fMRI及DTI的原理及应用简介

fMRI和DTI的原理及应用简介内容1.功能磁共振（fMRI)的原理及应用。2.弥散张量成像（DTI)的原理及应用。3.不足及展望。fMRIMRIVS.fMRIMRIstudiesbrainanatomy.fMRIstudiesbrainfunction广义的功能磁共振成像•弥散加权成像（DWI)•灌注加权成像（PWI)•磁共振波普成像（MRS)•血氧饱和水平依赖成像（BOLD）狭义的功能磁共振成像特指血氧水平依赖成像（bloodoxygenleveldependent,简称BOLD)血氧水平依赖成像由Ogawa等于1990年首先提出以来，该技术已成为神经科学家探测、认识活动脑内定位的有效方法之一。BOLD-fMRI的优点•无创伤，无示踪剂•无电离辐射性，无需暴露于放射活性物质环境•空间分辨率高(2~3mm内)及时间分辨率高（1s以内，快速成像时间为30~100ms）•可将功能成像与解剖细节结合起来，具有比PET、SPECT检测脑功能更多的优势BOLD-fMRI的原理(1)•当局部脑皮质在经特定的任务刺激（如感觉、运动、神经心理测试等）后，局部耗氧量增加，同时局部脑血流量增加比耗氧量增加更明显。前者使血液内氧含量降低，后者使氧含量增加，二者的综合效应是局部血液氧含量增加,也就是氧合／脱氧血红蛋白的比例增加。BOLD-fMRI的原理(2)•这两种血红蛋白对磁场影响不同：脱氧血红蛋白属顺磁物质，引起加权像信号减低。氧合血红蛋白是抗磁性物质，可增加加权信号强度。•当氧合／脱氧血红蛋白的比例增加时，或说脱氧血红蛋白含量减少，其(PT2PRE)T2缩短效应减弱，表现为延长。在加权像上表现为信号增强，故而神经元活动区的加权像信号即高于非活动区。BOLD-fMRI的原理(3)•总之，根据这两种血红蛋白的磁场性质的不同采用成像的方法来确定局部脑组织血流的改变，继而反映神经电活动的方法就称为血氧水平依赖（BOLD）性测量成像。1.外界刺激使局部脑组织兴奋2.能量需求增加—ATP3.血管扩张4.含氧血红蛋白增加5.组织的无氧代谢减少氧耗量，增加含氧血红蛋白的含量脑组织的代谢及血管反应Capillary含氧血红蛋白去氧血红蛋白BloodOxygenLevelDependentBOLD的运作及结果的计算、分析1.实验设计—刺激模式2.统计分析—相关系数28182838485868788898108118BOLD的运动刺激模式fMRI效果图fMRI研究及应用举例•fMRI应用领域涉及到脑科学研究的许多领域：如认知科学、神经科学、针灸、药物滥用、fMRI数据分析与临床应用等。•现就对fMRI在神经外科中的应用举例。1.BOLD-fMRI有效性的评估•krings等对50例中央区肿瘤患者运动功能fMRI结果与PET、经颅磁刺激（TMS)、直接皮质电刺激（DECS）结果的相差距离进行比较。结果：•26例接受PET检查，其中18例1cm,7例2cm,1例2cm.•10例接受TMS检查，其中7例1cm,3例2cm.•49例接受DECS检查，其中31例1cm,14例2cm,4例2cm可见大部分患者的fMRI结果与PET、TMS、DECS结果的相差距离小于1cm•Agata等对33例脑肿瘤病人分别行fMRI和皮层电刺激检查，结果98%的fMRI对运动感觉皮层的地位和皮质电刺激的结果一致，表明fMRI可以准确的显示肿瘤与功能区的关系。•Roberts等人对17例脑肿瘤病人进行研究，证实90%以上fMRI结果与术中体感诱发电位和皮层电刺激结果一致，表明fMRI可显示肿瘤与功能区的关系，并可为手术计划的制定提供依据。2.fMRI在神外中的应用举例•黄穗乔等对48例位于中央沟附近的脑肿瘤患者接受常规和功能磁共振检查，其中转移瘤10例，胶质瘤11例，脑膜瘤6例，动静脉畸形2例，蛛网膜囊肿2例。功能成像方法采用在手静止和开合运动中，行快速梯度平面回波连续成像。