脑磁场及其检测技术——脑磁图简介.pdf

2 0 o o 1 1 9 查塑4 o a m a l 些 9 No 4 临 库 脑 电 学 杂 志 年 月 第 卷 第 期 J m I L n(c嘧 )。日 20。vd，舫蕊固 脑磁场及其检测技术一脑磁图简介 王 玉 平 研究 太脑 机能 的手段 应该是 无创 而 又灵敏 的。脑 磁 图 r M a e p I 1 a l o p I】，ME c)作 为一种新 的无创脑机 能检测 方法在先进国家受到了越 来越多 的重视，并 且已经被 应用 于 临床：在此简单地介绍 脑磁 图的 基本原 理及 其在神 经科 的 应用】生物磁场及其检测技术发展的历史 磁 场可 以被分为 由磁性 物 质产生 的磁场 及 由电流 产生 的磁 场两种。生 物体 内产生 的磁 场也 可 以分为两种 一种是 由蓄积在人体 内的磁性物质 产生的，如 由肺、胃、肠和肝 脏等 产生 的磁 场，另一种是 由体 内的生 物电流产生 的，如神经、心 脏和脑等器官 内生物电流产生的磁场。人体 内有多种 生物 电流 如 心脏 电流、神 经 电流等。这 些生物 电在流动时必然会在电流周 围产 生相应 的磁 场，然 而 其强度是非常弱的，远远低 于地磁场 的强 度，将它们 记录 下 来决非易事 1 9 6 3年美 国的学者最 韧尝 试 了对生物磁 的测 量，他们 用 了 两百 万匝的一组线圈放 在胸部记 录到 了心脏的 磁场，1 9 6 7 年美 国的 C o h e n在磁屏 蔽 室 内利用 电子放 大 装置 记 录到 r 心脏和脑 的磁场 活动，不过 当时 的记 录远 未能 达到应用 的 程 度。真正记 录生 物磁 场的 工作是 在开 发 出了高度 灵敏的 超导量 子干涉 仪(S u p e r c o n d u c ti n g q u a n l u m i n t e rf e r e n c e d e,d e e s o 咖D)生物磁检测系统之后。多年来 S O lD的性能不断提 高，而且实现了多导同步记录。2 脑磁场的发生机制 人 的大脑 内产生 的磁场包括两部 分 一部 分是 由脑 内的 磁性物质 产生 的恒定磁场，另一部分是 由活动的神经 电流产 生的交变磁 场 两种磁场的测量方法不 同：脑磁 图通 常指的 是从 头表面记 录到的交变磁 场。太咕内有众多的神经细胞，其中最多的一种神经细胞是 锥体细胞。锥体细胞分布在大脑皮层，它们排列规则，胞体 位于皮层底面 从胞体伸 出的树状 突起伸 向皮层 表面。由丘 脑等部位投射到皮层的神经纤维与锥体细胞的树状突起发 嫠 萼 呈 翟 蛊 首 都 医 科 大 学 宣 武 医 院 神 经 科 2 4 5 讲 座 突触联系，其 中部分投射到皮层 的浅表 部分(I层)形成 洼层投射，而另 一部分别投射到皮质 的深 层(n l V层)形成 深层投射(图 1 A)假定投射 到浅表皮 层 的神经 纤维兴 奋后 引起锥体 细 胞 出现 兴 奋 性 突 触后 电位(E P S P)(如 图 l B所 示)F J：N P首先 引起树 突 尖端 的除极 化 而此 时神 经细 胞 的 其它部 分依 然处于静息状态。除极 化后 树 突尖端 细胞 内的 电压升高 这样就会在细胞内形成由细胞尖端向底部传导的 细胞内电流。这种细 胞 内电流会 在树 突 的底部 或细 胞体 部 位流向细 胞外，进 而在 细胞外 回流 到树 突的尖端 如此形 成 一个 电流环路 一 +B 围 1 A：大脑皮 层锥体 细胞与浅 层丘脑 皮层投 射及深层丘脑 皮层投 射。B：锥体 细胞 树突 尖蜡产 生兴奋性突艘后 电位(E P S P)时 形成 由树突顶 向 细胞体方 向流动 的细胞 内电流 l i 与此 同时在 细胞 外 形成 由细胞 体 向树突 顶流 动的 细胞 外窖 积传 导 电流 l o。