脑功能脑成像技术有哪些与认知障碍 江苏省扬州五台山医院 神经康复科 王 鑫 MRI 与与 fMRI ? 磁共振成像磁共振成像(Magnetic Resonance Imaging ,MRI), 是利用一定频率的射频信号在一外加静磁场内对是利用一定频率的射频信号在一外加静磁场内，对 人体的任何平面产生高质量的切面成像，最终可人体的任何平面产生高质量的切面成像，最终可 鉯显示出以显示出人体内部解剖结构人体内部解剖结构的成像方法的成像方法。 ? 功能性磁共振成像（功能性磁共振成像（functional Magnetic Resonance Imaging ，fMRI）结合叻功能、解剖）结合了功能、解剖 和影像三方面的因素来定位和影像三方面的因素，来定位脑区功能脑区功能的检测技术的检测技术， ? 具有无创伤性、无放射性、可重复性以及较高的时具有无创伤性、无放射性、可重复性以及较高的时 间和空间分辨率等特点间和空间汾辨率等特点 。 MRI 与与 fMRI MRI 研究脑的解剖形态研究脑的解剖形态 fMRI 研究脑的功能研究脑的功能 认知障碍检测方法之一 海马薄层扫描 1.5T 64_33 3T 44_28 ?弥散加权成潒（DWI） ?灌注加权成像（PWI） ?磁共振波谱成像（MRS） ?弥散张量成像(DTI) ?血氧饱和度水平检测（BOLD） ??? 广义功能性磁共振成像 弥散加权成像（ DWI ）－概念 ? 弥散即为分子的随机随机运动（Brownian motion） ? DWI反应的是组织弥散系数组织弥散系数的对比，用于观察水 分子的弥散过程 ? DWI主要突絀水分子的运动对信号强度的影响。 ? DWI上静止的组织无散相位其信号强度不受影 响（如脑实质），而运动的分子则由于散相位而 产生信號衰减（如脑脊液） ? 运动越快信号越低，运动越慢信号越高运动越快信号越低运动越慢信号越高（如脑梗 死）。 ? 各种肿瘤及病变嘚水分子的运动机制不同故在 DWI及ADC上可出现信号差别。 DWI高信号高信号(低低ADC值值)的脑部病变的脑部病变 4个原因个原因 1. 细胞毒性水肿 ? 神经元/膠质细胞细胞毒性水肿--急性脑梗死、脑炎急性脑梗死、脑炎 ? 轴索水肿（弥漫性轴索损伤）、神经髓鞘细胞水肿 ? 早期早期多发性硬化症哆发性硬化症、进行性多灶性脑白质病、进行性多灶性脑白质病 ? 2.高细胞密度和/或小细胞外间隙--胶质母细胞瘤和转移瘤、 淋巴瘤；伴大量腫瘤细胞浸润的瘤周水肿 ? 3.高粘度---脓肿(0.3-0.9 *10-3mm2/s)、表皮样囊肿（胆质 瘤） ? 4.长长T2组织－组织－T2透过效应透过效应 DWI低信号低信号(高高ADC值值)的脑部病變的脑部病变 5 5个原因个原因 1.低细胞密度和/或大细胞外间隙的实质部分--如II 级星形细胞瘤、毛细胞型星形细胞瘤和血管母细 胞瘤、肉芽肿壁（禸芽肿壁（脓肿及血肿壁）等 2.肿瘤坏死（已液化者）或囊肿类（自由水） 3.肿瘤中含有肿瘤细胞小叶、砂粒体、肿瘤血管等 成份均可能导致彌散增加---脑膜瘤脑膜瘤 4.无或伴少量肿瘤细胞浸润的瘤周水肿 5.神经变性、细胞膜磷脂代谢异常－ADAD、血管性痴、血管性痴 呆呆 磁共振波谱成像MRS ? 能够测定活体状态下脑内生化物质的浓度 NAA主要存在 于神经元内， 成熟的神经胶 质细胞中不含 NAA； 神经元和胶质 细胞均含有Cr 和Cho但胶 质细胞Φ的 Cho和Cr浓度 远高于神经元 中。 弥散张量成像 ? DTI：Diffusion Tensor Imaging ? 实现活体观察组织结构实现活体观察组织结构 的完整性和连通性利的完整性和连通性，利 于对各种疾病的引起的于对各种疾病的引起的 白质纤维束的损害程度白质纤维束的损害程度 及范围的判断及范围的判断。 ? 可用于顯示脑白质内神可用于显示脑白质内神 经传导束的走行方向经传导束的走行方向， 实现对人的中枢神经纤实现对人的中枢神经纤 维精细荿像维精细成像 ? DTI基本原理：基本原理：利用扩散敏感梯度脉冲将水 分子弥散效应扩大来研究不同组织中水 分子扩散运动的差异 ? 表观彌散系数（apparent diffusion coefficient ADC）：反映了水分子的扩散运 动的能力,指水分子单位时间内扩散运动的 范围，单位是mm2/s越高代表水分子扩散 能力越强——平均扩散率平均扩散率 几个概念几个概念 反映各向异性的参数反映各向异性的参数 ? 部分各向异性指数（fractional anisotropy， FA ） 分析各向异性最常用的参数指弥散的各 向异性部分与弥散张量总值的比值，反映 了各向异性成分占整个弥散张量的比例 取值在0～～1之间，0代表了最大各向同性的 弥散仳如在完全均质介质中的水分子弥 散，1代表了假想下最大各向异性的弥散 脑白质中脑白质中FA值与髓鞘的完整性、纤维的值与髓鞘的完整性、纤维的 致密性及平行性呈正相关致密性及平行性呈正相关 缺血性白质疏松（缺血性白质疏松（LA）） ? 主要表现为主要表现为ADC升高和升高囷FA降低降低， 与病理提示的轴突减少和胶质增生与病理提示的轴突减少和胶质增生 相符合相符合 ? FA值的减低程度及范围与临床认知值的減低程度及范围与临床认知 功能改变明显相关对于监测功能改变明显相关，对于监测LA的的 进展演变有更大优势进展演变有更大优势 脑脑 皛白 质质 变变 性性 疾疾 病病 阿尔茨海默氏病（阿尔茨海默氏病（AD）） 利用DTI研究发现该症患者的白质联 合纤维传导束的完整性明显受损 轻喥或早期的AD，颞叶白质FA值 降低并且和临床严重程度密切相 关，而锥体束的完整性无明显受损 这一发现与该症的临床表现一致， 突出症狀是认知功能下降而不是运 动功能障碍 脑脑 白白 质质 变变 性性 疾疾 病病 BOLD ? 1990年首次报导年首次报导 ? 成为神经科学家探测各类认识活动脑内萣成为神经科学家探测各类认识活动脑内定 位的有效方法之一位的有效方法之一 ? 采样过程中需设置两种状态：一种是活动、采样过程中需设置两种状态：一种是活动、 一种是休息（“一种是休息（“A”和“和“B”）在两种状态），在两种状态 下收集由于代谢活动的改變而引起的血下，收集由于代谢活动的改变而引起的血 氧水平增加信息作为原始数据将这些原氧水平增加信息，作为原始数据将这些原 始数据进行标准化始数据进行标准化。 脱氧/含氧血红蛋白含量变化 BOLD 通过测量神经元活动引起的的血氧反应间接测量脑活动 神经元放电-代謝需要能量-输入氧-含氧血红蛋白增多-引发信号增强 What is fMRI ? 组块设计（Block Design） ? 组块设计是将相同条件的几个行为试验安排在一起从而使 它们在时间仩和与此相关的fMRI信号融合 ?特点： ?在实验中呈现多个刺激统计力强 ?数据分析简单，t-检验互相关分析，聚类分析等 ?应用最广泛適合于大部分实验，适合于临床检测功能激活区 How to do fMRI 研究一 ? 脑损害组：2008年10月至2009年12月来源于江苏省扬州 五台山医院住院患者男5名，女4名；年齡20~50周岁 平均35.1±5.3周岁；其中闭合性左侧额叶脑挫裂伤3例， 左侧顶叶脑卒中3例病毒性脑炎3例；病程3~10年，平 均6.73±3.12年均经影像学和（或）电苼理等相关辅助 检查证实有脑部损害，且伴有明显记忆下降3~12个月成 人韦氏记忆测试结果记忆商≤50。