结果•除2例患者头运动较明显外，其余患者都显示了手运动功能皮层活化兴奋区，并测得了功能皮层区与肿瘤的最短距离。•功能皮层活化区表现出3种不同类型，包括：病灶内或边缘散在的活化小斑点；功能皮层活化区受挤压、移位；功能皮层活化区形态、位置正常。左顶叶脑膜瘤功能磁共振成像右额顶蛛网膜囊肿的功能磁共振成像讨论•肿瘤是否可切除，取决于肿瘤与功能区的关系：1.当功能区与肿瘤的最短距离超过2cm时，手术一般不会导致运动障碍，2.当距离在1-2cm之间时，有33%的患者会出现术后运动障碍，3.当距离在1cm之内时，有50%的患者会出现术后不同程度的运动障碍。•在本研究中，得出了运动皮层兴奋出现的三种形式，第一种表示功能区被肿瘤不同程度破坏，残存功能区与肿瘤组织密不可分，要想完全切除肿瘤而不损害功能很难，第二种，功能区在距肿瘤2cm范围内,手术中需注意肿瘤切除范围,避免功能区损伤,第三种,功能区距肿瘤2cm以上,手术对功能区的影响较小。•张磊等利用功能磁共振成像技术显示顽固性癫痫患者脑内致痫灶周围重要功能脑区的位置，避免手术损伤及术后功能障碍。•方法：对4例顽固性癫痫患者于手术前分别进行了运动、语言及视觉的磁共振脑功能成像扫描。•结果：4例患者经不同刺激任务的功能成像扫描及数据处理后，均成功地显示了各自相应的运动、语言、视觉功能活动区的范围及程度，为致痫灶与其周围不同脑功能区的关系提供了直观、准确的信息。女性，21岁。左侧额、顶叶交界处局限性脑萎缩，局部脑沟轻度增宽。由于左侧额、顶叶萎缩可能致左侧中央前回初级运动区功能重组而发生代偿性的激活范围及强度增加图中的运动、视觉功能区激活为左侧病灶手术可切除范围提供了直观的依据。女性，22岁。左侧顶叶内局限性脑软化灶形成。3，4分别为左手及右手精细运动脑内激活图，可见对侧半球初级运动区为主的激活。左侧顶叶内软化灶与初级运动区的关系显示清晰。女性，23岁。外伤后左侧额叶内脑软化。，因患者脑内病灶位于额上回，以观察运动前区及辅助运动区激活为主。4为语言任务刺激时左侧颞叶语言区激活，在病灶周围无语言激活区。可提示本例手术范围限制在病灶的额上回内将不会引起运动及语言功能障碍。男性，14岁。右侧海马硬化。1，2，3，4均为脑内语言任务激活区。。3，4为左侧颞叶及海马区激活情况。右侧海马未见激活。本例为左侧语言优势半球，可提示右侧海马切除不会影响语言功能•上述4例患者均根据术前脑内重要功能区的定位结果进行了病灶切除术，术中顺利，术后均未发生神经功能障碍的并发症。•脑的运动、语言、视觉功能区分布于脑内不同部位，由于病变的产生及发展，正常的脑功能区可以发生功能重组(plasticity)。即引起固有功能区的位置、大小发生改变，因此，术前功能区重新确定对于接受手术治疗的患者是必要的。•我们认为fMRI检查不仅可对不同部位致痫灶周围的脑区进行相应的功能定位与评价，同时还可以明确语言优势半球及相应侧别的海马功能，可取代目前所用的IAT（颈动脉内异戊巴比妥测试）为神经外科手术方式的制定提供帮助，也可作为一个脑内病灶切除能否产生脑功能缺矢，提供一个极好的指导意义。磁共振弥散张量成像（diffusiontensorimaging,DTI）•实现活体观察组织结构的完整性和连通性，利于对各种疾病的引起的白质纤维束的损害程度及范围的判断。•可用于显示脑白质内神经传导束的走行方向，实现对人的中枢神经纤维精细成像。是目前唯一可在活体显示脑白质纤维束的无创成像方法。DTI成像的基本原理DTI的基本原理•均质介质中水分子的运动是无序随机运动，即向各个方向运动的几率是相同，即具有各向同性（isotropy）•在人体组织中，水分子的运动由于受到组织细胞结构的影响，在各个方向弥散程度是不同的，具有方向依赖性，即具有各向异性(anisotropy)两个概念要描述水分子的空间弥散情况，引入了张量的概念，脑白质中每一个体素的各向异性扩散过程就可以用张量D表示。