脑电硬件大脑探测之旅继续脑成像技术概览下

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在上一篇文章里，咱们介绍了脑电图(EEG)，脑磁图(MEG)，经颅磁刺激(TMS) 和功能性近红外光谱成像(NIRS) 的脑成像技术。这四种脑成像技术各自利用了与脑流动相干的电、磁和光信号来达到记录脑皮层流动的目标。这几种技术的一个独特的外在有余是对大脑性能记录的空间分辨率低，仅根本限于在头皮局部探测大脑皮层的流动，无奈精确无效的探测脑皮层深部和皮层下脑组织的构造和性能流动。

在本篇里，咱们将介绍三种核脑影像成像技术，它们体现着齐全不同的脑成像物理原理和思路。

PET: positron emission tomography 正电子发射成像
fMRI: functional magnetic resonance imaging 功能性核磁共振成像
MRI: magnetic resonance imaging 核磁共振成像

正电子发射成像（PET）是核医学畛域比拟先进的临床查看影像技术。它的原理是将人体代谢所必须的物质，如葡萄糖、蛋白质、核酸、脂肪酸等标记上短寿命的放射性核素制成显像剂（如氟代脱氧葡萄糖，简称 FDG）注入人体后进行扫描成像。成像的物理机理利用了放射性同位素的正电子喷射衰变个性。这个衰变过程会开释出一个正电子（即一个电子绝对应的反粒子），正电子会与生物体中的一个电子遭逢产生电子对湮灭，并产生一个湮灭光子，这一信号能够被 PET 扫描器捕捉。因为人体不同组织的代谢状态不同，这些被核素标记了的物质在人体各种组织中的散布、汇集状态也是不一样的。显影剂能够继续一段时间存在于整个大脑中，因此咱们能够获取整个大脑的三维对于构造和性能流动的图像。PET 就是通过对这些指标的定量刻画来反映生命代谢流动的状况，达到钻研和诊断的目标。

图 1. 正电子发射成像（PET）的物理成像机制

图 2. 医疗机构中常见的正电子发射成像（PET）设施

PET 是惟一可在活体上显示生物分子代谢的影像技术，被宽泛用于多种疾病的诊断与甄别诊断、病情判断、疗效评估、脏器性能钻研和新药开发等方面。例如：利用恶性肿瘤组织的高代谢特点可对病变进行诊断和剖析（如下图所示）。

图 3. PET 成像在肿瘤诊断上的利用，常与 CT（computerized tomography）独特应用，利用 PET 能够察看到肿瘤组织的代谢状况，从而进步诊断和医治的成果。

PET 晚期在探测负责认知流动的大脑激活区域方面失去了广泛应用，但这一方面的性能随着功能性核磁共振成像（fMRI）的呈现逐步被取代，但在医疗诊断上仍然有无奈代替的劣势。

图 4. 看某视觉场景（左）和听故事时（右）的 PET 大脑性能流动成像

PET 成像技术的长处在于灵敏度高，特异性强，但与核磁共振技术相比，PET 空间分辨率并不是很好，而且还须要注射轻微放射性的物质，所以患者不能继续进行 PET 扫描，原则上，出于患者平安的思考，一年之内禁止两次及以上的 PET 扫描。

核磁共振景象的发现、成像技术的创造和利用上走向成熟是上世纪最平凡的科学技术成就之一。从核磁共振景象的发现到 MRI 技术成熟这几十年期间，无关核磁共振的钻研曾在物理学、化学、生理学或医学畛域内取得过 6 次诺贝尔奖。

图 5. MRI/fMRI 设施和应用场景

核磁共振成像利用了核磁共振（nuclear magnetic resonance imaging，简称 NMRI）的原理成像，但一个外界不太熟知的背景故事是，出于个别公众对核的恐惧感，”nuclear”一词在对技术的英文称呼中被成心隐去，变成了现今咱们相熟的 MRI 或者 fMRI 等。

