| 词条 | FMRI |
| 释义 | FMRI 人们越来越执著于对客观、确凿的大脑真相的追寻，现在有了一种非常优秀的大脑成像技术，那就是功能磁共振成像(fMRI)。自上世纪90年代初问世至2007年底，这种技术已出现在12000多篇科学论文中，而且这个数字至今还在以每周30至40篇的速度增长。人们之所以对它如此重视，那是因为比起现有其他大脑功能成像技术，fMRI在“观察活动中的大脑”时，不仅时间分辨率更高，就连空间分辨率也可达到毫米水平。借助fMRI，对大脑的研究便可扩展至记忆、注意力、决定……在某些情况下，fMRI技术甚至能够识别研究对象所见到的图像或者阅读的词语。对个人内心世界的这些揭示不禁让人期待在大脑中鉴别谎言这种复杂状态的可能性。 § 广义分类 （1）脑血流测定技术，包括注射造影剂、灌注加权和目前的BOLD效应成像。 （2）脑代谢测定技术，包括1H和31P的化学位移成像。 （3）神经纤维示踪技术，包括扩散张量和磁化学转移成像。从时空分辨率、无侵入性和实用性等方面考虑，目前应用最广泛的是BOLD效应的fMRI，也即通常的fMRI。 § BOLD原理 FMRI BOLD效应fMRI是基于神经元功能活动对局部氧耗量和脑血流影响程度不匹配所导致的局部磁场性质变化的原理。血红蛋白包括含氧血红蛋白和去氧血红蛋白，两种血红蛋白以磁场有完全不同的影响。氧合血红蛋白是抗磁性物质，对质子弛豫没有影响。去氧血红蛋白属顺磁物质，可产生横向磁化弛豫时间（T2）缩短效应（perferential T2 proton relaxation effect, PT2PRE）。因此，当去氧血红蛋白含量增加时，T2加权像信号减低。当神经元兴奋时，电活动引起脑血流量显著增加，同时氧的消耗量也增加，但增加幅度较低，其综合效应是局部血液氧含量的增加，去氧血红蛋白的含量减低，削弱了PT2PRE， T2加权像信号增强。总之，神经元兴奋能引起局部T2加权像信号增强，反过来就是T2加权像信号能反映局部神经元的活动。这即BOLD效应（ blood oxygenation level dependent）。早期的fMRI是单纯利用神经元活动的血流增强效应，利用注射顺磁造影剂的方法来实现的，后来随成像支柱的发展，才形成的BOLD。 § 物理基础 FMRI 普通临床用的MRI信号几乎都来自组织液中的质子。图像强度主要取决于质子的密度，但是水分子周围局部环境也对它有很大的影响。质子受到一个射频磁场脉冲的激励后，它的磁化方向不再与MRI磁体的静态磁场方向一致，需要较长的时间(大约从零点几秒到几秒)才能回到原来的方向。在这段时间里，和静态磁场垂直的磁化分量在被扫描的物体周围的天线中产生一个感应信号电压。如果水分子的质子在完全恢复之前再次被激励，则产生一个相对较小的信号。恢复率称为纵向弛豫时间T1，不同组织中质子的T1不同。 改变射频脉冲的重复时间(TR)，T1较长和较短的组织间对比会发生显著变化。为了观察MRI信号，质子磁化方向必需偏离主磁场方向，在横断面上生成一个沿轴进动的磁化分量。为使这个信号最大，横断面上的磁化向量产生的相角在围绕物体方向保持恒定，这样才能将每个质子的磁化分量叠加起来。然而，每个质子自旋的磁环境不同使它们以稍微不同的频率进动，使相角分离，从而使信号随时间减小。信号基本上按指数规律衰减的，衰减的速度由时间常数T2(横向弛豫时间)决定。 横向净磁场的衰减总是比纵向净磁场的衰减要快。而且，由于体内顺磁粒子(如某些MRI对比剂)的存在或由于物体本身的空间不均匀性引起物体周围的磁场变化都会使相角进一步分散，使信号更快衰减。这个附加的弛豫时间定义为T2’。总的信号衰减由弛豫时间常数T2*决定，它们之间的关系是:1/T2*=1/T2+1/T2’ 功能磁共振就是利用磁场不均匀性对衰减信号进行测量。因为横向净磁场的衰减非常快，所以可以在非常短的时间内检测到信号，这就提供了很好的时间分辨率。通常使用回波技术对衰减信号进行测量。