脑功能的核磁共振成像

　　1引言

　　近几年，认识神经科学已经成为神经科学一个重要发展领域。认识神经科学将认识心理学的实验方法与各种技相结合来研究脑功能如何完成精神活动。人对脑的研究历史虽长，但早期的研究是根据在脑组织局部损伤后观察脑功能的变化的结果得出的。七十年代CT和PET的相继问世，它们开辟了脑功能研究的新时代。MRI是与CT和PET同时代出现的技术。然而，对正常人脑研究成像技术的是脑功能核磁共振成像，没有任何方法象用脑功能磁共振成像方法令系统神经学家、认知心理学家和临床工作者激动。MRI虽提供了第一流的解剖信息，但内在于MRI数据里有更为重要的脑代谢和生理信息。Fox，P.T.等人〔1，2〕在八十年代中期发现在神经元活动变化时组织中的氧含量有局部变化。从此，脑功能成像的MRI时代开始了!Paul-ins等人[3]在1936年也观察到由血红蛋白含氧量改变对磁场有一定程序的扰动。结合Fox，P.T.等人的发现和Paul-ing等人的观察，ogawa，5.[4〕和KwoNG，K.[5]等人在1992年在活体上证明用MRI可以测量血中氧含量。脑生理学和核磁共振物理学独特结合产生了依赖血氧水平(Bl。叉1一ox路en一level一dependent，或田LD信号)MRI信号，随后出现了大量在脑功能研究应用fMRI的文献。可以预料商品fMRI很快进入市场。功能性磁共振成像技术(fMRI)是将传统磁共振成像的高分辨率解剖成像能力与核示踪的血流动态的特异性结合起来，将人脑的功能精确地投影到基本的解剖，从而成为研究大脑认识思维活动过程的强有力工具。

　　2MRI信号的物理基础

　　一些原子核如H1、C13,P31有自旋和磁矩，行为上象一个旋转的小磁体。核磁共振成像就是利用这些原子核的自旋磁矩。当核磁矩置于静态磁场(B00时，它导致核自旋投影对于磁场量化。平行于和逆平行于磁场方向的频率差正比于磁场强度，即遵从La~r关系:v=(r/2π)B0，其中下表示某一原子核的旋磁比率特性。在核磁共振时，用外部Larmor频率的射频(RF)场可以感应出这两个自旋方向之间变迁。使用一个接收线圈可以测量核磁共振时自旋方向变迁发射的RF信号。在MRI中，使用一个“梯度”磁场使场线性依赖于位置，这样建立Lar~r频率和位置的直接联系来测量磁核的空间分布。在采集NMR信号期间，梯度线圈沿正交的三个轴方向脉冲激励使NMR信号含有空间信息。在NMR信号存储于计算机后，利用多维付立叶变换可获得水分子空间分布的图像。不同点信号强度的差别产生有对比度的图像。由于人体中水分子浓度很高，NMR信号较强，所以MRI在解剖上有较高的分辨率。

　　为了了解神经活动，人们对伴随神经活动的生理现象进行了大量研究，并发现脑活动的变化伴随着局部脑血流(rCBF)、容积(rCBV)、和氧代谢率(rCMR姚)的变化，而这些生理或代谢参数的变化对NMR张驰时间几’或Tl有影响，因此，MRI通过测量这些参数来对脑功能成像。在MRI中，水分子质子自旋的BF激励的自旋进入该区域，回到平衡态的速度增加，即Tl缩短，所以，脑活动引起的血液变化可由水分子的T，测量来完成。在脉冲激励“0”状态时，NMR呈指数衰减，衰减常数几称为横向张驰时间。如果所加的场不均匀、空间上随体积元变化，那么，不同体积元的信号不同相，使几更短。不均匀磁场场下的几记为T2。B0不均匀有两个原因:(1)磁体有缺陷或脑组织的不均匀造成的宏观上不均匀(记为m)，(2)顺磁对比物质引起的微观上磁化率不均匀(记为妇。这样场的变化对几u的影响可表示为: