實時功能磁共振成像及其應用探索

李均明

（陽江市中醫醫院，廣東 陽江 529500）

實時功能磁共振成像是目前比較先進的一個治療技術，主要通過專業的方法來分析數據，利用反饋出來的數據顯示出受試者在治療中自身大腦皮層的活動情況，最終形成一個成像技術。運動皮層的功能活動和很多因素有關，在測量運動皮層功能活動的影像學技術里，一般都會借助實時功能磁共振成像和平面回波成像來幫助。

1 實時功能磁共振成像發展歷史

1991 年，哈弗大學的Beliveau 就研究出了磁共振成像技術能夠在視覺刺激下檢測出人類大腦腦血容量的變化位置的結論。1992 年，又有人做了磁共振成像技術的實驗，這些實驗都給功能磁共振成像奠定了基礎。在以后的20 年里，人們又推出了關于腦功能的研究，增加了人們對檢測人體精密儀器的認識。在大部分的fMRI 實驗的時候，研究人員需要在很長時間里面才能研究出一項結論，實時功能磁共振成像就是利用收集在線數據的方式來掃描實時監控出來的數據，并且得到相應的腦區的激活信息。1995 年，研究出了rtfMRI 概念，能夠把所有的數據都能實時的進行處理和反饋。現在，大部分fMRI 使用的都是平面回波成像序列，在這個序列里面能夠采集非常多的全腦圖像，能夠決定時間分辨率，就是實時性。在研究的時候，rtfMRI 能夠在一個TR 圖像采集結束后對上一個圖像進行分析，最終形成以TR 為周期的更新大腦活動情況，還能借助rtfMRI 的技術動態的觀測在試驗中激活強度的變化。現在，我們在檢測的時候，能夠把激活情況實時地呈現給受試者，這就是神經反饋。

2 實時功能磁共振成像實驗

2.1 實時功能磁共振成像的資料和方法

（1）一般資料。本實驗選取的資料都來自某醫院在2018 ～2019 年就治的志愿者，一共有20 人，年齡限制在25 ～55 歲，隨機分為觀察組和對照組，觀察組是實時功能磁共振成像組，對照組就是平面回波成像組，選擇好后進行對比分析。

（2）臨床采納標準。首先，所有的志愿者的身體都是健康的，在實驗之前沒有服用過任何藥物，同時，所有的志愿者在實驗之前都簽署了志愿者知情同意書。其次，在所有的志愿者中已經把患有惡性腫瘤疾病的人和腎功能不全的還有妊娠期者全部排查在外。

（3）治療方法。在觀察組和對照組里，所有的受試者分別采用實時功能磁共振和超導型磁共振平面回波成像，一共有8 層。觀察組和對照組在進行運動試驗的時候需要有以下幾個環節：30s 靜止和30s 運動，從靜止開始之后的12s開始進行圖像掃描，隨后靜止狀態和運動狀態各30s，連續掃描5 次，每層10 次，一共有804 幅圖像。

（4）統計學方法。本研究所有數據均采用SPSS13.0 統計軟件進行數據統計，計量資料用（+s）進行表示，采用t 進行檢驗，計數資料用%表示，采用X2進行檢驗，P＜0.05表示差異具有統計學意義。

2.2 實驗結果

首先，觀察組里的所有人都可以在軸位上顯示“手結節”，在對照組里面有6 例能夠顯示出來，觀察組志愿者要比對照者的準確性多。其次，在觀察運動時運動皮層的激活程度上發現，觀察組明顯比對照組好。

2.3 實驗結果討論

人的大腦里不同的部位進行網絡連接的時候會完成人腦的功能活動，在臨床上能夠評估這種現象的影像技術有很多，并且現在已經廣泛地應用在臨床中。在研究的時候，發現實驗組里面和對照組里面的人，觀察者的指標要比對照組好。通過實驗，還能夠證明在運動皮層的準確定位時，選擇實時功能磁共振成像在定位的時候會更加準確，更適合在以后的臨床實驗上使用。

