腦部核磁共振

人腦功能的磁共振成像

1993年底，我所在的國家重點實驗室引進了核磁共振顯微成像裝

置，老師安排我參與儀器的驗收和應用功能開發。由于是國內最早

的同類裝置，大家都非常重視。南京大學，同濟醫科大學等單位都

有專家想開展神經科學方面的研究。特別是唐孝威院士，在武漢住

了很長時間，專門指導這方面的工作。我當時是博士生，跟隨這些

老師一起，在人腦功能和胚胎發育磁共振成像方面做了一些預研工

作，寫成《人腦功能的磁共振成像》，在《物理》1995年第2期上

（作者還有李麗云老師）。后來由于回到石油領域，我沒有再追蹤

這方面的工作。但是，在過去的15年里，腦功能成像有了很大進步，

甚至可能產生新的諾貝爾獎。端午節把此文找到，貼于此紀念。知

道不會有人感興趣。

人腦功能的磁共振成像

（原文載：《物理》1995年第2期）

關鍵詞磁共振成像，梯度回波，磁化率，腦功能

利用高場磁共振成像(magneticresonanceimaging，MRI)研究腦功能，最早見

于AT&TBell實驗室SeijiOgawa等人發表的論文[1]。他們的工作是1988年

完成的。以此為開端，在不到五年的時間里，美國麻省總醫院的

博士就充滿信心地說：有理由相信，MRI將發展成為思維閱讀器[2]。

美國政府把二十世紀90年代確定為“腦的十年”，國際腦研究組織也要求

其成員機構積極參與，以使“腦的十年”成為全世界加強神經科學研究的行

動[3]，寄希望于腦科學取得重大突破。腦的功能及其發生機制無疑是腦科學

中最重要的課題，因此功能性MRI的提出和研究必然會受到廣泛重視。

1基本原理

Ogawa的早期實驗是檢測血液中帶氧作用對小白鼠腦部磁共振成像的

影響。處于麻醉狀態的白鼠，當它呼吸100％氧氣時，用梯度回波法得到的

頭部冠面磁共振像只具有解剖學意義上的結構特征，圖像對比度較差；但當

它呼吸20％氧氣時，同一位置的圖像發生明顯變化，對比度大大增強，一些

黑色線條勾畫出腦組織的各種邊界，與光學顯微鏡相對應，這些突出的線條

正是血管所處的位置。而且，隨著吸呼的氣體中含氧量從50％逐步變化到

20％，圖像的對比度也出現相應的漸變。

為了弄清這種機制，把管裝的帶氧血與脫氧血各自放在鹽水槽中，分別用自旋回

波和梯度回波方法進行成像。實驗表明，當試管軸向垂直于主磁場時，帶氧血與脫氧

血的自旋回波成像相同，而梯度回波成像則有較大差異，脫氧血的信號范圍明顯增大。

當試管軸向平行于主磁場時，這種差異消失，所有的像都一樣。這種現象歸結為血液

中順磁性的脫氧血紅蛋白與逆磁性的帶氧血紅蛋白磁化率的差異。兩種磁化率不同的

介質，邊界上會出現磁場的不均勻性，自旋回波成像，由于用180°脈沖重聚橫向磁化

矢量，看不到這種不均勻性，所以圖像相同；而梯度回波成像，通過反轉梯度重聚橫

向磁化矢量，產生回波，對局部磁場的非均勻性相當靈敏.進一步的分析表明[4,5]，脫氧

血中，紅細胞內外產生一定的磁場不均勻性，使血液的橫向弛豫時間T

2

減短。在

360MHz譜儀上，測得脫氧血中質子的T

