徐 斌 高 陽 王 菁 張孝通

(浙江大學(xué)系統(tǒng)神經(jīng)與認知科學(xué)研究所，杭州 310027)

引言

非人靈長類動物具有與人類相似的大腦結(jié)構(gòu), 且具有可以同時開展基于非人靈長類動物模型的侵入式和非侵入式實驗研究的優(yōu)勢，可使非侵入式的人腦實驗研究結(jié)果與大量基于動物模型的侵入式實驗研究結(jié)果建立關(guān)聯(lián)[1]，有助于揭示認知腦功能回路和心理疾病的內(nèi)在機理[2-4]，是神經(jīng)科學(xué)研究中的重要動物模型[5-6]。

功能磁共振腦成像技術(shù)是目前主要的非侵入式大腦神經(jīng)活動成像手段，其中基于非人靈長類動物模型的功能磁共振成像研究，對深入理解磁共振腦成像生理機制、磁共振定量生理探測技術(shù)、神經(jīng)科學(xué)基礎(chǔ)研究、心理學(xué)和臨床病理的機制研究等都具有重要作用[7-9]。由于非人靈長類動物的腦尺寸小于人腦，需要更高的空間分辨率才能解析腦內(nèi)的神經(jīng)活動單元。此外，非人靈長類動物具有更厚的頭皮肌肉層，增大了射頻接收線圈與腦部組織間的距離，在采用同樣的射頻線圈進行磁共振成像數(shù)據(jù)采集時，非人靈長類動物腦內(nèi)的信號靈敏度要小于人腦。因此，非人靈長類動物功能磁共振腦成像研究對成像技術(shù)有著更高的要求。超高場(主磁場場強>3 T)磁共振相比于常規(guī)磁共振具有更高的圖像信噪比(signal noise ratio, SNR)、血氧依賴(blood oxygen level dependent, BOLD)的功能磁共振信號對比度噪聲比(contrast noise ratio, CNR)和BOLD信號特異性，具有實現(xiàn)非人靈長類動物亞毫米級超高分辨率腦功能成像的潛力[10-11]。但是隨著主磁場的增加，超高場磁共振在硬件設(shè)計上面臨著很多挑戰(zhàn)和問題，如介電駐波效應(yīng)引起的在大體積樣本中射頻磁場(B1)均勻性降低[12]，相控陣線圈中諧振元件之間的電磁耦合增加[13]，射頻安全的限制[10,14]，以及由于嚴重磁敏感效應(yīng)導(dǎo)致主磁場(B0)的不均勻性[15]等問題，都嚴重制約著超高場磁共振成像的質(zhì)量。

隨著神經(jīng)科學(xué)研究技術(shù)的發(fā)展和人們對于探索神經(jīng)活動機制的需求的增加，在非人靈長類動物磁共振成像實驗中整合光學(xué)和電生理記錄，超聲波和紅外神經(jīng)刺激等多模態(tài)方法，進行多種成像方式的互補，有望實現(xiàn)任何單一模態(tài)技術(shù)都無法實現(xiàn)的成像時空分辨率[16]。目前大量的非人靈長類功能磁共振研究主要在小口徑動物專用超高場磁共振(孔徑約15～30 cm)上開展，但是,受其內(nèi)部孔徑空間狹窄的限制，難以開展體積較大、外圍實驗設(shè)備設(shè)置更復(fù)雜的非人靈長類動物多模態(tài)成像實驗。相比于小口徑動物專用超高場磁共振，在大孔徑人用常規(guī)場強磁共振系統(tǒng)(孔徑約為60 cm)中更適合開展非人靈長類動物多模態(tài)成像實驗。近年來，已有在人用3 T磁共振成像平臺成功開展清醒獼猴高分辨率腦功能成像的研究報道[17]。但是目前缺少在人體用磁共振平臺上進行針對非人靈長類動物成像的優(yōu)化設(shè)計，因而開展非人靈長類動物實驗客觀存在一系列技術(shù)挑戰(zhàn)。如，隨著孔徑的增大主磁場均勻性更難控制，需要更高配置的勻場線圈用于解決主磁場不均勻問題[18]；另一方面，人用射頻線圈難以適配非人靈長類動物的頭部尺寸，難以滿足動物多模態(tài)成像實驗需求；此外，隨著梯度線圈孔徑和長度的增加，其負載電感也會相應(yīng)的增高，所以需要更大的電壓來驅(qū)動梯度線圈快速極性切換[19]。因而依然很少有基于人用超高場(7 T)磁共振系統(tǒng)開展非人靈長類動物的報道。

