新编功能性磁共振成像的应用和发展前景.doc

新编功能性磁共振成像的应用和发展前景.doc功能性磁共振成像的应用和发展前景
姓名:杨青霜学号:091514
摘要:功能性磁共振成像(functional ic Resonance Imaging ,fMRI)是当代医学影像技术应用于脑神经科学研究最为迅速的领域之一。其原理是利用磁振造影来测量神经元活动所引发之血液动力的改变。目前主要是运用在研究人及动物的脑或脊髓。,已日益成为观察大脑活动,进而揭示脑和思维关系的一种重要方法.
关键词: 功能性磁共振成像脑神经科学临床应用基础研究
20世纪90年代以来,在传统磁共振成像(ic Resonance Image, MRI)技术的基础上发展的功能磁共振成像(functional ic Resonance Image , fMRI)技术已广泛应用于脑功能的临床和基础研究。fMRI结合了功能、解剖和影像三方面的因素,为临床磁共振诊断从单一形态学研究到与功能相结合的系统研究提供了强有力的技术支持。该技术具有无创伤性、无放射性、可重复性、较高的时间和空间分辨率、可准确定位脑功能区等特点,为脑神经科学提供了广阔的应用前景。
1. fMRI的基本原理
自从1890年代开始,人们就知道血流与血氧的改变(两者合称为血液动力学)与神经元的活化有着紧密的关系。神经细胞活化时会消耗氧气,而氧气要借由神经细胞附近的微血管以红血球中的血红素运送过来。因此,当脑神经活化时,其附近的血流会增加来补充消耗掉的氧气。从神经活化到引发血液动力学的改变,通常会有1-5秒的延迟,然后在4-5秒达到的高峰,再回到基线(通常伴随着些微的下冲)。这使得不仅神经活化区域的脑血流会改变,局部血液中的去氧与带氧血红素的浓度,以及脑血容积都会随之改变。
血氧浓度相依对比(Blood oxygen-level dependent, BOLD)首先由小川诚二等人于1990年所提出,接着由邝健民等人于1992年发表在人身上的应用。由于神经元本身并没有储存能量所需的葡萄糖与氧气,神经活化所消耗的能量必须快速地补充。经由血液动力反应的过程,血液带来比神经所需更多的氧气,由于带氧血红素与去氧血红素之间磁导率不同,含氧血跟缺氧血量的变化使磁场产生扰动而能被磁振造影侦测出来。借由重复进行某种思考、动作或经历,可以用统计方法判断哪些脑区在这个过程中有信号的变化,因而可以找出是哪些脑区在执行这些思考、动作或经历。
1990年, Ogawa等人根据脑功能活动区氧合血红蛋白(HbO2)含量的增加导致磁共振信号增强的原理得到了关于人脑的功能性磁共振图像[1],即血氧水平依赖的脑功能成像(Blood Oxygen Level Dependent fMRI, BOLD fMRI) 。由于血液动力学反应与脑神经活动之间存在着紧密的联系,BOLD fMRI 信号与局部脑血流、氧合血红蛋白(HbO2)和脱氧血红蛋白(dHb)含量密切相关。当被特定的任务刺激后(如视觉、运动等),可激活相应的脑功能皮质区,从而引起局部脑血流量和氧交换量的增加,氧的供量大于氧的消耗量,其结果导致氧合血红蛋白含量增加,脱氧血红蛋白含量降低。脱氧血红蛋白具有顺磁特性[2],可使组织毛细血管内外出现非均匀性的磁场,从而加快质子的失相位,缩短了T2驰豫时间,导致T2加权信号降低。因此当脱氧血红蛋白含量减少时可促使局部的T2加权信号增强,从而获得相应激活脑区的功能成像图[1,3-5]。

fMRI成像的物理学基础是核磁共振现象:自旋磁矩不为零的原子核(如氢原子核)在外界静磁场中发生磁化,环绕静磁场的纵轴Larmor进动,产生静磁矩,在一定频率(Larmor共振频率)的射频脉冲(RF)作用下,吸收能量发生能级的跃迁,而射频脉冲停止后,跃迁的原子核通过弛豫回复到原来的能级状态,同时释放出能够被记录到的能量信号。选择不同的成像周期的重复时间(TR)参数和成像的回波时间(TE)参数,可以得到不同参数依赖的加权图象,如T1加权像,T2*加权像和质子密度像。
fMRI成像的时间可以短至几十毫秒,空间分辨率可以达到1毫米,能同时提供大脑结构像和功能像获得准确的空间定位,可以无创性地多次重复实验。但fMRI测量的信号不是直接的神经活动信号,其测量的血氧变化信号一般滞后于神经活动(4~8秒)响应延迟,目前能够达到的时间分辨率最多只能在数百毫秒数量级。

fMRI扫描序列通常采用回波平面成像技术(Echo Planar Imaging, EPI) [4,6]、梯度回波脉冲序列(GRE)[7] 或螺旋成像技术(SPIRAL)[8-9]。梯度回波脉冲序列的成像速度较慢,易受运动影响产生伪影,一