葉建華 (涼山州第一人民醫院)

1 研究背景
　　磁共振成像是繼CT后利用形態學診斷疾病的一項新技術，從20世紀70 年代末應用于臨床醫學診斷以來發展異常迅速，進入20世紀 90年代后，腦功能磁共振成像 (fMRI)開始出現：1900年美國貝爾實驗室學者Ogawa發現血液中的脫氧血紅蛋白可改變血管周圍水分子的質子信號，該信號可以通過梯度回波序列檢測出來，從而產生血氧水平依賴 (blood oxygenation level- depe ndent, BOLD)增強效應，對大鼠吸入氣體及注射胰島素后體內的生理變化進行觀察并對BOLD 現象作了詳細觀察，研究表明O2絕對含量增加，信號強度增加，外源性刺激通過特定手段可顯示短暫血氧含量變化的信息。[1] 血紅蛋白包括含氧血紅蛋白和去氧血紅蛋白,兩種血紅蛋白對磁場有完全不同的影響，氧合血紅蛋白是抗磁性物質，對質子馳豫沒有影響，去氧血紅蛋白屬順磁性物質，其鐵離子有4個不成對電子，產生橫向磁化馳豫時間(T2)縮短效應 (preferential T2proton relaxation effect, PT2PRE)。因此，當去氧血紅蛋白含量增加時, T2加權像信號減低。當神經元活動增強時，腦功能區皮質的血流量顯著增加，同時氧的消耗量也增加，但增加幅度不明顯，其綜合效應是局部血液氧合蛋白含量增加，去氧血紅蛋白的含量減低，削弱了PT2PRE，導致T2馳豫時間延長，信號增強。也就是說，神經元興奮能引起局部T2加權像信號增強，即T2加權像信號能反映局部神經元活動，這就是所謂血氧水平依賴BOLD (blood oxygenation level dependent)效應，它是fMRI 的基礎。[2]
　　fMRI成像基本過程是通過外在有規律的任務與靜止兩種狀態的交互刺激，經傅立葉轉換獲得一系列隨時間推移的動態原始圖像，在工作站作圖像后處理，通過設定閥值使兩種狀態下的原始圖像進行匹配減影，同一層面的減影圖像經像素平均化處理后，使用交叉相關 (cross correlation)技術重建功能激發圖像[3]。相關系數算法是BOLD 圖像后處理的關鍵步驟。相關系數(圖1)，其中A,B分別表示靜止與激發兩種狀態，NA,NB分別為A,B兩種狀態下的激發次數，t為t檢驗參數，t=(SB –SA)/&D,SA,SB為A,B狀態下的激發信號強度的平均值，&D為標準誤[4]。在實際工作中，為了減少病人輕微移動引起的基線漂移，一般通過直線回歸分析法而使時間過程圖呈相對標準城垛墻樣的動態過程圖。相關系數的可信度亦采取設定閥值的方法，閥值越高，可信度越低，反之，可信度越高。

2 成像技術
　　目前大多數fMRI成像需要1.5-2.0T以上高場強的MR設備，一般使用對T2效應敏感的GRE序列和快速成像EPI序列。單純GRE序列成像的缺點是圖像采集時間較長，成像層面數量有限，圖像容易受運動影響而產生偽影。EPI是由MansField在1997年首次闡述的[5]，該技術把經典成像中的多次掃描簡化為一次掃描，使成像速度得到巨大提高，目前大多數高場強MR機都采用GRE與EPI相結合的序列EPI。梯度場切換速度快，單次或少于一次激發便可完成整個K空間的數據采集，成像時間可縮短至30-100ms，這樣大大降低了運動偽影。

