脑部核磁共振

脑部核磁共振 摘要:功能性磁共振成像技术(fMRI)是研究大脑认识思维活动过程的强有力工具。本文阐述fMRI信号变化的物理基础和fMRI的成像新技术，分析了fMRI中的硬件特.汽，并展望了fMRI成像方法的前景。 1引言 近几年，认识神经科学已经成为神经科学一个重要发展领域。认识神经科学将认识心理学的实验方法与各种技相结合来研究脑功能如何完成精神活动。人对脑的研究历史虽长，但早期的研究是根据在脑组织局部损伤后观察脑功能的变化的结果得出的。七十年代CT和PET的相继问世，它们开辟了脑功能研究的新时代。MRI是与CT和PET同时代出现的技术。然而，对正常人脑研究成像技术的是脑功能核磁共振成像，没有任何方法象用脑功能磁共振成像方法令系统神经学家、认知心理学家和临床工作者激动。MRI虽提供了第一流的解剖信息，但内在于MRI数据里有更为重要的脑代谢和生理信息。Fox，P.T.等人〔1，2〕在八十年代中期发现在神经元活动变化时组织中的氧含量有局部变化。从此，脑功能成像的MRI时代开始了!Paul-ins等人[3]在1936年也观察到由血红蛋白含氧量改变对磁场有一定程序的扰动。结合Fox，P.T.等人的发现和Paul-ing等人的观察，ogawa，5.[4〕和KwoNG，K.[5]等人在1992年在活体上 证明 住所证明下载场所使用证明下载诊断证明下载住所证明下载爱问住所证明下载爱问 用MRI可以测量血中氧含量。脑生理学和核磁共振物理学独特结合产生了依赖血氧水平(Bl。叉1一ox路en一level一dependent，或田LD信号)MRI信号，随后出现了大量在脑功能研究应用fMRI的文献。可以预料商品fMRI很快进入市场。功能性磁共振成像技术(fMRI)是将传统磁共振成像的高分辨率解剖成像能力与核示踪的血流动态的特异性结合起来，将人脑的功能精确地投影到基本的解剖，从而成为研究大脑认识思维活动过程的强有力工具。 2MRI信号的物理基础 一些原子核如H1、C13,P31有自旋和磁矩，行为上象一个旋转的小磁体。核磁共振成像就是利用这些原子核的自旋磁矩。当核磁矩置于静态磁场(B00时，它导致核自旋投影对于磁场量化。平行于和逆平行于磁场方向的频率差正比于磁场强度，即遵从La~r关系:v=(r/2π)B0，其中下表示某一原子核的旋磁比率特性。在核磁共振时，用外部Larmor频率的射频(RF)场可以感应出这两个自旋方向之间变迁。使用一个接收线圈可以测量核磁共振时自旋方向变迁发射的RF信号。在MRI中，使用一个“梯度”磁场使场线性依赖于位置，这样建立Lar~r频率和位置的直接联系来测量磁核的空间分布。在采集NMR信号期间，梯度线圈沿正交的三个轴方向脉冲激励使NMR信号含有空间信息。在NMR信号存储于计算机后，利用多维付立叶变换可获得水分子空间分布的图像。不同点信号强度的差别产生有对比度的图像。由于人体中水分子浓度很高，NMR信号较强，所以MRI在解剖上有较高的分辨率。 为了了解神经活动，人们对伴随神经活动的生理现象进行了大量研究，并发现脑活动的变化伴随着局部脑血流(rCBF)、容积(rCBV)、和氧代谢率(rCMR姚)的变化，而这些生理或代谢参数的变化对NMR张驰时间几’或Tl有影响，因此，MRI通过测量这些参数来对脑功能成像。在MRI中，水分子质子自旋的BF激励的自旋进入该区域，回到平衡态的速度增加，即Tl缩短，所以，脑活动引起的血液变化可由水分子的T，测量来完成。在脉冲激励“0”状态时，NMR呈指数衰减，衰减常数几称为横向张驰时间。如果所加的场不均匀、空间上随体积元变化，那么，不同体积元的信号不同相，使几更短。不均匀磁场场下的几记为T2。B0不均匀有两个原因:(1)磁体有缺陷或脑组织的不均匀造成的宏观上不均匀(记为m)，(2)顺磁对比物质引起的微观上磁化率不均匀(记为妇。这样场的变化对几u的影响可表示为: 3脑功能的核磁共振成像中的成像新技术 自从MRI一问世，它的应用就受长时间的数据采集所限制，因为长时间的数据采集意味着不能对动态变化和事件成像，否则，成像是模糊不清。然而，增加的神经元放电和脑血流动力学和代谢的变化之间的联系是很快的。因此，脑功能的核磁共振脑功能必需有新的成像技术突破。为了提供核磁共振成像速度，人们做了大量工作，研究出了快速MRI方法，发现了人体固有的对比机制。 3.1快速MRI方法 3.2新的对比示踪剂 对比示踪方法有外源性和内源性两种:?被称为Gd-DIPA的鳌合物作为血容积的外源性示踪剂〔“〕。Gd一DTPA注入静脉，在心脏内与血液混合后到达大脑，利用快速MRI方法可以观察血流变化。局部信号变化转化为浓度一时间曲线，进一步可以计算rCBV。?基于血红蛋白的内源性的对比机制发现。Bell实验室的ogaw。等人川在1990年发现组织内净脱氧血红蛋白含量会导致组织的磁化率变化。氧合血红蛋白有逆磁性，当它脱去氧分子时成为氧血红蛋白。脱氧血红蛋白有顺磁性。血液中有顺磁性的分子存在时血管和它周围组织之间的磁化率不同。