第四节　MEG成像

一、MEG成像的基本原理

人脑内神经细胞的带电离子迁移产生局部的微弱电流，根据奥斯特发现的电流磁效应，这些电流会产生微弱的磁场。MEG就是一种利用这个磁场无侵入地检测脑细胞活动的图像技术，通过超导量子干涉仪（super-conducting quantum interference device，SQUID）探测神经元突触后电位电流所产生的磁场，分析磁场的各种参数后得出脑功能图像。

脑磁图的研究起源于20世纪70年代，美国的博勒（Baule）和麦克菲（Mcfee）在1963年用200万匝的诱导线圈测量心脏产生的磁信号，首次记录了生物磁场。5年以后，科恩（Cohen）使用诱导线圈，运用信号叠加技术和超导技术测量了脑的8～12Hz的电流所产生的脑磁信号，首次记录了头外磁场MEG。1969年，齐梅曼（Zimmeman）和同事发明了点接触式SQUID，大大提高了探测磁场的灵敏度。1990年以后，磁源分布图像重建技术得到了蓬勃发展。

最早期的脑磁图设备只有1个大阵列传感器，在检查时必须不断移动单信道的传感器装置以获得MEG信号，不仅费时费力，而且重复性差。20世纪80年代，MEG发展为多信道传感器装置。90年代出现了全头型MEG测量系统，只需经过一次测量就可采集到全头的脑磁场信号。随着设备的更新换代，到2009年，美国4D-Neuroimaging公司生产出148通道、248通道全头型生物磁仪；芬兰Neuromag公司生产出了122通道及306通道的全头型生物磁仪。现在的脑磁图在整个头部的探测点已达300多个，能快速将感应到的磁信号转换成脑磁曲线图等图像，并且可以与CT或MRI等其他检测方法得出的影像信息进行叠加整合，形成脑功能解剖定位图，这一技术又称为磁源性影像（magnetic source imaging，MSI）。

大脑皮层主要由神经元、神经胶质细胞及神经纤维构成。其中，神经元由胞体、突起和终末三部分组成。神经元之间的联系是靠突触完成的。突触分为突触前膜、突触间隙及突触后膜，神经冲动到达突触前膜后，突触前膜的囊泡释放神经递质进入突触间隙，作用于突触后膜的特殊受体，使突触后膜某些离子通道开放，膜电位发生变化，产生突触后电位。

脑电活动主要有三个来源：①跨膜电流；②细胞内电流；③细胞外容积电流。细胞膜内外的电流大小相等、方向相反，所产生的磁场相互抵消，所以跨膜电流不会产生可探测的磁场。细胞外容积电流为零，因为头颅的表面近似一个球形导体，其内产生的磁场在外部探测到的为零。轴突的电活动也产生磁场，然而动作电位时空范围有限，磁场强度过于微弱。细胞内电流即为突触后电位电流，将突触后电位看作电流偶极子，脑磁场测量的是突触后电位中与脑皮层面呈正切方向的电流所产生的磁场。

在大脑皮层分布着众多的神经细胞，其中数量最多的为锥体细胞。锥体细胞排列规则，其胞体位于皮层底面，从胞体伸出的树状突起伸向皮层表面。有神经元电活动进行时，锥体细胞可以形成等电流偶极。由单个锥体细胞产生的电流非常微弱，大量紧密排列的锥体细胞产生的生物电流可作为一个电流信号源，即使是几千个聚在一起的脑神经细胞同时形成神经电流，能被探测到的神经磁场也仅为地磁场的十亿分之一。

使用SQUID来测量磁场参数，这组传感器阵列不仅可以测量分布在头皮表面上磁场的变化情况，还可以确定脑内信号源的精确位置和强度。感应线圈工作的原理是，当一个随时间变化的磁场穿过闭合的导体线圈时，在线圈内就会产生感应电流。SQUID还可以把感应线圈中的电流信号以正比例的关系转化为相对较大的电压信号作为探测器的输出信号。