自旋回波(SpinEcho)技术用于测量T2信号，梯度回波(GradientEcho)技术用于测量T2*信号。 § 成像技术 fmri简介 神经元活动引起局部力流增加，是短暂的，普通的MRI成像速度慢，难以用来研究神经电活动引起的这种变化，所以需要快速成像支柱。目前快速成像技术主要包括快速小角度激发（fast low angle shot, FLASH）成像和快速回波平面成像（echo planar imaging, EPI）。但FLASH成像仍属几秒钟，虽然可通过减少重复扫描来提高时间分辨率，但会明显降氏空间分辨率。EPI技术是把经典成像中的多次扫描简化成一次扫描，使成像速度明显提高。EPI技术需要梯度场快速转换，对硬件要求较高，而且梯度场转换产生的噪声也较大。人们对之进行改造，发展出一种新的EPI技术：Spirals。与传统EPI区别在于其数据采集从数据空间中心开始，然后以旋转方式逐渐向外扩展，但它无法是行傅立叶转换，增加了图像重建的复杂性。比较它们：EPI和Spirals时间分辨率高，但空间分辨率较低；FLASH正好相反，应根据需要进行选择。 § fMRI信号及噪声性质 1. fMRI信号 神经活动需要增加局部血流量来供应更多的氧，而且神经变化很快。全部神经可在 10ms之内被激活。血液动力学的响应较慢，通常大于1s。局部增强的血流(及血量)使有效的T2*增加，并使BOLD对比起作用。BOLD对比磁化信号被采样成为离散的数据点(每个TR一次)，生成MRI信号。这是数字化的信号，可进行进一步处理(包括空间重新对准、归一化和平滑等)。</P> 2. 噪声源 除了实验诱发的神经活动之外，内部神经活动也会引起血流的波动，生理状态也可能对BOLD产生影响。各种形式的运动都是引起信号波动的噪声源，例如受试者头部在实验过程中未完全固定而发生的的刚体运动、心跳和呼吸周期引起头部的节律性运动等。这些噪声的特点是低频或宽带范围。 R.F噪声属于宽带噪声，产生于R.F.线圈中或受试者体内，影响MRI图像的SNR。一些仪器效应(发送功率校正、B1线圈剖面及接收增益)会在采样过程之前使MRI信号受到影响。 在空间配准(矫正刚体运动)时，考虑到处理时间不能太长，所以不能采用较理想的插值算法，所以会产生插值误差。误差是占主导地位的低频运动的函数，也是低频噪声源。 3. 频率分析 fMRI实验的数据是对每个体素(Voxel)都做数百次测量的时间序列。如果数据获取得足够快(每次少于6s)，由于血流动力学响应函数及其它生理噪声源的影响，该fMRI时间序列可能是时间自相关或时间上平滑的。前者可以看作待研究的神经时间序列与响应函数的卷积后产生的观察的血流动力学时间序列。 BOLD信号随时间的变化在频率空间表示为几个频率分量的总和。每个频率分量有不同的来源。这些来源有: 与脑部功能活动区有关的信号; 生理生物节律的假频或慢速运动伪影产生的噪声。设计实验时尽量不要把fMRI时间序列中的信号和噪声混淆起来。噪声是fMRI时间序列的低频分量并且很大程度上是心跳和呼吸运动的假频。 a. 周期性噪声源对脑部fMRI影响最大的两个周期性噪声源是心跳周期和呼吸周期。测量生理噪声比较理想的时间长度不仅取决于噪声源，也取决于成像的TR。如果TR比心跳周期和呼吸周期短(即TR<1s)，它们都可看作是简单的周期函数。单层EPI成像可达到一个非常短的TR(TR约为 100ms)。对于短TR的测量，采用中心频率为心跳频率和呼吸的频率平均值的陷波滤波器会比较有用。很显然，任何落在陷波滤波器止带内的活动频率分量也都将和噪声一起被滤除。当采用全脑多层EPI或其它较慢的单层成像技术时TR一般为几秒钟。这对心跳和呼吸噪声都超过了Nyquist界限，出现假频现象。在这种情况下，简单的陷波滤波器就不适用了。 b. 非周期噪声 除了与呼吸和心跳有关的噪声以外，低频噪声分量(一般称为漂移)也会出现在fMRI时间序列中。它们的产生原因是: 实验持续时间长造成的生理状态的变化、对准和调整后残存的噪声的移动和仪器的不稳定性。噪声的频谱呈典型的1/f特性。