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陆菁菁 编译著 金征宇 审校
中国医学科学院 中国协和医科大学
北京协和医院放射科，北京 100073
fMRI的原理和技术
一、基本原理
1991年，Belliveau等通过团注含钆对比剂来测量并比较了在刺激状态和黑暗状态下视皮质血容量的变化。这一研究结果报道后，使用MRI无创性测绘人脑活动的技术得到飞速发展。但是，另有一项研究则利用了血氧水平作为对比剂，即血氧水平依赖性（blood oxygen level dependent, BOLD）对比。BOLD对比依赖于大脑皮质局部微血管网内去氧血红蛋白和氧合血红蛋白之间的平衡转换。氧合血红蛋白的磁敏感性与周围组织基本相同，两者都是反磁性物质，即不存在永久的磁极运动，并可以在外加磁场的作用下，部分地沿磁场方向排列，从而导致磁场的不均匀性。磁场的不均匀性可导致自旋磁矩去相位及弥散，其结果是T2WI上的信号减弱。神经元活动刺激血管反应，从而促使大脑血流量、血容量和血氧浓度增加，甚至超过活动的神经元的需要。神经元刺激导致在兴奋的脑皮质局部微血管网内的去氧血红蛋白向氧合血红蛋白的转变，结果是T2WI上信号变强。
二、成像步骤
BOLD基础上的功能磁共振成像的目的就是探测活动诱导（task-induced）的去氧血红蛋白尝试变化而导致的T2信号改变。在感觉或谁知刺激的同时进行序列采集，获得MR影像。有多种试验方案可以采纳。减法设计是最简单的方案之一，即两种不同的状态交替，然后用减法得出两者的不同，通过比较脑皮质兴奋状态和休息状态下的信号不同，获得脑功能的参数。典型的功能磁共振试验包括给病人相等时间（20～31s）的刺激和休息交替，3～5个循环，在这段时间内进行信号采集。
在功能磁共振成像中，为了检测到显著和信号变化，必须得到大量的MR图像。但同时许多认知活动只有在相对较短的时间内才能持续。因此，在为功能磁共振成像选择最优的MR成像技术时，短的采集时间就成为一个重要的参数。目前最常用的fMRI技术是单次激发回波平面技术（echo planar imaging, EPI）。在EPI中，因局部神经元活动导致微血管信号增加了2%～5%。EPI是由Mansfield推出，是T2加权的超高速信号采集序列，需要在传统MRI基础上进行硬件修饰。如要进行全脑成像，就要用更强的梯度线圈来快速节换较强的相位编码梯度，可以获得一系列的回波。因此，一次扫描即可覆盖整个K空间。利用EPI可以得到最佳的时间分辨力。一般用EPI可以在3～6s内扫描完整个脑部。
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