fMRI技术

大脑成像技术

fMRI技术是一种非常优秀的大脑成像技术，即功能磁共振成像技术，空间编码是磁共振成像的关键技术。

技术特点

在众多的模式中，用于脑功能定位的磁共振成像(Magnetic Resonance Imaging，MRI)技术，或曰功能磁共振成像(Functional MRI)是一种非常有效的研究脑功能的非介入技术，已经成为最广泛使用的脑功能研究手段。最早起源于1991年春天，美国麻省总医院(Massachusetts General Hospital，MGH)的磁共振研究中心利用磁共振成像生成反映脑血流变化的图像。它虽然是一种非介入的技术，但却能对特定的大脑活动的皮层区域进行准确、可靠的定位，空间分辨率达到2mm，并且能以各种方式对物体反复进行扫描。

fMRI的另一个特点是，能实时跟踪信号的改变。例如在仅几秒钟内发生的思维活动，或认知实验中信号的变化。时间分辨率达到1s。大批的脑科学研究人员已经开始从事磁共振功能神经成像的研究，并将它应用于认知神经科学。医学领域的迫切需求也进一步促使fMRI技术的发展，一些在病理方面的应用已初见端倪，例如利用扩散(Diffusion)成像和灌注(Perfussion)成像技术对大脑局部缺血进行诊断等。本文着重介绍功能磁共振的原理及应用方面的现状和前景。

技术

空间编码是磁共振成像的关键技术。其基本的原理是，在X轴、Y轴和Z轴三个相互垂直的方向上施加磁场梯度或者梯度脉冲，使得磁场中不同位置产生的磁共振信号能在频域中得以分辨。这样频域中不同位置就与空间中不同位置形成了对应关系。根据K空间的填充方式不同形成了多种成像技术。

EPI(回波平面成像)是一种超高速成像技术，并已成为当前fMRI研究的主选方法。它对脑的氧合状态变化的检测达到亚秒级程度。虽然早在1977年Mansfield就已提出该技术，但只是最近才得到临床应用。主要是因为该方法对MRI扫描仪的硬件要求过高，特别是对梯度子系统的要求。至今，全世界也只有数百台MRI扫描仪能达到这样的要求。在功能成像实验中，图像的空间分辨可达到、甚至优于PET图像的空间分辨，还多了一个时间维可以测量神经活动过程。虽然，在时间分辨上还不能与EEG相比，但其良好的空间特性在功能神经成像方面独具特色。

EPI最大的优点在于它作为一种多层成像技术时可在高分辨率的前提下对全脑进行定位。比如，大约5s就可得到一个分辨率在三个方向上均为3mm的64×64×64的图像矩阵。每层的TR为5s，在fMRI场强条件下组织和血液中的T1为1s的数量级，饱和效应很小。而且，EPI及其派生技术(如Single-Shot GRASE，Single-Shot Spiral EPI)的获取信息率(即单位时间的信噪比)最高。图2所示对短暂视觉刺激时fMRI时间序列。

研究

普林斯顿大学的研究人员已经解决利用功能性核磁共振成像(fMRI)技术来了解大脑活动。功能性核磁共振成像技术可以显示大脑各个区域内静脉毛细血管中血液氧合状态所起的磁共振信号的微小变化．使用fMRI的方法，可以在正常的活体上无损伤地实现大脑活动的功能定位，时空分辨率可分别达到秒和毫米数量级，虽然还无法准确描述具体是什么，但可以区分你所想的事物类型，比如是动物而不是蔬菜。

比如你想象一根胡萝卜，再想象一只奶牛，这两段思维会激活大脑不同的区域，利用fMRI很容易辨别出来。研究人员已经将这个扫描精细到能分辨出不同区域所对应的事物类型。人们在思考时大脑会记录下各种“快捷方式”，所想到各种具体物品会有专门的对应区域，可能这些区域没有细化到代表胡萝卜或是小白菜而是抽象归类为“蔬菜”，然后想到小白兔或奶牛时指向“动物”。这样的话fMRI就能识别到对应的标记。

下一步研究工作就是微调扫描精度，以达到识别更为具体事物的目的。想象一下，如果通过大脑扫描就能知道它在想什么，那时人们就能与别人大脑直接沟通，即使对方完全没有行动能力，无法用言语来表达。

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