SQUID的主要部件是一个超导体环。超导体内电阻为零，给一个闭合的超导体环施以一定的磁场作用，就会在超导体内产生一个超导电流。其基本结构是一根导线做成的两个大小相等、方向相反的超导线圈（图1-4-1），脑磁场随距离的增加而迅速减弱（与距离的平方成反比），两线圈感应出的电流大小不同、方向相反，不能完全抵消，可以在环路内形成电流，而环境磁场却不能。

根据此原理SQUID可以抵抗外部磁场对测量的干扰。当环状超导体的某个部位被一个极其微小的电阻代替（图1-4-2），在环路内流动的超导电流在此部位会产生一定的电压降，并存在一个临界电流。随着通过感应线圈的磁场变化，这个线圈内的感应电流也会相应地发生改变，当该电流大于临界电流时，电阻段两端就会产生与感应电流大小成正比的输出电压。SQUID的电子设备会对这个电压进行测量。

根据测量点上的磁场值，来重建神经电流源的活动情况，即所谓的脑磁逆问题，是MEG研究的一个基本问题。1853年，赫姆霍兹（Helmholtz）就证明了仅利用测量得到的磁场数据无法唯一确定导体内的电流情况。所以需要在满足条件的解集中通过施加一定的限制条件才能得出比较合理的解释，对神经元的活动情况进行比较好的重建。

目前对电磁信号源的定位主要使用两种方法，目前对电磁信号源的定位主要使用是等电流偶极方法（equivalent current dipole，ECD）。该方法将头作为一个球模型，球模型与被检测者的颅骨内表面相适应，根据所探测的磁场，推算出等电流偶极所产生的磁场与实际测得的磁场分布的一致性，计算两者之间的相关系数。其缺点是当颅内兴奋源较多时，数据量大。也有采用边缘元素模型（boundary element model，BEM），此模型与每个被检测者的脑表面相适应，使模型更接近于其真实的脑外形［1］。

二、MEG检查的方法

（一）MEG分类

MEG主要分为自发脑磁图和诱发脑磁图两大类。

1.自发脑磁图

即通过SQUID检测记录由神经元突触后电位所产生的电流（即神经细胞内电流）形成的磁场信号。在脑皮层中数千个锥体细胞神经冲动产生集合电流，脑磁图仪在颅外可以记录到与电流方向正切的磁场。

2.诱发脑磁图

正如脑电的诱发电位一样，当在机体某一特定部位给予适宜刺激时，我们可以检测到与该刺激有关的中枢神经系统运动产生的磁场变化。根据刺激种类和方式的不同，诱发脑磁可分为听觉诱发磁场（auditory evoked magnetic field，AEF）、视觉诱发磁场（visual evoked magnetic field，VEF）、体感诱发磁场（somatosensory evoked magnetic field，SEF）、运动诱发磁场（motor evoked field，MEF）和事件相关磁场（related-event field，REF）等。AEF主要用于监测外侧裂听觉区的功能状况；VEF用于研究枕叶病变对视觉中枢的影响；SEF用于检查中央沟后区功能状况和对感觉中枢进行定位；MEF主要检测中央沟前区功能状况和对运动中枢的定位［2］。

（二）MEG系统组成

以脑研究和临床应用为目的的现代MEG系统主要分为以下几个部分（图1-4-3）：

1.磁屏蔽系统

脑磁场信号很微弱，需要安装有磁场屏蔽装置以及具有抗外磁场干扰功能的信号处理设备。屏蔽的方法有多种，其中最普遍的屏蔽方法是铁磁屏蔽法和涡流法，其原理是磁屏蔽室（magnetically shielded room，MSR）由导磁率极高的合金构成，外界磁场会被磁屏蔽室与室内放置的传感器系统隔离。

