CN108652626A - 一种基于磁共振波谱的脑功能检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种基于磁共振波谱的脑功能检测方法，步骤是：首先选择检测脑功能激活的认知任务，接着采集被测者高分辨磁共振结构像用于波谱定位，在高分辨的结构像上选取感兴趣区域；被测者执行认知任务时，采集感兴趣区域的磁共振波谱数据。磁共振波谱数据进行后处理和分析，得到不同任务对应乳酸和谷氨酸浓度的变化，这些代谢物浓度的变化对应其脑功能活动的变化。本发明和以往的脑功能成像技术不同，是通过检测和脑功能相关的脑代谢物浓度的变化而检测脑功能活动的一种方法。

Description

一种基于磁共振波谱的脑功能检测方法

技术领域

本发明涉及磁共振成像领域中脑功能检测方法，涉及一种基于磁共振活体波谱的检测脑功能活动的方法，它是一种无侵入无损伤检测脑功能的方法。

背景技术

研究人类脑的功能是目前科学的热门领域，也是最困难的领域之一。人大脑有大约2亿个神经细胞，而这些神经细胞组成极其复杂的神经网络，让人的大脑具有高级认知和复杂的功能。目前人类对脑功能的研究极其有限，源于研究脑功能的技术也十分有限。目前用于脑功能成像的技术，包括PET，EEG以及磁共振脑功能成像。其中PET价格昂贵且需要给被检测者注入放射性的示踪剂；而EEG研究脑功能时，EEG信号变化很难确定其对应的具体脑区。而目前已有磁共振脑功能成像方法是1990年发明的，它是一种基于脑血氧水平依赖（BOLD）检测方法，这种方法通过检测BOLD信号的变化而检测脑局部功能活动。BOLD是间接检脑功能的方法，BOLD是检测脑中含氧血红蛋白和脱氧血红蛋白比例的变化而影响了局部磁场从而引起磁共振信号的改变。BOLD检测功能定位不准确，BOLD检测是血液中氧气含量的变化，BOLD信号的变化的地方不一定是脑功能真正活动的地方。

发明内容

随着磁共振成像技术和磁共振设备的快速发展，使得活体磁共振波谱用于检测脑功能活动成为可能。本发明的目的是利用磁共振波谱直接检测脑在功能任务的刺激下，其脑功能活动时相应代谢物的浓度变化。

实现本发明目的的具体技术方案是：

一种基于磁共振波谱的脑功能检测方法，包括以下具体步骤：

步骤1：根据所要检测的脑功能，选择对应的脑功能激活的认知任务,用Eprime2.0软件实现适合波谱的刺激程序；

步骤2：采集被测者磁共振结构像；

步骤3：基于所选择认知任务，在磁共振结构像中选取感兴趣区域；

步骤4：被测者执行认知任务时，采集感兴趣区域的波谱数据；

步骤5：对波谱数据进行后处理得到对应的波谱图；比较不同任务下的乳酸峰、谷氨酸峰的数值的大小，检测其脑功能活动的变化。

作为优选，本发明进一步的技术方案是：

步骤1中，所述脑功能激活的认知任务为学习记忆任务、听觉任务或视觉任务等。所述刺激程序采用模块设计，每个模块呈现一个子任务且时间为1-2分钟，脑功能检测的是不同任务之间的脑功能活动变化情况。

步骤3中，感兴趣区域的选择需要根据任务预测其功能活动的区域，并根据解剖知识在被测者结构像上选取和定位。感兴趣区域可以是一个也可以是多个。

步骤4中，被测者在执行任务时,每个任务同时采集感兴趣区域的波谱；波谱采集是在至少3特斯拉场强的磁共振成像系统上进行，波谱采集前要对感兴趣区域进行匀场，频率对准和水信号抑制等预操作；波谱采集参数选取如下：TR为2秒，TE为272毫秒，累加次数42，采集的区域是20毫米× 20毫米× 20毫米。其中TE的选择为272毫秒是为了让乳酸峰附近的脂肪信号尽量衰减。

步骤5中，步骤5所述对波谱数据进行后处理得到对应的波谱图，每个任务下波谱图均能检测到Cr峰， Cho峰，NAA峰，Lac(乳酸)峰，Glx(谷氨酸)峰的大小；其中Lac(乳酸)峰，Glx(谷氨酸)峰的大小对应这脑葡萄糖代谢的高低，也就是对应着脑功能活动的强弱。若检测到Lac峰和Glx峰的增大，说明该脑区参与对应的认知任务。故检测Lac峰和Glx峰大小的变化，就可以获得其对应不同任务下的脑功能活动的情况。其中Cr峰，一般情况下保持稳定，故经常作为内标物，计算其他代谢和其比值，用于减小不同采样时间的系统误差。

