功能磁共振

功能磁共振成像（functional magnetic resonance imaging，fMRI）是一种无创的脑功能检查方法，它以血氧水平依赖（blood oxygenation level dependent，BOLD）为基础，近年来被广泛地应用于神经外科领域。

（一）功能磁共振成像的成像机制与特点

BOLD技术是一项目前比较成熟和完善的脑功能成像研究方法，它是一种无创伤的检查方法，具有空间分辨率高、检查时间短、容易与结构影像融合等优点。1994年开始应用于运动皮质的功能成像，它所获得的信号改变是依据功能活动区局部大脑血氧水平的变化，当局部脑功能区神经元兴奋时，组织代谢加强，动脉血流量增加，使得含氧血红蛋白浓度增加，脱氧血红蛋白在血流中的浓度相对减少，使血管内及血管周边组织的局部磁场均匀性依次增加，进而形成脑区激活信号，BOLD信号反映的是主要是神经元兴奋时脑血流CBF的变化，间接反映神经元的能量消耗，在一定程度上反映神经元的活动情况，达到脑功能成像的目的。当刺激任务引起神经元激活后，除了引起脑血流CBF增加外，还会引起脑血容量CBV与脑氧代谢CMRO2的相应变化。虽然BOLD信号反映的不是神经元的直接活动，但由于CBF占主导地位，神经元激活与BOLD的信号变化接近线性，利用它来完成功能成像是可行的。在具体分析时对BOLD的定位、强度、时间效应曲线应有正确的认识。当然也要考虑到fMRI的不足，首先是它的时间分辨率不够理想，信号变化与神经元的启动有1～2s的差距，其次是容易受运动伪迹与静脉伪迹的影响，在结果分析时应考虑到这些因素的存在，作出合理准确的判断。

（二）功能磁共振成像的设计与扫描

fMRI实验设计主要包括组块设计（block design）与事件相关设计（event－related，ER－fMRI），fMRI组块设计实验主要采用基于认知减法范式的“基线－任务刺激”模式，设计的特点是以组块的形式呈现刺激，在每一个组块内同一类型的刺激连续、反复呈现。一般至少需要两种类型的刺激，其中一类是任务刺激（task），另一类是控制刺激（control）。通过对任务刺激和控制刺激引起的脑局部血氧反应的对比，了解与任务相关的脑结构的活动，常应用于功能定位实验中。采用这种方法可以得到脑的激活图（active map）。组块设计常被用来观察相对基本的功能，如初级感觉中枢、简单运动与高级语言中枢等。事件相关fMRI设计实验是一次只给一个刺激，经过一段时间间隔再进行下一次相同或不同的刺激。它的关键在于单次刺激或行为事件所引发的血氧反应。采用快速事件相关实验设计，可以灵活的安排实验刺激，排除无关刺激的干扰，减少期望、练习和疲劳效应，对磁共振信号进行更好更深入细致的描述。

功能磁共振检查采用回波平面成像技术：受试者取仰卧位，由海绵枕及头盔将头固定在正交头线圈上。先使用快速自旋回波（FSE）序列采集T1WI结构图像，TR：500MS，TE：11MS，数据矩阵192×144。BOLD数据采用EPI序列采集，TR：3 000MS，TE：40MS，数据矩阵64× 64，平面像素3．75mm×3．75mm，反转角90°。矢状位薄扫：层厚1．3MM，TR：1 600MS，TE：1．75MS。轴位薄扫：层厚2mm，TR：655MS，TE：8MS。（三）头部移动对BOLD信号的影响及解决办法

恰当的刺激任务是相应功能脑区激活的前提，但头动常常会影响BOLD信号的质量，甚至无法获得BOLD信号。＜4mm的头动可以被图像处理软件校正，超过这个范围会影响功能成像的准确性，甚至会导致检查失败。一般不提倡头部的强行固定，这样有时会产生更难以去除的异常运动，甚至引起病人烦躁，影响实验结果。最好的方法是耐心解释，获取病人的理解与配合，并根据实际情况，适当调整刺激模式与刺激时间。感觉性语言区功能成像时，受试者集中精力理解语言任务，不会出现明显头动，成像效果满意。而朗读发音时，有嘴唇运动、喉部肌肉的协调，以及运气控制等因素参与，头动是无法完全避免的。为了提高成像效果，可以运用热塑性材料，制成适合病人的扫描头模，这种方法可以有效减少扫描过程中患者的头动。

虽然轻微头动可以被图像处理软件校正，仍然应重视检查前培训，稳定的功能成像与认真的术前培训密切相关。扫描前应该让实验对象详细了解整个扫描过程，解除受试者紧张情绪，减少由于期待引起的紧张，以便在检查过程中做到心情平静、精力集中。不同任务时脑功能成像的术前培训各有特点。运动性语言区脑功能成像时，在检查前要让实验对象适当熟悉语言任务，既要避免任务生疏引起配合困难，又要避免任务过于熟悉而出现激活减弱，这是由于练习效应使得任务难度降低的缘故。感觉性语言区脑功能成像时，考虑受试者语言功能正常，为了避免练习效应引起的激活减弱现象，检查前一般不让受试者熟悉语言听力材料。但在临床应用中，由于病变影响了患者的理解力、反应力与智力，可能需要更加耐心细致的检查前培训，在为病人做感觉性语言区功能成像时，可能需要检查前适当熟悉听力材料。