3 應用研究
　　對神經外科來說，最大限度切除病灶又保留腦功能皮層，一直是一個極大的挑戰，在fMRI應用臨床之前，手術人員主要用體感誘發電位(SSEPs)和皮層電刺激(ECS)行術中定位，不僅手術時間延長，也使得手術野暴露過大，fMRI作為一種新的成像手段具有很大的潛力，它具有高分辨率、精確、非侵襲性、不需注射對比劑的特點，腦表面和深部的活動均能顯示，在合作良好的患者中具有很高的敏感性，fMRI的出現擴大了MRI在臨床中的應用，其中fMRI在神經外科手術中的應用主要在以下幾個方面：

3.1 在腦腫瘤手術方面的應用
　　3.1.1 用于術前手術方案的制定 
　　功能性磁共振成像術(fMRI)可以無創地對大腦的神經功能活動成像，能在特定的腦功能活動時或血液動力學變化時對腦組織進行實時功能成像，可極大地避免術中神經功能的損傷，盡可能的切除病變組織，提高患者術后的生存質量，降低病灶的復發率。
　　Schulder等[6]報8例位于或鄰近感覺運動中樞的腦腫瘤，其中腦膜瘤4 例，膠質瘤3例，轉移瘤1例。術前以簡單運動模式激發行fMRI檢查，經后處理獲得功能圖像經網絡至外科導航系統，與術中SEP和導航定位體系相比較，其匹配誤差為2.2mm，腫瘤順利切除，沒有新的、永久性的神經功能喪失出現。Kaminogo等[7]對16例腦瘤患者進行術前fMRI與術中皮層腦電圖檢查，發現 9例患者術前 fMRI顯示某一運動激活區位于某一局限腦葉或某一局限腦溝的周圍，并且與術中皮層腦電圖相一致，他們認為對位于功能區或其附近的腫瘤患者，可根據fMRI測定功能區皮層的準確位置，了解腫瘤與功能區皮層的解剖關系及功能聯系，制定精密的手術方案，既能有效的切除病灶又盡量避免出現新的神經功能損傷。Atlas等[8]對7例腦膠質瘤患者的fMRI、MRI及臨床癥狀聯合研究發現，fMRI能測定瘤內或瘤周功能區的皮質功能情況，且其與患者的臨床神經功能情況相一致。腫瘤區皮質與對側半球正常皮層的激活存在著一個量的區別，認為fMRI能對膠質瘤患者的功能區皮層進行定位，使術中避免剩余的功能區皮層的損傷，盡量切除腫瘤而避免術后新的功能損傷及降低術后腫瘤復發率。很多類似研究證明非創傷性的術前MR腦功能活動成像對患者腦解剖—功能關系的顯示有助于神經外科醫生制訂手術計劃，對手術入路及微創傷性的操作以減少術后致殘率均有十分重要的作用。

　　3.1.2 用于預測手術效果及術后功能恢復的評估
　　通過對腦腫瘤患者術前功能成像的研究，可對患者術后功能恢復及有否新的神經功能障礙出現的風險性進行預測。
　　Alexandre等[9]報道了17例皮質運動區腫瘤的功能區的激活形式及分類。fMRI顯示激活區移位的病例臨床均 有顯著運動功能減弱，包括手、足靈活性減低，肌力的下降等。和健側半球對比，功能區左右移位達2nun、前后移位達 1.5mm 即認為有激活區移位，可能是由占位效應或功能重塑現象引起，而導致中央前回其他部位、同側SMA 區及對側區域的激活。根據象素是否對稱及有否移位提出以下分類方案：1級： 激活區無移位，象素對稱；2級：激活區移位，象素對稱；3級：激活區無移位，象素不對稱；4級：激活區移位，象素不對稱：5級：激活區移位到同側不同皮質區；6級：代表最強的重塑效應，對側出現新的激活區。腫瘤被歸入1-4級范圍內，沒有5級或6級，反映了腫瘤的重塑效應是最小的。隨分級增加，重塑功能增加，以代償喪失的神經功能。良性腫瘤的重塑功能較低，大多數被歸入1-3級，表明腫瘤激活區不對稱主要是由于占位效應或界面干擾造成，而不是由功能重塑引起。分類便于數據收集、整理，適于比較外科手術風險及評估術后功能恢復的類型，更好地對fMRI的結果進行比較。

