腦磁圖(Magnetoencephalography),或簡稱MEG，是集低溫超導、 生物工程、電子工程、醫學工程等二十一世紀尖端科學技術於一體，是無創傷性地探測大腦電磁生理信號的一種腦功能檢測技術。
基本介紹
- 中文名：腦磁圖
- 外文名：MEG Magnetoencephalography
概述
腦磁圖(Magnetoencephalography),或簡稱MEG，是集低溫超導、 生物工程、電子工程、醫學工程等二十一世紀尖端科學技術於一體，是無創傷性地探測大腦電磁生理信號的一種腦功能檢測技術。腦磁圖技術使人類研究大腦的複雜功能、治療腦部疾病的能力達到了前所未有的境界。這一前沿科學互相滲透的結晶代表了目前醫學儀器發展的最高水準和新的方向。MEG是一種完全無侵襲，無損傷的腦功能檢測技術，可廣泛地用於大腦功能的開發研究和臨床腦疾病診斷。MEG的檢測過程，是對腦內神經電流發出的極其微弱的生物磁場信號的直接測量，同時，測量系統本身不會釋放任何對人體有害的射線、能量或機器噪聲。在檢測過程中，MEG探測儀不需要固定在患者頭部，測量前對患者無須作特殊準備，所以準備時間短，檢測過程安全、簡便，對人體無任何 副作用。目前MEG檢測過程只需要經過一次測量就可採集到全頭的腦磁場信號，且具備抗外磁場干擾系統，可同時高速採集整個大腦的瞬態數據。通過計算機綜合影象信息處理，將獲得的信號轉換成腦磁曲線圖，等磁線圖，並通過相應數學模型的擬合得到信號源定位。進一步，MEG確定的神經信號源可與MRI、CT等解剖影象信息疊加整合，形成腦功能解剖學定位，能準確地反映出腦功能的瞬時變化狀態。目前，MEG已用於如思維、情感等高級腦功能的研究，以及廣泛用於神經外科手術前腦功能定位、癲癇灶手術定位、帕金森病、精神病和戒毒等功能性疾病的外科治療，也在腦血管病以及小兒胎兒神經疾病等臨床科學套用。
在神經外科領域，以最小的損傷得到最佳的治療效果、 並最大限度地保全神經功能的微創手術理念是目前國際和國內神經外科臨床研究和實踐的熱點，也是21世紀神經外科的發展方向。MEG能夠確定身體各個部位的體感中樞的地形圖，精確地辨別體感反應的前、後中央成分的位置；還可以對大腦皮質中和感覺信息處理相關的數個區域的定位；能夠用於辨別大腦皮質中進行語言處理的區域，從而在手術前即可達到的腦功能解剖精確定位，對於提高微創神經外科的水平具有重要價值。
臨床醫學以外，MEG還廣泛用於腦神經科學、精神醫學和心理學等各個領域的基礎研究，如皮質下神經元活動、同步神經元分析、語言學習研究、學習記憶研究以及傳統醫學的研究等，目前也有用之於特殊人群（如太空人、飛行員等）的體檢。
檢測設備及原理
腦磁圖是現代生物工程的超導技術、影像融合技術和計算機技術相結合的產物。其核心硬體包括磁禁止室、探頭部分(內有探測元件2SQUID) 、採集和處理工作站、1.5 TMRI 和專用刺激系統。
磁禁止室
腦磁圖(Magnetoencephalography),或簡稱MEG，是集低溫超導、 生物工程、電子工程、醫學工程等二十一世紀尖端科學技術於一體，是無創傷性地探測大腦電磁生理信號的一種腦功能檢測技術。腦磁圖技術使人類研究大腦的複雜功能、治療腦部疾病的能力達到了前所未有的境界。這一前沿科學互相滲透的結晶代表了目前醫學儀器發展的最高水準和新的方向。MEG是一種完全無侵襲，無損傷的腦功能檢測技術，可廣泛地用於大腦功能的開發研究和臨床腦疾病診斷。MEG的檢測過程，是對腦內神經電流發出的極其微弱的生物磁場信號的直接測量，同時，測量系統本身不會釋放任何對人體有害的射線、能量或機器噪聲。