脑功能磁共振成像原理及其在神经外科学中的应用*

苏春秋 邱小红 马蔚吟 郁 芸*

[文章编号] 1672-8270(2015)03-0057-04 [中图分类号] R445.2 [文献标识码] A

脑功能磁共振成像原理及其在神经外科学中的应用*

苏春秋①邱小红②马蔚吟③郁 芸③*

[文章编号] 1672-8270(2015)03-0057-04 [中图分类号] R445.2 [文献标识码] A

功能性磁共振成像(fMRI)是一种以核磁共振现象为理论基础的成像技术，正迅速发展成为不同领域研究工作的一项重要工具。作为一种非侵入性的成像技术，fMRI技术不仅可以显示高空间分辨率和时间分辨率的不同大脑区域活动的变化，还可以客观地对脑功能区准确定位。目前，在现代神经科学，特别是神经外科学中，使用fMRI技术对脑结构和脑功能进行研究已成为一个热点。为此，本研究将阐述fMRI的成像原理及其在神经外科学中的临床应用。

脑功能；磁共振成像；神经外科

DOI∶ 10.3969/J.ISSN.1672-8270.2015.03.019

[First-author’s address] Medical Imaging of First Clinical College, Nanjing Medical University, Nanjing 210029, China.

医学影像技术是借助于某种介质(如X射线、电磁场、超声波及放射性核素等)与人体相互作用，用理工学基础理论和技术，把人体内部组织器官的结构、功能等具有医疗情报的信息源传递给影像信息接收器，最终以影像的方式表现出来的一门科学技术。医生根据其知识和经验对提供的医学影像中的信息分析判断，从而对患者的健康状况进行诊断治疗[1]。目前，临床应用中已有X射线、CT、MRI、功能性磁共振成像(functional magnetic resonance imaging，fMRI)、B超、超声波以及超声心动图等影像技术。随着时代的进步，影像技术发展也愈来愈迅猛，越来越多的疾病可通过影像技术而明确诊断。

1 磁共振成像原理

人体内部的大量氢质子所形成的杂乱无章的小磁矩，在强大的静磁场作用下形成总磁矩，并在射频脉冲作用下所形成的射频磁场激励下而发生进动，出现驰豫现象。当射频脉冲撤离之后，氢质子即将射频脉冲所提供的激励能量释放出来，这种被释放出来的无线电信号，被体外的接收线圈所接收，人体将被接收的无线电信号再转化成相应的灰度，从而获取人体不同断层的灰度像。

对于不同断层的空间位置及其各个断层上所提供的不同灰度像素的氢质子空间位置，则由梯度磁场来完成。梯度磁场的作用是完成每个断层位置及其断层面上每个像素灰度大小的空间位置编码。由于人体内部有水分子存在的地方均存在氢质子，磁共振成像即建立于分子量级的基础之上[2]。因而MRI设备是目前医学成像领域中先进的成像设备，也是能够发现早期癌变的成像设备。

2 fMRI原理

传统的MRI与fMRI之间的主要区别是其所测量的磁共振信号有所不同。MRI是利用组织水分子中的氢原子核处于磁场中发生的核磁共振现象，对组织结构进行成像，而fMRI是通过血流的变化间接测量大脑在受到刺激或发生病变时功能的变化[3]。

fMRI是一种通过血流和(或)代谢的改变来反映人体组织对比的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的增强机制主要有血氧水平依赖(blood oxygenation level dependent，BOLD)性增强和动脉自旋标记(arterial spin labeling，ASL)性灌注增强。fMRI的突出特点是可以利用超快速的成像技术，反映出大脑在受到刺激或发生病变时脑功能的变化。fMRI是研究活体脑神经细胞活动的一项新技术，将高分辨率磁共振成像技术与神经活动相结合，因其无创、无辐射、空间分辨力高以及功能与形态同时成像而被广泛应用于许多研究中，突破了过去仅从生理学或病理生理学角度对人脑实施研究和评价的状态，打开了从语言、记忆和认知等领域对大脑进行探索的大门[4-5]。