由于锥体细胞的树突排列方向非常规则一致 在很局限 的皮层区域内聚集着多数的锥体细胞，如果它们同步兴奋形 厂、良 每 暑 嚣 每 维普资讯 http:/ 2 46 9卷弟 4 成 E P S P，就会形成一个 比较明显 的可 以检测到 的电 流活 动 细胞内电流被称为一次电流，它们会形成一个偶极子(图 2)在细胞外匿形成的归还电流，卫被称为容积传导电流。形成 瞄磁 场的电流 主要是 细胞内电流，细胞外 电流可 在细胞外较 宽广 的区域 内流动 与细胞 内电流 相 比，其 电流密度很低，形 成 的磁场会很微 弱，所 以脑磁 图检测到 的主要是 细胞 内电流 产生的磁场，细胞外 电流产生 的磁场基本 上不影 响瞄磁图 的 结果一 图 2 细胞 内电流形成的偶 极子及 其产生 的相 应 的磁场和细胞外窖积传导 电流。3 脑磁场检测装置 图 3 所表示 的是 单 导超 导量 子 干涉仪 的示 意 图=超 导 体的一个特性是超导体内的电阻为零，给一个闭台的超导体 环施 一定的磁场作用，就会在超导体内 产生一个超 导电流 I s。超导电流会将外加磁场抵销掉，使之不能通过超导体。而且由于超导体没有任何的阻抗作用，所以超导体内也不会 产生任何电压降。然而当环状超导体的某个部位被制作得 非常细的时候(图 4)超导状态就会消失，在环路内流动的超 导 电流 l s 在流经此部位时 就会 产生一定的电压降。当 由外 部向超导环路施加一个非常弱的磁场 也就会在超导环路变 细的部位产生相应大小的电压，利用 电子设备将这 个电压引 导出来经放大后就 可以 测量 出该 微弱 的磁 场。然而 把超 导 环路结合部产生的电压引导出来并不是一项简单的技术，要 采用高达数十兆赫的高频磁场对超导环进行激励作用，才能 将所测得的磁 场引导 记 录出来。此 种工 作原理 的 s Q u m 称 为高频 a-s Q u m。而 另一 种类 型的超 导环可以被 制作出两个 完全相同变细的部位，当接近临界电流程度的直流偏向(b i a s)电流通过时，仅仅 很微弱的外 加磁场就可 以在这个变细的 部位产生电压，利用几百千赫相对频率较低的激励磁场就可 以把这种 电压引导 出来加 以放大，此种类型 的 S Q U I O教称 为,k S,Q L m：C h i n a1 r V o t 控钮 仪 h。L 藤 _-_ q、检 l删线 圈 图 3 超导量子干涉仪构造 示意图。-,1 1-夫超导部位 图 4 超导体环。s Q L _1 n所用的线圈是由超导材料制作的，一匝超导线圈 的性能可以 和常 导线 圈 的数 千 匝相 当。S Q U I D的线 圈 电有 几种类型，如图 5 所示，普 通线圈 的抗干 扰性能较 差，H能在 性能 良好 的磁屏 蔽室 内使用。另一类 梯度 线 圈由两部 分相 互反方向转动的线圈组成，由地磁等远隔部位产生的磁场通 过两个线圈的磁力线相等 会产生两个方向相反的电流，它 们互相抵销，最终的输出为零。由于磁场强度随距离的增太 而减 小 所以接近线 圈部位 发生 的所要 检测 的磁 场，穿 过 两 个线圈的磁力线不等，穿过上面线圈的磁力线较少 穿过下 面离头皮较 近的线圈的磁力线会相对较多，在两 个线 圈检 测 到的磁场强度相差可高达三个数量级 结果两 个线圈检测 的 磁场强度差可 以被 明确 地记录 出来。脑 磁图 正是 利用 了这 样的超导线圈与上 面介绍 的超导 环失超 导原 理组 成 的超 导 量子于涉仪，从 而把微弱 的脑 磁场记录下来 维普资讯 http:/ 临床脑电学杂志2 0 0 O年 l l 爿第 9 卷第 4朝 普通线圈 梯度线圈 J o t c】i mc a l E l 图 5 脑磁图机使 用的检测线 圈。