在檢測過程中，MEG探測儀不需要固定在患者頭部，測量前對患者無須作特殊準備，所以準備時間短，檢測過程安全、簡便，對人體無任何 副作用。目前MEG檢測過程只需要經過一次測量就可採集到全頭的腦磁場信號，且具備抗外磁場干擾系統，可同時高速採集整個大腦的瞬態數據。通過計算機綜合影象信息處理，將獲得的信號轉換成腦磁曲線圖，等磁線圖，並通過相應數學模型的擬合得到信號源定位。進一步，MEG確定的神經信號源可與MRI、CT等解剖影象信息疊加整合，形成腦功能解剖學定位，能準確地反映出腦功能的瞬時變化狀態。目前，MEG已用於如思維、情感等高級腦功能的研究，以及廣泛用於神經外科手術前腦功能定位、癲癇灶手術定位、帕金森病、精神病和戒毒等功能性疾病的外科治療，也在腦血管病以及小兒胎兒神經疾病等臨床科學套用。
在神經外科領域，以最小的損傷得到最佳的治療效果、 並最大限度地保全神經功能的微創手術理念是目前國際和國內神經外科臨床研究和實踐的熱點，也是21世紀神經外科的發展方向。MEG能夠確定身體各個部位的體感中樞的地形圖，精確地辨別體感反應的前、後中央成分的位置；還可以對大腦皮質中和感覺信息處理相關的數個區域的定位；能夠用於辨別大腦皮質中進行語言處理的區域，從而在手術前即可達到的腦功能解剖精確定位，對於提高微創神經外科的水平具有重要價值。
臨床醫學以外，MEG還廣泛用於腦神經科學、精神醫學和心理學等各個領域的基礎研究，如皮質下神經元活動、同步神經元分析、語言學習研究、學習記憶研究以及傳統醫學的研究等，目前也有用之於特殊人群（如太空人、飛行員等）的體檢。
檢測設備及原理
腦磁圖是現代生物工程的超導技術、影像融合技術和計算機技術相結合的產物。其核心硬體包括磁禁止室、探頭部分(內有探測元件2SQUID) 、採集和處理工作站、1.5 TMRI 和專用刺激系統。
磁禁止室
腦磁場僅有幾百fT(10 -15 T) ,極其微弱,必須要有優良的磁禁止室(magnetically shielded room ,MSR) 。室壁由鏌或鈹鏌合金做為高導磁禁止材料,外包8 mm 厚純鋁作為渦流禁止層,純鋁皮外用15 cm 鋁條加固,純鋁條外再覆蓋第二層鏌或鈹鏌合金禁止層。與電禁止不同,磁禁止不需接地。檢查時禁止室完全封閉,聲、光、電等刺激均由刺激器在室外產生後,由室壁上的小孔送入禁止室內。為監測患者,室內裝有經過特殊消磁處理的照明和攝像設備。 探頭部分 探頭部分位於磁禁止室內,巨大的探頭底部有一頭形凹陷,檢測時患者頭部位於此處。探頭可繞橫軸進行90 度旋轉,以適應檢測坐位和平臥位患者的需要。探頭內部圍繞頭形凹陷周圍分布有大量的SQUID , 是用來探測腦磁信號並轉換為電壓信號的核心裝置, 其基本結構為一根導線做成的兩個大小相等、方向相反的超導線圈。腦磁場隨距離的增加而迅速減弱(與距離的平方成反比),通過遠近兩線圈的磁場強度不同,感應出的電流大小不同,不能完全抵消,在環路內就形成了電流, 而環境磁場卻不能。這樣SQUID 就消除掉了環境磁場的干擾。超導線圈的磁感應能力是普通線圈的數百倍,維持超導所需的低溫由液氦提供。超導線圈的感應電流通過失超導技術轉換成電壓信號。當超導線圈圍成的環路中的某點做的非常細,此點就會失去超導能力,超導電流經過該點就會產生電壓降。用數十兆赫茲的高頻磁場對超導環進行激勵可將此電壓信號取出並加以放大,由此電壓信號可推算出該檢測點磁場強度。
輔助設備
