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功能性核磁共振造影 (fMRI) 應用

110/09/30 瀏覽次數 301

上一篇核磁共振造影文章介紹了基本 MRI 原理跟概念,以及結構性 MRI 因為能夠直接檢測神經退化性疾病特定腦區的萎縮樣態,可協助醫師早期診斷,是非常重要的失智症檢測基石。這次將介紹一種能夠推算出神經細胞的功能活性(判斷神經細胞的健康程度)的 MRI,功能性核磁共振造影 (fMRI,functional Magnetic Resonance Imaging)。

簡介功能性核磁共振造影 (fMRI)

fMRI 與 MRI 名稱類似,但檢查原理卻大不相同,fMRI 是一種神經影像技術,原理是偵測局部血液含氧濃度及血液供應之變化所產生的訊號改變(血氧濃度相依對比訊號,blood-oxygen-level-dependent signal, BOLD signal),來觀察神經細胞對氧氣的利用率,進而推算出神經細胞的功能活性,可用來判斷神經細胞的健康程度。fMRI 在臨床上可定位大腦各種功能區,提供神經外科手術決策之重要醫學資訊,由於 fMRI 的非侵入性和其較少的輻射暴露量,從 1990 年代以後逐漸在偵測腦部功能領域佔有了重要地位。

血氧濃度相依對比 (BOLD)

BOLD 基本原理是藉腦部神經細胞活化時,其所在區域的局部血流量會增加,導致局部腦血管內之去氧血紅素濃度亦隨之變化。因去氧血紅素具類似磁振造影顯影劑的效應,同時血紅素局限於血管內,故而在血管內外形成磁化係數的差異,而在磁振影像上隨血管內之去氧血紅素濃度改變造成訊號的起伏。一般在進行 fMRI 檢查時,會讓受試者執行不同之工作或經歷不同的感官刺激,之後藉由 BOLD 訊號及統計模式計算出腦功能區域的位置。

結合 PET 與 MRI 技術的 fMRI

正子造影 (Positron Emission Tomography,PET) 是利用放射線照射被放射物質標記過的葡萄糖,觀察葡萄糖被利用的情況。磁共振成像 MRI 利用利用磁場震盪體內帶電的水分子,產生振盪,藉由觀察水分子電場震盪後,反映出的磁力線改變,了解水分子排列的位置、構造,再經由電腦將訊號排列成為影像,呈現器官完整形貌。
fMRI 將上述兩項技術優勢結合起來,通過檢驗血流進入腦細胞的磁場變化而實現腦功能成像,它給出更精確的結構與功能關係。
 

腦部三種切面

腦部三種切面,左至右分別為正子造影,結構性 MRI,功能性 MRI。
fMRI 黃紅色區域代表該腦區功能的神經細胞活性發生改變。圖/
Difference between MRI & fMRI

fMRI 的臨床應用

fMRI在神經外科、神經內科、藥理學和精神病學等領域的臨床應用十分廣泛。

  1. 神經外科-腦腫瘤治療中的應用
    利用 fMRI 可以在切除腦腫瘤術前非侵入性地進行腦皮質功能區的定位,協助神經外科醫生擬定最優化的手術方案,以達到在對鄰近重要功能皮層最小的傷害下,對病灶進行最有效的切除,不但可減少正常功能的喪失,而且可增加手術風險評估的準確度。
  2. 神經內科應用
    fMRI 在阿茲海默症 (Alzheimer’s disease)、腦中風 (stroke)、多發性硬化症 (multiple sclerosis)、以及巴金森氏症 (Parkinson’s disease) 等多種腦部疾病治療中的應用十分廣泛。利用 fMRI 可對疾病治療後的功能恢復、功能性重組進行深入的研究,並且可以定性、定量地檢測藥物治療的療效,為臨床診斷、治療及評估預後提供新的思路。
  3. 藥理學應用
    fMRI 具有快速、非侵入性、可重複性的特點,加上可對藥物作用進行解剖位置之定位,是檢測神經性藥物的療效和藥理機制的利器。此外,在顯示藥物受體的位置與藥物作用的功能區是否吻合,fMRI 亦可檢測神經系統功能性的直接變化。
  4. 精神病學應用
    如上述,fMRI 的特點可以縱向地追踪、觀察精神疾病的發病機制及發展動態,使其在精神病學的研究方面有很大的潛力。近年來fMRI大大的提升精神科醫師和研究者對思覺失調症 (schizophrenia)、抑鬱症 (depression)、自閉症 (autism )、注意力不足過動症 (attention deficit hyperactivity disorder) 等精神疾病的瞭解和解析,可說是精神病學進步的一大推手。

發展前景

目前 fMRI 技術已廣泛應用於腦的基礎研究和臨床治療 ,可以對腦功能激活區進行準確的定位。fMRI 與擴散張量影像 (diffusion tensor imaging)、腦磁圖 (magnetoencephalography)、穿顱磁刺激 (transcranial magnetic stimulation) 等技術相結合後,可得到更多的腦功能活動信息。

擴散張量影像可藉由定量分析組織三維空間內的水分子擴散運動,解析大腦白質纖維束的走向和數量。與 fMRI 結合後,可以建立激活區域的功能連接網絡圖,有利於解釋結構與功能之間的關係。

腦磁圖主要反映神經細胞在不同功能狀態下產生的磁場變化,可以提供腦功能的即時信息和組織定位。fMRI 與腦磁圖技術相結合可以彌補腦磁圖在時間分辨率的不足,可解決腦區域性活動的時間問題。

穿顱磁刺激可以在頭顱之外,對大腦皮層之特定位點進行刺激,使得特定位點或相聯結之遠處大腦皮層發生興奮或是抑制,進而強化或減弱其對應腦區之功能。新一代的無框架立體定位式穿顱磁刺激技術可以整合 fMRI 的結果,廣泛應用於腦損傷和其它疾病的功能神經外科手術中。

隨著 fMRI 和圖像後處理技術的不斷改進和完善、高場磁共振機的發展,能夠使 fMRI 試驗的可重複性和空間定位的準確性大大提高,在腦神經科學、認知和心理等方面的臨床和基礎研究中的應用將更加深入與廣泛。

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