4 脑磁 图与脑电图的比较 上面所提到的细胞外电流在传导介质阻抗的作用下 在 容积导体的不同部位会出现电位差。假定浅层丘脑皮层授 射引起 E P S P活动，这 样在皮 层 的饯 表部 位形成 负性 的场 电 位，睬部 形成 正性 的场 电位 从头 皮记 录到的 由场 电位 产 生 的容积传导电流就是我们所用的脑电图。脑电图记录到的 主要是锥体细胞 的突触 后 电位，特 别是 兴奋性突 触后 电位。与脑 电图不同，脑磁图记录到的是由神经细 胞 内电流产生 的 磁场，所 脑磁图与脑 电图具有一种表 里关系：虽然两者 的 成因是 相同的，但它们仍有许多各 自的特点 大脑 的外 面 充满 着脑脊 液 其 导 电性 能远 远 高 于脑 实 质，在它们 的外面是 导 电率 很低 的颅骨 和头 皮，不 同组织 的 不同导电率会使得脑局部产生的电活动在扩布传导的过程 中受到明显的影 响，因此 利用脑 电信 号进行 信号源 的定位，其准确性会受 到影 响。磁 场在脑、脑脊 液、颅骨及 皮肤 等介 质中的穿透率几乎不受影响，所 利用脑磁图记录到的信号 进行信号源 的定位就相对准确得多，其精度误差 可以小至几 个毫 米的范 围，而略 电的精 度范围则要 厘 米计算。脑 电的记 录一定要用参考 电极 所 以脑 电信号实际上 反 映的是两个电极之间的电位差。脑磁图记录到的磁场强度 是该检测点的绝对信号强度，不受参考点的影响 建一点也 十分有利于提高定位的精确 性。由于检测线圈的方 向性，只能检测到 与线圈相互垂 直的 磁力线 而与其平 行的磁 力线则 无法检 测，因此脑磁 图记 录 到的是大脑皮层脑沟内锥体细胞的细胞内电流产生的磁场，反映 了皮层切线方 向排列的锥体细胞 的活 动情 况，而脑 电 图 的电极对于垂直方面的电流更为灵敏，所以 主要反映的是脑 回内垂直排列 的锥体 细胞产生 的细胞外 电流。由：f 磁场强 度随着 检测线 圈与信号 发生源 之间距 离 的 增 大而迅速减 小，所 以脑磁 图很难检测到大 略探部 的神经 活 动情况。而略电图的方法则由于人身体介质传导情况的变 化，有时能够记录到深部容积传导来的电流活动，也就是所 谓的远场 电位。除了上述的区别之外，脑 电图设备相对简单，对记 录环 境的要求不十分 严格，成本 较低。脑磁 图设 备复 杂，价格 昂 贵，对记 录环境 的要 求则 十分苛 刻。C h m)N e T丁 止 2 X 10 V o 9 N 0 4 2 47 由此可见脑电图和脑磁图各有 自身的优点 它们从两个 方向反映丁神经 细胞 电流 的活 动情 况 有 相互补 充 的作 用，I Ii 不能相互替代。5 脑磁 图信号的分析 记录到的原始脑磁图需要经过 系列的处理，才能 利用 脑磁图的信号推断信 号源的位 置。对于 所观察 的 主反应 要 对其进行特定的滤波处理 此步 骤与诱发 电位 的处理 方法 基 奉相 同。因采用不同 的滤波频段可 使渡形发生改 变，结 果 很容易 因此而影响，所以应 特别 注意不要过分 地缩窄 滤波频 带。对于 自发反应的脑磁场，其 基线的设定可 利用 整个记 录区间的平均值作 为基线 而 对诱 发脑磁 场，通常 采用 刺激 前 一段时 间的无反应 区间的平均值作 为基线。利用脑磁 图推 算 电流源 局部发 生部位的 疗法一 般有两 种。其中一种方法 是把 得到 的脑磁场 通过 内插 汁算 制作成 等磁场 图 确定等磁场 图 中两 个磁场 最强 点(磁场 喷 出和吸 人)的位置，连接 两个 点 两点连线 中点 的下方是 电流源 的所 在部位。其探度取决于两个磁场最强点之间的距离，距离越 远，电流源 的位置就越探(图 6)：此方 法相 对较容 易 脑磁 图 通道数较少 的情 况 可 以利用此 方法。