脑电图和功能磁共振同步联合对自发脑电活动的研究

脑电图和功能磁共振同步联合对自发脑电活动的研究 脑电图和功能磁共振同步联合对自发脑电 活动的研究 ? 698? 综述 床放射学杂志2008年第27卷第5期 脑电图和功能磁共振同步联合对自发脑电活动的研究 朱建国,张志强综述卢光明审校 脑电图(electroencephalography,EEG)虽然是研究颅内电 生理改变最直接,有效的工具,但是EEG的探测能力与放电 神经元的形状,大小,位置有关,同时还取决于电极与颅内产 生电势之间的角度,因此EEG不能做到精确的空间定位. 功能磁共振成像(functionalMRI,fMl~I)作为一种新兴的 无创检查,能够描绘出任务或刺激引起的局部脑区的血 流变化,广泛应用于人脑的功能研究.然而在假设驱动的- RI试验中有一个先决条件,即任务和刺激有一定的先验模型, 才能将不同的刺激,任务和具体脑区的代谢变化结合起来. 对于颅内自发的神经电活动,其产生,传播是无法预测和控制 的,所以无法按照假设驱动模式进行.因此假设驱动的RI 试验在研究颅内自发的神经电活动时有着明显不足. EEG-i'MRI联合(simultarleousEEGandi'MRI,SEM)就是 由EEG观察脑电活动的波形,波幅的变化,并提供对应的时 间点作为任务刺激的时间信息,将所要研究的自发脑电活动 视为任务刺激状态,其余视为控制状态,符合假设驱动的- RI试验的特点,依据时间来获得空间信息,对颅内自发 神经活动展开研究. 1EEG-fMRI的原理和技术 EEG-fMRI联合面临一些冲突,主要是以下三个方 面J.因此,需专门设计,使两者兼容. 1.1受检者的安全问 使用EPI序列扫描时,高速切换的磁场在EEG电极中会 产生较大的电流,危害被检查者的安全,为了减小电流,IJe— mieux等计算出每个电极的电阻必须>13×10Q,但电阻 越大,产热也越多.对此,使用绝缘的光纤,可以避免这 一 矛盾. 1.2MRI图像的质量问题 磁敏感性伪影,电极附近会有磁共振信号的丢失,这种 信号的丢失与电极材料密切相关.如使用塑料,碳,镀银,金 等无磁性金属所制的电极,则对MRI图像的影响就在可接受 范围内,其中以金或碳电极的效果最为理想;EEG产生的电 磁噪声也会对MRI图像产生影响,但使用特别的遮蔽装置, 能解决噪声对信号的干扰;扫描时被检查者的头动伪影,可 使用泡沫垫固定被检查者的头部,检查前和被检查者做好交 流,使其保持平静放松,使用耳塞减少噪声,尽可能缩短检查 时间等都可以减少头动伪影;此外对一些比较细微的头动伪 作者单位:210002江苏南京,南京军区南京总医院医学影像科 影,在图像的后期处理中使用一些图像分析软件也可将其校 正. 1.3EEG信号的质量问题 首先是射频脉冲导致的EEG伪影,但射频脉冲信号与 脑电信号在频率上差别较大,可以很轻易地被滤除;其次是 高场强条件下与心跳相关的及主动脉弓处血流冲击产生的 伪影,即搏动伪影,这种伪影会在EEG上产生高尖的波形, 容易导致混淆,对此可通过门控技术加以控制,另一方面运 用特殊软件后期处理也是减少伪影的重要方法;最后当使用 EPI序列时,高速变换的磁场在EEG信号上产生的相当于头 皮信号成百上千倍的电伏的影像,即梯度伪影,这种伪影可 以完全遮盖EEG信号,因此处理起来要比射频脉冲产生的 伪影困难得多.为了克服这种伪影,有人提出了使用EEG 触发的RI扫描方法,近年来还有人提出了类似去除搏动 伪影的去噪方法. RI与EEG的信号后处理有多种方法,经常使用的有 主成分分析(PCA),独立成分分析(ICA),多种成分部分最小 二乘法(N-PLS)等J.作为20世纪90年代发展起来的一 种信号处理方法,ICA方法基本含义是将观测信号尽可能地 分解成若干个相互独立的成分,将各种噪声当成独立成分来 处理,避免了噪声问题,被认为是处理生理信号的首选方法. 2EEG-i'MRI的方法 EEG-RI联合主要采用两种采集方式:脑电监测RI 和脑电触发RI. 采用脑电监测的RI时,EEG记录和fMRI扫描同时进 行,对于检查时发生的脑电活动都可以记录下来,不会漏检, 同时受脑电活动发生频率的影响也比较小.但EEG和RI 之间又会相互干扰,产生伪影,需要后期的滤波处理. 采用脑电触发的RI,即当EEG记录到异常脑电发放 时才开始激励MR扫描.这种方法减少了对EEG信号的干 扰,不用对EEG信号进行特殊的后期处理.但也有不足之 处]:从观察到EEG波形的改变到开始MR扫描有时间延 迟,在MR扫描时也缺少了电生理记录.同时对被检查者脑 电的发放频率也有比较严格要求,理论上,一次RI信号的 采集对应一次脑电发放. 