需要用一个二维矩阵表示：均质介质中可以水分子的自由运动为各向同性，即在各个方向上的弥散强度大小一致，弥散张量D描述为球形，沿磁共振的三个主坐标的特征值为λ1=λ2=λ3在脑白质中由于髓鞘的阻挡，水分子的弥散被限制在与纤维走行一致的方向上，具有较高的各向异性，此时弥散张量可表示为椭球形，其特征值λ1λ2λ3，最大特征值对应的方向与经过该体素的纤维束走行平行二阶张量具有对称性，Dxy＝DyxDxz=DzxDyz=Dzy因此只要计算6个变量方法：至少在6个不同非共线方向上施加敏感梯度，另外再采集一幅具有同样参数而未施加敏感梯度的图像。从弥散加权像和非弥散加权像的信号强度衰减差异中可以得到6幅表观弥散系数图（ADC），得到一个六元一次方程组，最后利用这些图可以求得每个体素的有效弥散张量D理论上6次就可以，但是由于噪声的存在，方向越多，三维空间分布越均匀则数据越准确，目前最多可以在128个不同方向进行成像。12个方向42个方向162个方向642个方向在梯度场强下水分子的弥散存在会导致磁矩改变，而细胞外水分子运动对信号的改变起主导作用。在这一基础上，DTI利用弥散张量场中的各向异性扩散的方向信息来追踪神经通路的走行，从而得到脑白质中神经纤维和功能束的走行方向和立体形态。目前DTI的研究方向分为两大类•定量研究—常用的指标包括描述各向同性的平均弥散率（MD)，以及描述各向异性程度的部分各向异性（FA)、相对各向异性（RA)等。•纤维束追踪技术—常用于显示脑白质中神经系统纤维和功能束的走行方向和立体形态。DTI的量化参数•第一类是平均扩散率指MR成像体素内各个方向扩散幅度的平均值，代表了某一体素内水分子扩散的大小或程度，通常所用的指标就是平均弥散系数（averagediffusioncoefficient，ADC），反应了水分子单位时间内扩散运动的范围，单位是mm2/s，其值越大，说明水分子扩散能力越强正常的ADC图第二类是反映各向异性的参数1.部分各向异性指数（fractionalanisotropy，FA）分析各向异性最常用的参数，指弥散的各向异性部分与弥散张量总值的比值，反应了各向异性成分占整个弥散张量的比例，取值在0～1之间，0代表了最大各向同性的弥散，比如在完全均质介质中的水分子弥散，1代表了假想下最大各向异性的弥散脑白质中FA值与髓鞘的完整性、纤维的致密性及平行性呈正相关－水分子垂直于神经纤维走向的弥散运动困难－水分子平行于神经纤维走向的弥散运动容易在FA图上，脑白质为高信号，表现出比较高的各向异性，纤维排列最大程度趋于一致时,FA值也就越接近1，例如胼胝体，而脑灰质与脑脊液因趋向各向同性表现为低信号胼胝体内囊后肢内囊前肢外囊半卵园中心2、相对各向异性（relativeanisotropy，RA）和容积比（volumeratio，VR）RA为各向异性和各向同性成分的比例。VR等于椭球体的体积与半径为平均扩散率的球体体积之比。两者的取值范围亦在0～1之间，RA的意义与FA相似，越接近1说明水分子的各向异性程度越高。而VR越接近1说明水分子的弥散越趋于各向同性。VR图DTI的彩色弥散张量图根据体素弥散的最大本征向量的方向决定白质纤维走行的原理，通过将X、Y、Z轴方向的主要本征向量分别配以红、绿、篮三种颜色左右方向—红色前后方向—绿色上下方向—蓝色白质纤维束示踪成像（fibertractography）就是利用最大本征向量λ1对应纤维束传导方向将大脑中神经纤维束轨迹描出来，实现活体查看和研究中枢以及周围神经系统的神经通路的连接和连续性。其方法：从一个设置的种子位置开始追踪，直至遇到体素的FA值小于0.2胼胝体内囊扣带回冠辐射皮质脊髓束辐射冠扣带回下纵束DTI在神经外科中的应用DTI在脑肿瘤中的应用•定量分析肿瘤组织特点以鉴别肿瘤的级别，鉴别正常的白质纤维、水肿及肿瘤区域。•测量瘤周的水肿的平均ADC值和FA值以分析鉴别转移瘤和胶质瘤，但目前这些研究的结果尚没有取得完全一致•显示白质纤维和肿瘤的相互关系，利于指导外科手术，这是DTI技术最有临床价值和应用的前景。目