採集工作站通過運行不同的採集程式控制檢測過程並將測量結果儲存。該站主要負責數據的後期處理。MRI 系統用於對患者進行MRI 超薄掃描並將結果傳輸至處理工作站。刺激系統在採集工作站的控制下對患者進行體感、聽覺、視覺、語言等刺激,以適應不同檢測的需要。
採集工作站通過運行不同的採集程式控制檢測過程並將測量結果儲存。該站主要負責數據的後期處理。MRI 系統用於對患者進行MRI 超薄掃描並將結果傳輸至處理工作站。刺激系統在採集工作站的控制下對患者進行體感、聽覺、視覺、語言等刺激,以適應不同檢測的需要。
檢測方法
在實際測量中,檢測前先標記被測者鼻根、 左右耳前點作為參照點建立頭部三維坐標系,然後患者進入磁禁止室內,進行MEG 檢查。腦磁信號採集完成後,再標誌患者鼻根和左右耳前點,作為影像融合的標誌點,然後進行超薄MRI (層厚1.5 mm, 層間距為0) 檢查,全部測量結束後,使用模型法求得信號源在MEG 坐標系中的位置和方向,以標誌點為參照同MRI 圖像進行重合,得到電流偶極子在大腦結構中位置、方向的清晰影像。達到了功能影像與解剖結構影像的完美結合。通過軟體,還可以實現三維顯像,使結果更為直觀。
在實際測量中,檢測前先標記被測者鼻根、 左右耳前點作為參照點建立頭部三維坐標系,然後患者進入磁禁止室內,進行MEG 檢查。腦磁信號採集完成後,再標誌患者鼻根和左右耳前點,作為影像融合的標誌點,然後進行超薄MRI (層厚1.5 mm, 層間距為0) 檢查,全部測量結束後,使用模型法求得信號源在MEG 坐標系中的位置和方向,以標誌點為參照同MRI 圖像進行重合,得到電流偶極子在大腦結構中位置、方向的清晰影像。達到了功能影像與解剖結構影像的完美結合。通過軟體,還可以實現三維顯像,使結果更為直觀。
MEG 在局限性癲癇診斷中的臨床套用
外科治療局限性癲癇近年有增多的趨勢。術前如何確定真正的癲癇起源,如何辨別癲癇激動區、致癇區、致癇灶、發作起始區、發作症狀區、主要功能區,並了解它們的空間結構關係至關重要。在MEG 問世以前,只有EEG 能檢測神經元電活動,EEG 被廣泛套用於癲癇的診斷,發作分類及癇性病灶的定位。但頭皮EEG 的空間解析度低,不能區分真正的致癇灶和鏡灶,定位價值小。硬膜下EEG 和皮質EEG( ECoG) 、深部埋植電極可直接記錄神經元活動,但是存在侵襲性、設備昂貴、監測時間長、併發症多的問題,不適宜作為常規檢查。MEG 的套用克服了這些缺點。MEG 和EEG 相比較,其優勢在於(1) 空間解析度可達1 mm, 是EEG 無法比擬的; (2) MEG 探測的電流源來自細胞內樹突電流,電磁場不受傳導介質的影響; (3) 對電流源的方向、位置、強度可行三維空間定位; (4) 不需參考電極; (5) 可直接進行功能區定位,能準確反映致癇區的位置和範圍; MEG 作為一種非侵襲性的高效檢查技術,有取代侵襲性檢查的趨勢。臨床研究顯示MEG 定位與侵襲性檢查的符合率很高。
外科治療局限性癲癇近年有增多的趨勢。術前如何確定真正的癲癇起源,如何辨別癲癇激動區、致癇區、致癇灶、發作起始區、發作症狀區、主要功能區,並了解它們的空間結構關係至關重要。在MEG 問世以前,只有EEG 能檢測神經元電活動,EEG 被廣泛套用於癲癇的診斷,發作分類及癇性病灶的定位。但頭皮EEG 的空間解析度低,不能區分真正的致癇灶和鏡灶,定位價值小。硬膜下EEG 和皮質EEG( ECoG) 、深部埋植電極可直接記錄神經元活動,但是存在侵襲性、設備昂貴、監測時間長、併發症多的問題,不適宜作為常規檢查。MEG 的套用克服了這些缺點。MEG 和EEG 相比較,其優勢在於(1) 空間解析度可達1 mm, 是EEG 無法比擬的; (2) MEG 探測的電流源來自細胞內樹突電流,電磁場不受傳導介質的影響; (3) 對電流源的方向、位置、強度可行三維空間定位; (4) 不需參考電極; (5) 可直接進行功能區定位,能準確反映致癇區的位置和範圍; MEG 作為一種非侵襲性的高效檢查技術,有取代侵襲性檢查的趨勢。臨床研究顯示MEG 定位與侵襲性檢查的符合率很高。
