fMRI技术原理-基础研究与临床应用

fMRI技术原理、基础研究与临床应用一、发展背景神经科学认为，大脑受到刺激时(视觉、运动及认知等)，皮层神经元处理信号以大脑皮层结构为基础研究脑结构与功能的相关性是当前脑科学研究的主要课题多年来，一直试图以图像的形式展现人类大脑功能活动的解剖区域脑功能定位手段SPECT和PET：空间分辨率低，放射性，需融合定位事件相关诱发电位（ERP）：术中定位Wada实验：颈动脉注射药物磁源图（MEG)：昂贵，后处理耗时，需融合定位fMRI空间分辨率高无创简便易于重复研究1936年Pauling指出氧合血红蛋白和脱氧血红蛋白的磁化率不同1982年Thulborn发现血液中脱氧血红蛋白固有的顺磁性是导致血液局部磁敏感性变化的原因1986年Fox首先发现神经元活动伴随区域性脑血流、血容积、血氧和代谢变化1990年Ogawa发现血氧水平依赖效应(BOLD)1991年Beliveau发现光刺激时初级视觉皮层信号强度增加，fMRI可定位，实现对人脑的应用fMRI产生背景二、成像原理脑活动脑活动是快速的神经元生理和生化变化，是消耗大量能量的过程脑组织不能储存能量脑活动的增加将伴随脑局部血流、血流容量、血氧消耗的增加血流量增加明显高于氧耗量的增加局部氧合血红蛋白增多，脱氧血红蛋白相对少脱氧血红蛋白血液中脱氧血红蛋白的铁处于高自旋状态，6个外层电子中有4个为未配对电子未配对电子具有很大的磁矩，顺磁性很高脱氧血红蛋白主要被限制在细胞膜内，导致局部磁场环境高度不均匀缩短T2驰豫时间，引起T2WI信号减低血氧水平依赖效应脑活动区氧合血红蛋白增加，脱氧血红蛋白相对少脱氧血红蛋白缩短T2作用下降致T2*或T2时间相对延长，在T2*或T2WI上信号增高fMRI激活区表现为高信号Vascular-Space-OccupancydependentfMRI(VASO)血管间隙占位依赖fMRILuetal.,Magn.Reson.Med.,50,263(2003)脑活动区水含量的变化的两种假设脑活动时脑组织容积下降，由于组织顺应性，组织水容积不变——VASO无信号变化脑活动时脑组织容积下降，组织水进入血管，也成比例下降——VASO信号下降特点不依赖血流、血氧最小化BOLD效应1.5T-VASO在脑中风的首次应用T2WVASO信号下降提示血管扩张视觉刺激BOLDVASOLuetal.,Magn.Reson.Med.,50,263(2003)例:3T高分辨率VASO-fMRI刺激引起负性信号变化HanzhangLu三、成像设备、技术成像设备高场强结合高梯度场及快速梯度切换率的MR设备随场强增加，fMRI信号强度明显增加超高场强MR对人体健康有一定影响，可引起人体心电图改变、视觉紊乱等1.0T以下MR系统，信噪比和分辨率差，不易探测十分微弱（不到5%）的信号变化目前临床科研最常用的是1.5与3.0TMR机成像序列选择对磁化率变化最敏感的扫描序列常用GRE-EPI序列优点为时间分辨率高、成像速度快、运动伪影少可在几分钟内完成一个fMRI试验，并获得较高的空间分辨率成像参数选择合适的BOLD-fMRI序列参数可改善fMRI结果目前常用的fMRI扫描参数层厚5～8mm，间距0～1mm矩阵64×64或128×128TR2000～6000msTE为40～60ms成像过程确定扫描序列及参数制定刺激方案刺激：声、光、电、针刺任务：运动、阅读、计算、记忆、判断解剖像采集BOLD加权像扫描、数据获取刺激/任务与成像同步进行数据处理和激活区显示功能像叠加在解剖像上，使解剖与功能关系达到统一刺激模式组块设计（blockeddesign）事件相关设计（event-relateddesign）组块设计以组块形式呈现刺激，在每一组块内重复或连续呈现同一类型的刺激至少需要两种类型的刺激，一种是任务刺激，一种是