随着硬件水平的提高及图像后期处理技术的成熟,有些 学者更加倾向使用脑电监测的RI方法. 3EEG-fMRI的应用 EEG.RI联合充分利用各自的时,空优势,从电生理和 临床放射学杂志2008年第27卷第5期 血氧代谢两个角度对颅内的自发脑电活动进行研究,体现出 多模态联合的特点: 3.1癫痫 癫痫灶的定位:临床上,局灶性癫痫患者有着明确的癫 痫病灶(epileptogeniczone),寻找出癫痫灶并通过外科手术 切除就可能达到治愈的效果.实际上EEGRI联合用于癫 痫灶定位的理论基础是将一次棘波的发放当作是一次神经 刺激,因此EEG-fMRI联合最终找出的应该是产生棘波的刺 激灶(irritativezone),而不是完全意义上的癫痫灶.但很多 学者认为两者之间关系密切,特别是在颞叶癫痫,刺激 灶往往位于癫痫灶的边缘或邻近区域,甚至刺激灶就位于癫 痫灶内,因此寻找出刺激灶同样具有临床诊断价值,甚至可 以用刺激灶来替代癫痫灶.Salek-Haddadi等..采用脑电监 测的RI观察1例MR检查阴性的亚I临床癫痫患者,通过 分析发现痫灶位于左侧岛叶;Patel等通过对10例癫痫患 者进行EEG触发RI试验,分析得到的RI数据有9例与 EEG的结果一致;Morocz等对1例音乐诱导的癫痫患者 进行RI试验,以致发音乐和非致发音乐对比,发现痫灶位 于左侧颞叶,且结果与其他方法一致;Lazeyras等通过对 11例局灶性癫痫患者进行EEG触发RI试验,有7例患者 结果与临床诊断一致,其中有6例又进行了硬膜下的EEG检 查,5例得出了一致结论. 棘波发放与血氧水平依赖(bloodoxygenlevel-dependent, BOLD)信号变化之间的关系:EEG.RI联合为研究异常脑 电和血氧代谢之间的相互关系提供了重要工具,在此基础上 人们有望更深入的了解棘波的产生和传播机制.Hamandi 等研究发现棘波发放时丘脑和中央前回处的BOLD信号 明显增高,处于激活状态,并且其反应的峰值在棘波发放后5 s;Aghakhani和Lanfs等发现伴随丘脑BOLD信号增高的 同时还伴有大脑皮层信号的降低.Gotman等的研究也得 到类似结果,并认为丘脑在棘波的产生和传导起着某些作 用,同时Gotman等刮还发现棘波发放时后扣带回处BOLD 信号的下降,处于负激活状态,并且这种反应的峰值出现在 棘波发放后9S,针对这一现象Gotman做出解释,认为后扣 带回BOLD信号的下降与大脑缺省状态(defaultmode1)的挂 起有关;Hamandi等通过对原发性和继发性癫痫患者进行 分类研究,得出的结果肯定了Gotman的观点.Archer等? 等认为在棘波发放时丘脑激活反应变化比较大,后扣带回负 激活更加具有说服力.他们认为后扣带回负激活可能与棘 波的发放存在因果关系,或者是因为棘波发放时导致意识中 ,而后扣带回与大脑意识维持关系紧密,从而表现为 断,丧失 后扣带回的信号降低.总之关于癫痫患者棘波发放和脑内 BOLD信号变化之间关系还缺乏统一的观点,还需要进一步 研究. 血流动力学响应函数(hemodynamicresponsefunction, HRF):HRF反映了棘波发放时对应的BOLD信号的变化形 式.Bener等n通过得到的EEG.RI数据,制定出较为规 范的间期发放BOLD的HRF,并且认为HRF的波形和波幅 - 699? 有着个体差异,这种差异性和EEG所记录到的癫痫波的波 形的变化并不存在直接的联系,造成这种差异性的原因是由 于每例癫痫患者发放的棘波的病理机制不完全相同并与每 次癫痫波发放时激活的神经元的数量密切相关.因此HRF 不但存在个体差异,即使对同一个被检查者,不同的检查状 态,HRF也不相同.甚至同一次检查,不同的激活点之间的 HRF也会不同.充分考虑HRF的差异性一方面会提高 EEG一RI联合检查的敏感性和准确性,另一方面对于进一 步研究癫痫的不同病理分类将会有很大帮助. 3.2在研究睡眠方面 人类的睡眠分不同的时相,单纯依靠行为学改变来区别 不同的睡眠时相是十分困难的.不同的睡眠时相,脑电表现 不尽相同.因此可以通过EEG-RI来研究不同睡眠时相的 神经活动.Lovblad等从事了这方面研究,并且通过比较 发现,快波睡眠期时额叶皮层的BOLD信号增高处于激活状 态,而枕叶是负激活的.EEG-RI联合为研究人类睡眠提 供了一个重要工具,将在研究失眠等领域发挥重要作用. 3.3对脑电表现的研究 对仅波的研究:在清醒,放松的状态下仅波很容易探测 到,是EEG的主要波形.