这时对比机制称之为BO功(是Bl以〕d一ox龙en一level一dependent之缩写)，意识是依赖于血氧水平的。由于血液氧合状态决定13〔)LI)对比机制，而生理事件会改变血红蛋白与脱氧血红蛋白的比率，所以，生理事件本身提供了适合于非侵入检测途径。也就是说，在高强度磁场下，利用在梯度一回波成像技术检测B()LD对比度的衰减就可以检测生理事件对应的脑功能图像。 正是这些对比机制与快速成像技术的结合才实现人脑映像的真正革命。第一次成功显示人脑活动是将高速成像技术与B〔)1」〕对比机制结合起来完成的。这些人脑活动的初 始显示表明，在被刺激后活动的皮质区域NMR信号强度的变化可以由高灵敏度的设备可靠地测量。更为重要的是，这些显示表明NMR信号的变化是真动态的，在神经元活动数秒后NMR信号变化就发生。所以，这些早期实验结果常放成电影图像，实现时间维的断层脑功能成像。动态fMRI这样诞生了。 4脑功能的MRI硬件 要求 对教师党员的评价套管和固井爆破片与爆破装置仓库管理基本要求三甲医院都需要复审吗 MRI的基本结构包括磁体、RF源、RF接收线圈和计算和显示装置。fMRI现已进入神经科学研究领域，并在技术上显示出很大优势，而且，传统的MRI难于满足研究的要求，无论是研究领域还是将来在临床应用fMRI都有很大的市场潜力。与传统的MRI相比较，脑功能的MRI硬件有一些特殊要求。 虽然目前大多数脑功能研究使用的MRI是商品MRI系统，磁场强度在1.5一ZT，然而，以B()1刀对比机制的MRI系统随着场强增加信号变化也增加。由于外源性示踪剂需要静脉注射，而且限制了在一个受试者身上测量次数，逐渐普遍使用的B《〕LD对比机制意味着传统MRI系统的场强不能满足要求。传统的MRI能够识别0.scm大小的脑活动区域。在高强磁场下可以挖掘事件相关的fMRI的全部潜能，在每次测试中产生稳定的图像，目前，已有用4T的MRI观察脑功能的特性。磁场强度为7T的MRI设备也安装了并通过动物安全性的试验。 RF源和线圈没有什么新的要求，但是，在高于ZT的磁场下脑功能研究需要专用的RF源和RF线圈。为了迅速开关梯度磁场满足毫秒级成像速度，新的fMRI需要平板的梯度线圈。高分辩率EPI要求比传统MRI更高功率梯度放大器，或使用专用的高效插入梯度线圈。插入梯度线圈直径小。目前，高功率梯度放大器和插入梯度线圈在市场已有。另外，新的处 理软件已经开发出来，但难以在现有临床使用的MRI上安装。 5脑功能的MRI的展望 脑成像技术的发展方向就是提高时间分辨率。将高速EPI技术能成功地映象快速地血流动力学变化。然而，即使变化在秒数量级，甚至几百毫秒数量级，“快速”还是一个相对术语。当然“快速”可以达到跟踪与一系列任务和状态变化同时发生的思维活动，它显然还不能够在数十或几百毫秒时间坐标上观察到跨皮质发生的神经元活动。目前，能够在这样短的时间坐标上分辨脑活动的非侵入方法有EEG和脑磁图(MEG)。遗憾地是，这些技术的空间分辨率很粗糙。为了克服这个局限，将EEG和MEG的时间分辨率与fMRI的空间分辨率结合起来研究新方法。有了这种方法，研究与感觉和认识事件有关的神经元活动，并描绘出它们精确、和谐的时空图将成为可能。 fMRI使用成像技术在时域上扩展，使它成为脑功能映象主要方式。虽然，fMRI近来的飞速发展，这两项进展使得fMRI领域保持发展的势头。第一，高磁场强度和改进的射频接收线圈技术。由于不断地追求更高磁场和射频接收线圈技术改进后，MRI信噪比还没有达到平稳期，因此，它还可以在这些技术上继续提高。第二，新的、更先进的数据分析方法出现。对于数据的真正灵敏度和特异性，新的数据分析方法可以使我们更好地理解它们。对于日益出现的关于脑行为的复杂假说，新的数据分析方法可以提高我们解决它们的能力。因此，我们有理由相信下一个五年fMRI领域至少保持同样的速度，在我们的共同努力下，脑功能映象是一个高时空分辨率新时代。 6参考文献 1Fox，P，T.etal.Proe.Natl.Aead.SeiUSA，1986;83:1140一1144 2FOx，PT.etal.Seienee，1988;241;462一464 3Pauling，L.et，al.Proe.Natl.Aead.SeiUSA，1936;22;210一216 4Ogawa，S.et.al.Proe.NatlAeadseiUSA，1992:89;5951一5955 5KWONG，Ket.al.Proe.Natl.Aead.SciUSA，1992:89;5675一5679 6Haase，A.et.al.J.M眼nReson.，1986:67;258一266 7Mansfield，P.，J.Phys.C1977;10;L55一L58 8Belliveau，J.W.etal.Seienee，1991;254;716一719 9Ogawa，S.et.al.Proe.Natl.Aead.SeiUSA，1990;87;9868一9872 10ShdmanR.G.et.al.Proe.Natl.Acad.SeiUSA，1993:90:31273133