功能磁共振成像技术的研究进展

功能磁共振成像技术的研究进展

自10年前发表了《功能磁共振成像》一文以来，该算法能够准确地定位神经活动，具有较高的空间和时间分辨率、良好的重复性和可行性等优点。已成为大脑功能成像发展最快的新技术之一，并在核电站数学的基础研究领域得到广泛应用，如视觉、运动、感觉、听觉、感知、语言、音乐、记忆等。同时,fMRI的临床应用前景也很广阔,一些文献报道fMRI可应用于神经内科、神经外科和精神性疾病的诊断和治疗。笔者就fMRI的原理以及它在脑肿瘤、癫痫和神经可塑性方面的临床应用综述如下。1asl技术的应用特点fMRI是一种通过血流和/或代谢的改变来反映主要组织对比的MR扫描技术。这些组织的信号差别十分细小,但现代MR扫描仪器性能非常稳定,足以准确检测到这些细小的差别。应用于fMRI的主要增强机制有:血氧水平依赖性增强(bloodoxygenationleveldependent,BOLD)和动脉自旋标记性灌注增强(arterialspinlabeling,ASL)。BOLD-fMRI是利用内源性血红蛋白作为对比剂,通过血氧饱和度的变化实现的成像方法,反映了血流、血容量和血红蛋白氧合作用三者之间的相互作用关系。当脑功能区受到刺激,局部活动增强时,邻近血管床的血流和血容量增加,此增加值高于局部氧代谢所需的量(这种不匹配的具体机制还不明确),使得脑功能活动区的局部氧合血红蛋白含量高于非活动区,即脑功能活动区的脱氧血红蛋白含量低于非活动区,脱氧血红蛋白作为顺磁性物质缩短T2的作用亦减少,因此在T2WI/T2*WI上脑功能活动区的信号强度高于非活动区。ASL技术则是利用反转脉冲标记动脉血中的氢质子作为示踪剂测量脑血流(CBF),并将标记前后采集的图像进行对比,从而获得能够反映组织血流灌注情况的MR图像。在成像层面供血动脉的流入侧施加反转脉冲,使血中氢质子的磁化矢量发生反转,引起动脉血的T1时间延迟,由此而获得标记后的图像,再减去不施加反转脉冲的标准图像即可得到灌注图像。ASL技术可利用特异性较好的物理单位ml/100g·min直接定量CBF。相对于非临床性fMRI(神经生理性fMRI)而言,临床性fMRI的执行相对困难。首先,研究设计阶段,临床fMRI刺激方案必须适合患者的特殊病理状态,例如:要求一位瘫痪者去完成某项复杂的运动功能是不可行的;其次,数据采集阶段,临床fMRI的研究时间必须局限在患者可耐受的时间段内;第三,图像后处理阶段,必须认真过滤临床fMRI数据以消除由预先存在的脑部病变所引起的伪影信号;最后,读片阶段,由患者所获取的临床fMRI结果难以解读,且通常需要与金标准(如术中所见)相对比才能确认。因此,临床性fMRI的应用是影像学的巨大进步。2组织血流灌注fMRI的先进性极大地拓展了它在临床神经科学方面的应用。由于ASL技术可直接定量CBF,反映组织血流灌注情况,因此较多应用于心脑血管缺血性疾病的诊断。但ASL技术难以实施,成像范围小,激活区信号改变较少,而BOLD增强容易获得,同时可提供较高的信噪比,因此BOLD-fMRI是目前fMRI最常用且最敏感的技术。2.1医院fmri成像的临床应用fMRI在定位脑功能活动区方面具有较高的敏感性,因此fMRI最早应用于临床即是脑肿瘤患者术前功能区的定位。手术切除脑肿瘤时,正确辨认中央沟、中央前后回对确认功能区是至关重要的;但实际手术过程中做到这点却比较困难,一是由于术野暴露的限制,二是由于病变常引起正常解剖结构的变形、移位,fMRI的出现使术前无创伤性地显示脑内病灶与其邻近重要功能区之间的关系成为现实。神经外科医师通常借助传统的解剖标记定位中央区附近的脑肿瘤,fMRI除可清楚辨认传统解剖标记之外,还为临床医师提供了额外的功能解剖标记,如手运动结节(hand-motorknob)和中央沟静脉(centralsulcalvein),它们在fMRI图像上的共同特点是:易于辨认,恒定存在,具有较高的可信度和实用性。