本文將從非人靈長類動物超高場磁共振腦成像現(xiàn)狀和所面臨的問題展開論述，歸納目前非人靈長類超高場磁共振腦成像技術(shù)在硬件設(shè)計上的進展以及基于人用超高場磁共振平臺開展多模態(tài)成像實驗技術(shù)的方面的進展。

1 系統(tǒng)設(shè)計

在大孔徑人用超高場磁共振上開展非人靈長類腦功能成像，往往會受到磁場不均勻，梯度場切換率慢和最大外周神經(jīng)刺激(periphery neural stimulus, PNS)[20]等因素的影響，制約著高時空分辨率功能磁共振研究的開展，同時又缺乏成熟的專用射頻線圈的支持，導(dǎo)致高場磁共振高內(nèi)在信噪比的優(yōu)勢很難得到充分的發(fā)揮。由于傳統(tǒng)的射頻線圈設(shè)計方案已經(jīng)無法適應(yīng)大孔徑磁共振平臺上高分辨率非人靈長類腦功能掃描的需求，因此需要通過專門的射頻線圈優(yōu)化、B0勻場系統(tǒng)和梯度系統(tǒng)設(shè)計方案，滿足大孔徑磁共振平臺非人靈長類功能磁共振掃描的特殊任務(wù)需求，最大化發(fā)揮超高場磁共振神經(jīng)功能成像的潛力。

1.1 射頻線圈設(shè)計

在超高場射頻線圈設(shè)計中不僅需要對成像信噪比、并行加速性能、發(fā)射場均勻性以及發(fā)射效率等性能進行優(yōu)化，還需要考慮線圈的時域信噪比和穩(wěn)定性等指標，以滿足在超高場磁共振神經(jīng)功能成像領(lǐng)域中的應(yīng)用。但目前市場上鮮有非人靈長類動物專用射頻線圈的產(chǎn)品，難以滿足多樣化、多模態(tài)的超高場磁共振神經(jīng)功能動物成像實驗需求，為此，需要針對特定實驗應(yīng)用場景采取專門的射頻線圈優(yōu)化設(shè)計方案，才能最大化發(fā)揮超高場磁共振的神經(jīng)功能成像潛力。

近年來，隨著在大孔徑人用超高場磁共振成像系統(tǒng)上開展非人靈長類研究的出現(xiàn)，一些針對7 T非人靈長類頭部線圈的優(yōu)化設(shè)計也隨之逐漸的出現(xiàn)。這些線圈的優(yōu)化設(shè)計主要集中在采用多通道發(fā)射線圈技術(shù)解決發(fā)射場不均勻和提高發(fā)射效率[21]；增加接收線圈陣列的密度以提升信噪比和并行加速采集能力，通過各種緊密貼合非人靈長類頭部特征的線圈設(shè)計以適應(yīng)不同的頭部尺寸以滿足非人靈長類神經(jīng)功能成像的需求[22-23]。此外，為了拓展表面線圈的性能局限性，植入式線圈的設(shè)計進一步縮短了線圈與物體之間的距離而獲得比表面線圈更高的信噪比[24]。但是這些針對非人靈長類超高場線圈的設(shè)計主要還是集中在線圈通道數(shù)量、線圈空間內(nèi)的線圈單元的疊放和布局等參數(shù)的優(yōu)化上，而對于非人靈長類線圈接收陣列的設(shè)計和優(yōu)化中起決定性作用的線圈空間覆蓋率、線圈間距、線圈單元類型、線圈空間厚度等參數(shù)還是缺乏系統(tǒng)性的研究。