人类对0【波的研究可以追溯到 1929年,由于条件限制,对其缺乏深入了解.Goldman等 使用EEG-RI联合对0【波研究,观察0【波增强时BOLD信 号的变化,发现在枕叶,颞上回,额下回和扣带回负激活,而 丘脑和脑岛是激活的.对此认为:枕叶皮层是脑节律产生的 部位;丘脑与节律的传播相关,但可能不是节律产生的部位; 其他脑区也许仅和清醒状态的改变有关. 行为和认知领域:Doppelmayr等提出大脑内0【波的 相位变化与认知任务的难易程度密切相关;Gross等认为 B波的出现和视觉注意成分的增加相伴随;Klimesh等提 出8波在记忆新的信息时起关键作用.Sokolov等提出在 枕叶和右侧颞叶皮层出现的波与视觉和听觉注意力的增 加有关. 4总结和展望 EEG和RI是两种不同的检查方法,生理基础不同,在 时间和空间上有不同的侧重点,所以两者的信号会出现不一 致的情况. fMRI信号改变明显却缺乏EEG变化:这可能与放电神 经元的位置,形状有关,或者受头皮电极和颅内电势之间的 角度的影响. EEG信号改变明显却缺乏RI变化:少部分神经元在 特定的频率段上同步放电就可产生明显的EEG信号,但由 于激活的神经元少,没有明显的血流动力学改变,从而产生 不了RI信号;一些持续而快速的神经刺激,往往造成不了 明显的血流动力学改变,也产生不了显着的RI信号变化. 相互矛盾的EEG和RI信号:很多神经元同步激活就 可以产生明显的BOLD信号,然而激活的神经元放电的方向 不可能完全一致,最终导致神经元产生的电流矢量和很小, ? 700? 可能是产生这一矛盾的原因. 另外,由于EEG和蹦RI设备之间的相互干扰,被检查 者的头动,心跳伪影等都能造成信号的改变,导致检查的敏 感性,特异性变化. EEG一蹦RI联合研究颅内电生理,血氧代谢和功能活动 之间的相互关系,并已将这一技术应用于神经科学的多个领 域.作为一项新技术EEG—fMRI联合尚存不足亟需解决.相 信随着硬件水平的提高以及后期处理技术的成熟,这一新技 术将得到更加广泛的应用. 参考文献 lSternM.Stimultaneouselectraencephalograandfunctionalmagnetic resonanceim8gingappliedtoepilepsy.Epilepsy&Behavior,2006, 683 2LemieuxL,AllenPJ,FranconiF,eta1.RecordingofEEGduringFm— riexperiments;patientsafety.MagnResonMed,1997,389:43 3RitterP,VillringerA.SimultaneousEEG-fMRI.Neuroscienceand BiobehavioralReviews,200I6,30:823 4Salek—HaddadiA,FristonKJ,LemieuxL,eta1.Studyingspontaneous EEGactivityywithfMRI.BrainResearchReviews,2003,43:l1O 5WoermannKK,SymmsFG,AllenMR,eta1.EEG—triggeredfunction- alMRIofinterictalepileptiformactivityinpatientswithpartialsei— zures.Brain,1999,122:1679 6Lemieux,SH.AfraimJosephsO,eta1.Event—RelatedfMR1withSti— multaneeusandContinupusEEG:DescriptionoftheMethodandIni— tialCaseReport.Neuroimage,2001,14,780 7LudersHO,EngerJJr,eta1.SurgicalTreatmentoftheEpilepsy,Ra- yenPress,NEWYork,1993,137 8RosenowF,LudersH.Presurgicalevaluatuionofepilepsy.Brain, 2001,124:1683 9BlumWT,Borghesi儿,LemieumxJF.Interictalindicesoftemporal seizureorigin,Ann.Neurol,1993,4:703 lOSalek—HaddadiA,LemieuxL,FishDR,eta1.SimultaneousEEG— correlatedictalfMRI,Neuroimaging,2002,16:32 l1PatelMR,BlumA,eta1.Echo—planarfMRIimagingofepilepsywith