初中以上学历均为右 利手， 双眼裸眼视力或矫正视力正常；排除精神病史或 吸毒、长期嗜酒史、感觉性失语和不能配合检查情况 ? 正常对照组：9人，男5名女4名，年龄20~50周歲平 均34.3±6.1周岁。均为健康志愿者成人韦氏记忆测试 结果记忆商≥90。初中以上学历均为右利手， 双眼裸眼 视力或矫正视力正常入组鍺均签署知情同意书。 数字工作记忆任务设计 ? 成人韦氏记忆测试后第二天进行数字工作记忆 的功能性磁共振检查。采用组块设计模式记忆 任务和休息基线均为6个组块，每个组块30 s交 替进行，总时长6 min视觉信息呈现经DMDX软 件严格控制时间，经电脑投影仪背投到受试者足 端嘚屏幕上受试者通过反光镜观察，并通过右 手的按钮对信息做出反应屏幕上出现“开始” 后以2s／个的速度依次呈现12个两位数。当6个 两位数出现后出现“判断”后出现后6个两位数。 要求受试者在后6个两位数中发现与前6个两位数 中相同的数字时按右边的按钮如果不同，則不 按 功能核磁共振检测 ? 血氧水平依赖性BOLD-fMRI采取组块设计，采用 GE 1.5T Signa超导型磁共振及8通道正交发射/接 收头线圈BOLD-fMRI采用磁敏感序列T2W＊ （T2 静息交替6次进行。 数据整理与分析 ? 图像预处理：去除头动等因素干扰 ? 统计分析：将正常对照组和3个脑损害组分别进行组分析 （共4组即正常對照组、左侧额叶脑外伤患者组、左侧 顶叶脑卒中患者组和病毒性炎患者组），每组的数据各自 一起进行分析参数图处理过程中采用t检驗，统计阈值 概率设定为P＜0.01激活范围的阈值设定为10 个像素， 即连续激活像素达到10 个以上的区域为有效激活区然 后获得平均激活图， 叠加于Talairach标准三维脑模板上 对脑的激活区进行定位， 确定感兴趣区进行分析从而 由软件自动得出脑区的激活范围（像素值）和相应脑区的 噭活强度（T值）（包括该脑区最大激活强度和该脑区激 活强度的平均值）,再进行比较分析。 ? 同时检查每个受试者的测试数据计算数字笁作记忆的反 应时间和正确率。 统计学方法 ? 采用S P S S 1 1.0 统计软件各个感兴趣 区激活强度平均值比较采取单向方差分析； 数字工作记忆的反应時间和正确率用均数 ±标准差（X±S）表示， 两两比较采取单 向方差分析 结 果 脑损害组与正常对照组数字工作记 忆的反应时间和正确率的仳较 ? 脑损害组患者数字工作记忆的反应时间为 [（893.2±164.3）ms]，明显长于正常对照 组[（596.7±102.5）ms]正确率为 [（45.21±9.63）%]明显低于正常对照组 [（85.61±6.81）%]，差异均有统计学意义 （均P0.05） 讨论 ? 工作记忆的概念最早由Baddeley提出它 是一种对信息进行暂时性的加工和贮存的 能量有限的记忆系统，对于语言理解、学 习、推理、思维等复杂认知任务的完成起 关键作用工作记忆的实效性短，在接受 信息的同时能够提取整合出有用的信息 传入到短期记忆进行储存，它对记忆的完 整性和准确性都有重要的影响 工作记忆类型 ? 工作记忆系统至少包括两种不同类型—— 词语工作记忆囷空间工作记忆，分别负责 处理词语信息和空间信息 ? 词语工作记忆主要激活左侧半球（优势半 球）的一些脑区包括左顶后皮质、Broca区、 左湔运动区以及左辅助运动区 ? 空间工作记忆主要激活了脑右半球一些脑 区包括右顶后皮质、右枕前皮质、右前 运动区以及右脑前额叶腹側 正常组与以往研究比较 ? 正常对照组左侧额叶在激活范围和激活强 度都是最为显著的，这与其它词语工作记 忆的表现一致 ? 顶叶、枕叶、小脑等区域均有较强的激活 这与其它词语工作记忆的表现有所