脑磁图技术的现状和展望
脑客中国|第3位讲者
2021年3月17日19:00，医学物理和工程北京市重点实验室主任、北京大学磁共振成像研究中心主任高家红教授进行脑客中国直播，本次报告的题目为脑磁图技术的现状和展望。
一、脑成像技术与物理学发展
脑成像技术与物理学发展是密切相关的。给大家介绍几个在脑磁图发展过程中举足轻重的，伟大的物理学家。第一个是伦琴（Wilhelm Röntgen），他发明了X射线，并于1901年得到了诺贝尔物理学奖。到1979年，两位英国科学家把X射线用到成像领域，变成二维和三维的图像。因这个成果拿了1979年的诺贝尔生理学医学奖。那么谈谈磁共振领域的几个里程碑。1952年斯坦福大学的Block 和哈佛大学Purcell发明了核磁共振的物理原理，在1952年获得诺贝尔物理学奖。
后来美国科学家Lauterbur和英国物理学家Mansfield发明了核磁共振成像技术，在2003年拿了诺贝尔生理学奖。接下来日本科学家Seiji Ogawa发展了BOLD-fMRI，标志着磁共振可以进入大脑功能成像领域。最后是脑电和脑磁，那么脑电可以追溯到1924年，德国的外科手术医生Hans Berger第一次用电信号记录了脑电波。1973年，Jesephson发明了超导的SQUID技术，因此获得诺贝尔物理学奖。借助SQUID技术，David Cohen在1968年首次记录了脑磁信号。后来美国科学家Lauterbur和英国物理学家Mansfield发明了核磁共振成像技术，在2003年拿了诺贝尔生理学奖。接下来日本科学家Seiji Ogawa发展了BOLD-fMRI，标志着磁共振可以进入大脑功能成像领域。最后是脑电和脑磁，那么脑电可以追溯到1924年，德国的外科手术医生Hans Berger第一次用电信号记录了脑电波。1973年，Jesephson发明了超导的SQUID技术，因此获得诺贝尔物理学奖。借助SQUID技术，David Cohen在1968年首次记录了脑磁信号。
二、不同脑成像技术的使用场景
在做解剖结构的时候，CT磁共振是最理想的成像工具。做代谢活动，PET，SPECT，都可以用磁共振，这个技术是特别敏感的。测血流活动，我们有BOLD-fMRI技术和近红外技术。观察电磁活动是，我们有脑电图和脑磁图，总的来说，电磁信号是最能及时直接反映神经元活动的技术。
三、脑磁信号产生的生理基础
那么脑磁信号产生的生理基础是什么呢？我们知道神经元放电有工作电位，也有突触后的电位，我们观察到的脑磁信号是来自于工作电位还是突触后电位呢？实际上我们后来研究发现，脑磁信号是由上万个并行排布的突触，在数十毫秒内激活的突触后电位叠加，方能形成可观测的磁场信号。我们新皮质中存在大量并行排布的锥体细胞，脑磁信号主要是贡献来自于新皮层中大量平行排布的椎体细胞突触后电位，在脑沟回中产生的切相电流。
四、脑磁测量技术的发展背景
我们知道脑电和脑磁是一个孪生兄弟，电场的传播受不同脑组织和颅骨的约束，会产生扭曲、变形和信号衰减。然而磁场的传播不受脑组织和颅骨的影响，这样脑磁的信号比脑电信号在信号比上有大大的优势，同时在溯源的结果上，脑磁具有其他的优越性，或者说脑磁的空间分辨率好于脑电。下面这张图，左边这张图是David Cohen，他在1972年的麻省理工学院做了第一例脑磁信号探测。大家看中间脑磁信号的这张照片，从照片上可以看出来，他同时做了脑磁跟脑电，实验任务非常简单，他发现把眼睛闭上会产生非常大的α波，是在8-12 Hz的这样一个波段。当把眼睛睁开，这个α波就立刻消失了。他连续重复了很多次，闭上眼睛那么α波出现，睁开眼睛，α波就消失。这样的一个非常简单的实验证明了脑磁是可以被观测到的。
五、脑磁信号的大小与超导探测技术
我们刚才看到脑电是1924年就被观察到了，之后40多年脑磁才被发现，中间差了40年。问题出在什么地方呢？我们知道地球磁场是0.5 fT，地球磁场和脑磁比起来，脑磁可以说微乎其微，脑磁是地球磁场的10亿分之1。所以在这么大的地球磁场背景下，测量操作磁场这个技术也就面临着巨大的挑战。所以一直等到1973年，超导量子干涉仪这个技术的诞生才第一次实现了脑磁检测。因为这个技术对磁场是非常敏感的，所以David Cohen用了SQUID的技术，才第一次实现了脑磁探测。
六、超导脑磁图的历史演变过程
从1968年、1972年第一次测量脑磁场，到脑磁图变成一个医学或者是科学仪器，经过很多年的迭代，1983年，四通道的探测标志着脑磁图诞生。到1986年，发展为7通道，1989年，24个通道，到1992年，122个通道，到1998，已有306个通道，到现在为止，二十年的时间，一直是用306个通道在做。因此，目前的脑磁图技术基本上是固化了，没有本质性的变化。
七、脑磁图的临床应用
目前用超导的SQUID技术做脑磁图，它主要应用在以下几方面，一个是临床应用，功能区定位。通过脑磁图这个技术可以定位语言功能区，为神经外科手术规划提供指导。那么当然了，我们现在功能磁共振也可以做同样的内容，脑磁图在临床上是应用最广泛的一种。
通过脑磁图定位癫痫发作间期的肌波，为外科治疗提供指导。2019年发表的一篇文章，澳大利亚科学家Plummer在Brain发明了一种方法叫通过定位棘波早期波形，可以大大提高癫痫病灶定位的准确度。
脑磁图近几年在技术上，特别是溯源技术上有很大的改进，这个技术名字叫eFAST-VESTAL,是我们实验室和UCSD的黄老师共同改进的一项技术，这是基于稀疏约束的新定位技术，这个技术可以更加有效地应用于癫痫的术前功能区定位，以及癫痫发作间期棘波的无创定位。下面这张图是一个病例，是一位是31岁的右侧颞叶癫痫病人。我们用金标准SEEG颅内电极检测发现该病人的发作触点在C2、A4和B3，我们新技术对局部的定位位置与颅内电极异常放电触点高度吻合。我们也比较了前人发明的很多溯源技术，发现eFAST-VESTAL在癫痫的溯源定位上和金标准SSEG更加吻合。我们用金标准SEEG颅内电极检测发现该病人的发作触点在C2、A4和B3，我们新技术对局部的定位位置与颅内电极异常放电触点高度吻合。我们也比较了前人发明的很多溯源技术，发现eFAST-VESTAL在癫痫的溯源定位上和金标准SSEG更加吻合。
我们利用人工智能检测脑磁图，癫痫棘波也达到了可喜的结果。深度学习算法EMS-Net可以用于快速检测脑磁图信号的癫痫异常波。在没有用人工智能这个方法进行检测棘波时的传统办法，是医生用肉眼检测。一般来说，医生采集脑磁图信号大约需要1个小时，而脑磁图采集频率是1000 Hz，相当于一秒钟采集1000个点，相当于有一个小时的数据采集，同时拥有306个通道。
所以平时要找出这些棘波的话，临床医生需要耗时三个小时，而用深度学习的算法5秒钟就可以实现一个小时的测量棘波，比起我们人工肉眼看的效率提高了2000倍，而准确率也可以高达99%，完全可以替代人工。
注：上述内容在征得高家红老师同意后，在不改变原意的情况下进行的部分文字整理。
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