顳葉以外的癲癇
顳葉外癲癇中,額葉癲癇占大部分, 頂葉及枕葉癲癇極為少見。在額葉癲癇實施外科手術前,了解致癇區與重要功能區如感覺、運動、語言區的相互空間關係尤為重要。額葉癲癇常用定位技術包括:臨床病史、神經心理測定,MRI 、PET 、侵入性EEG 。然而當重要腦區沒有出現功能形態上的改變時,上述技術定位困難。其次,傳到額葉或從額葉傳出的癇性活動會經常干擾病灶定位。即使是MRI 在形態學上發現病灶,也難以以此來確定致癇區的範圍。MEG 和MRI 結合更能了解癇性活動與功能區解剖部位的關係,從而在減少功能損害危險性的情況下切除病灶及致區。對MRI 無異常的病例,MEG 能確定癇性活動的中心,使假定的廣泛致癇區局限。Stefan 等調查了69 例均行MEG 檢查的顳葉外側癲癇,且同步記錄EEG, 認為MEG 與臨床病史及其他診斷技術結合對間性活動的產生和傳播提供了很重要的信息。但在大多數病例,最後仍要ECoG 證實。神經外科醫師可以根據MEG 提供的信息了解病灶、致癇灶、重要功能區的空間關係。Otsubo 等調查12 例灶性顳葉外癲,術前均行MEG 檢查,偶極子定位均被ECoG 所證實。術後11 例1～6 年無發作。從而證實MEG 在顳葉外癲癇中的定位價值。
MEG 皮質功能區測定
癲癇術前應了解致癇灶和重要功能區如語言、 感覺、運動區的空間結構關係以避免手術造成患者永久性的神經功能缺損。以往常需創傷性檢查才能確定皮質功能區,而MEG 能實時追蹤大腦神經元的電活動以確定皮質功能區,且無任何不良反應,有取代侵襲性檢查的趨勢。大腦語言中樞的定側定位,尤其是顳葉語言區域的測定對癲癇術前評估尤為重要。無創性大腦語言中樞定位檢查中,MEG 達毫秒級的時間解析度優於fMRI , 且與有創性檢查吻合率高。有研究顯示,在大腦語言優勢定側和確定感覺性語言功能區時,MEG 與術中皮質電刺激結果很吻合。從而證實MEG 在確定語言優勢側及顳葉語言中樞位置的可信度高。MEG 對感覺功能區的定位效果良好, MEG 也用於另一些重要皮質功能區的定位,病灶鄰近皮質運動區
癲癇術前應了解致癇灶和重要功能區如語言、 感覺、運動區的空間結構關係以避免手術造成患者永久性的神經功能缺損。以往常需創傷性檢查才能確定皮質功能區,而MEG 能實時追蹤大腦神經元的電活動以確定皮質功能區,且無任何不良反應,有取代侵襲性檢查的趨勢。大腦語言中樞的定側定位,尤其是顳葉語言區域的測定對癲癇術前評估尤為重要。無創性大腦語言中樞定位檢查中,MEG 達毫秒級的時間解析度優於fMRI , 且與有創性檢查吻合率高。有研究顯示,在大腦語言優勢定側和確定感覺性語言功能區時,MEG 與術中皮質電刺激結果很吻合。從而證實MEG 在確定語言優勢側及顳葉語言中樞位置的可信度高。MEG 對感覺功能區的定位效果良好, MEG 也用於另一些重要皮質功能區的定位,病灶鄰近皮質運動區
MEG 在癲癇診斷與治療中的套用