最近，浙江大學(xué)7 T磁共振研究團隊基于實際獼猴電參數(shù)數(shù)值模型，采用最新的電磁仿真技術(shù)系統(tǒng)地研究了射頻接收線圈陣列的空間幾何結(jié)構(gòu)和線圈單元類型對獼猴腦成像信噪比(ultimate intrinsic SNR，UISNR)和并行成像加速性能(ultimate g-factor，uGF)的影響[25]?；诜抡娼Y(jié)果得出對于非人靈長類超高場的射頻線圈優(yōu)化設(shè)計的建議：一是在射頻發(fā)射單元的選擇上，采用dipole(偶極子天線)[26]和monopole(單極子天線)[27]等具有輻射場特性的新型射頻接收線圈單元并不能顯著提升7 T獼猴腦成像的信噪比和并行成像加速性能；二是增大接收線圈陣列的空間覆蓋范圍有助于提高射頻接收線圈信噪比和增加相控陣接收線圈陣列的并行加速性能。這些建議對于非人靈長類動物超高場磁共振腦成像射頻線圈設(shè)計具有指導(dǎo)意義。

1.2 B0勻場系統(tǒng)設(shè)計

在超高場磁共振成像過程中，圖像質(zhì)量會受到更嚴重的磁敏感效應(yīng)影響，成像物體內(nèi)的磁場不均勻會引起更顯著的頻率位移和散相。傳統(tǒng)的二階勻場技術(shù)已經(jīng)難以補償愈加顯著的局部磁場不均勻，對于體型更小的動物，如獼猴，需要更高階數(shù)的磁場空間分量來實現(xiàn)有效的勻場。在開展動物多模態(tài)神經(jīng)成像和神經(jīng)調(diào)控研究時，由于動物頭部進行外科手術(shù)或者安裝顱骨植入物后造成的手術(shù)出血點和植入物都會在動物腦內(nèi)引起高階的不均勻磁場分布，而且這些區(qū)域往往位于所要研究的皮層位置。除此之外，掃描過程中受試的頭部移動也會引起腦內(nèi)磁場不均勻分布的空間變化，這種由移動引起的二次磁場變化包含著復(fù)雜生理噪聲成分，增大了功能磁共振數(shù)據(jù)分析的難度，只有通過實時監(jiān)測并對磁場的偏移進行補償，才能夠從根本上解決問題。在功能磁共振成像中，回波平面成像(echo planar imaging，EPI)常用于數(shù)據(jù)的采集，而超高場磁共振成像過程中的B0不均勻性(ΔB0)[28]會導(dǎo)致EPI序列所采集的圖像產(chǎn)生幾何失真和模糊、甚至信號丟失、BOLD信號對比度下降[29]。

B0勻場技術(shù)是消除B0不均勻性最有效和最直接的方法。早期，通過使用外部磁性硬件材料實現(xiàn)被動B0勻場[30]，由于其需要對特定空間分布進行針對性和復(fù)雜的配置，目前主要用于對主磁體均勻性進行原廠校正，而難以適應(yīng)針對特定成像被試的掃描前校正。之后，基于球面諧波(spherical harmonic, SH)的有源主動勻場方法廣泛用于人體磁共振成像系統(tǒng)，一般通常會配備1～2階甚至3階的球面諧波勻場線圈，但是高階SH勻場線圈的繞線模式非常復(fù)雜，總的線圈個數(shù)會隨著勻場階數(shù)的增加呈現(xiàn)指數(shù)級上升，且需要高性能高成本的耐高壓電流源才能驅(qū)動，使得動態(tài)勻場能力受到限制[31]。為了彌補球面諧波(SH)在高階勻場上的這些缺陷，可以通過基于電流環(huán)陣列的高階B0勻場技術(shù)，構(gòu)建一系列可獨立驅(qū)動的閉合直流線圈單元的電流環(huán)陣列勻場技術(shù)進行彌補。由于電流環(huán)陣列磁場基函數(shù)不是相互正交，通過增加勻場單元數(shù)目逼近相同的SH空間階數(shù)和低負載的電感和驅(qū)動電源就可以實現(xiàn)電流值得快速更新，更有易于動態(tài)勻場[32-33]。如圖1所示16個電流環(huán)陣列排列的線圈設(shè)計方案，進一步從根源上緩解超高場功能磁共振成像過程中出現(xiàn)的嚴重磁敏感效應(yīng)。該設(shè)計的測試結(jié)果顯示基于電流環(huán)陣列的動態(tài)勻場性能要優(yōu)于基于電流環(huán)陣列的全局勻場和基于球面諧波的二階勻場[34]。