2.磁场探测系统

该系统主要由感应线圈和SQUID组成。该系统处于-296℃液氮中的超导状态工作，以确保磁通道产生的微弱电流信号无损耗地被测量。

3.刺激系统

为了获得诱发脑磁图，需要对机体某些特定部位进行刺激，兴奋脑的相关功能区，测量记录诱发产生的磁场，以获得视觉、听觉、触觉等方面的神经活动情况。

4.综合信息处理系统

进行数据采集和数据分析，通过计算机能将获得的磁信号转换成曲线图等进行显示、存储和打印，而且可与MRI或CT等影像信息整合成为磁源性影像测量，或与脑电图、多导联EEG等技术相互配合进行综合处理。

（三）MEG检测方法

MEG检测的一般步骤是：①以人的左右两耳和鼻根所在的空间位置设定标记；②在这3个标记处分别放置维生素E胶囊或其他的MRI对比物质，于是在MRI图像中可建立以这3点为基准点的坐标系；③对大脑进行常规的MRI检测，在3个标记处分别用小线圈来代替MRI对比物质，小线圈可以在MEG中被清楚地辨识，以便在MEG图像中建立与MRI图像相同的坐标系；④进行MEG测量，使用相应的软件对采集到的脑磁信号进行分析与处理，得到脑内磁信号源的空间位置信息；⑤通过计算机图像处理，把脑内磁信号源直接显示在相应位置处的MRI图像上［3］。这样，脑磁图功能定位坐标系和MRI解剖影像坐标系实现了三维立体重合，得到脑解剖／功能信息为一体的脑功能解剖影像。

1.癫痫病人的MEG检查

（1）对患者解释MEG检查过程：要求患者检查前一天晚上及当天早上停用抗癫痫药物，并详细询问病史，如癫痫白天发作还是晚上发作。如患者白天发作不必做额外处理，如患者易于睡前或醒后发作，则要求患者按千克体重口服水合氯醛，使记录过程中容易记录到棘波。

（2）检查前头一天晚上要求患者洗头：去除过多的油脂以便于减小EEG电极与头皮间的电阻，获得良好的EEG信号。

（3）病人更衣：除去所有带有磁性的金属物。

（4）如患者有不能摘下的义齿，要用消磁仪进行消磁处理，减少数据采集时金属造成的伪影。

（5）安置EEG、清洁皮肤，将少量导电膏涂于电极上［4］。测定头坐标系统，建立头坐标，进入磁屏蔽室进行检查。

2.诱发脑磁的检测

SEF将刺激装置安放在磁屏蔽室的外面，通过屏蔽导线将电流引导至刺激电极。检测原理与EEG体感诱发电位类似，但可对所得诱发磁场的发生源位置，即躯体感觉中枢进行定位，并在MRI图像上标示出来。常用的刺激部位上肢为正中神经，其次为尺神经；下肢为股神经，其次为胫神经，刺激强度一般为10mA左右。将诱发磁场发生源位置与MRI结果进行影像融合，即可对皮层功能区进行定位。

AEF是由听觉刺激诱发产生的脑磁场，其刺激装置安装在屏蔽室外，通过管道将声音传入室内，一般使用纯音或纯短音，刺激时程约数毫秒。AEFs可根据潜伏期长短分为短潜伏期（＜12ms）、中潜伏期（12～50ms）、长潜伏期（＞50ms）。其中，短潜伏期AEFs起源于脑干水平，信号较弱；中潜伏期AEFs有M30、M50两个成分，起源于初级听觉皮层；长潜伏期AEF包含M100和M200，大部分成分起源于初级听觉中枢，即双侧颞横回。

VEF视觉刺激装置是安放在屏蔽室外，利用投影仪、屏幕或光导纤维传送图像，常用闪光或翻转黑白格的刺激模式，其磁场发生源通常定位在双侧距状裂的外侧底部。VEF波幅随黑白格增大而增大，潜伏期缩短［5］。