2

是4ms，而帶氧血則是50ms。脫氧血的平均

磁化率與周圍組織有明顯差別，因此場的變化可以延伸到血管邊界以外.若脫氧程度是

50%，則為0.05×10-4，r=2a處大約是士0.08ppm。在梯度回波成像中，回波時間

TE期間，這個額外場將使信號產生的相位差，從而直接影響成像的信號強度。因此，

起到了圖像對比劑的作用，或者說血液脫氧程度能夠產生靈敏的圖像對比度。與血液

脫氧程度(或帶氧程度)有關的腦部活動都可以由此而得以觀測，這正是迄今利用MRI

研究腦功能的基本出發點。

2實驗方法

成像數據的采集包括產生回波和空間定位兩個基本過程?？臻g定位是通

過施加梯度場，對空間坐標進行相應的編碼來完成的。產生回波的最常用方

法是自旋回波法和梯度回波法。前者用180o脈沖重聚橫向磁化矢量，對磁場

局部非均勻性不靈敏；后者通過梯度反轉使橫向磁化矢量重聚，產生回波。

其特點是只有正向梯度引起的散相才能被反轉梯度重聚，因此磁場的局部非

均勻性影響將被保留下來，磁化率能夠起對比劑作用。

一般認為，腦的反應速度是數十個毫秒，因此正確地反映人腦的瞬時信

息需要成像具有足夠高的時間分辨率。EPI(echo-planarimaging)能夠滿足這

種要求[6]。它以一次激發，產生多個回波，完成整幅圖像數據的采集，其取

數總時間最短可達30ms。相應地，EPI的信號采集方式、梯度設置方式以及

數據處理方式等，與常規方法都完全不同，因而需要建立新的硬件系統。

腦功能MRI提出之初大多是用EPI方法進行實驗。但是，由于這種方法

對儀器硬件及處理過程的特殊要求不易實現，研究者不多。近兩年來，許多

研究者用常規醫療診斷MRI儀器和方法同樣得到了功能性MRI，使該領域

的研究迅猛發展。

利用梯度回波成像脈沖序列，也可以進行快速成像.將90o激發脈沖改為

小角度激發脈沖，重復時間可以設置很短，數據采集能夠在數秒甚至數百毫

秒之內完成，這就是所謂的FLASH方法（fastlowangleshot）。例如，射頻

激發用扳倒角為20o的形狀脈沖，TR可設置為100ms，對256×128這樣的

像素矩陣，一次采集所需要的總時間僅為，能夠捕獲到速度較慢變化過程

的信息。

利用選擇性化學位移梯度回波成像（CSI）與定位磁共振波譜(MRS)相結

合的方法，還可以探測到在視覺刺激、運動感知及病變前后大腦皮層新陳代

謝產物的變化，從而為揭示大腦代謝機制及疾病臨床診斷提供更加有力的工

具。

3研究現狀

迄今，人腦功能磁共振成像研究工作主要集中于以下幾個方面：

3.1宏觀圖像顯示的研究

通過MRI及MRS可以定性地觀測到一定刺激下（如視覺刺激、運動感

知、認知活動等）大腦皮層活動的區域以及新陳代謝產物的變化。結果表明，

功能性MRI與正電子湮滅成像（PET）具有很好的可比性，而MRI的空間

分辨率則比PET好兩個數量級[7]。

3.2圖像顯示方法的研究

目前常用的功能性MRI圖像顯示方法有“差圖法”、“t檢驗法”以及

“信號強度-時間”