除此以外，受试者和扫描仪都有由于热运动产生的白噪声。 4. 失真和伪影问题 4. 图像几何失真和伪影fMRI技术是对不同的T2*产生敏感而生成信号，所以脱氧血红蛋白的磁特性使它们可充当图像的对比剂。但同时fMRI技术对其它因素引起的磁场不均匀性也很敏感。空气、骨骼、及各种组织类型间磁感应强度系数的差异会产生较大的图像强度不均匀性。特别是在fMRI惯常应用的高场强的条件下，这种情况就更为严重。图像平面内的不均匀性引起图像的几何失真。EPI技术的几何失真是一个特别严重的问题，因为在相位编码方向上的各点的频率很低。选择成像参数来尽量减小这种失真，否则会引起严重的功能图像与解剖图像的错位。自旋回波和梯度回波相结合可能有助解决此问题。 回波平面图像的另一个普遍的问题是存在Nyquist伪影，这是偏离实际图像视野一半的低强度 (大约1%)附加图像，由于在回波序列中奇数和偶数回波的定时或相位差引起的。数据采集之前利用双极性梯度进行预扫描可矫正伪影，使之最小化。磁场调节和梯度放大器的不稳定造成Nyquist伪影不稳定。实际图像和伪影图像的总能量保持不变，但是强度会在两图像之间摇摆不定。如果它们的能量和实验任务无关，在分析时就不会造成太大问题。但是，强度变化太大时会影响图像的对准。[1] § 主要应用 fmri设备睁眼说瞎话 fMRI的方法是非介入性的，所以应用此方法既可以对单一受试者进行多项研究，也可以对经科学分组的群体进行横向研究。和其他非手术脑功能定位技术(如PET、EEG、MEG及近红外光谱仪成像)相比fMRI具有非常好的空间分辨率和时间分辨率。这些特性为对人脑进行多种新颖的认知神经科学的实验提供了有利条件，并可进行脑病理的研究，具有相当大的临床意义。 1.纵向研究在神经的适应性、潜伏期和记忆存储机制方面尚存在一些基本问题没有解决，使人们有兴趣注意观察与学习和记忆有关的大脑皮层组织的变化，以及在儿童发育阶段，在脑损伤的恢复阶段脑区的变化。关于人脑功能映射(HumanBrainMapping)的一个有趣的实验是扣指(Finger-Tapping)实验。选择多名受试者，令受试者用拇指和其余四指按规定的顺序交替对扣，同时用fMRI成像，观察大脑皮层M1区的变化情况。受试者有生手和练习过之分，扣指顺序也可随机改变。该实验成功反映学习过程及大脑对动作支配情况。 今后的研究还将涉及与中风、脑外伤后功能恢复有关的皮层活动变化;肢体切除术或周围神经破坏后皮层重新组织的情况;以及Alzheimer病人或老年人皮层活动的选择性缺失等。 2.横向研究应用fMRI对执行一组相同任务的受试群组的皮层活动模式进行比较目前还不多，但类似的工作不难开展。迄今为止较成功的研究有:癫痫病人和正常人的语言偏向的研究;先天耳聋者和正常听力人群的参与阅读英语和美国手语的大脑区域的比较。今后可能的研究方向包括认知的交叉文化的研究(从与阅读不同文字符号有关的皮层区域开始)、非语言推理的速度和皮层活动的定位及区域大小之间的关系。将fMRI数据标准化至一个共同的立体空间(比如Talairach空间)的能力允许把显著性的活动投入共同的标准空间中加以分析和比较。 § 主要进展 功能性核磁共振(fmri) （1）视觉皮层定位研究中的应用。 （2）视觉感知研究 （3）中文识别的中枢定位研究 （4）各种脑疾病的fMRI研究。如AD、卒中、EP、药物成瘾等。 （5）针灸的研究。 （6） 学习和记忆研究 § 相关词条 心电脑图，大脑扫描仪，核磁共振，生物技术，大脑皮层 § 参考资料 [1] 论文天下 http://www.lunwentianxia.com/lwkey_new_102160/ [2] 生物之星 http://www.bioon.com/bioline/neurosci/papers/fmari.htm [3]技联网 http://www.tvanet.cn |
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