REF通过设计一定的实验来研究不同事件对脑功能区的影响。

三、MEG检查在精神影像学中的价值与局限性

（一）MEG的特点

MEG的优点有：①主要反映大脑皮层区的神经电活动，磁场不受头皮软组织、颅骨等结构的影响；②具有良好的空间分辨率——约2mm的空间解像精度，定位精确；③有良好的时间分辨率——1ms的时间解像精度，能实时反映脑组织信息；④对人体无接触、无创伤，检测方便快捷；⑤信号明显，提供了关于脑组织神经元活动强度的量化信息。

MEG具有上述优点，但也存在某些不足：①MEG设备价格昂贵，液氮消耗量大；②检查费用高；③信号分析耗时较长；④记录的多为头皮层的神经元信息，忽略大部分的深度及径向源；⑤对人脑模型的检测分析还不是很成熟，若采用一个真实的体积导体模型，才能更精确地进行识别。

（二）MEG与其他检测方法的对比

1.MEG与EEG

脑磁图测量的是细胞内电流，而脑电图测量的是细胞外电流。细胞内电流产生正切方向的磁场，MEG主要用于正切磁场的测量，而EEG则用于径向磁场的测量。MEG测量的磁场是由位于脑回沟裂部位产生的，但是对大脑凸面脑回电流所产生的磁场不敏感。EEG的敏感区域恰与之相反，可将脑磁图和脑电图测量得到的结果进行相互匹配和补充，得到脑神经活动更全面的信息。

MEG的最大特点是使用磁记录，与EEG使用的电记录相比有诸多优势：①受到其他组织神经元的干扰较小；②电记录无法检测到未接触部位的电流源，而闭合电流回路产生的磁场可以在脑外被检测到；③脑外磁场检测不受头皮、颅骨和脑脊液的影响，而电流穿过源与探头之间组织时会减弱、偏移，导致脑电图定位不准确。

2.MEG与fMRI

脑磁图测量的是神经元兴奋时突触后电位产生的磁场，可对脑神经组织进行直接测量。而fMRI测量的是神经元活动时血流变化引起的信号改变，通过MRI信号的测定反映血氧饱和度及血流量，从而间接推断神经元活动情况。

脑磁图的时间分辨率为毫秒级，可以实时记录脑电磁信号；而fMRI的时间分辨率最快为50～100ms。

与fMRI不同的还有，MEG测量不需要进行条件不同的测量数据的相减。

fMRI对移动伪影非常敏感，在测量中病人头移动1cm，将损坏MRI全部图像；而脑磁图测量过程中活动1cm，只产生3mm的误差［6］。

（三）MEG的临床应用

脑磁波是脑神经元活动的标志，MEG能够很好地探测到脑磁波，并能通过对脑磁波的测量来评估脑的功能状态，在临床中应用广泛，以下列出几种主要应用：

1.颅脑手术靶点定位

在脑肿瘤、脑血管畸形和帕金森病等疾病的神经外科手术中，当病灶与重要功能区关系密切或侵犯重要功能区时，可能会在手术中损伤某些重要的脑功能区。当病变较大或水肿严重时，常使脑解剖结构变形且重要功能区偏离正常的位置，此时，依靠常规影像学检查，很难准确判断功能区的位置。因此用MEG做术前功能制图（presurgical functional mapping，PSFM），对正常的感觉、运动、语言等重要功能区在MRI上定位，以避免术中损伤重要的功能区。同时可将MEG与其他医学影像检查如MRI、CT、数字减影血管造影（digital subtraction angiography，DSA）共同组成三维定位导航手术系统，设计合理的手术思路，使手术过程更加完善。在术后，检查诱发电流产生的MEG，也可以得知相应的神经传导通路有无损害。

应用MEG判断功能区的位置，不但简便易行、无创伤，而且定位准确，可最大限度地避免脑组织和功能的损伤，使颅脑手术更加安全、更加准确。

2.MEG在癫痫病灶定位中的应用

癫痫是一种由于脑部神经元反复异常放电而引起短暂脑功能失常的疾病，是神经科仅次于脑血管病的第二大顽症。癫痫灶异常放电时在脑外产生的磁场与神经元正常活动时所产生的磁场场形不同，根据检测得到的脑磁图可以确定出癫痫源所在的位置。