本发明是一种全新的脑功能检测方法，利用磁共振波谱直接检测脑在受到功能刺激后的脑代谢水平的变化。磁共振活体波谱能够检测脑中脑代谢物有Cr峰（肌酸混合物和基础能量代谢有关）， Cho峰（胆碱混合物，和细胞膜有关），NAA峰（神经元细胞的标志），Lac峰（乳酸，和代谢有关），Glx峰（谷氨酸的混合物，神经递质和代谢有关）。其中乳酸和谷氨酸是葡萄糖代谢通路上两个重要的代谢物，它们的浓度能够反映葡萄糖的代谢水平。

本发明则直接检测葡萄糖代谢的过程中谷氨酸和乳酸浓度来直接检测脑的功能活动，且能够直接检测到功能区的变化。随着以后磁共振成像技术和设备的发展，将可以在更短时间采集更多脑区内的脑代谢物浓度变化，本发明将更能发挥优势。此外本发明不仅可以用于正常人的脑功能研究，还可以用于脑疾病的研究，观测病人在执行认知任务时脑代谢是如何变化的，从而加深对疾病的研究。

本发明相较于现有技术，其有益效果是：

（1）提供了一种新的检测脑功能活动方法。

（2）相较于常用的BOLD脑功能成像，本发明更直接检测和功能活动相关的代谢物浓度。

附图说明

图1为本发明实施例流程示意图。

图2为本发明实施例中工作记忆任务示意图，采用模块设计，且每个模块时间较长便于波谱数据的采集；

图3为本发明实施例选择磁共振波谱感兴趣区域示意图：第一行是背外侧前额叶，第二行是顶叶；

图4为本发明实施例在工作记忆任务中的顶叶1 back任务的波谱图；

图5为本发明实施例获得功能活动中Glx含量和Lac含量随着任务变化的柱状图：第一行是背外侧前额叶Glx含量和Lac含量，第二行是顶叶Glx含量和Lac含量；其中，0 back是基线任务，相对于基线任务，在其执行其他任务的时候代谢物都是增加，说明该脑区的功能活动增加了；

图6 为本发明实施例所检测到乳酸峰和谷氨酸峰与葡萄糖代谢的关系图；其中，G3PDH：三磷酸甘油醛脱氢酶； LDH：乳酸脱氢酶； PDH：丙酮酸脱氢酶； ICDH：异柠檬酸脱氢酶； GDH：谷氨酸脱氢酶， 2-OG：α-酮戊二酸；NADH：还原型烟酰胺腺嘌呤二核苷酸。

具体实施方式

下面将结合附图通过具体实施例对本发明作进一步详细说明，以便同行业技术人员理解，但实施例不对本发明构成任何限制。

本发明提出一种基于磁共振波谱脑功能活动检测方法。

实施例

参照图1，图1为本发明实施例的流程示意图。

在本发明实施例中，一种基于磁共振波谱的脑功能检测方法，具体步骤包括：

步骤1：根据所要检测的脑功能，选择对应的脑功能激活的认知任务,编写适合波谱的刺激程序；

目前脑功能成像研究的功能包括基本感觉认知和高级感觉认知，基本感觉认知如视觉，听觉，体感觉等，高级认知包括语言功能，学习记忆，情感加工等。在研究具体的脑功能时，需要用相应的功能任务去激活受试者的大脑，然后再利用各种功能成像的技术去检测该功能活动的变化。为了便于理解，本实施例中，以经典的认知任务工作记忆任务的设置为例，具体内容如下：

本实施例中，磁共振波谱扫描时同时进行N-Back任务（block设计，参照图2），有0-back，1-back，2-back，3-back四个任务，每个任务时间呈现96秒，任务之间有9秒的休息。

（1）工作记忆任务N-back任务，任务难度随着back数增加而增加。任务中要求被测者集中精神看屏幕，并根据要求按键，如0-back看见0就按键；1-back看见两个相同的数字按键；2-back第三个数字和第一个数字相同就按键，3-back第四个数字和第一个数字相同就按键，过程如下：4个休息组块和4个任务组块交替出现；休息组块是9秒的十字注视点， 4个任务组块分别是0-back，1-back，2-back，3-back任务。对于任务组块，每个数字呈现之前先呈现1秒的注视点，然后数字呈现为1秒；每个back模块伪随机出现48个数字，共96秒；任务组块扫描磁共振波谱，休息组块不采集数据。

本实施例中采用E-prime2.0软件进行实验任务的编程。

步骤2：采集被测者磁共振结构像；

本实施例中，使用3T Prisma（Siemens, German）磁共振扫描仪，头颅20通道线圈，采集被试磁共振结构像以及任务态磁共振波谱，具体包括：本实施例中，采集被测者静息状态下的磁共振高分辨率T1结构像，所选用成像序列为高分辨T₁加权序列，具体参数如下：3DMPRG序列，TR=2530毫秒， TI=1100毫秒， TE=2.34毫秒，翻转角为7度，192片，分辨率为1毫米× 1毫米×1毫米。