concurrentEEGmonitoringAmJNeuroradio,1999,20:1916 临床放射学杂志2008年第27卷第5期 12MoreczIA,KamiA,eta1.Fmrioftriggerableauraeinmusicogenic epilepsy,Neurology,2003,60:705 13LazeyzasF,BlankeO,PerrigS,eta1.EEG-triggeredfMRIinpatients withpharmacoresistantepilepsy.JMagnResonImaging,2o0O,12: 177 14HamandiK,Salek?HaddadiA,LanfsH,eta1.EEG-fMRIofidiopath- icandsecondarilygeneralizedepilepsies.Neumimage,2o06.31: l7o0 l5IJaufsH,HoltJL,ElfontR,eta1.Neumimage,2006,31:1408 16GermanJ,GmvaC,BagshawA,eta1.Generalizedepilepticdischar- gesshowthalamocorticalactivationandsuspensionofthedefault state.PNAS2o05.42:15235 17ArcherJS,AbbottDF,WaitesAB,eta1.fMRI''deactiveation''ofthe posteriorcingulatedduringgeneralizedspikeandwave.Neumimage, 20o6,20:1915 18BenerCG,GmvaC,KobayashiE,eta1.EEG-fMRIofepilepsy spikes:ConcordangcewithEEGsoul'celocalizationandintracranial EEG.Neuraimage,200I6,30:l161 19LovbladKO,ThomasR,JakobPM,eta1.Functionalmagneticreso- nanceimagingdemonstratesfocalactivationinrapideyemovement sleep.Neurology,1999,53:2193 20GoldmanRI,SternJM,EngelJJ,eta1.SimultaneousEEGandfMRI ofthealpharhythm.Neumrepert,2002,13:2487 21DoppelmayrM,KlimesehW,SausengP,eta1.Intelligencerelated differencesinEEG—bandpewer.NeumseienceLetters2005,381:309 22GrossJ,SchmimF,SchnitzlerI,eta1.Modulationoflong—rangeneural synchronyreflectstemporallimitationsofvisualattentioninhumans. ProceedingsoftheNationalAcademyofSciencesUSA2004,101: l3O5O 23KlimesehW,DoppelmayrM,SchwaigerJ,eta1.Paradoxicalalpha synchronizationinamemorytask.CognitiveBrainResearch,1999,7: 493 24SokolovA,PavlovaM,LutzenbergerW,eta1.Reciprocalmodulation ofneummagneticinducedgammaactivitybyattentioninthehuman visualandauditorycodex.Neumimage,2004,22:521 (收稿:2007—05—21修回:2007—09—09) 消息 讯 由陈棣华主编的《消化道肿瘤影像诊断与病理对照》(书号:ISBN7—117—07378一O/R?7379)一书已于2006年4月由 人民卫生出版社出版.该书以病理组织解剖为依据,比较对照了钡剂造影,CT,MRI等各种影像手段在胃肠疾病诊断中的作 用,反映了胃肠造影的传统方法与新技术结合的趋势.该书还提供了较多的胃肠肿瘤TNM分期资料,可供l临床放射科医师及 ,32万字,铜版纸彩图相关专业临床医师,研究生,进修生参考.该书为l6开本,共6章 印刷,定价75元.各地新华书店有售. (黄波静)