Lehericy等联合应用传统的解剖标记和额外的fMRI标记确定肿瘤与邻近脑功能区之间的关系,87%的患者取得了成功。尤其当肿瘤及其周围水肿引起显著的占位效应时,传统的解剖标记无法应用,更显示了fMRI标记的独特价值。手术治疗脑肿瘤的目的在于尽可能保留脑功能皮层的情况下最大限度地切除肿瘤。fMRI应用于临床之前,神经外科医师主要是用侵袭性方法(如皮层电刺激等)进行术中定位,不仅延长了手术时间,也使得术野暴露过大。如果患者术前通过fMRI进行解剖和功能定位,并将fMRI信息登录在立体定向神经外科手术导航仪上,即可术中导航,从而有效的弥补术中定位的缺陷。研究表明fMRI定位与术中定位的金标准比较相关系数为0.81～1,平均登录误差仅约2mm。一旦脑肿瘤定位在中央区,评价术后功能缺失的发生率就变得尤为重要。Yetkin等研究认为当肿瘤边界与脑功能激活区之间的距离>2cm时,患者术后不会出现功能缺失,手术切除是安全的;随着两者距离的减少,功能缺失的几率增加,当肿瘤边界距离脑功能激活区<1cm时,50%的患者术后会出现功能缺失。以前认为肿瘤的生长主要引起功能皮层的移位而不是分散,因此可以沿肿瘤边界切除肿瘤而不损伤功能区。近来这种说法受到了挑战,因为fMRI和术中皮层电刺激均发现在神经胶质瘤内存在明显的功能激活区;同时Holodny等认为虽然血管反应和/或局部微血管压力的改变使功能区的激活信号明显降低甚至无信号激活,但此时皮层中枢仍可能有功能,这就要求手术人员慎重分析,防止误切,产生后遗症。ASL技术应用于脑肿瘤诊断的研究较少。Gaa等通过计算ASL灌注增强图像中肿瘤区域与正常脑白质的MR信号强度比来诊断脑肿瘤,他们的研究发现:脑膜瘤的肿瘤白质信号比最高,低组织学分级的胶质瘤、淋巴瘤最低,而高组织学分级的胶质瘤介于其间,并有明显的不均匀性。2.2fmri的语言功能定位和治疗设备的改进对难治性颞叶癫痫来说,颞叶切除术比药物治疗效果好,它可以更好地控制癫痫发作,降低死亡率。但颞叶切除术的成功与否和海马的切除范围以及由此引起的功能缺失密切相关,最常见的术后并发症是由于切除了优势/副优势半球引起的语言和记忆缺失以及视觉通路受损引起的上层视野缺损,前者后果相对要严重得多。这就要求神经外科医师必须同时衡量颞叶切除术的益处和它可能导致语言或记忆缺失的风险性,因此术前对患者语言优势半球的确认以及记忆功能的定位至关重要。1960年Wada提出的颈动脉异戊巴比妥实验(intracarotidamobarbitaltesting,IAT)是术前语言和记忆功能定位的金标准,但它有创,具有很大风险性。许多学者证实fMRI在语言功能定位方面与IAT一致性较好,包括Fernandez等应用实时fMRI即时获得的图像。但利用BOLD成像确认语言优势半球和语言相关皮层时,最佳刺激方式的选择仍有争议:Benson等采用语词流利性刺激,而Binder等则采用语义刺激。相比较而言,前者Broca区有明显激活,但后语言区缺乏显著激活,因此大多数研究者主张采用后一种刺激方案。Bellgowan等研究表明fMRI有助于癫痫患者记忆功能的定位。但记忆系统的复杂性阻碍了这方面fMRI刺激方案的发展,不同类型的记忆刺激与不同的皮层区域有关,尤其是参与语词性/非语词性记忆的皮层不同。值得注意的是:fMRI可以评价全脑的功能,而IAT主要针对病灶局部,因此Killgore等提出尽管最初认为无创的fMRI可以取代IAT,其实两者的诊断价值是互补的。ASL技术和正电子发射计算机体层成像(positronemissiontomography,PET)均证实癫痫发作时常伴随有局部脑血流(rCBF)和代谢的显著降低。常规影像学检查方法对顽固性癫痫病灶难以精确定位,而利用脑内异常放电触发BOLD成像则可以对异常放电的位置和范围进行检测。