大脑皮层运动功能区的脑功能成像
作者：朱明旺 戴建平 詹炯 李少武
单位：100050 首都医科大学附属北京天坛医院神经放射科 北京市神经外科研究所
关键词：
中华医学杂志000914 MR扫描中通过某些特定的功能活动刺激，能够对大脑功能区进行成像，即脑功能成像(functional MR, fMR)[1]。为此，我们应用fMR成像观察了大脑皮层运动中枢的功能成像。
一、对象与方法
1.对象：选择15名正常志愿者接受脑运动功能区的fMR成像，年龄25～41岁，男10名，女5名。fMR扫描前，要求志愿者练习拇指与其余4指的对指运动，并在扫描中静止不动，按指令进行对指运动。
2.扫描条件：使用东芝Visart 1.5T超导MR成像系统，标准头正交线圈，平面回波脉冲序列，血氧水平依赖法(blood-oxygen-level-dependence, BOLD)fMR成像，单激发。TE/TR = 60/2 000，扫描野(FOV)：30 cm ×30 cm，矩阵256×128，层厚6 mm。
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3.扫描方法：使用固定带和海绵垫将志愿者头部充分固定，以防止扫描中出现不自主运动。扫描中心置于眉弓上方40 mm处，约为中央前回水平。使用矢状面定位，并确认大脑位于扫描野中央，自脑顶向下进行6层T1加权轴位扫描像(图1)，使中央前回包括在扫描范围中。再使用与T1加权像完全相同的层面进行脑fMR扫描。扫描中志愿者双手首先处于静止状态，扫描30 s后，双手开始持续对指运动30 s，然后停止对指运动，如此反复进行3次后扫描完毕。
图1 fMR扫描定位像
4.数据分析：将双手分别处于静止和对指运动状态下MR信号各自叠加在一起，计算出双手静止和运动时的平均图像，并比较找出其中差异(P<0.0 001)的像素及其位置，得到由这些像素组成的功能信号。然后，将功能信号和相应层面T1像叠加，以评价大脑皮层运动功能区的位置和解剖细节。最后进行脑顶部的水成像，以观察整个脑顶部的脑沟回的形态，并与脑功能信号叠加。
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二、结果
本组15名志愿者中，14名扫描取得了满意的结果，仅1例志愿者扫描中头部出现轻微运动使扫描失败。通过双手对指运动刺激运动中枢功能活跃，可以在脑内产生相应的功能活跃信号(图2)。运动中枢功能活跃产生的功能信号表现为信号增高。功能信号与相同层面的T1加权像叠加后，其位置与大脑皮层运动中枢的位置一致，最强的功能信号全部出现在双侧中央前回的外侧皮层(图3)。
图2 功能信号图，计算机处理后得到的功能活跃和
功能静止图像之间的信号差异
图3 功能信号与T1像叠加图，功能信号主要位于中
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央前回的外侧皮层，左侧中央前回功能信号大于右侧
在本组14名成功完成扫描的正常志愿者中，有10名左侧半球手部运动功能信号大于对侧半球手部运动功能信号(图3)，3名左右半球功能信号大小基本相当，1例左侧半球功能信号大于对侧(图4)。脑顶部水成像图像与大脑顶面观的解剖结构相似，可以清楚地显示包括中央前回在内的大脑各沟回的顶面观形态。脑顶部水成像与功能信号叠加后，可以明确功能信号在中央前回上的确切位置(图5)。
图4 在本例志愿者中，右侧中央前回产生的
功能信号大于左侧
图5 脑顶部水成像与功能信号叠加图，脑顶
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表面各沟回显示清楚，可以清楚显示功能信号在
中央前回上的位置和形态
三、讨论
fMR检查信号变化与病人是否进行对指运动密切相关，提示为对指运动产生功能信号，说明相应部位皮层功能活跃，这个结果与PET和脑电生理检查结果完全一致[2]，说明fMR能够可靠地对运动功能区进行显示和定位。本组大部分志愿者左侧半球运动功能信号要大于对侧，提示右手的运动产生的功能信号大于对侧，可能与志愿者的习惯手有关[3]。
在fMR扫描中，功能信号并非由于功能活跃本身直接引起的，而由功能活跃引起的功能区代谢改变造成的，其中最主要的因素是功能活跃区脑组织毛细血管床内的血氧含量变化[4]。PET研究证实[5]，脑功能活跃时，功能区局部脑动脉血流量增加，而脑组织氧耗量并没有呈比例增加，仅有轻微的增加。这样，过量供应的动脉血使功能活跃区毛细血管床内以含氧血液为主，含氧血红蛋白增加。非功能活跃区动脉供血没有变化，主要为脱氧血红蛋白。因此，功能活跃区毛细血管床内的含氧血红蛋白与周围非功能区的脱氧血红蛋白环境形成对比。
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脱氧血红蛋白具有顺磁性，含氧血红蛋白具有抗磁性。顺磁性的脱氧血红蛋白可以使组织的T2迟豫时间加快，T2信号降低。而含氧血红蛋白为抗磁性，不会产生磁化敏感效应，对MR信号没有影响[6]。运动刺激使运动功能活跃区毛细血管床内血液由脱氧血红蛋白为主转变为含氧血红蛋白为主，这种血氧变化使功能区MR信号提高，从而显示功能活跃区的位置和形态。
本组扫描TE使用60 ms，所产生的功能信号变化仅有3%左右。因此在进行功能成像时，必须在同一层面有无功能刺激状态下反复多次扫描，并将每一次扫描结果相互叠加，以获得最大的功能信号变化。显示脑运动功能区的位置和形态对于神经外科制定手术方案非常重要。fMR可无创地确定不同个体间运动中枢的位置，以在尽可能地完全切除肿瘤的同时保护功能区。在进行fMR成像时，可非常方便地进行常规MR扫描，以同时获得解剖和功能两方面信息。