臨床上僅有 20% 左右的癲癇可以通過影像學定位致癇灶, 有相當數量的難治性癲癇因無法定位致癇灶而得不到適當的手術治療。MEG 是一種無創的功能成像技術,它將大腦皮層神經元電活動產生的磁信號在顱外採集處理後將磁信號源的空間位置融合對應於MRI 圖像相應的解剖部位,因此可直觀地反映局部神經元的活動情況。腦磁圖可以探測到皮層直徑< 3mm 的癲癇灶活動,分辨時相可達1ms ,是目前最靈敏的無創性癲癇灶定位方法。它能將捕捉到的瞬時磁信號與三維MRI 解剖圖融合,從而精確確定致癇灶的解剖部位,有極高的時間和空間解析度。同時由於磁信號穿過頭皮、顱骨等解剖結構時不會發生畸變,所以MEG 定位較其他功能檢查具有更高的準確性。
臨床上僅有 20% 左右的癲癇可以通過影像學定位致癇灶, 有相當數量的難治性癲癇因無法定位致癇灶而得不到適當的手術治療。MEG 是一種無創的功能成像技術,它將大腦皮層神經元電活動產生的磁信號在顱外採集處理後將磁信號源的空間位置融合對應於MRI 圖像相應的解剖部位,因此可直觀地反映局部神經元的活動情況。腦磁圖可以探測到皮層直徑< 3mm 的癲癇灶活動,分辨時相可達1ms ,是目前最靈敏的無創性癲癇灶定位方法。它能將捕捉到的瞬時磁信號與三維MRI 解剖圖融合,從而精確確定致癇灶的解剖部位,有極高的時間和空間解析度。同時由於磁信號穿過頭皮、顱骨等解剖結構時不會發生畸變,所以MEG 定位較其他功能檢查具有更高的準確性。
MEG 在確定重要功能區定位及功能中的套用
在神經外科手術中,病灶與重要功能區關係密切或侵犯重要功能區時, 常面臨著損傷重要功能區的可能。 檢查誘發電流產生的MEG, 可以得知相應的神經傳導通路有無損害。術前可通過對感覺、運動和視聽中樞進行定位,為手術計畫提供重要參照。
在神經外科手術中,病灶與重要功能區關係密切或侵犯重要功能區時, 常面臨著損傷重要功能區的可能。 檢查誘發電流產生的MEG, 可以得知相應的神經傳導通路有無損害。術前可通過對感覺、運動和視聽中樞進行定位,為手術計畫提供重要參照。
MEG 在神經精神疾病中的套用
隨著MEG 在腦功能區定位的發展及研究,MEG 已成為神經精神疾病的早期診斷和指導治療的一種重要手段。目前MEG 在神經精神疾病中主要套用於以下幾個方面: (1) 通過MEG 的變化早期診斷某些神經精神疾病, 如Alzheimer′s 病的早期診斷中, van Cap2 pellen van Walsum AM 等 MEG 在所有的波段信號較正常對照降低。(2) 監測胎兒的神經發育狀況,MEG 具有無創性,重複多次的無損害性,故可以用於胎兒發育的監測,使胎兒在出生前明確是否有腦癱、先天性失明、先天生聾啞等疾病。(3) 小兒精神疾病,利用MEG 的無創性,適用於小兒精神疾病的診斷及鑑別診斷,如視聽功能障礙、學習障礙、朗讀障礙、注意力障礙、智力障礙、孤獨症等,有利於早期預防及實現這些病症的早期治療和症狀的長期改善。(4) 動態指導治療,神經精神疾病的治療方案比較個性化,需要多次調整才能達到最好的療效,通過MEG 在治療中的動態觀察,可以及早取得最佳治療方案。
隨著MEG 在腦功能區定位的發展及研究,MEG 已成為神經精神疾病的早期診斷和指導治療的一種重要手段。目前MEG 在神經精神疾病中主要套用於以下幾個方面: (1) 通過MEG 的變化早期診斷某些神經精神疾病, 如Alzheimer′s 病的早期診斷中, van Cap2 pellen van Walsum AM 等 MEG 在所有的波段信號較正常對照降低。(2) 監測胎兒的神經發育狀況,MEG 具有無創性,重複多次的無損害性,故可以用於胎兒發育的監測,使胎兒在出生前明確是否有腦癱、先天性失明、先天生聾啞等疾病。(3) 小兒精神疾病,利用MEG 的無創性,適用於小兒精神疾病的診斷及鑑別診斷,如視聽功能障礙、學習障礙、朗讀障礙、注意力障礙、智力障礙、孤獨症等,有利於早期預防及實現這些病症的早期治療和症狀的長期改善。(4) 動態指導治療,神經精神疾病的治療方案比較個性化,需要多次調整才能達到最好的療效,通過MEG 在治療中的動態觀察,可以及早取得最佳治療方案。