3 rtfMRI 的相關應用

rtfMRI 技術最開始的目的就是為了檢測出現數據的質量，從最短時間里確定出組織對比度的最優參數，但是，rtfMRI 技術在使用的時候受試者可以控制自己的腦區激活水平。rtfMRI 還可以充當腦機接口的角色，通過其把腦狀態轉換成一些特定的信號反饋給受試者或者是輸出給外部設備，很多運動障礙者都通過這種方法來操作設備。

3.1 利用神經反饋對大腦活動的自主調節

現在能夠改變大腦活動的途徑有3 種辦法，這三種是心理醫生、手術、藥物，在rtfMRI 的神經反饋的時候有給改變大腦活動提出一個新的特殊形式，現在對于大部分的rtfMRI 實驗，都會出現神經反饋，這個時候在實驗的時候會根據不同人物條件或刺激所改變。

在rtfMRI 神經反饋的研究中，先要進行一次快速的功能定位掃描確定出感興趣的區域，在以后還可以把BOLD 信號的強度作為一個參考，最終輸出給受試者的神經反饋信號，這樣就可以減少一些全腦非特異性效應對反饋信號強度的影響。在實驗中還發現，受試者的屏氣對參考值相減之后出現的BOLD 信號的影響會小于選定的腦區自身信號的影響。

現在能夠利用rtfMRI 神經反饋研究出生理上的一種自主調節，主要的目的就是為了找到被調節的大腦活動和認知行為之間的關系，傳統的神經影像學研究的時候主要研究的是大腦的生理反應，但是，大腦皮層的神經元響是一個因變量，所以，利用神經反饋就可以把這個關系顛覆，讓大腦活動成為一個能夠調控的自變量，最終知道受試者認知行為上的變化，現在，已經有很多人能夠證實rtfMRI 神經反饋的時候有自我調節能力。在充分運動后，受試者可以在沒有精神反饋信息情況的時候也可以維持相應的腦區的自主調節能力，有些行為還會在結束后保持一段時間，這就是訓練傳遞效應。現在還有人在研究的時候發現通過自主調節能夠提高輔助運動去的激活水平，增加下次激活程度的表現。詳見圖1rtfMIRI 試驗中分別采用等增方式a/b 與固定時間窗方式c/d 處理數據結果虛線和實線表示大腦左右。

值得一提的是，在研究利用生物反饋實現血壓調節的時候能夠發現rtfMRI 神經反饋本質上還是存在BOLD 信號，所以，還有的觀點認為受試者自主調節的時候就是調節認知行為的變化。

3.2 基于rtfMRI 的腦機接口及其應用

圖1 為SVM 分類器對腦狀態的實時識別結果

rtfMRI 的另一個主要應用就是腦機接口，通過把rtfMRI 技術和多變量分析方法進行結合，能夠更好地呈現出受試者的反饋信息，也可以作為輸出信息的外部設備。在研究的時候，發現多元分析方法特別適合對大腦功能網絡的研究，因為大腦活動情況會以非常頻繁的頻率呈現，所以要及時用一些辦法來進行記錄，在試驗進行的時候，把大腦圖像和對應的任務鏈接在一起，就可以識別出人的腦狀態。這種方法能夠使用神經網絡和線性判別進行分析，在分析的時候，需要先在機器里面建立一個輸入矢量和輸出矢量之間的關系，在試驗的時候，把矢量化的rtfMRI 圖像作為輸入內容，這個時候輸出的就是腦狀態，通過對腦狀態分析能夠知道現在通過大腦活動就可以控制外界的設備，不需要完全依賴人體的運動系統。

4 結語

現在，我們一直在研究人們是怎么進行思考或者是大腦如何進行工作，rtfMRI 的出現給人們的研究提供了一個新的思路，能夠讓我們在研究的時候借助rtfMRI 的幫助了解大腦活動的情況，不僅如此，還可以及時地進行反饋。神經影像技術是我們一直以來都研究的一項技術，實時功能磁共振成像的出現也能夠讓人們更清楚地認識神經科學和精神疾病治療方面的知識，希望能夠讓我國的精神疾病治療質量變得越來越好。