对照刺激通过两种状态的对比获得脑活动信息000111组块设计手运动实验示意图0：静息状态30s1:对指运动30s循环3次组块设计优缺点优点简单易行多个刺激叠加，信号较强缺点刺激不能随机化，会引起被试期待反应及注意力改变不能区分组块内的单个刺激，无法进行选择性处理，丧失信息事件相关设计一次只给一个短暂刺激，经过一段时间间隔再进行下一次相同或不同的刺激需要多次刺激引起的信号进行叠加事件相关设计示意图短间隔长间隔11111111111：对指运动每次只对指运动一次事件相关设计优点和不足优点提高信噪比提供单次刺激脑活动信息，可获得局部血氧变化曲线刺激任务与刺激间隔随机化，排除了期待反应可根据任务类型和被试反应进行选择性处理不足试验设计要求较高要求刺激与成像时相一一对应数据处理方法尚有待改进BLOCKER右侧颈内动脉阻塞患者,左手运动,两种设计结果比较黑线：颈动脉阻塞侧运动区灰线：正常侧运动区患侧功能区反应延迟，峰值下降ER时间-信号强度变化曲线事件相关设计红、绿棋盘格视觉刺激刺激时间１s，间隔19s时间信号强度曲线红线:红色棋盘格刺激蓝线:绿色棋盘格刺激blockER四、数据处理和统计分析数据处理和分析是fMRI研究的关键步骤目前对数据预处理，如运动探测和运动校正方法上已经达成共识对统计方法的选择、不同病人或志愿者之间的数据比较、数据结果的观察和报告等方面还缺乏统一认识目前大量的软件工具各有优缺点，国际公认的两个软件为SPM和AFNIStatisticsparametermapping（统计参数图）Analysisoffunctionalneuroimages（功能性神经影像分析）预处理各种处理软件的预处理过程基本相同运动校正空间标准化平滑处理运动类型头部自主运动呼吸和心跳等生理运动导致头部轻微移动必要性fMRI信号变化本身很小1/10像素大小的运动会产生1-2%的信号变化控制方法用海绵等固定头部运动校正：可检测各时相fMRI数据相对于第一时相在三维旋转和三维平移上的空间变化，并进行校正一般应确保头部旋转小于5°运动校正运动校正不同个体脑大小、形态不同，不便于被试之间比较，因此需要空间标准化方法：将不同病人或志愿者的全脑数据进行空间归一化处理，转换到标准Talairach模板脑坐标系统，以标准坐标系统描述脑结构的位置坐标系Y轴:前联合上缘和后联合下沿跨越大脑纵裂的连线Z轴：纵向上垂直于AC-PC连线X轴：垂直于Y轴和Z轴空间标准化空间标准化模板脑志愿者脑ACPC采用一定半高宽（如5mm）的统一三维高斯过滤，对图像进行空间平滑处理降低噪声,提高图像质量平滑处理统计分析简单方法（适于组块设计）差图法：任务与控制的差值图像，不精确互相关：相关系数大小反映参与任务刺激程度，应用最广t-检验：用于单个被试分析复杂方法（适于复杂设计）通用线性模型：回归分析线性时不变系统：用于事件相关设计结果输出方式三维立体三维断层横轴断层结果输出方式像素激活范围像素激活强度像素激活位置组块设计相关事件设计五、基础研究MR可通过信号测定来反映血氧饱和度及血流量，间接反映脑的能量消耗，一定程度上反映神经元的活动情况已从单刺激/任务到多刺激/任务从功能定位发展到功能区反应特点和功能区联系从对感觉和运动等低级脑功能研究，发展到对思维和心理活动等高级脑认知功能研究运动中央前回4运动前区6辅助运动区8感觉：中央后回3，1，2视觉枕叶（17-19）颞中、下回（20，21）语言Broca区（44，45）颞上回后下部（22）角回（39）听力：颞上回（41，42）认知额上、中回，部分额下回前部（9，10，11，46）视觉Belliveau1991年，第一幅光刺激视觉皮层图4Hz8Hz黑白翻转棋盘方格刺激闪烁频率是影响视觉BOLD信号的最重要因素8Hz时激活强、范围大存在右侧优势时间频率与视皮层关系高空间频率激活强、范围