但癫痫发作时的异常电活动传播极为迅速,常在几千毫秒内即从初始致痫灶传至其他皮层/皮层下组织,甚至对侧半球,从而使得fMRI上有多处皮层激活区而无法明确初始致痫灶,fM-RI扫描技术和分析方法的改进有望解决这个问题。尤其MRI兼容设备的发展使得fMRI与脑电图(electroencephalogram,EEG)配合使用,fMRI较高的空间分辨率可精确定位致痫灶,同时EEG很好的时间分辨率可清楚区分不同激活灶的先后顺序,故可以精确定位异常放电时的局部代谢改变。这样神经科医师即可检查具有亚临床电活动的癫痫患者,避免了扫描发作患者的危险性和运动伪影的产生,大大提高了检查安全性和诊断准确性。同时fMRI-EEG还可以提供脑内单/多灶性异常放电的相关解剖和病理生理信息。2.3运动功能皮质重组脑内病灶对内部脑组织的挤压、推移引起相应脑功能区的机械移位,或由于其他多种因素引起的功能区移向邻近皮层,这种功能移位被称为“神经可塑性”。Bittar等研究表明脑内病灶的存在会改变脑功能区的成像特点,出现以下一种或几种情况:功能区范围增大,功能区移位到另一解剖区域,或出现额外的功能区。Alkadhi等研究中央区动静脉畸形(AVM)患者的神经可塑性时发现主要有3种类型的运动功能皮层重组:(1)患侧受累及的主要运动区发生移位;(2)患侧未受累及的主要运动区仍有激活;(3)非主要运动区的功能明显激活。Cao等证实中风患者健侧半球运动皮层的激活明显高于对照组,同时副运动皮层和病灶周围均有激活。神经可塑性同样发生在运动系统之外。Bilecen等对一位施行右侧听神经切除术的听神经瘤患者进行的随访证实听觉皮层也存在功能重组现象:术前患者双侧听力均正常,但患侧听觉皮层的激活程度仅相当于健侧的1/5;术后患者右侧听力完全丧失,但随着时间的延长,患侧听皮层的激活程度逐渐增强,1年后两侧听力完全对称。当然,人们对神经可塑性的生理机制还不了解,但上述研究均表明fMRI有助于客观评价神经系统疾病各种治疗方法的有效性以及患者术后功能的恢复情况。3fmri的不足目前国内外学者的研究多偏重于BOLD-fMRI的临床应用。但是相对BOLD-fMRI而言,ASL技术具有一定优势。由于其大多采用减影的方法分析标记前后信号的差别,因此ASL图像的运动伪影和基线偏移显著减少,特别是它可绝对定量CBF的能力对临床研究极为有利。Aguirre等证实ASL技术采集的任务激活信号个体差异较小且信号噪声稳定,因此适于研究较长时间段内脑功能的缓慢波动。同时有些研究也证实ASL技术获得的功能信号改变具有更高的空间和时间分辨率。因此未来几年中,fMRI中ASL技术的应用将越来越广泛。然而,作为一项新技术,fMRI还存在一些不足之处,有待进一步改进。消除头部运动伪影:fMRI图像中信号强度的改变非常细小且分散,易被其他多种信号污染,主要的污染源即扫描过程中头部的运动。最初人们借助工具来固定头部,现在着重研究新的刺激方案减少患者头部运动,Lee等研究认为:主动性任务(如主动捏海绵)和被动性任务(如被动接受刷手)在感觉运动区的激活程度大致相同,但后者产生的头部运动伪影少得多。同时,扫描前对患者进行培训以取得患者的合作对于任务的完成及减少头部运动都是必需的。fMRI激活信号的缺失:利用fMRI定位功能活动区具有较好的空间准确性。但皮层内缺乏fMRI激活信号不一定提示该区内缺乏神经电活动,也不意味着外科切除是安全的。因为许多病理情况都会削弱局部血流动力学反应,进而降低fMRI激活信号强度:(1)病灶的占位效应和周围水肿均可引起机械性血管收缩;(2)某些脑肿瘤内的代谢改变会引起局部组织pH值改变,从而消除生理性血流动力学反应;(3)治疗性药物影响血流动力学的自动调节机制;(4)血管畸形的周围可能存在微血管结构的改变。这些负面的结果还有待进一步研究。减少静脉伪影:脑功能活动时局部血流速度的增加和血流量的增