另 一种 方法是 利用 记 录到的脑磁场通过计算机的理论模型 再现 出等 价偶扳 子在 头 内的位置 和方 向。为 了说明计 算 的等 价偶 扳子 所能 产生 的脑磁场之分布与实测 的脑磁场分布之 间 的一致 性，可 计 算两者之间的相关 系数，而且，也可 以假 定有 两个 以上 的等 价偶极子同时存在，两个以上偶极子信号源的计算，其数据 量相 当大 所以都 只能由高性能的计算机 经过大量 的运 算来 确定：0 图 6 根据 磁场 进行 信 号源 定位 的示 意 图。实 线代 表脑 磁场是 由纸面 向上 喷 出，虚 线代 表是吸进 纸面，箭头代表电流源的位置和方向，其深度取决 于两 个磁 场最强点 c 喷 出点 和吸点)之间的距离。脑磁图电流源 的定 位；首先 描记 下受试 者 的实 际 头形 确定头颅坐标。根据 数学模 型利 用计算 机计 算 出等 价偶极 子的位置 大小及其方向，将偶极 子的位置合成在头颅 Mi l l 坐标上 可以判断偶极 子在脑 内的位置 通过影像结 合技 术，可 把 电 流源 的部 位 与 C T及 N R I 维普资讯 http:/ 2 4 8 蝗压 史掌建羞2 o 0 o 【l 筻!鲞第 4 期,I o t tr n a l C l in L c a l 口 e c n c 印 Ia I 0 盯(c n a)，肌 2 0 O 0，9，4 等方法取得的头颅影像结合起来，根据头颅的坐标把电流源 的部位 明确地标示在 大脑的某一脑沟 或脑 回的皮层 上，使机 能学检查结果与构造学的结果结合起来。6 脑磁图临床应用探讨 6 1 突发性异常波 的检测 象脑电图一样 脑磁图的临床应用也可以用来检测癫痴 等病理状 态下神 经细 胞群 的异常 发放情况 对异常发 放的脑 内发 生源进行定 位，多导脑磁图测量装 置非常适 合于此种工 作。n 把每次 的棘渡 发放 的电 流源在脑 内 的位 置投 射到 头 M R I 影像 上进行 精确定位 一 般来讲，棘渡发放持 续时间 短，磁场强度较高，所 以它们 的电 流源绝大 多数都 恰好 位于 太脑 浅表部的皮层 一些结 果表明，脑 碰图对癫痴放 电电流 源的定位是相当精确的，该项检查有助 于对需接受手 术治疗 的难 治性癫痫患 者进行手术方案的制定 6 2 诱发磁 场 在记录诱 发脑磁场 的过程 中 应 特别注意消 除由刺激装 置所产生的磁噪声：此外与诱发电位的检查无明显的区别。6 2 l 体感诱发磁场 c s I I e v o k e d fi e l d s S E E)根据 M E G的特 性，可 以将 体感 诱发 脑磁 场进 行信 号源 定位，把中抠体感区在三维的醯共振图象上表示出来。作为体感刺激 一般 采用 的刺激 强度为 1 0 m A左 右、如 此 强度的电流产生的噪声碰场远远大 干生物脑磁场 会严重 地干扰脑碰 图信号 的记 录。通常 可 以将 刺激装 置安 放在磁 屏蔽室 的外 面 通 过屏 蔽导线将刺 激电流 由刺激 发生装置 引 导至刺激电极，这样可 以在很 大程度上减 少干扰 的产生。一 般记录的体感诱发脑磁场是对正中神经施以刺激，可以记录 到相当于体感诱发电位 N 的脑碰成分 N 巾，该成分的发生 源位于 中央 淘皮层手 的感 觉区 c 3 b)。在该 成 分出现 之后 的 r n 也是一个较为明 确的成 分，其发 生源 的位 置与 N m基 本帽 同，其方向均为头皮切线。偶 尔也可 以记 录到 以垂 直方 向为 主的成分 m 之 前 的远场 电位 的相应 磁场 成分 在 M E G则很 难 记 录 到 如 果 将诱 发 脑磁 场 电流 源 的定 位 与 M R I 的影像结合起来可以作为脑疾病患者术前皮层机能定 位的一 个手段。6 2 2 听觉诱发脑磁场(A u d i t o r,e v o k o l t i e l d，A E F)无论是刺激左耳还是右耳 听觉皮层诱发电位都是以中 线部位 的 区波幅为最大。