2.1 基于BOLD的fMRI

(1)血氧水平依赖功能磁共振成像(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。BOLD fMRI信号强度主要依赖于神经系统活性及由此引起的血流变化，因此任何改变大脑血液动力学和神经系统活性的因素均会影响BOLD fMRI信号[6]。当大脑在执行特殊任务或受到某种刺激时，某个脑区的神经元活动会增强。增强的脑活动导致局部脑血流量的增加，从而使更多的氧通过血流传送到增强活动的神经区域，使该区域里的氧供应远远超出神经元新陈代谢所需的氧量，导致血流中氧供应与氧消耗之间失衡，造成功能活动区血管结构中氧合血红蛋白增加，脱氧血红蛋白相对减少。

(2)脱氧血红蛋白是一种磁性物质，其铁离子有4个不成对电子，磁距较大，有明显的T2(指横向磁化由零恢复到原来值的37%时所需的时间，即横向弛豫时间)[7]缩短效应，因此在某一脑区脱氧血红蛋白的浓度相对减少将会造成该区域T2信号的相对延长，使得该区域中的MR信号强度增强。在脑功能成像时功能活动区的皮层表现为高信号，利用回波平面成像(echo planar imaging，EPI)技术快速成像序列将其检测出来。EPI是目前成像速度最快的技术，可在30 ms内采集一幅完整的图像，使每秒钟获取的图像达到20幅，EPI可以与所有常规成像序列进行组合[7]。采样过程需设置活动和休息两种状态，收集因代谢活动改变而引起血氧水平变化的信息，将原始数据传送至离线工作站进行离线处理。为抑制图像中的各种噪声，可将同一状态下反复获得的多幅图像叠加后平均，得到的图像称为均值图像。该方法不仅可减少噪声，还可使像素灰度值的标准差减少。通过阈值设定，将两种状态下的均值图像进行匹配减影，重建每一层像素，分别获得刺激活动状态下和休息状态下均值图像进行减影后的图像。

(3)应用图像动态处理功能，将功能图像和相应解剖图像叠加，就获得了脑功能活动定位图。BOLD所使用的扫描序列有单次激发自旋回波(spin echo，SE)-EPI和敏感梯度回波(gradient echo，GE)-EPI，具有良好的空间及时间分辨率，随着磁共振技术的完善，其成像时间进一步缩短，梯度场强和切换率进一步提高，为普及fMRI的临床应用提供了成像基础。

(4)与其他脑功能成像手段相比，fMRI具有下述特点：①fMRI的空间分辨率和时间分辨率比PET和SPECT高，这意味着fMRI能够对瞬间的认知事件和大脑的微细结构进行成像，并能够提供比较清晰的图像；②与PET和SPECT相比，fMRI技术对人体无辐射性伤害，利用脱氧血红蛋白作为内生的造影剂，在成像过程中不需要注射放射性核素，可对同一患者进行重复成像[8]。

2.2 基于ASL的fMRI

ASL技术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量(cerebral blood flow，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为ml/(100g·min)直接定量CBF[8]。

3 fMRI在神经外科学中的临床应用

传统的MRI与fMRI之间的主要区别是其所测量的磁共振信号有所不同。MRI是利用人体组织水分子中的氢原子核处于磁场中发生的核磁共振现象，对组织结构进行成像，而fMRI所测量的是在受到刺激或发生病变时大脑功能的变化。因此，fMRI对于神经外科学的应用具有很重要的临床价值。

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。①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；②在数据采集阶段，临床fMRI的研究时间必须局限在患者可耐受的时间段内；③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；④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[5]。fMRI已在基础研究中广泛应用于听说读写等具体脑功能区的定位，在临床实践中已广泛应用于确定脑损伤与周围感觉、运动等皮层功能区的关系[9-12]。

3.1 fMRI在癫痫手术中的应用

在癫痫手术中对于难治性颞叶癫痫而言，颞叶切除术比药物治疗效果好，可更好地控制癫痫发作，降低病死率。但颞叶切除术能否成功与海马的切除范围以及由此引起的功能缺失密切相关，常见的术后并发症是由于切除了优势和(或)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。因此，要求神经外科医师必须同时衡量颞叶切除术的益处和其可能导致语言或记忆缺失的风险性，故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。

