Transcript 磁共振功能成像的应用 汕大医学院一附院 肖壮伟

磁共振功能成像的应用
汕大医学院一附院 肖壮伟
• 磁共振功能成像 (fMRI) 是磁共振成像中
迅速发展的领域
• fMRI包括: 弥散加权像（DWI）
灌注成像（PI）
包括外源性和内源性灌注成像
血氧水平依赖法（BOLD）为内源性PI
磁共振波谱分析（MRS）
• 血氧水平依赖法(BOLD) 成像是fMRI常用的方
法，可用于无创性地检测脑功能变化情况，其
信号具有较高的敏感性和空间特异性
• 最早的人脑BOLD成像是在1992年使用视觉刺
激（Kwong, Ogawa）和运动任务（Bandettini）
而实现的
• 由于神经元兴奋区血液动力学及代谢的特点，
可导致其静脉血中相对的氧合血红蛋白增加及
去氧血红蛋白减少
BOLD基本原理
动脉血（氧合血红蛋白）
毛细血管
静脉血（去氧血红蛋白+氧合血红蛋白）
神经元兴奋区静脉血中氧合血红蛋白含量高于非兴奋
区静脉血中氧合血红蛋白含量，在T2*图像中信号较
高（2-3%）
BOLD扫描技术
• 梯度回波和自旋回波
• 回波平面成像（EPI）
SE-EPI（信噪比好，适于高场机）
GRE-EPI（敏感但伪影重）
• 螺旋扫描技术
BOLD的分辨率
• BOLD的空间分辨率通常可达到3~5mm，
优于其他非创伤性检测方法，如PET等
• BOLD的时间分辨率也较高，但不如EEG
等，它受到许多因素的影响，如神经元血流动力学之间的结合情况、脑活动的
复杂程度等
生理性噪声
• BOLD图像的信号通常很微弱（中央前、
后回等信号较强的区域一般也在4%以下，
细微的兴奋区信号变化通常小于1%）
• 在其他条件（设备硬件、脉冲序列、制
动装置等）稳定的情况下，生理性噪声
为主要的噪声源
• 生理性噪声包括呼吸、心跳、脑脊液搏
动、眼球运动等引起的噪声
呼吸噪声（约0.3Hz）
心跳噪声（约0.9Hz）
图示正常人平静躺在磁体（4.0T, TR=200ms, TE=26ms）
内时脑部信号曲线，可见呼吸和心跳的噪声
• 生理性噪声的修正方法
Navigator（导航） echo correction methods
Non-navigator （非导航）echo correction methods
BOLD技术的实现
• 被试的准备和训练
• 刺激的施加（视觉、听觉、嗅觉、体感
觉、痛觉、运动等）
• 记录反应
• 安全性
机器噪声的防护
神经肌肉刺激
刺激的设计
• 组块设计（Blocked design）
常用，优点为方便可靠，容易获得兴奋区信号，
缺点为：1.持续和重复给予相同的刺激可引起
受试者注意力改变和对刺激的适应，2.尽管本
设计可用于功能定位，但不能提供脑局部的反
应特点
• 事件相关设计（Event-related design）
可有效地避免神经元反应减弱，相对提高了实
验的敏感性，可敏感地获得兴奋区局部血氧反
应的曲线
组块设计
事件相关设计
BOLD数据处理
• 图像配准
空间配准
检出并修正运动伪影
将数据编码到三维结构像
按照Talairach图谱进行标准化
BOLD数据处理
• 统计学处理方法
种类繁多（最简单的包括t检验）
常用的软件包括AFNI、Stimulate和SPM
设备配置的工作站也可进行自动处理
BOLD技术在研究领域的应用
• BOLD 已经广泛用于基础研究领域
运动（简单运动和复杂运动）、感觉
（包括听、视觉系统）、语言、记忆、
儿童脑发育等
BOLD技术在临床领域的应用
BOLD在临床也有很广泛的应用前景，如神
经外科手术术前计划和术后评价、难治性癫痫的
定位 、脑康复的评价、慢性疼痛治疗的评价、针
灸穴位治疗机理的研究、药物成瘾病人脑内功能
的研究、无创性Wada试验(语言优势半球定位)、
记忆优势半球的定位、在痴呆研究中的应用等
A
10-36
B
10-17
7名受试的冠状位平均脑激活图
A：颜色知觉激活图（V4）
B：运动知觉激活图（MT+）
颜色柱表示统计值P
LMT+
LV4
%信号变化率
1.5
1
c
m
0.5
0
-0.5
1
2
3
4
5
6
7
时间点
左侧V4
8
9 10
%信号变化率
2
1
0.8
0.6
0.4
0.2
0
-0.2 1
-0.4
-0.6
c
m
2
3
4
5
6
7
8
时间点
左侧MT+
9 10
本研究利用事件相关功能磁共振成像技
术研究了参与颜色知觉和运动知觉的脑
结构，并研究了有关脑区的局部血氧反
应。结果表明：颜色刺激主要激活V4，
但也可一定程度激活MT＋；而运动刺激
主要激活MT＋，但V4也有一定激活。这
一现象在多数组块设计脑功能成像中未
能得到反映，提示事件相关fMRI技术敏
感度较高
汉字同音字与同义字脑部fMRI
左手运动
右侧脑膜瘤与手指运动皮层的关系
右手运动
fMRI在外科手术计划制订中的应用
左手运动
右侧胶质瘤与手指运动皮层的关系
右手运动
fMRI在外科手术计划制订中的应用
Postcentral G. activation during electroacupuncture
1.0
0.5
0
SII
-0.5
S1
-1.0
Intensity
针刺脑部fMRI
S2
S1
S2
• 图片包括主动持续右足背屈（对应为1）和持
续电刺激（对应为6）
• “>”说明兴奋较强，“<”说明兴奋较弱