核磁共振成像，顾名思义，蕴含了三个要害因素：核、磁、共振。

核，指的是氢原子核。人体各种组织含有大量的水和碳氢化合物，所以氢原子无处不在，含量最多，最合适于成像需要。氢原子核微粒带一个正电荷，具备自旋的个性，旋转时会产生渺小磁场，可视为一个个小磁针。氢原子核的自旋并不齐全与磁场趋势统一，而是歪斜一个角度 θ，称之为进动(precession)。微粒进动的频率取决于磁场强度，也与原子核类型无关。它们之间的关系满足拉莫尔关系：ω0=γB0，即进动角频率 ω0 是磁场强度 B0 与磁旋比 γ 的积。γ 是每种核素的一个根本物理常数，也即进动的拉莫尔频率与磁场强度成比例。氢的次要同位素，质子，在人体中丰度大，而且它的磁矩便于检测，因而最适宜从它失去核磁共振图像。

图 6. 施加衡定强磁场前后氢原子核粒子的静止变动

磁，指的是加上衡定外强磁场 (B0) 后，大部分粒子的磁场方向与磁场方向雷同, 少部分相同，即取向为“平行”和“反向平行”，他们别离对应于粒子的低能和高能两种状态。核磁共振成像利用了个别是借助超导造成的强磁场，如 1.5T (tesla, 磁场强度单位)，3T，和 7T，把生物体内氢原子核进动造成的一个个小磁针从本来无序的排列（整体无磁性）变成一种有序排列的状态（整体呈磁性）。MRI 设施个别体积微小，破费低廉，最次要起因是须要产生一个高强的磁场。

共振，指的是在已有外在衡定强磁场的条件下，施加另外一个短时的射频磁场 B1 来使氢原子核微粒进动造成的个体磁化向量产生偏转或旋转，这只有在射频磁场 B1 的频率和氢原子核微粒进动的拉莫频率统一 (共振) 时才有可能产生，能力实现能量的传递。射频磁场 B1 的作用方向个别与主磁场 B0 垂直。所以这里的共振指的是和氢原子核微粒进动的拉莫频率共振。

图 7. 核磁共振基本原理示意图

在射频磁场作用下，氢原子核微粒的个体磁化向量能够分为两个分支：垂直 z 重量，程度 xy 重量。射频磁场的作用工夫通常是十分短暂的，射频磁场撤去后，在自在进动阶段，磁化向量通过一个称为“弛豫”的过程，复原它的原始静止地位。弛豫过程的个性由时间常数 T1 和 T2 来形容纵向弛豫 (z) 和横向弛豫(xy) 的特色。人体大脑和身材不同组织或组织液具备不同的纵向和横向弛豫个性，核磁共振成像技术最为要害的物理原理就是利用了这一点的个性别离不同的脑组织构造和性能。另外，NMR 信号强度与样品中氢核的密度无关，人体中各种组织间含水比例不同，即含氢核数的多少不同，他们之间就存在 NMR 信号强度的差别。利用这种差别作为特色量，能够把各种组织离开，这就是氢核密度的核磁共振图像。

在核磁共振成像的技术倒退方面，美国科学家 Paul Lauterbur 于 1973 年创造了在静磁场中应用梯度场去取得磁共振信号的地位，从而能够失去物体的二维图像；英国科学家 Peter Mansfield 进一步倒退了应用梯度场的办法，指出磁共振信号能够用数学方法准确形容，从而使磁共振成像技术成为可能，他创造的疾速成像办法为医学磁共振成像临床诊断打下了根底。他俩因在磁共振成像技术方面的突破性成就，取得了 2003 年诺贝尔医学奖。

图 8. 磁共振扫描中大脑 T1 加权成像和 T2 加权成像

核磁共振成像平安，不波及 X 射线或应用电离辐射，不须要注射放射性物质，且成像后的软组织构造清晰，可能提供更多的解剖构造信息。但核磁共振成像乐音很大，个别扫描时间较长（单纯构造成像个别须要 7 分钟左右，高空间分辨率的成像耗时更长）。此外，MRI 检测要求体内不能存在金属，有幽闭恐惧症的人也无奈加入。

核磁共振成像具备丰盛的成像序列和性能发展潜力，这方面至今依然是十分沉闷的钻研和应用领域，例如能够通过奇妙的安顿成像序列和射频磁场的作用形式来刻画大脑白质，神经纤维的汇集和链接个性，这一成像技术被称为磁共振弥散张量成像技术 (Diffusion Tensor Imaging，DTI）, 在科学研究和医疗诊断上有宽泛的利用。