癫痫发作时，在脑内与病灶对称的位置处可出现一个镜像源，该镜像源在时域上与病灶的发放在起点上落后17ms，峰值延迟20ms左右。在手术时只需摧毁病灶，镜像源随之消失，所以MEG定位对病灶与镜像源的区分具有重要价值。MEG可以探测到皮层直径数毫米的癫痫灶的电活动，分辨时相可达1ms，有利于区分癫痫病灶与其镜像源。利用这种信号时限差技术MEG不仅可以确定双侧大脑半球同时出现而EEG难以鉴别的双侧广泛性癫痫波病灶，而且还能分辨一侧半球中多脑叶出现的异常间歇期活动病灶。此外，有的癫痫发作时其启动区域可远离影像学改变的病灶，单纯切除这些病灶对癫痫的治疗往往疗效欠佳，而MEG则有利于定位癫痫发作的启动区域，为该类癫痫患者的治疗提供定位依据［7］。

3.脑功能区定位

是指对体感诱发磁场、听觉诱发磁场、视觉诱发磁场、事件诱发磁场等诱发脑磁场引起的脑神经元活动改变所进行的研究。因为MEG具有毫秒级的时间分辨率，因此我们可以对脑生理活动进行实时观测和记录。

MEG可探测各种感觉、心理及生理活动在神经组织上产生的变化，对人脑自发的周期性活动以及各种信息处理过程进行研究，例如知觉、认知、判断、记忆、注意、意识、感情、运动、联想、语言、学习等脑的高级功能方面。脑磁图为理解脑，揭示思维、神经传感等人脑活动的原理提供了非常有效的途径［8］。同时，定期进行脑磁图检查可以帮助指导因脑疾病而引起的运动、听觉、视觉等功能障碍的恢复。

4.脑功能损害程度的判定

MEG还常用于神经病理及功能性缺损的判定，如脑外伤的评估、患者神经状态的测定以及神经药物有效性的评价等。MRI和CT对受损脑组织的扫描只能显示坏死组织的大小和位置，并不能给出临近的、无明显形态变化的组织的功能信息。MEG可以反映细胞在不同功能状态下产生磁场的变化，因此可以相对直接地提供脑神经组织的功能信息。

研究发现在脑缺血或脑外伤等脑损害时多出现异常且弥漫的EEG慢波活动，使用MEG则能在初期的脑缺血时就观察到有定位意义的异常低频磁场活动（abnormal low frequency magnetic activity，ALFMA），以确定大脑功能损伤的程度和区域，为脑梗死的早期诊断和适时治疗提供了宝贵的时间。

MEG是一种敏感的检查方法，ALFMA能证实脑震荡后遗症的病理生理学异常并能评估其恢复进程。据报道60%～70%的脑外伤后综合征患者亦有ALFMA表现。受损的神经细胞死亡后，其功能由健康的神经细胞取代，称为神经的可塑性，表现为皮层局部功能重建或者由远处功能相近的皮层区执行其功能。MEG可作为一种新的工具来观察受损神经功能的可塑性和重建结果，检查、预测、追踪和评定各种方法对神经功能恢复的治疗效果。

另有发现在脑肿瘤、畸形动静脉等病变周围的脑组织中也存在ALFMA改变，也可反映出这些病变对脑组织和脑功能的损害情况［9］。

5.神经精神疾病诊断

各脑区之间的功能连接以及脑磁波的同步性与认知功能密切相关，MEG可以通过测定这些来评估认知功能，并能在一定程度上反映精神病人认知功能障碍的机制。MEG可以对神经精神疾病发挥其诊断和指导治疗的作用，这包括对病症的早期发现、特殊性诊断以及对个体治疗反应的预报和监视，在治疗中随时监测治疗情况并及时修改治疗方案，以便及早达到最佳的治疗效果。