• 选用SPM软件处理，所用P值为0.0001
• 图象的左右方向均为：上对应左，下对应右；
左对应左，右对应右
右足主动持续背屈
右足电刺激持续背曲
右足主动持续背屈
右足电刺激持续背曲
海洛因成瘾者脑部fMRI
Patient YGJ
• Male
• Age: 52 years
• Right-handed
• Native Chinese speaker
• Education: 9 years
T2WI at onset
Stimuli :
Chinese Numerals: 壹、贰…
Chinese Characters
High Frequency：人、水…
Low Frequency：兑、冗…
Presented visually
Press a button if recognized
+ N + H + L + H + L + N +
Time 16 32
32
32
32
32
32
32
32
Image 1…
N: Chinese Numerals
H: High Frequency Words
L: Low Frequency Words
32
32
32
32
400s
200
Activation during reading Chinese characters
YJG, 1st Scan, 45 days after stroke
给予高频汉字阅读，认字率20%，右侧纹外区部分激活，
左（患）侧无激活，而Broca区和Wernicke区有激活
Healthy Subject
正常对照，认字率100%，双侧纹外区明显激活，Broca
区及Wernicke区无激活
YJG, 2nd scan, 4 months after stroke
给予高频汉字阅读，认字率70%，右侧纹外区激活增加，
左（患）侧部分激活，而Broca区和Wernicke区激活减少
Healthy Subject
正常对照，认字率100%，双侧纹外区明显激活，Broca
区及Wernicke区无激活
Hemodynamic response in right and left (lesions)
extrastriate areas. Note that response in the left
extrastriate is about 16 seconds later than that in
the contralateral homologous area (right).
4
3
2
1
0
-1
1
21
41
61
81
101
121
141
161
181
-2
Left Extrastriate Area
Right Extrastriate Area
左侧纹外区激活时间晚于右侧，激活幅度也低于右侧
Activation Volume and Center of Activation in the
exstrastriate areas in the patient and control
Right Extrastiate
(x, y, z)
Activation
Volume
(mm3)
Center of
Activation
6993
-36.2, 80.4, 7.1
-
-
21492
-30.3, 78.1, 11.7
4266
26.0, 82.8, 12.2
25515
-33.0, 70.4, –8.6
26730
27.3, 72.2, –9.6
Activation
Volume
(mm3)
YJG
(1st scan)
YJG
(2nd scan)
Control
Left Exstriate
Center of Activation
(x, y, z)
•纹外区功能主要为视觉字形加工,在正常人
汉语通常可激活双侧
•Broca区和Wernicke区在正常人处理高频字
（简单字）时不兴奋
•左侧纹外区皮层是阅读功能的关键脑区之一
•阅读功能恢复既可由病灶同侧代偿也可由对
侧对应的脑区代偿，而且这两种代偿机制可
在同一个病人并存
YJG, M/52
左侧纹外区脑
梗死改变
纹外区功能主要为视
觉字形加工，在正常
人汉语通常可激活双
侧
Broca区和Wernicke区
在正常人处理高频字
（简单字）时不兴奋
• 分子影像技术要求对活体内部的生理过
程或病理过程，在分子水平上进行无损
伤、实时的测量和成像。
• 分子影像技术常用的探测方法有核探测
方法、核磁共振方法、光学方法等。这
些探测方法的探测原理和探测设备都不
相同。
• 磁共振（MR）的分子水平成像广义上可
以分为磁共振功能成像（functional
MRI)和MRI分子成像。
磁共振功能成像可包括下列几类：
• 磁共振的弥散成像（diffusion MRI)
• 磁共振灌注成像（perfusion MRI)
• 磁共振波谱分析（MRI
spectroscopy,MRs)
• 磁共振血氧水平依赖性成像（blood
oxygen level dependent, BOLD)
DTI：通过
水分子的运
动，描绘其
神经纤维的
走向，可直
观反映神经
纤维及其功
能传导。
MRS：通过MR成像半定量
地测定体内某种代谢物质
的浓度，反映活体内某些
物质的代谢过程。
星形细胞瘤病人PRESS序列的频谱图
磁共振血氧水平
依赖性成像