图 9. 磁共振弥散张量成像造成的大脑纤维追踪

最初，咱们讨论一下从九十年代中期以来，在科研畛域利用十分宽泛深刻的功能性核磁成像技术。在大脑整体成像的要求下，探测各个脑组织的功能性流动，且具备良好的空间分辨率和可承受的工夫分辨率，功能性核磁成像技术在这些方面具备无可比拟的劣势。功能性核磁共振成像排汇了 MRI 和 PET 的技术劣势, 通过检测脑组织血流和含氧量变动引起的磁场变动，将本来的构造成像技术 MRI 倒退到了性能成像。

大脑受到外来刺激初期或者处于自发流动的需要，部分脑流动开始加强，耗氧量减少，随之脱氧血红蛋白在刺激开始后疾速地回升；之后，因为大脑区域性能被激活，引起部分脑血管扩张，血流量减少，导致大量含氧丰盛的血液流入该部分区域，含氧血红蛋白所占比例升高，脱氧血红蛋白比例升高；完结刺激，含氧血红蛋白含量降落，脱氧血红蛋白回升，均趋于均衡状态。

氧合血红蛋白是抗磁性的，与组织的磁化率十分靠近，它的浓度扭转不影响磁场的平均性，脱氧血红蛋白是顺磁性的，在血管周边及外部会产生部分梯度磁场，显著缩短横向弛豫时间(T2)，引起 T2 加权信号升高（顺磁性物质存在会引起所在环境磁场散布不平均，导致核磁信号升高）。功能性核磁共振成像的信号依赖于代谢和认知流动相干的部分组织血管的血红蛋白氧含量的变动，所以叫血氧程度依赖脑性能磁共振成像（Blood oxygen-level dependent fMRI，BOLD-fMRI）

图 10. 血氧动力学函数形容了在繁多刺激下 BOLD 信号的随工夫变动

图 11. 利用 fMRI 采集的脑流动信号来刻画听句子和看句子时的大脑流动强度的不同

功能性核磁共振成像（fMRI）的独特性在于，比起现有其余大脑性能成像技术，fMRI 在辨认“认知流动中的大脑”时，不仅工夫分辨率更高，就连空间分辨率也可达到毫米程度。借助功能性核磁共振成像，对大脑的钻研便可扩大至记忆、注意力、决定做出过程，意识，认知障碍等。在某些状况下，fMRI 技术甚至可能辨认钻研对象所见到的图像或者浏览的词语。

fMRI 是一种没有放射性、无创性的检测脑性能动静流动的伎俩，一次成像能够同时获取性能和解剖图像, 曾经被广泛应用于脑的根底钻研和临床医治。利用 fMRI，能够对脑性能激活区进行精确的定位。利用静息态功能性核磁共振成像 (Resting-State fMRI)还能够钻研不同脑区之间的性能相关性 (functional connectivity)。脑部在静息状态下自发的低频流动的同步化景象宽泛存在于听觉、视觉，工作记忆，和执行零碎中。许多可反复的钻研曾经揭示了大脑存在多个即绝对独立又相互连接的感知和高级性能执行零碎。这些零碎的自我状态和相互连接极大水平上和人体的衰弱和疾病状态相干。

图 12. 利用静息态 fMRI 的区域相关性刻画大脑的外在根本网络系统[Raichle 2011]

此外，fMRI 与弥散张量成像 (DTI) 和咱们之前介绍的脑磁图 (MEG)，经颅磁刺激 (TMS) 等技术相结合，可失去更多的脑性能流动信息。弥散张量成像可在三维空间内定量分析，无创跟踪脑白质纤维束，fMRI 与弥散张量成像技术能够建设激活区域的性能连贯网络图，有利于解释构造与性能之间的关系。脑磁图反映神经细胞在不同性能状态下产生的磁场变动，能够提供脑性能的即时信息和组织定位，fMRI 与脑磁图技术相结合能够补救其工夫分辨率的有余，可解决脑区域性流动的工夫问题；经颅磁刺激能够无创地在皮层产生可传导性电流，从而对刺激位点或有突触分割的皮层兴奋性产生克制或易化，通过整合 fMRI 的后果，能够利用于脑损伤和其它疾病的性能神经外科手术。随着 fMRI 和图像后处理技术的不断改进和欠缺、高磁场强度 MRI 的倒退，可能使 fMRI 试验的可重复性和空间定位的准确性大大提高，在脑神经迷信、认知和心理等方面的临床和根底钻研中的利用将更加深刻与宽泛。

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