随着在神经科学和临床应用研究的深入开展，MEG将成为研究人脑特殊功能和认识神经精神疾病的重要手段。利用MEG可以及早明确某些神经精神疾病并进行相应的早期诊断，例如对AD的检测和治疗。MEG还可以辅助对神经精神疾病进一步诊断分类，并有助于加深对疾病的认识和治疗效果的评价，针对个体特点选择治疗方法，有利于提高疗效［10］。

脑磁图对脑血管疾病、痴呆、抑郁症及神经退行性疾病等的诊断、疗效观察具有独特的作用。以下列出两种常见精神疾病的MEG诊断情况：

（1）痴呆的诊断：

当大脑皮层某区域开始激活时，该区的代谢和血流增加，同时其进行的信息加工可以导致脑电波α和ρ频谱振荡的幅度减低或者阻滞，这一电生理现象称作事件相关去同步化（event-related desynchronization，ERD）。与此相反，与脑的静息或惰性状态相关的α和β频谱波幅增高的现象，则称为事件相关同步化（event-related synchronization，ERS）。早期的AD或VD病人的事件相关去同步化出现延迟，α频谱波幅较正常组高［11］。

（2）精神疾病的诊断：

精神病患者很难发现大脑解剖结构的异常，MEG因其先天的优势可用于精神病的早期发现、诊断分型、预防和治疗效果的客观评估。用MEG研究精神分裂症，发现患者大脑非对称性的异常。常用听觉诱发磁场和MSI与正常人群比较，发现M50、M100的双侧半球非对称性消失，甚至颠倒，并有性别差异，男性精神病患者主要是左侧大脑功能异常，女性患者则相反。从MEG的听觉诱发反应分析，精神分裂症患者的初级听觉皮层中枢的结构和功能有异常［12］。同时，MEG适用于小儿精神疾病的诊断及鉴别诊断，如视听功能障碍、学习障碍、朗读障碍、注意力障碍、智力障碍、孤独症等，有利于早期预防及实现这些病症的早期治疗和症状的长期改善［13］。

6.胎儿脑磁图

利用MEG的无创性，可以使用胎儿脑磁图（fetal magnetoencephalography，fMEG）监测妊娠3个月以上胎儿脑的活动及神经系统发育状况，以便及早明确是否存在脑瘫、先天性聋哑、先天性失明、原发性癫痫以及其他神经精神发育障碍等疾病。

（幸浩洋）

参考文献

［1］孙吉林，吴杰.脑磁图对脑功能动态活动的定位作用.中国临床康复，2004，8：1334-1335.

［2］张萍.脑磁图、磁源成像和脑肿瘤.中国神经肿瘤杂志，2005，3：166-171.

［3］刘正东，尚可.脑磁图与大脑功能检测.自然杂志，1999，21：154-158.

［4］孙吉林，吴育锦，王宝山.脑磁图.现代电生理学杂志，2009，16：52-62.

［5］孙占用，吕佩源.脑磁图技术在神经学科领域中的应用.疑难病杂志，2004，3：123-125.

［6］孙吉林.脑磁图（MEG）常见问题.现代电生理学杂志，2005，12：245-249.

［7］Lopes da Silva FH. What is magnetoencephalography and why it is relevant to neurosurgery. Adv Tech Stand Neurosurg. 2005，30：51-67.

［8］赵文清，孙吉林.脑磁图在神经外科中的应用进展.现代电生理学杂志，2009，16：97-100.

［9］朱英杰.脑磁图的临床应用研究.生物磁学，2004，4：45-47.

［10］程光，章翔.脑磁图的发展及应用研究.中华神经外科疾病研究杂志，2002，1：277-279.

［11］Babiloni C，Cassetta E，Chiovenda P，et al. Alpha rhythms in mind dements during visual delayed choice reaction time tasks：a MEG study. Brain Res Bul，2005，65（6）：457-470.

［12］王颖，康维礼，黄力.脑磁图在精神分裂症中的应用进展.中华精神科杂志，2011，44：183-186.

［13］邢学民，冯华.脑磁图在神经疾病中的应用现状.重庆医学，2005，34：145-147.