圖1 基于電流環(huán)陣列的勻場線圈設(shè)計和勻場效果比較[34]。(a)勻場線圈與射頻線圈一體化設(shè)計；(b)MRI系統(tǒng)自帶的球面諧波二階勻場、電流環(huán)陣列全局勻場和電流環(huán)陣列動態(tài)勻場在成像空間內(nèi)的勻場效果比較(B0標準偏差分布)Fig.1 Coil design and comparison of shim performance[34]. (a) Assembled AC/DC coil element; (b) Comparison of B0 shim performance (B0 standard deviation distribution) by using MRI system equipped spherical harmonic second-order shim versus AC/DC global and dynamic shim, respectively

1.3 梯度線圈設(shè)計

在磁共振系統(tǒng)中隨著B0場強的增強，T2*弛豫時間明顯縮短，這就要求超高場梯度系統(tǒng)具有更好的切換性能，但是快速切換的電流會使梯度導(dǎo)體承受更大的洛倫茲力，這些洛倫茲力將會引起梯度導(dǎo)體的振動并產(chǎn)生100 dB以上的噪聲[19]。從安全的角度考慮，梯度切換速率同時又受到梯度放大器最大電壓負載能力和受試者所能承受的最大外周神經(jīng)刺激的限制(periphery neural stimulus, PNS)的限制[20]。與人類相比，非人靈長類動物的腦尺寸要小的多并具有更厚的頭皮肌肉層，對于非人靈長類超高場梯度線圈的設(shè)計，主要分為大尺寸的體梯度線圈和小尺寸的插入式梯度線圈。

傳統(tǒng)大尺寸體梯度線圈，如西門子MAGNETOM Terra 7T系統(tǒng)中所使用的最大梯度強度為80 mT/m、最大切換率為200 T/m/s，可用于人和非人靈長類動物成像。人用磁共振系統(tǒng)的PNS閾值限制是依據(jù)人體的身體長度計算的，由于非人靈長類動物的身長遠小于人體，因而人體用磁共振系統(tǒng)的PNS閾值對于非人靈長類動物來說是過于保守的?？梢酝ㄟ^關(guān)閉系統(tǒng)的PNS刺激限制以充分發(fā)揮人用梯度系統(tǒng)性能，在這種情況下決定非人靈長類動物腦成像分辨率的主要限制因素是人體用梯度系統(tǒng)放大器的最大耐壓負載能力和梯度線圈所能承受的最大電流。為了解決人體用7 T平臺上動物高分辨率腦成像受到人體用梯度系統(tǒng)性能限制的問題，一方面在射頻線圈設(shè)計上可以通過采用小尺寸發(fā)射線圈結(jié)合多通道接收線圈，實現(xiàn)小范圍內(nèi)并行成像加速，從而最大程度降低成像矩陣，降低梯度線圈空間編碼負荷[35]；另一方面，可以通過在每個梯度軸上增加導(dǎo)線層的數(shù)量，相對應(yīng)的梯度放大器可以在最大梯度切換率為200 T/m/s的情況下使梯度強度達到300 mT/m[36]，這對于提高超高場磁共振擴散成像圖像質(zhì)量尤為重要。

梯度系統(tǒng)放大器性能和大尺寸體梯度線圈的高感性負載限制了人體用梯度系統(tǒng)的極限性能， 通過縮小梯度線圈的線性區(qū)域使其直徑接近于成像視野大小可以有效的降低感性負載和對梯度放大器的性能要求[37-38]。為此，提出了高性能的可插入式頭部梯度線圈[39-40]。這是一種較小尺寸的圓柱形梯度線圈，可插入到標準人體磁共振成像系統(tǒng)磁體孔中，常用的頭部梯度線圈的設(shè)計外徑為670 mm，內(nèi)徑約40 cm，線性區(qū)直徑約22 cm，最大梯度強度可高于100 mT/m，最大梯度切換率可超過1 000 T/m/s[41]。這些插入式MRI梯度線圈可用于大腦和非人靈長類大動物的超高場高分辨率成像，而無需對標準人體磁共振系統(tǒng)進行任何其他重大硬件的更改。