大空间频率与视皮层关系高低(22x16格/屏)(7x5格/屏)双侧顶下小叶激活最明显，双侧枕叶激活立体三维图形识别色觉首先枕叶(BA17和18区)激活，登录不同波长光线及其强度其次颞下回(BA20区)激活，进行颜色的自处理最后颞下回和额叶激活，进一步识别物体的颜色红色棋盘格刺激枕叶和额叶后部激活未见颞下回激活双侧颞枕联合区：数字视觉输入途径左侧顶下小叶：数字处理的重要功能区阿拉伯数字视觉刺激躯体运动脑功能区的激活情况与手运动频率相关运动频率在4Hz以下时初级运动皮层信号强度与频率呈线性增加关系频率在2Hz以下时，运动区激活范围随频率增加而增加脑功能区的激活情况与运动复杂程度有关复杂运动比简单运动激活更多的功能区，且激活更强躯体运动两侧大脑半球对运动的控制存在不对称性，受利手因素及任务形式的影响脑功能区的激活情况与手运动模式有关，主动运动比被动运动激活强想象运动也可以激活运动区，但激活程度明显小于运动的执行运动学习与额前区背外侧、SMA前部、楔前回和顶内沟区域有关双手握拳运动双侧运动区明显激活时间－信号强度曲线右手握拳运动对侧初级运动区激活同侧小脑半球激活时间-信号强度曲线双手握拳维持肌张力双侧初级运动区和双侧小脑半球激活左手运动右侧激活者占43%右手运动全为左侧SMA激活触觉感觉刺激引起初级体感皮层激活相对较弱触觉任务主要激活初级体感皮层及次级体感皮层进行精细触觉辨别时激活程度更高激活程度与被试的注意力集中程度密切相关右手触觉刺激（毛刷刷手指）左侧中央后回激活时间-信号强度曲线痛觉痛觉体验感觉辨认：负责分析刺激的性质、部位、强度、持续时间等方面信息情感冲动：产生痛觉认知中的不愉快成分认知评估：包括注意力、预期和对过去经历记忆痛觉fMRI显示痛觉涉及区域体感传递：初级体感皮层、次级体感皮层、岛叶后部运动传递：小脑、苍白球、辅助运动区、扣带回前部情感传递：扣带回前部、岛叶注意传递：扣带回前部、初级体感皮层、运动前回腹侧自主功能：扣带回前部、岛叶前部听觉语言或非语言的声音刺激均引起颞上回(初级及次级听觉皮层)激活随刺激强度增加，激活区范围扩大声音频率越高，激活区越靠前听觉皮层颞平面前极、颞横回、颞平面后天性聋哑人激活程度较弱纯音刺激正常人双侧颞上回激活正常人功能成像叠加到T1WIRLR双侧听觉中枢及双侧枕叶激活聋人功能成像叠加到T1WILLRR双侧听觉中枢激活比正常人弱双侧枕叶激活强于正常人,说明聋人听觉中枢重组音阶实验右外侧面观左外侧面观双侧初级、次级听觉皮层及右侧额下沟后部周围皮层激活，右侧优势结果轻音乐与音阶对比右侧丘脑左侧豆状核左侧岛叶前部双侧海马旁回LR结果恐怖音乐与音阶对比双侧杏仁复合体结果恐怖音乐与轻音乐对比右侧杏仁复合体LR语言fMRI语言研究较多词语生成听觉语言语音及语义多语种结果不尽一致经典语言区：Broca区、Wernicke区其它脑区：扣带回前部、辅助运动区、颞中回、颞下回、梭状回、角回、丘脑及基底节区等存在语言优势半球双语者语义判断中文大于英文双侧Broca区英文大于中文双侧扣带回词语生成任务左侧Broca区、左角回时间-信号强度变化曲线心算涉及双侧顶下小叶、前额皮层、额下回后部和运动前区随任务难度增加激活范围和强度增大相关脑功能区存在偏侧化现象，与利手因素和计算的任务类型有关右利手组左利手组数字计算右利手左侧明显;左利手右侧明显顶下小叶、前额皮层、额下回后部和运动前区激活情绪杏仁核在情绪变化中起重要作用悲伤时，血流量明显增加悲伤与高兴fMRI信号强度显著增加无意识情绪活动和条件性恐怖刺激时激活与情绪有关的本能获得过程中起极其重要的作用边缘系统的杏仁核和海马激活枕叶激活可能与刺激以视觉形式传入有关，也可能与感受恐惧时的视觉调整有关恐怖刺激恐惧杏仁核与额叶同时激活，说明产生恐惧的同时存在身体反应（如出汗）快乐与恐惧交替刺激，双侧杏仁核激活音乐中的