在fMR成像中，一个重要的问题就是扫描中头颅必须静止不动，否则，将使功能信号定位不准。尽管本组均为正常志愿者，扫描前清楚交待扫描注意事项，并使用固定带固定头颅，仍有1名志愿者因头颅运动而使扫描失败。本研究仅对正常志愿者的对指运动进行了观察，对于运动功能区病变病人fMR成像仍有待于进一步研究。总之，本组扫描证实fMR能够显示大脑皮层运动功能区的位置和形态，它具有简单快速无创，并可与常规MR扫描同时进行等特点，对神经内外科病人具有极高的临床实用价值。
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基金项目：北京市科委科技新星计划基金资助项目(954818400)
参考文献
1，Moseley ME, Glover GH. Functional MR imaging: Capabilities and limitations. Neuroim Clin Nor Am, 1995.5: 161-191.
2，Puce A, Constable T, Buby ML, et al. functional magnetic resonance imaging of sensory and motor cortex: comparison with electrophysiological localization. J Neurosurg, 1995,83: 262-270.
3，Li A, Yetkin Z, Cox R, et al. Ipsilateral hemisphere activation during motor and sensory tasks. AJNR, 1996,17: 651-655.
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4，Connelly A, Jackson GD, Frackowiak RSJ, et al. Functional mapping of activated human primary cortex with a clinical MR imaging system. Radiology, 1993,188: 125.
5，Fox PT, Raiche ME, Mintun MA, et al. Nonoxidative glucose consumption during focal physiologic neural activity. Science , 1988 ,241: 462-464.
6，Bandettini PA, Wong EC. Magnetic resonance imaging of huma brain function: principles, practicalities,and possibilities. Neurosurg Clin Nor Am, 1997,8: 245-371.
(收稿日期：1999-12-10), http://www.100md.com
单位：100050 首都医科大学附属北京天坛医院神经放射科 北京市神经外科研究所
关键词：
中华医学杂志000914 MR扫描中通过某些特定的功能活动刺激，能够对大脑功能区进行成像，即脑功能成像(functional MR, fMR)[1]。为此，我们应用fMR成像观察了大脑皮层运动中枢的功能成像。
一、对象与方法
1.对象：选择15名正常志愿者接受脑运动功能区的fMR成像，年龄25～41岁，男10名，女5名。fMR扫描前，要求志愿者练习拇指与其余4指的对指运动，并在扫描中静止不动，按指令进行对指运动。
2.扫描条件：使用东芝Visart 1.5T超导MR成像系统，标准头正交线圈，平面回波脉冲序列，血氧水平依赖法(blood-oxygen-level-dependence, BOLD)fMR成像，单激发。TE/TR = 60/2 000，扫描野(FOV)：30 cm ×30 cm，矩阵256×128，层厚6 mm。
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3.扫描方法：使用固定带和海绵垫将志愿者头部充分固定，以防止扫描中出现不自主运动。扫描中心置于眉弓上方40 mm处，约为中央前回水平。使用矢状面定位，并确认大脑位于扫描野中央，自脑顶向下进行6层T1加权轴位扫描像(图1)，使中央前回包括在扫描范围中。再使用与T1加权像完全相同的层面进行脑fMR扫描。扫描中志愿者双手首先处于静止状态，扫描30 s后，双手开始持续对指运动30 s，然后停止对指运动，如此反复进行3次后扫描完毕。
图1 fMR扫描定位像
4.数据分析：将双手分别处于静止和对指运动状态下MR信号各自叠加在一起，计算出双手静止和运动时的平均图像，并比较找出其中差异(P<0.0 001)的像素及其位置，得到由这些像素组成的功能信号。然后，将功能信号和相应层面T1像叠加，以评价大脑皮层运动功能区的位置和解剖细节。最后进行脑顶部的水成像，以观察整个脑顶部的脑沟回的形态，并与脑功能信号叠加。
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二、结果
本组15名志愿者中，14名扫描取得了满意的结果，仅1例志愿者扫描中头部出现轻微运动使扫描失败。通过双手对指运动刺激运动中枢功能活跃，可以在脑内产生相应的功能活跃信号(图2)。运动中枢功能活跃产生的功能信号表现为信号增高。功能信号与相同层面的T1加权像叠加后，其位置与大脑皮层运动中枢的位置一致，最强的功能信号全部出现在双侧中央前回的外侧皮层(图3)。
图2 功能信号图，计算机处理后得到的功能活跃和
功能静止图像之间的信号差异
图3 功能信号与T1像叠加图，功能信号主要位于中