（四）功能磁共振图像后处理

功能磁共振的图像后处理，通过设定阈值使两种状态下的原始图像进行匹配减影，减影图像经过像素平均化处理后，使用统计方法重建可信的功能激发图像。目前常用的统计方法主要是相关分析、T检验，通过这些后处理可以提高实验结果的可信度，有效的消除部分图像伪影。目前国际上对脑功能成像处理的常用软件包有软件AFNI、SPM、MRICRO、FSL、FREESURFER等和商业软件MEDX、BRAIN VOYAGER等。AFNI与SPM软件应用最为广泛，主要数据处理过程分为空间处理和统计处理两部分。它们都配置了图形界面，脑功能图像处理过程中数据的重建、配准和标准化都可以简单地完成。

（五）功能磁共振在神经外科的应用

功能磁共振最早应用于神经生理活动的研究，随着刺激方案的精确，技术的进步，功能磁共振逐渐应用于临床，在神经外科领域最常应用的是视觉、听觉、运动以及语言功能皮质的定位，在术前定位中最有价值的是运动区与语言区的功能皮质定位。

1．视觉 视觉皮质激活可以采取不同的刺激模式，但多采用棋盘格翻转刺激，Scott利用同一幅图片的两种版本交替呈现在受试者面前，受试者的任务是利用视觉搜索区别两幅图片的不同之处，结果发现包括岛叶、额叶和视觉皮质区在视觉搜索区间被激活。Miki应用4T的功能磁共振研究人的视觉活动，结果在所有受检者的双侧第一视觉皮质均发现神经活动，且均延伸至纹状区外皮质，双侧外侧膝状体均被激活，说明高场强的功能磁共振可以更有效的显示视觉系统的生理活动。

2．听觉 功能磁共振可以研究听觉传导路，在蜗神经核、上橄榄核和内侧膝状体均可发现功能活动。用功能核磁观察耳鸣病人的脑皮质和皮质下的功能活动，结果表明耳鸣病人的皮质活动异常，提示耳鸣与听觉皮质异常神经活动有关。在给予听觉刺激时可以发现双侧颞上回及颞上沟激活。

3．运动功能 大脑皮质运动区附近病变的手术切除是神经外科的一个难点，如何确定运动区皮质是提高手术疗效，保留神经功能的关键。对肢体运动皮质的定位多采用对指运动或足的屈曲运动来设计实验，正常人对指运动时脑功能激活区改变主要位于两侧中央前、后回的第一运动感觉区及中央旁小叶的辅助运动区，均以对侧明显。由于对指运动快速切换时伴有本体感觉传入冲动，同侧皮质亦有少量激活。小脑半球是重要的运动调节中枢，在对指运动时小脑半球也有激活。冯华等应用对指运动进行的功能磁共振研究表明：18例患者中16例可见患侧半球的初级运动皮质激活，由于病变与水肿的影响，可见激活区移位、区域分散、不连接，部分病人还可以看到初级运动皮质激活强度降低、范围减小现象，而且运动皮质不对称性现象也非常明显。由于脑区激活范围与强度除了与皮质功能相关外，还受患者肢体的肌力、任务难度以及图像处理的阈值相关，所以认为皮质激活的核心区域对于定位更具有价值。本组的核心激活脑区与术中根据体感诱发电位和皮质电刺激所确定的皮质运动区基本一致，也证实了fMRI与皮质电刺激在空间结构上具有很强的相关性。fMRI与神经导航的结合明确了病变与功能区的关系，Krishnan的研究证实了功能导航在手术切除运动皮质周围病变中的价值。一般认为当功能皮质与病变之间距离在10mm之内时，需要在术中进行皮质电刺激。当功能皮质与病变之间距离＞10mm时，手术切除是安全的。

fMRI与皮质电刺激之间的误差也是客观存在的，主要有以下因素：首先是EPI层厚4mm，与结构像像素不同在影像融合时产生误差；其次fMRI信号反应的并不是真正神经元激活，这种近似线性的关系也具有一定误差；神经导航的系统误差。从冯华等的研究来看，这些误差并未明显影响功能区定位精确度，能够在术前与术中为术者提供有用的信息。