患有癫痫时脑局部神经元活动增加，即突触活动增加(局部场电位升高)时，脑组织代谢需求量升高，引起局部耗氧量和脑血流灌注量明显增加，但脑血流增加更为显著，导致静脉血中脱氧血红蛋白浓度减低，由于含氧血红蛋白和脱氧血红蛋白之间存在磁敏感性差异，fMRI研究通过BOLD效应将兴奋脑组织显示为BOLD信号升高(正性激活)。fMRI通过这种信号的改变得到不同的成像进而对各脑功能活动区进行定位[13]。

3.2 fMRI在脑瘤手术中的应用

研究表明，fMRI在手术前方案的制定中越接近肿瘤区fMRI质量越好，而轻瘫等神经功能障碍则对fMRI质量无显著影响，fMRI可准确地了解肿瘤区与正常功能组织之间的解剖关系，有利于术前手术方案的制订。

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至关重要；但在实际手术过程中做到这点却比较困难，主要是由于术野暴露的限制以及由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除可清楚辨认解剖标记之外，还为临床医师提供额外的功能解剖标记，其在fMRI图像上的共同特点为易于辨认，恒定存在，具有较高的可信度和实用性。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。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，平均登录误差仅为2 mm。以往认为，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。近年来，这种观点受到了挑战，fMRI和术中皮层电刺激研究均发现，在神经胶质瘤内存在明显的功能激活区，因此要求手术人员慎重分析，防止误切，产生后遗症[14]。切除颅内脑肿瘤须详细了解病灶与周围功能结构的关系，尤其当病灶累及重要的皮质功能区，如语言、视觉、运动及感觉功能区时。为了区分肿瘤与皮质功能区时，可采用MRI脑磁波扫描术、正电子发射断层术、尤其是fMRI等方法了解脑皮层功能区，制定最佳手术方案，保护重要的皮质功能区，提高患者长期生存率，进而改善生活质量[15-22]。

fMRI还可应用于脑动静脉畸形、海绵状血管瘤等颅内血管畸形手术，也应用于其他神经疾病手术中，如斯特有一韦伯综合征、结节状硬化症及腊斯默森脑炎等的手术，其作用与在癫痫、脑瘤手术中的应用相似，但在手术效果、手术风险的术前评估及指导病灶切除等方面比癫痫、脑瘤的手术具有更高的价值。

4 fMRI临床应用展望

随着fMRI临床技术的发展和逐渐完善，fMRI必将愈来愈广泛地在临床上用于神经疾病手术方面的研究，为疾病的诊断、手术方案的制定和术前对手术效果的评估提供敏感、客观及准确的信息，与MRI所提供的多方位、高软组织分辨力的形态学信息及术中导航技术的应用相联合，将极大地提高手术治疗的效果，且应用前景十分广阔。

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Research on the principles of functional magnetic resonance imaging and its application in the neurosurgery

SU Chun-qiu, QIU Xiao-hong, MA Wei-yin, et al// China Medical Equipment,2015,12(3)∶57-60.

Functional magnetic resonance imaging (fMRI) is an imaging technique based on the theory of nuclear magnetic resonance phenomenon and gradually becomes an important tool for research work in different areas. As a non-invasive imaging technique, functional magnetic resonance imaging (fMRI) can not only show activity changes in different brain regions with high spatial and temporal resolution in real-time, but also position the functional areas objectively and accurately. Nowadays, in the modern neuroscience, especially in neurosurgery, the functional magnetic resonance imaging (fMRI) has become widely applied in the study of brain structure and brain function. In this paper, we will review the imaging principle of fMRI and its clinical application in the department of neurosurgery.

Brain function; Magnetic resonance imaging; Neurosurgery

苏春秋,女,(1992- ),本科在读。南京医科大学第一临床医学院医学影像学系，研究方向：医学影像。

2014-08-20

江苏省大学生实践创新训练计划(201310312016Z)“基于SPM的功能磁共振成像数据的预处理研究”

①南京医科大学第一临床医学院医学影像学系 江苏 南京 210029

②南京医科大学基础医学院生物医学工程系 江苏 南京 210029

③南京医科大学基础医学院计算机教研室 江苏 南京 210029

*通讯作者：yuyun@njmu.edu.cn