顯著減少,特別是它可絕對(duì)定量CBF的能力對(duì)臨床研究極為有利。Aguirre等證實(shí)ASL技術(shù)采集的任務(wù)激活信號(hào)個(gè)體差異較小且信號(hào)噪聲穩(wěn)定,因此適于研究較長(zhǎng)時(shí)間段內(nèi)腦功能的緩慢波動(dòng)。同時(shí)有些研究也證實(shí)ASL技術(shù)獲得的功能信號(hào)改變具有更高的空間和時(shí)間分辨率。因此未來幾年中,fMRI中ASL技術(shù)的應(yīng)用將越來越廣泛。然而,作為一項(xiàng)新技術(shù),fMRI還存在一些不足之處,有待進(jìn)一步改進(jìn)。消除頭部運(yùn)動(dòng)偽影:fMRI圖像中信號(hào)強(qiáng)度的改變非常細(xì)小且分散,易被其他多種信號(hào)污染,主要的污染源即掃描過程中頭部的運(yùn)動(dòng)。最初人們借助工具來固定頭部,現(xiàn)在著重研究新的刺激方案減少患者頭部運(yùn)動(dòng),Lee等研究認(rèn)為:主動(dòng)性任務(wù)(如主動(dòng)捏海綿)和被動(dòng)性任務(wù)(如被動(dòng)接受刷手)在感覺運(yùn)動(dòng)區(qū)的激活程度大致相同,但后者產(chǎn)生的頭部運(yùn)動(dòng)偽影少得多。同時(shí),掃描前對(duì)患者進(jìn)行培訓(xùn)以取得患者的合作對(duì)于任務(wù)的完成及減少頭部運(yùn)動(dòng)都是必需的。fMRI激活信號(hào)的缺失:利用fMRI定位功能活動(dòng)區(qū)具有較好的空間準(zhǔn)確性。但皮層內(nèi)缺乏fMRI激活信號(hào)不一定提示該區(qū)內(nèi)缺乏神經(jīng)電活動(dòng),也不意味著外科切除是安全的。因?yàn)樵S多病理情況都會(huì)削弱局部血流動(dòng)力學(xué)反應(yīng),進(jìn)而降低fMRI激活信號(hào)強(qiáng)度:(1)病灶的占位效應(yīng)和周圍水腫均可引起機(jī)械性血管收縮;(2)某些腦腫瘤內(nèi)的代謝改變會(huì)引起局部組織pH值改變,從而消除生理性血流動(dòng)力學(xué)反應(yīng);(3)治療性藥物影響血流動(dòng)力學(xué)的自動(dòng)調(diào)節(jié)機(jī)制;(4)血管畸形的周圍可能存在微血管結(jié)構(gòu)的改變。這些負(fù)面的結(jié)果還有待進(jìn)一步研究。減少靜脈偽影:腦功能活動(dòng)時(shí)局部血流速度的增加和血流量的增