步骤3：基于所选择认知任务，在磁共振结构像中选取感兴趣区域；波谱检测的感兴趣区域根据前人文献中N-back任务可能激活的脑区，再根据解剖经验，最终选择和定位背外侧前额叶和顶叶作为波谱的观测区域（参照图3）。

步骤4：被测者执行认知任务时，采集感兴趣区域的波谱数据；

在实验任务呈现给被测者的同时进行波谱扫描，得到任务态的波谱数据。本实施例中所述实验任务是N-back任务，实验任务程序由脑功能视听觉刺激装置呈现给被测者，被测者一边观看，一边按键反应，同时被采集磁共振波谱。任务态波谱采集选用的扫描序列为PRESS序列。

步骤5：对波谱数据进行后处理得到对应的波谱图；比较不同任务下的乳酸峰、谷氨酸峰的数值的大小，检测其脑功能活动的变化情况。

本实施例中，采用磁共振波谱数据在西门子自带的软件上处理，也可以用LC-model软件处理。处理过程包括信号填零，基线校正，谱峰的选取和标准化。观测谱峰如下：Cr（3.06 ppm），NAA（2.04 ppm）， Cho（3.25 ppm）， Glx（2.39 ppm），Lac（1.35ppm）。进行后处理得到0 back，1 back，2 back，3 back任务的波谱图（参照图4）。其中Cr峰，一般情况下保持稳定，故经常作为内标物，计算其他代谢和其比值，用于减小不同采样时间的系统误差。得到不同任务下的乳酸峰、谷氨酸峰的数值的相对大小（参照图5）。Lac峰和Glx峰和葡萄糖代谢的关系见图6：乳酸和丙酮酸在脑内是动态平衡的，乳酸峰的增加就对应着丙酮酸的增加，丙酮酸是葡萄糖糖酵解的重要中间产物；同时丙酮酸经过进一步代谢产生谷氨酸。故Lac(乳酸)峰，Glx(谷氨酸)峰的大小对应着脑葡萄糖代谢的高低，也就是对应着脑功能活动的强弱。检测到Lac峰和Glx峰相对于基线0 back条件是增加的，且随着任务难度的增大有增加的趋势，说明该脑区确实参与N-back任务。故检测Lac峰和Glx峰大小的变化，就可以获得其对应不同任务下的脑功能活动的情况。

本发明不仅可以用于正常人的脑功能研究，还可以用于脑疾病的研究，观测病人在执行认知任务时脑代谢是如何变化的，从而加深对疾病的研究。

以上所述仅为本发明的优选实施例，并非对本发明作任何形式上的限制，凡是在本发明的发明构思下，利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (5)

1.一种基于磁共振波谱的脑功能检测方法，其特征在于，该方法包括以下具体步骤：

步骤1：根据所要检测的脑功能，选择对应的脑功能激活的认知任务,用Eprime2.0软件实现适合波谱的刺激程序；

步骤2：采集被测者磁共振结构像；

步骤3：基于所选择认知任务，在磁共振结构像中选取感兴趣区域；

步骤4：被测者执行认知任务时，采集感兴趣区域的波谱数据；

步骤5：对波谱数据进行后处理得到对应的波谱图；比较不同任务下的乳酸峰、谷氨酸峰的数值的大小，检测其脑功能活动的变化。

2.如权利要求1所述的脑功能检测方法，其特征在于，所述脑功能激活的认知任务为学习记忆任务、听觉任务或视觉任务；所述刺激程序采用模块设计，每个模块呈现一个子任务且时间为1-2分钟。

3.如权利要求1所述的脑功能检测方法，其特征在于，步骤3所述感兴趣区域为一个或数个。

4.如权利要求1所述的脑功能检测方法，其特征在于，步骤4具体包括：被测者在执行任务时,每个任务同时采集感兴趣区域的波谱；波谱采集是在至少3特斯拉场强的磁共振成像系统上进行，波谱采集前要对感兴趣区域进行匀场，频率对准和水信号抑制等预操作；波谱采集参数选取如下：TR为2秒，TE为272毫秒，累加次数42，采集的区域是20毫米× 20毫米×20毫米。

5.如权利要求1所述的脑功能检测方法，其特征在于，步骤5所述对波谱数据进行后处理得到对应的波谱图：每个任务下波谱图均能检测到Cr峰， Cho峰，NAA峰，Lac(乳酸)峰和Glx(谷氨酸)峰的大小；其中Lac(乳酸)峰，Glx(谷氨酸)峰的大小对应着脑葡萄糖代谢的高低，即脑功能活动的强弱；若检测到Lac峰和Glx峰的增大，则该脑区参与对应的认知任务；故检测Lac峰和Glx峰大小的变化，即能够获得其对应不同任务下的脑功能活动。