MEG 在腦梗死中的套用
在腦梗死的超早期,腦組織缺血區在MRI 上發現不了受損結構異常,但MEG 可表現為異常低頻磁活動,有助於確定腦組織受損區的定位,及時診斷和早期治療。張維娜和魏慈等 報導,在腦梗死的MEG 顯示,超低頻慢波提示為可逆性的腦功能受損,類似於影像學的缺血半暗帶,如及時治療,可以恢復,預後良好。如M20 、M35 誘發反應波明顯降低、消失,提示為不可能的腦功能受損,預後不良,類似於影像學的缺血灶。
MEG 在顱腦外傷中的套用
在重型顱腦外傷的昏迷病人中,由於瀰漫性腦損傷導致腦功能恢復不全。對於這類病人的功能評價比較困難,臨床上常用體感誘發電位來進行腦功能的評估,但存在著由於腦組織傳導的不均勻、顱骨缺損或者腦缺陷引起的準確度降低,而腦磁圖的檢測不受此種因素的影響,比較適合此類患者的評估。
MEG 在帕金森氏病( Parkinson′s Disease) 的套用
目前MEG 在帕金森氏病的套用比較少, Pekkonen 等 在對11 例帕金森氏病人的腦磁圖研究中發現,N100m 和P50m 峰頂潛伏期左耳側明顯延長,認為可能是由於紋狀體的單側損害導致感覺傳導通路通過丘腦到皮層。
目前MEG 在帕金森氏病的套用比較少, Pekkonen 等 在對11 例帕金森氏病人的腦磁圖研究中發現,N100m 和P50m 峰頂潛伏期左耳側明顯延長,認為可能是由於紋狀體的單側損害導致感覺傳導通路通過丘腦到皮層。
MEG 的其他套用
司法鑑定:由於外傷或手術等原因造成的智力損傷,腦磁圖可以為植物人的判斷提供客觀依據。特殊人群的體檢:太空人、飛行員或從事特殊職業者,如被檢人隱瞞癲癇等病史,腦磁圖可以為此類人員提供客觀依據。戒毒, 通過MEG, 可查出吸毒原因,找出隱發點,進行治療。MEG 還套用在皮質下神經元的活動、信息處理過程的動態學、同步神經元的分析、新藥的開發和研究、特異功能的研究等基礎方面。
司法鑑定:由於外傷或手術等原因造成的智力損傷,腦磁圖可以為植物人的判斷提供客觀依據。特殊人群的體檢:太空人、飛行員或從事特殊職業者,如被檢人隱瞞癲癇等病史,腦磁圖可以為此類人員提供客觀依據。戒毒, 通過MEG, 可查出吸毒原因,找出隱發點,進行治療。MEG 還套用在皮質下神經元的活動、信息處理過程的動態學、同步神經元的分析、新藥的開發和研究、特異功能的研究等基礎方面。
腦磁圖在神經系統疾病中的套用前景
隨著物理超導技術及計算機套用技術的發展,MEG 已經成為神經疾病診斷和指導治療的一種重要方法。目前在難治性癲癇的診斷及癇灶的定位、術前功能區的定位、神經精神疾病的早期診斷和指導治療中取得了廣泛的套用。在顱腦損傷、腦血管疾病、帕金森氏病的套用中也取得了比較大的進展。相信隨著技術的進步,MEG 在神經疾病的診斷和治療中必將取得更為廣泛的套用。
隨著物理超導技術及計算機套用技術的發展,MEG 已經成為神經疾病診斷和指導治療的一種重要方法。目前在難治性癲癇的診斷及癇灶的定位、術前功能區的定位、神經精神疾病的早期診斷和指導治療中取得了廣泛的套用。在顱腦損傷、腦血管疾病、帕金森氏病的套用中也取得了比較大的進展。相信隨著技術的進步,MEG 在神經疾病的診斷和治療中必將取得更為廣泛的套用。