對于上述提到的插入式梯度線圈設(shè)計，需要特別關(guān)注3個方面：一是，由于其在受試體頭部位置會施加非常大的電流，所以必須嚴格控制PNS等安全問題。已有研究表明非對稱的頭部梯度線圈設(shè)計比等效對稱梯度線圈產(chǎn)生的單位磁場電場要低30%[42]。二是，與較大的體梯度線圈相比，插入式頭部梯度線圈導(dǎo)體之間的間距更近，因此需要使用適當?shù)慕^緣材料來防止高壓電弧。三是，高分辨率成像中的大電流會在更狹窄的空間中產(chǎn)生更大的熱量，因此散熱設(shè)計也至關(guān)重要，如使用空心的銅導(dǎo)體，使冷卻液可通過該導(dǎo)體流動可以大幅度提高散熱效率[41,43]。使用精確模擬梯度線圈的技術(shù)，為新的梯度線圈的設(shè)計提供更多的新方法，將對未來高性能超高頻磁共振成像系統(tǒng)的設(shè)計產(chǎn)生重要影響。

2 多模態(tài)腦成像方法

通過對多模態(tài)數(shù)據(jù)的整合，以彌補不同方法之間在時空分辨率上的不足，為人們對大腦結(jié)構(gòu)和活動過程的生理學(xué)、量化、泛化和標準化提供了重要手段。近年來已出現(xiàn)很多關(guān)于光學(xué)、電生理記錄、超聲和紅外神經(jīng)刺激等方法與磁共振成像相結(jié)合的研究[44-48]，同時對于此類線圈的優(yōu)化設(shè)計提出了更多的要求，如需要在敞開式的線圈設(shè)計中施加幾何約束并預(yù)留增加其他裝置的空間和受試體的固定方法采用靈活的方式以適用于不同型號的超高場磁共振成像系統(tǒng)[35,49]。如圖2所示，一個采用重疊陣列結(jié)構(gòu)由16個直徑為2～5 cm線圈環(huán)路單元組成的線圈環(huán)路，該線圈在所要研究的皮層位置預(yù)留了開口空間，使得多模態(tài)設(shè)備可以在成像過程中實時介入腦區(qū)[50]。

圖2 獼猴腦成像線圈設(shè)計示意[50]。(a)16個直徑為2～5 cm環(huán)路單元組成的線圈陣列設(shè)計與獼猴定位擺放;(b)線圈鏤空設(shè)計以便于多模態(tài)設(shè)備介入Fig.2 Illustration of the coil design for macaque brain imaging[50]. (a)A coil array consisting of 16 loop units with diameters of 2 to 5 cm was designed and placed with the macaque; (b) Coil openings for multi-modal equipment

長期以來，電生理方法作為神經(jīng)科學(xué)研究的基礎(chǔ)，但是在超高場磁共振(如 7 T)下測量多電極腦電數(shù)據(jù)的技術(shù)挑戰(zhàn)尚未完全解決，是因為隨著靜磁場強度的增加，血流運動效應(yīng)和拉莫爾頻率也相應(yīng)的增加，使得磁共振射頻和用于腦電記錄的電極或?qū)Ь€之間產(chǎn)生更大的相互作用，產(chǎn)生額外的噪聲[51]。

經(jīng)顱聚焦超聲(transcranial focused ultrasound, tFUS)通過對靶組織產(chǎn)生熱和機械效應(yīng)，是一種無需手術(shù)、高空間分辨率、聚焦可調(diào)和組織低衰減的低能量調(diào)制技術(shù)[52]，具有對靶組織和其周圍的介入影響較小的優(yōu)點，已被安全有效完整地用于小鼠[53]、兔子[54]、和非人靈長類[55]中的神經(jīng)刺激。雖然tFUS具有很高的空間分辨率和深度刺激能力，但缺乏影像學(xué)指導(dǎo)，而磁共振成像具有極好的軟組織對比度和對FUS所引起的組織變化敏感的特點，利用磁共振成像引導(dǎo)的FUS神經(jīng)調(diào)節(jié)方法可以充分發(fā)揮磁共振成像優(yōu)越的全腦分辨率優(yōu)勢，目前已有在超高場(7 T)磁共振中使用立體定向和光學(xué)跟蹤系統(tǒng)結(jié)合聚焦超聲進行非人靈長類神經(jīng)調(diào)節(jié)的實驗開展[55]，目前，采用磁共振圖像引導(dǎo)的聚焦超聲神經(jīng)調(diào)節(jié)方法已成為一種趨勢，可安全有效地用于非人靈長類的皮層刺激[53,56]。

