磁共振成像研究方法综述

周俊

摘要：本文从结构磁共振成像和功能磁共振成像技术两个方面进行了综述，结构磁共振成像包括基于体素的形态分析、基于脑表面的形态学学分析、体积容量分析等方法，功能磁共振成像技术主要包括低频振幅分析方法、比率低频振幅分析法、 脑局部一致性分析方法、功能连接分析、独立成分分析等。

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磁共振成像（Magnetic resonance imaging, MRI）技术具有重复性强、安全性高以及高时空分辨率等特点，近年来越来越多的精神病学研究者采用该技术来研究精神障碍患者的大脑变化，主要包括结构磁共振成像 (Structural MRI, sMRI)和功能磁共振成像（Functinon MRI,fMRI)技术。

结构磁共振成像技术和CT扫描相比具有多个成像参数，空间分辨率高，尤其是T1加权成相（T1-weighted imaging，T1WI），能够显示大脑细微结构的改变。T1图像的分析技术主要包括基于体素的形态（Voxel-based morphometry, VBM）分析、基于脑表面的形态学学（Surface-based morphology ,SBM）分析、体积容量分析等方法，来了解精神疾病患者大脑结构的变化，近年来使用较多的是VBM技术及SBM的形态学分析，VBM分析是基于体素对全脑的灰质及白质的体积进行定量计算，能够精确测量神经精神疾病引起的大脑结构的精细改变。SBM分析主要采用Freesurfer软件对T1图像进行处理，计算大脑皮质的厚度、体积、皮质表面面积、皮层曲率等指标。研究表明大脑神经元排列成的柱状体数量决定皮层表面的面积，柱状体内大脑神经元及神经纤维的数量的决定皮层的厚度[1]。因此，皮层厚度可以反应大脑皮层神经元细胞的填充密度，从而弥补单纯测量大脑体积的不足，能够更加精确的反应大脑神经元细胞的改变。

除了sMRI的研究，fMRI技术在神经精神疾病中也被广泛地应用，主要包括弥散张量成像技术、弥散峰度成像、动脉自旋标记、磁共振灌注技术、磁共振波谱成像技术以及基于血氧水平依赖（blood oxygen level dependen，BOLD)的功能性磁共振成像等技术。弥散张量成像技术主要用来研究患者脑白质纤维束的走向以及空间结构；弥散峰度成像反映组脑织内水分子的非高斯扩散运动，研究表明，弥散峰度成像比弥散张量成像能够更加敏感地发现大脑细微结构的改变[2]，磁共振波谱成像技术主要从分子层面表现脑组织内代谢及生化的变化，发现脑白质细微及早期的脑损伤[3]。

1990年seiji Ogawa首次提出了BOLD成像机制，并将该项技术运用于探索人和动物的脑功能活动。脑血流量、脑耗氧速率和脑血容积决定了脑组织中的血氧水平。脑血流量增加，会使血管中氧合血红蛋白的含量相对增加；脑耗氧速率增加使血管中脱氧血红蛋白的相对含量下降；脑血管容积增加虽然不会造成脱氧血红蛋白和氧和血红蛋白相对浓度的变化，但是会导致成像体素中脱氧血红蛋白的绝对含量增加，从而降低成像体素中磁场的均匀度，在成像中显示出氧合血红蛋白含量减少的影像结果[4]。神经元细胞的活动会导致脑区血管内血液氧合血红蛋白相对含量增加和脱氧氧血红蛋白相对含量的减少，而氧合血红蛋白是抗磁性物质，脱氧血红蛋白是顺磁性物质，在外磁场中，其血管内外局部磁场的强度和分布都会因为它们相对含量变化而出现变化，从而造成血管内外水分中质子的磁共振强度的变化。Biswal研究发现，大脑在静息状态下BOLD信号和大脑神经元的自发活动密切相关[5]，通过BOLD信号检测大脑功能区活动时内部血氧水平的变化，能够在生理状态下直接探索到脑区的活动，从而达到研究大脑功能的目的。fMRI目前主要采用任务态和静息态两种方法进行研究，任务态即设计一定的任务让被试完成，同时对被试的脑区进行扫描，观察被试脑区的激活情况，静息态是指被试在安静、放松、清醒的状态下进行扫描，观察大脑神经元的自发活动[6]。静息态与任务态相比，不需要进行复杂的任务设计及操作，且获得的信息能够用来分析多种功能变化，可重复性高[7]，这些优势使静息态研究方法在神经和精神病学的研究中得以广泛的应用。

目前各种静息态功能磁共振的算法主要从功能分化和功能整合这两条主线来分析大脑的功能和活动。功能分化的主要算法有低频振幅分析方法（amplitude of low frequency fluctuation，ALFF ) 、比率低频振幅分析法( fractional amplitude of low frequency fluctuation， fALFF) 脑局部一致性分析方法regional homogeneity，ＲeHo)。从功能整合的角度来进行静息态功能磁共振的算法主要包括功能连接分析、独立成分分析（Indpendent component analysis, ICA）、脑功能连接分析方法等。

参考文献

[1]Rakic P. Specification of cerebral cortical areas[J]. Science,1988,241(4862):170-6..

[2]燕俊竹,王冠华,张林.磁共振扩散张量成像及扩散峰度成像评估抑郁症脑部改变[J].影像研究与医学应用,2020,4(11):54-55..

[3] 陶仅德,李秋雨,漆强,等.磁共振波谱成像、事件相关电位及脑震荡后综合征问卷评分在轻度创伤性脑损伤中的应用价值研究[J].中国全科医学,2017,20(06):731-735..

[4] 刘树伟.功能神经影像学[M].济南：山东科学技术出版社，33-36.

[5] Biswal B, Yetkin FZ, Haughton VM, et al. Functional connectivity in the motor cortex of resting human brain using echo-planar MRI[J]. Magn Reson Med,1995:34537–41..

[6] Raichle ME, Mintun MA. Brain work and brain imaging[J]. Annu Rev Neurosci,2006,29:449-76..

[7] Smitha KA, Akhil Raja K, Arun KM, et al. Resting state fMRI: A review on methods in resting state connectivity analysis and resting state networks[J]. Neuroradiol J, 2017,30(4):305-317..

作者简介：副教授，博士研究生，研究领域：精神卫生