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央前回的外侧皮层，左侧中央前回功能信号大于右侧
在本组14名成功完成扫描的正常志愿者中，有10名左侧半球手部运动功能信号大于对侧半球手部运动功能信号(图3)，3名左右半球功能信号大小基本相当，1例左侧半球功能信号大于对侧(图4)。脑顶部水成像图像与大脑顶面观的解剖结构相似，可以清楚地显示包括中央前回在内的大脑各沟回的顶面观形态。脑顶部水成像与功能信号叠加后，可以明确功能信号在中央前回上的确切位置(图5)。
图4 在本例志愿者中，右侧中央前回产生的
功能信号大于左侧
图5 脑顶部水成像与功能信号叠加图，脑顶
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表面各沟回显示清楚，可以清楚显示功能信号在
中央前回上的位置和形态
三、讨论
fMR检查信号变化与病人是否进行对指运动密切相关，提示为对指运动产生功能信号，说明相应部位皮层功能活跃，这个结果与PET和脑电生理检查结果完全一致[2]，说明fMR能够可靠地对运动功能区进行显示和定位。本组大部分志愿者左侧半球运动功能信号要大于对侧，提示右手的运动产生的功能信号大于对侧，可能与志愿者的习惯手有关[3]。
在fMR扫描中，功能信号并非由于功能活跃本身直接引起的，而由功能活跃引起的功能区代谢改变造成的，其中最主要的因素是功能活跃区脑组织毛细血管床内的血氧含量变化[4]。PET研究证实[5]，脑功能活跃时，功能区局部脑动脉血流量增加，而脑组织氧耗量并没有呈比例增加，仅有轻微的增加。这样，过量供应的动脉血使功能活跃区毛细血管床内以含氧血液为主，含氧血红蛋白增加。非功能活跃区动脉供血没有变化，主要为脱氧血红蛋白。因此，功能活跃区毛细血管床内的含氧血红蛋白与周围非功能区的脱氧血红蛋白环境形成对比。
, http://www.100md.com
脱氧血红蛋白具有顺磁性，含氧血红蛋白具有抗磁性。顺磁性的脱氧血红蛋白可以使组织的T2迟豫时间加快，T2信号降低。而含氧血红蛋白为抗磁性，不会产生磁化敏感效应，对MR信号没有影响[6]。运动刺激使运动功能活跃区毛细血管床内血液由脱氧血红蛋白为主转变为含氧血红蛋白为主，这种血氧变化使功能区MR信号提高，从而显示功能活跃区的位置和形态。
本组扫描TE使用60 ms，所产生的功能信号变化仅有3%左右。因此在进行功能成像时，必须在同一层面有无功能刺激状态下反复多次扫描，并将每一次扫描结果相互叠加，以获得最大的功能信号变化。显示脑运动功能区的位置和形态对于神经外科制定手术方案非常重要。fMR可无创地确定不同个体间运动中枢的位置，以在尽可能地完全切除肿瘤的同时保护功能区。在进行fMR成像时，可非常方便地进行常规MR扫描，以同时获得解剖和功能两方面信息。
在fMR成像中，一个重要的问题就是扫描中头颅必须静止不动，否则，将使功能信号定位不准。尽管本组均为正常志愿者，扫描前清楚交待扫描注意事项，并使用固定带固定头颅，仍有1名志愿者因头颅运动而使扫描失败。本研究仅对正常志愿者的对指运动进行了观察，对于运动功能区病变病人fMR成像仍有待于进一步研究。总之，本组扫描证实fMR能够显示大脑皮层运动功能区的位置和形态，它具有简单快速无创，并可与常规MR扫描同时进行等特点，对神经内外科病人具有极高的临床实用价值。
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基金项目：北京市科委科技新星计划基金资助项目(954818400)
参考文献
1，Moseley ME, Glover GH. Functional MR imaging: Capabilities and limitations. Neuroim Clin Nor Am, 1995.5: 161-191.
2，Puce A, Constable T, Buby ML, et al. functional magnetic resonance imaging of sensory and motor cortex: comparison with electrophysiological localization. J Neurosurg, 1995,83: 262-270.
3，Li A, Yetkin Z, Cox R, et al. Ipsilateral hemisphere activation during motor and sensory tasks. AJNR, 1996,17: 651-655.
, 百拇医药
4，Connelly A, Jackson GD, Frackowiak RSJ, et al. Functional mapping of activated human primary cortex with a clinical MR imaging system. Radiology, 1993,188: 125.
5，Fox PT, Raiche ME, Mintun MA, et al. Nonoxidative glucose consumption during focal physiologic neural activity. Science , 1988 ,241: 462-464.
6，Bandettini PA, Wong EC. Magnetic resonance imaging of huma brain function: principles, practicalities,and possibilities. Neurosurg Clin Nor Am, 1997,8: 245-371.
(收稿日期：1999-12-10), http://www.100md.com