4．语言功能 语言系统可以被认为是一个网络，语言任务表现为复杂的、多脑区的联系，大脑中正常的语言系统极易对视、听刺激作出反应，要制止这种广泛的语言处理活动是困难的，很难找到仅仅有利于兴趣处理的指令，但不同的语言任务总会有与任务密切相关的核心脑区。在临床工作中，运动性语言中枢（BA44＼45）Broca区与Wernicle区的定位具有非常重要的意义。虽然对于语言任务刺激模式有不同的模式选择，但总的来说都可以满足临床定位的需要。冯华等应用汉语朗读任务作为fMRI中启动Broca区的语言任务刺激模式，10例受试者9例可见左额下回Broca区的激活，时间－信号强度动态曲线稳定，脑区激活与任务相关。应用汉语的段落理解任务作为fMRI中启动Wernicke区的语言任务刺激模式，10例受试者均得到脑区激活图，以左颞叶激活为主，其中6例可见激活区分前后两部分，位于左侧颞横回与颞上回。从18例患者的情况来看，共执行29项语言任务，其中12项成像效果非常好，激活信号清楚明确，时间信号强度动态曲线与任务相关性强，15项成像效果清楚，只有2项未得到任务相关脑区激活。

fMRI定位的准确性如何是临床应用中最关心的问题，从运动皮质的研究来看，很多学者的研究证实FMRI与皮质电刺激在空间结构上有很强的相关性，Roux的临床数据表明87%的病人fMRI与皮质电刺激有良好的相关性，排除了误差因素13%不相关。与运动区皮质相比，语言区非常复杂，且个体差异明显。冯华等进行了16项激活功能区与皮质电刺激的相关性比较，9例为重叠关系，差距在1cm之内；7例为邻近关系，差距在2cm之内；未发现距离＞2cm的矛盾关系者。从结果来看朗读任务与段落理解任务可以有效启动患者的语言功能核心脑区，语言功能成像的核心引导块与术中电刺激具有良好的相关性。

语言区在颅内病变时的变化规律是有效保留语言功能的关键，病变对语言区的影响与肿瘤大小、血供状况以及功能区距离均有一定关系。但目前的说法不一，一些学者认为肿瘤周围皮质血管反应减弱，推测这种减弱与功能缺失程度相关。也有人认为这些区域激活增强，甚至fMRI信号出现在侵袭性生长的肿瘤区。还有人认为肿瘤似乎不影响BOLD信号。肿瘤的血液供应和肿瘤的恶性程度与脑区激活的存在一定的关系，偏良性的肿瘤脑功能成像BOLD信号激活相对明显和稳定，在肿瘤中很少出现BOLD激活区。而恶性程度高的肿瘤患者，脑功能成像的激活相对混乱，在肿瘤中也可以发现激活信号，这可能与肿瘤异常血管增生，血流动力学改变引起的BOLD信号改变有关。从汉语语言功能成像的结果来看，在病变影响下语言功能脑区激活减弱、移位与分散，病变切除后可见功能脑区激活增强、集中与复位。这种现象的出现除了与病变的机械压迫、推挤有关外，可能还受语言脑区的功能状态的影响，在病变影响下语言区功能受损，引起脑区激活的减弱与分散。在病变切除后，随着语言功能的恢复，语言区激活增强。

语言区附近肿瘤手术后最大的风险是术后语言功能缺损，如何既切除肿瘤又保留语言功能是神经外科医生最关心的问题，具体的说，就是确定肿瘤切除的安全范围。功能区肿瘤手术后出现功能缺损有几种情况：肿瘤切除过程中即出现功能缺损，术中正常、术后神经功能缺损或者血管损伤出现毁灭性损害。术后出现的功能缺损，有可能是切除的肿瘤侵入的脑区与功能脑区距离过近，由于肿瘤的过分切除，以及对周围皮质上的操作干扰，或者是术后的脑区缺血造成的，这类功能缺损预后良好。功能区与切除皮质的距离与神经功能恶化密切相关，关于安全距离虽然存在一些争论，但总的来说5～10mm是比较公认的安全距离，功能区与切除皮质的距离＜5mm时出现功能缺损的风险较高。考虑到fMRI的偏差在5mm之内，一般选择10mm为手术安全距离。

（六）功能磁共振的发展前景

虽然功能磁共振具有安全、无创伤、高时间分辨率和高空间分辨率、可以同时获得结构像与功能像的优点，在具体应用中还有很多问题需要探讨与解决，比如刺激方案的设计问题、所使用的快速成像序列的优化问题、图像后处理方法选择的问题以及功能定位方法的选择问题等。另外功能磁共振并不能直接显示神经元的活动、也不能显示皮质下功能活动，但是我们可以通过DTI与脑磁图的联合应用来克服这些缺陷，所以说多技术联合应用是脑功能成像的发展方向。

（黎海涛　吴　南　郭文才）

参考文献

［1］ 孙 达．放射性核素脑显像．杭州：杭州大学出版社，1997：1－12．

［2］ 田嘉禾．正电子发射体层显像（PET）图谱．北京：中国协和医科大学出版社，2002：121－128．

［3］ Hayashi T，Suzuki A，Hatazawa J，et al．Cerebral circulation and metabolism in the acute stage of subarachnoid hemorrhage．J Neurosurg，2000，93：1014－1018．