曲線法[8,9]?！安顖D法”以不刺激狀態的成像為背景，用刺激活動狀態的像減

掉背景像，突出兩者的差異。這種方法簡單可行，但也容易產生偽影?！皌

檢驗法”是做一系列活動----休息、活動、休息、活動??的像，然后構造t

統計量。設定一個閾值，t量大于該閾值的像元被賦予全亮。圖像中的像素

逐個檢驗。當成像次數較少時，t檢驗之前還需進行中值濾波處理?！皬姸?/p>

-t曲線法”以“差圖法”為基礎，從圖像上確定目的區（ROI），計算出刺

激活動前后目的區信號強度的變化。由此，可以直觀地看出活動狀態與休息

狀態信號的差異及其變化規律。

3.3成像質量與參數的關系

考察MRI參數本身對成像質量的影響，例如體元大小、回波時間長短、

磁場強度等參數與功能成像信號強度的關系[10-12]。實驗表明，體元為2mm3

左右能得到最大的對比度，回波時間取40ms較好，在1.5T的磁場下，大腦

活動與休息狀態的信號強度差為6土0.5%，而對4T磁場，兩者之差高達20

士3%。由于梯度回波對局部磁場非均勻性十分靈敏，因此對勻場要求很高，

一般要達0.1-0.2ppm（用表面線圈）。

3.4腦成像在疾病診斷中的應用

可用來觀測大腦疾病的存在區域、病變程度及治療效果等有關的病理生

理變化[l3-16]。已經證實，腦腫瘤、中風、癲癇、老年性癡呆等疾病甚至在患

病初期也能在功能性MRI上得到觀側。采用多體元化學位移成像結合定位

波譜研究顳葉癲癇病灶區發現：海馬的癲癇引發區其質子核磁共振譜出現異

常，N-乙酰天門冬氨酸（NAA）峰強度降低，膽堿(Cho)(或者包括磷酸膽堿

(Pcho))信號強度增大或不變(即NAA/Cho值在癲癇引發區減小)，且伴著乳酸

鹽信號增大。肌酸（Cr）[該峰也包括了磷酸肌酸(Pcr)]信號無明顯變化。這

種多體元化學位移成像允許同時對病灶區和對側正常部位進行采樣，因此可

以進一步用對比方法增加兩者的差別。對25位患不同程度單側或雙側癲癇

病人進行的測試表明，它與腦電圖(EEG)方法有極好的可比性，而定位則更

準確可靠。

4問題與前景

已有的結果表明，功能性MRI為人類了解自身和認識大腦提供了一種可

能性，并且具有巨大的發展潛力和廣闊的應用前景。MRI以其無輻射損傷，

無試劑侵人，可檢測多種核素（如1H，19F，31P，23Na，13C等），多對比劑

（自旋密度、縱向弛豫時間、橫向弛豫時間、磁化率、流體流動速度、自擴

散等），快速掃描（數十毫秒），高空間分辨率（微米級），化學位移可選

擇性（可以對人腦組織中的水、糖、脂肪等分別進行選擇性成像），以及微

區定域波譜定性和定量分析等多重優越性而受到重視和歡迎。

但是，功能性MRI的研究和應用才剛剛開始。人腦，特別是人的思維等

高級智力活動，是十分復雜的問題。以磁化率為對比劑的功能性MRI為腦

科學研究提供了新的視野，讓我們看到了一線希望，但離腦科學的實際目標

仍然十分遙遠。要做的事情很多。首先是腦功能的描述。什么是腦功能？它

具有什么樣的結構、物質基礎和表現形式？只有通過對這些問題的回答才能

正確地理解MRI所“看到”的腦功能，并繼而揭示這些功能發生的內在機

制。其次是磁化率或血液脫氧程度究竟已經反映和能夠反映大腦的哪些功

能，以及在多大程度上反映了這些功能？人腦功能多種多樣，只用一個血液

脫氧程度恐怕是不夠的。最后，血液脫氧程度與圖像信號強度之間確切的定

量關系是什么？實際上，MRI信號強度與許多因素有關，例如血管的大小、

位置、血液流量、流速、化學成分等等都會有影響。這些問題的深入研究是

十分必要的，也將會是很有成效的。開發新的定量對比機制，探討各種對比

劑與腦功能及其發生機理的關系，MRI與MRS相結合給出各體元的定域波

譜特征，以了解腦活動期間各區域神經遞質的變化規律等，都是值得注意的

方向。

總之，功能性MRI的提出和研究向許多學科的科學家提出了要研究的問

題，并為他們提供了十分廣闊的發展天地。腦科學的突破依賴于新的研究手

段。有了功能性MRI及其他一些無損傷腦成像術，腦的奧秘已經不再是可

望不可及了。

本文寫作過程中得知，美國威斯康星醫學院利用功能性MRI已經拍攝

到數千張人腦工作時的實況圖像，從而可以使科學家得到詳細的大腦工作

“電影”，并計劃1994年內拍攝視覺中樞工作過程。（見《人民日報》1994

年2月24日第7版《美擬拍攝人腦工作過程》，及《科技日報》1994年3

月4日《美科學家可能今年拍攝人腦工作過程》）

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