然而 由于脑磁 图可 以选择 性地 捕捉一侧太脑半球的活动 所以显示出了其在听觉皮层机能 定位研究 中的优越 性 用于诱发听觉磁场的刺激与诱发电位的诱发方法相同。可以利用塑料管把声音刺激引导给受试者，而把刺 激装置安 放在碰屏蔽室之外。用持续数百毫秒 的纯 音刺激诱发，可 以 从颓叶记录到长潜伏期的磁场成分，如 m N-m、P n l 等 N tc tj m在刺激 的对侧较刺 激 的同侧为著 推测 其发生 源位 于 颞平面附近 另一 个成分 m位于 N 瑚m发 生源的前方 1 5 厘米之处 推测前者位 于第 一听觉 感觉 医 后者位 于听觉 联 合区 6 2 3 视觉诱发磁场(8 u a l e v o k e d 6 e l d V E F)视觉刺激装 置的安放 不当很 容易弓 f 起磁性 噪声干扰 影 响呐碰场 的记 录 一-gt 可将刺 激装 置安 放在 磁屏蔽室 之 外 利用透镜，反光镜，光导纤维等把视觉刺激信号引导结受试 者，通过上述措施一般 可以记录到图案变换(模式转换)引起 的视觉诱发碰场。6 2 4 事件相关磁 场(E v e n t r e,a t e d fi e l d E R F】目前对事件 相关 电位 当 中 相对 应 的脑磁 场 研究 最 多，有些学者曾利 用 E R F研究 P 的神经 发生 源，最 初有 人 认 为 I 可能起 源于海马或 扁桃体：由于 是反应大 脑高 级精神机能的一个成分 所以不太 可能 用一个等价偶极 子模 型来代表其发生源的部 位，应该认 为它是 由多个发 生源 共同 作用而产生的。笔 者曾利用脑磁 图对 图形与文字 的工作 记忆过程 的神 经机制进行过一些 初步 的研 究。工 作记忆 是指 一个脑 工作 系统为 完成复杂的认知工作例如语言理解 学 习和推理等 而临时储存和处理信息的过程 脑机能成象研究表明大脑 的许多 区域都参与 丁文字和图形的工作记 忆过程 然而这些 区域在参 与工作记 忆时 活动 的时间顺 序 不明。脑磁 图具有 毫秒级的时间分辨率，把脑磁图和碰共振影像结合起来同时 又具有很精确 的空 间定位 能 力。在 显示 器上 先后呈现 一对 刺激 要求受试者 记住第一 个刺 激的 大小或 内容(录入)，并 与 6 0 0 m s 后 出现的第二个 刺激进行 比较。刺 激分别 为 一 些 熟悉的动物的线条画及其相应的汉字。图形和文字出现在 不同的刺激序列中。利用 7 2 导 量子干涉仪 的脑磁 图对双侧 大脑半球 的神经活动进行记录。脑磁 图显示+无 论是 图形 刺 激 还是文字刺激，在第一 个刺 激之后 左右半球均可 记录到 3 个碰反 应成分，被分别命 名为 MI，和。随后计 算出 每 个成分的电流源偶极子的位置及强度并与磁共振影像结合，结果表明文字刺激所诱发的左右两侧的 M I 成分偶极子的位 置与图形刺激所诱发的 偶极子位置明显不同 而文字和 图形所诱发的左右两侧 偶极子位置则无明显 区别。表 明 在录入的早期 阶段，文字 和图形是 经 由不 同的系 统处理 的，而在信息处理 的晚期 阶段 文字 和 图形 是 由 一个 共同 的系统 处理的。总之 脑磁图是一种无剖灵敏的脑机能检测手段 电与 磁是一时孪 生兄弟，没有 主从 的关系，但 由于技 术 的原因使 得脑磁图的发 展较脑 电图的发 展相 对晚 丁约 5 o年 的时间 目前 尚无统一的脑磁图技术标准 但 目前的趋势是 发展多导 的脑磁 图记录 系统。随着技 术 的不断改 进及 高温超 导材料 的发展，将来脑磁 图的 价格也 会不 断地降 低 这些都 将有 利 于脑磁 图的普及。脑磁 图与脑 电图的相互(下转 2 5 0页)维普资讯 http:/