　　3.1.3 用于術中引導手術
　　功能性磁共振成像(fMRI)可以無創地對大腦的神經功能成像，能在特定的腦功能活動時或血液動力學變化時對腦組織進行實時功能成像，可極大地避免術中神經功能的損傷，盡可能的切除病變組織，術前行MRI檢查進行解剖定位，再行fMRI進行功能定位，將功能信息與解剖圖像疊加并登錄到神經外科立體定向導航儀，這樣可以精確了解功能區皮質的準確位置及病變組織與其相鄰的功能區皮質的解剖、功能關系，有效地彌補術中定位的缺陷。采用術中MRI，切除腫瘤時能做到微創而達到最大限度地切除腫瘤，切除腫瘤安全，切除范圍能直接評價。
　　Knauth等[10] 報道單獨運用神經導航，腫瘤的完全切除率僅為36.6%，而且術中由于腦脊液的流失和病灶的切除會引起局部腦組織的移位。術中采用 MRI成像能明顯增加完全切除的比例，這是神經外科治療腦腫瘤劃時代的工具。術中MRI可提供實時導航，確定腫瘤周邊的位置，較容易持續評估手術進程。采用神經導航系統對38例膠質瘤病人進41次手術，所有病人術后均行MR成像復查，比較所有強化腫瘤術中和術后早期 MR成像切除比例。2 例 (53.7% )術中 MR成像可顯示殘留強化的腫瘤，其中17例鏡下可見腫瘤并繼續進行手術；15例未見腫瘤殘留，仍有4例術中 MR成像不能肯定，結果術后早期MR成像顯示僅8例有腫瘤殘留。采用與不采用術中MR成像術中“完全切除”腫瘤的比例差別有高度的統計學意義 (P=0.004)。

3.2 在非腫瘤性病變方面的運用
　　目前fMRI在非腫瘤性病變中的亦可以大有作為，涉及到腦部很多疾病，如腦動靜脈畸形、海綿狀血管瘤等顱內血管畸形手術，也可應用于其他神經疾病手術中，如癲癇、結節性硬化癥、Parkinson病、腦炎、炎性肉芽腫等。經過對一例運動區局限性損傷的頑固性局限性癲癇患者進行詳細的術前及術后研究發現，術前腦功能成像顯示的運動皮層功能圖與術中侵入性的皮層腦電圖是一致的，他們認為癲癇手術可依據fMRI作出較為準確的術前評估。同時利用fMRI對顏葉的相關功能情況進行評估，可以預測穎葉癲癇患者行顏極切除術后癲癇發作的緩解情況以及出現認知功能障礙的風險性，從而制定手術方案，這是一種預測顏極切除術后癲癇發作情況的非侵入性的高準確方法。Macdonell[11]等對一例MRI 顯示右大腦半球發育不良、先天性左上肢乏里、頑固性癲癇的患者行fMRI檢查時發現，右大腦半球的運動激活區皮層比左側正常的大腦半球的運動激活區皮層明顯后移并變小，術中根據fMRI定位的中央區對發育不良的右側中央前區皮層切除后未出現永久性的神經功能障礙，他們認為fMRI能準確定位癲癇灶和周圍的功能區皮層，對指導癲癇手術方式及癲癇灶的切除范圍有重要意義。Bookheimer[12]等對癲癇患兒術后并發癥的研究發現，術前MR腦功能成像對腦功能區的定位可最大限度的減少癲癇患兒術后遭受新的神經功能損傷，明顯改善手術預后。fMRI在腦血管畸形手術方面：手術前常規MRI包括MRA可對病灶定位、定性，而功能MRI又能提供功能區在病理狀態下的