fMRI</B>原理

1. BOLD对比 80年代后期以前，由于磁场不均匀性所产生的信号延迟还被看成是MR成像的一个缺陷。为了抵消其影响，人们采用自旋回波技术，即在最初的激励脉冲后面加一个重聚焦射频脉冲来消除相位变化的影响，或者尽可能地缩短激励脉冲和信号采样之间的时间间隔，例如FLASH(Fast Low-Angle Shot imaging)成像技术。

当人们认识到血液中顺磁物质的存在可以作为血管标记并提供有效的对比时，才开始使用不加重聚焦脉冲的序列，并允许在脉冲激励和数据采集之间存在一个相对较长的时间段。原来的顺磁对比剂是外源性的，通过腿部静脉注射将无毒的含有元素钆(Gadolinium)的化合物注入血流中。每千克体重只需十分之几毫摩尔对比剂就足以在对比剂通过时从脑血管周围组织中观测到40%的信号损失。MGH的研究小组率先将此方法用于脑灌注，利用中心体积定理(Central Volume Theorem)得到局部脑血流值(血流体积/平均传递时间)。研究多采用超快速的成像技术: 回波平面成像(Echo-Planar Imaging，EPI)，这种技术可在不足100ms的时间内得到一幅完整平面图像，因此能在对比剂快速通过脑部时对其分布情况快速成像。

后来，Ogawa 和Turner对实验动物的独立研究表明只需改变血的氧合状态就可得到与对比剂在血管周围扩散的MRI图像改变相类似的结果。这个观察结果基于这样的事实，脱氧血红蛋白(Deoxyhemoglobin)比氧合血红蛋白(Oxyhemoglobin)更具有顺磁性，所以它本身就有和组织一样的磁敏感性。因此脱氧血红蛋白可以看成是天然的对比剂。如果影响大脑的状态使氧摄取和血流之间产生不平衡，并采用对磁场不均匀性敏感的MR成像序列，就可在脑皮层血管周围得到MRI信号的变化。此技术称作血氧合度依赖的对比(Blood Oxygenation Level Dependent Contrast，BOLD Contrast)。图1表示BOLD信号改变与脑血流(Cerebral Blood Flow，CBF)变化间的关系。这种方法可在无须对比剂和放射剂的条件下进行人脑功能定位的研究，并具有较高的空间分辨率。

施加刺激时观察到的信号升高意味着顺磁的脱氧血红蛋白的浓度相对降低。这就证明了早期PET的研究结果，施加刺激时氧的摄取远小于血流的增加。早期对开颅手术的观察也表明了从活动皮层区离开的血液呈亮红色，即有更多氧合，是供需关系失匹的结果。从理论上讲，信号的变化受血液动脉氧合、血流量、血流、血细胞比容、组织氧摄取和血流速度的变化等影响。它随场强的增加而增加。血流的变化显然是主要因素，它通过稀释脱氧血红蛋白而起作用。

2. 空间及时间分辨率 fMRI的空间和时间分辨率主要受伴随神经活动所产生的生理变化的限制，而不是成像技术本身的限制。BOLD信号能在小毛细血管和大静脉血管的内部和周围产生。光学成象技术表明激励时在神经活动部位周围半径为几毫米的区域内血管氧合程度加深。这可能给fMRI造成一个固有的空间分辨率的极限。另外的一个局限是: 在距神经活动部位的静脉系统下游几mm处也可检测到氧合变化。

fMRI的时间分辨率更有可能取决于生理动力学而非获取图像的速率。EPI技术每秒可获得40多幅单层图像，一般5s就能得到覆盖全脑的三维数据集。在神经活动中，突触传导为1ms级，信息传输是几百ms。但血流动力学反应的长潜伏期严重妨碍了BOLD对神经信号的响应。活动皮层BOLD信号的峰值出现在激励开始后的5~8s，并且回到基线水平需要同样的时间。如果在血流动力学反应时间之内施加一个单独的刺激会减少对比度，因为信号没有足够的时间回到静息水平。

3. 成像技术 空间编码是磁共振成像的关键技术。其基本的原理是，在X轴、Y轴和Z轴三个相互垂直的方向上施加磁场梯度或者梯度脉冲，使得磁场中不同位置产生的磁共振信号能在频域中得以分辨。这样频域中不同位置就与空间中不同位置形成了对应关系。根据K空间的填充方式不同形成了多种成像技术。

EPI(回波平面成像)是一种超高速成像技术，并已成为当前fMRI研究的主选方法。它对脑的氧合状态变化的检测达到亚秒级程度。虽然早在1977年Mansfield就已提出该技术，但只是最近才得到临床应用。主要是因为该方法对MRI扫描仪的硬件要求过高，特别是对梯度子系统的要求。至今，全世界也只有数百台MRI扫描仪能达到这样的要求。在功能成像实验中，图像的空间分辨可达到、甚至优于PET图像的空间分辨，还多了一个时间维可以测量神经活动过程。虽然，在时间分辨上还不能与EEG相比，但其良好的空间特性在功能神经成像方面独具特色。

EPI最大的优点在于它作为一种多层成像技术时可在高分辨率的前提下对全脑进行定位。比如，大约5s就可得到一个分辨率在三个方向上均为3mm的64×64×64的图像矩阵。每层的TR为5s，在fMRI场强条件下组织和血液中的T1为1s的数量级，饱和效应很小。而且，EPI及其派生技术(如Single-Shot GRASE，Single-Shot Spiral EPI)的获取信息率(即单位时间的信噪比)最高。图2所示对短暂视觉刺激时fMRI时间序列。

快速获取图像数据在研究人脑活动时至关重要。首先，许多研究感知和认知的任务必须在几分钟之内连续进行，不能出现习惯、疲劳或者厌烦。其次，要求空间分辨率为1~2mm，所以保持头部位置不变是非常必要的。受试者在MRI磁体之中呆的时间越长，越容易产生大的移动。第三，尽量做到同步获取全脑的状态。通常20~30层才能覆盖全脑，这意味着单层的数据获取时间要远比脑血管的血液动力学响应时间(6~8s)短。只有EPI技术可以胜任此工作: 它的速度达到以上的标准，并且具有较好的空间分辨率和信号/噪声比(SNR)。

象FLASH这样快速的梯度回波技术可在1~10s内得一单层数据，这种方法得到的空间分辨率非常高(平面内1mm数量级)。如果想得到非常精确的脑沟回的解剖信息应该选择FLASH方法。FLASH的局限性在于获取多层数据时耗时太长。所以它可作为一种对脑局部研究时的方法。

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