光遺傳方法通過對特定基因的細胞進行精確的光刺激或抑制，可進行神經(jīng)活動與功能磁共振BOLD信號之間的因果關(guān)系的研究[57]。其中光遺傳功能磁共振成像是一種將光遺傳與功能磁共振成像相結(jié)合的方法，通過光纖將特定波長的光傳輸?shù)酱竽X深處，這就意味著用于光遺傳功能磁共振的線圈需要提供為不同光纖開口的預(yù)留空間，同時還需要滿足更好的全腦覆蓋和深部腦區(qū)的信噪比。雖然該方法在嚙齒動物中的應(yīng)用得到了成功，但是在非人靈長類動物中，尤其是在人類中的應(yīng)用還是存在著安全的局限性。

紅外激光神經(jīng)刺激(infrared neural stimulation, INS)是一種通過光刺激誘導(dǎo)神經(jīng)元興奮性和抑制反應(yīng)的方法，并使神經(jīng)活動產(chǎn)生強度依賴性效應(yīng)[58-60]，具有不需要遺傳操作[61]、比電生理刺激更高的空間精度、無接觸刺激、對電生理記錄不產(chǎn)生干擾和磁共振兼容等優(yōu)勢[62]。該方法具有在大腦中進行功能追蹤的能力，通過在功能性磁共振成像中結(jié)合INS方法，對大腦功能網(wǎng)絡(luò)進行追蹤的可能性已經(jīng)得到證明[63-64]。最近王菁等[65-66]設(shè)計的一種結(jié)合脈沖近紅外神經(jīng)刺激和超高場強功能磁共振成像的方法，可以在不同活體動物種類中進行快速的繪制毫米級的全腦或局部尺度大腦網(wǎng)絡(luò)連接,促進了將單個動物的多種類型數(shù)據(jù)集關(guān)聯(lián)起來的可能性，是一種在全腦或局部尺度上進行毫米級腦網(wǎng)絡(luò)繪制的有效方法。

多模態(tài)腦成像方法開辟了對大腦網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和功能連接信息多時空尺度研究的一種新思路，將兩種(或兩種以上)的成像方式結(jié)合起來可以獲得每種方法在空間和時間分辨率上的最佳互補，是一種對大腦結(jié)構(gòu)和功能的研究有價值和不可或缺的方法。

3 總結(jié)和展望

基于超高場磁共振電磁技術(shù)、非人靈長類超高場射頻線圈的設(shè)計和序列的優(yōu)化，使得非人靈長類全腦亞毫米級功能磁共振成像成為了可能，結(jié)合傳統(tǒng)腦電、電生理記錄、聚焦超聲波、光遺傳和光刺激等技術(shù)在全腦全尺度神經(jīng)信號記錄方面的作用，進一步發(fā)揮了超高場磁共振在無損全腦三維尺度的腦功能研究中的優(yōu)勢，在神經(jīng)科學(xué)研究和認知領(lǐng)域中發(fā)揮著重要的作用。

未來，需要從實際需求出發(fā)，進一步縮短基于線圈極限性能的理論分析與實際陣列線圈設(shè)計之間的差距。推進集成高階動態(tài)B0勻場功能的線圈設(shè)計，以消除由于各種原因造成的局部B0磁場不均勻性，促進不同的線圈設(shè)計跨磁共振平臺的研究。

(致謝：感謝浙江大學(xué)系統(tǒng)神經(jīng)與認知科學(xué)研究所奚望副研究員的技術(shù)協(xié)助)