功能磁共振成像自动刺激装置研究进展

王骁冠，祝祯伟，徐雅洁，田浩然，常严，张广才，蒋瑞瑞，杨晓冬

1.中国科学院长春光学精密机械与物理研究所，吉林 长春 130033；2.中国科学院大学，北京100049；3.中国科学院苏州生物医学工程技术研究所，江苏 苏州 215163

功能磁共振成像自动刺激装置研究进展

王骁冠1,2,3，祝祯伟3，徐雅洁3，田浩然3，常严3，张广才3，蒋瑞瑞1,2,3，杨晓冬3

1.中国科学院长春光学精密机械与物理研究所，吉林 长春 130033；2.中国科学院大学，北京100049；3.中国科学院苏州生物医学工程技术研究所，江苏 苏州 215163

栏目主编：杨晓冬

杨晓冬，男，35岁，博士，中国科学院“百人计划”入选者，中国科学院苏州生物医学工程技术研究所副研究员，硕士研究生导师。于 2005 年在中国科学院武汉物理与数学所获无线电物理学博士学位。2005～2007 年赴澳大利亚怀特医学国家研究中心任访问学者。2008～2010 年赴德国慕尼黑工业大学任客座研究员。主要从事磁共振脉冲技术和磁体线圈等关键部件的国产化研发，主持国家自然科学基金、中科院“百人计划”项目、江苏省和苏州市科技项目、中科院外国专家特聘研究员计划、中德科学基金研究交流中心项目等多项国家、省部级项目的研究，发表学术论文30 余篇，拥有专利 15 项。

近年来功能磁共振成像（functional Magnetic Resonance Imaging，fMRI）技术在人类脑科学研究中得到了越来越广泛的应用，用于fMRI的人体感官刺激手段和装置也在不断发展。如何准确认识各种fMRI研究对刺激装置的不同需求，并针对其开发设计适用的刺激装置，正成为脑功能研究中亟需解决的一个难题。本文简单介绍了fMRI对刺激装置的需求背景，着重分析评价了fMRI研究中各类刺激装置的研发和使用现状，归纳了目前fMRI刺激装置在开发和应用方面存在的问题，并基于上述内容对其发展趋势做出展望。本文着力于对该领域作一个全景式的概括，使相关人员通过阅读本文获得对该领域的整体把握。

功能磁共振成像；刺激装置；感官刺激；脑功能成像

0 前言

近代自然科学发展的趋势表明，生命科学将成为21世纪自然科学的重心。分子生物学奠基人之一、诺贝尔奖获得者沃森[1]曾宣称 ：“20 世纪是基因的世纪，21 世纪是脑的世纪。”2001 年 10 月，中国成为参加“人类脑计划”的第 20 个成员国，并开始启动“中华人类脑计划”，国内越来越多的科研院所、高校和医院开展了脑科学各个方面的基础研究和应用研究[2]。作为脑科学研究的基础手段，脑功能成像成为近年来神经科学和心理学中发展最为迅速的领域之一。在各种脑功能成像技术中，功能磁共振成像（functional Magnetic Resonance Imaging，fMRI）技术由于其非侵入、无辐射和高分辨率等特点而成为脑功能成像的一种主要技术手段，使我们能够从整体水平来研究活体脑，在无创伤条件下了解人类在感觉、运动和思维活动时脑功能的活动情况[3]，目前应用最广泛的 fMRI 技术是基于血氧水平（Blood Oxygenation Level Dependent，BOLD）的。

fMRI技术基于不同的生理学原理分为具体的不同技术，它又可分为任务态 fMRI和静息态 fMRI，其中任务态fMRI需要在成像时通过某种刺激装置给被试呈现设计好的刺激任务，进而得到被试对该刺激的脑激活图。由于它发展得最早也最成熟，故如果没有特殊说明，通常所说的fMRI均指任务态 BOLD fMRI，本文下面也遵循这种习惯。

进行 fMRI实验，需要通过外部刺激手段对目标脑功能区进行最大程度的激活，所以首先要尽量排除无关刺激的干扰，实现功能活动的单一化；刺激呈现还要具有较高的时间分辨率，并且要和功能图像采集实现精确的时间同步，以上两点决定了人工对被试进行相应的刺激很难满足实验要求，刺激系统最好为计算机自动控制，并和 MRI仪进行接口通讯。

除了 fMRI，目前研究脑功能的方法还有事件相关电位（Event-Related Potential，ERP）和正电子放射断层扫描（Positron Emission Tomography，PET）等技术。它们在 fMRI技术成熟之前已经为脑功能研究做出了很多贡献，且所用的刺激装置已经发展得较为成熟。这对 fMRI适用的刺激装置设计有借鉴意义，很多 fMRI刺激方案都是从 ERP 和PET 刺激方案上发展过来的，下文中也会涉及一些它们的介绍。

引发人脑功能活动的信息主要是通过感官系统获得的，因此目标脑功能区的激活需要对人类的5种基本感官——视觉、听觉、嗅觉、味觉和皮肤触觉，通过相应刺激装置施加特定刺激作用。本文将上述5种感觉刺激分成了化学刺激和非化学刺激两大类，其中嗅觉刺激和味觉刺激通过化学刺激物来对相应感受器进行作用，故属于化学刺激，它们在刺激装置的设计上有着某些共同点。而视觉、听觉、触觉刺激通过光学、声学、电学、力学等物理方式进行刺激，归为非化学刺激。

以下将先介绍 fMRI对刺激装置的一些通用要求，然后分别阐述各种感觉对应的刺激装置的研究现状，最后归纳fMRI刺激装置目前存在的问题和将来的发展趋势。

1 fMRI刺激装置概述

虽然 fMRI刺激装置可以按刺激感觉的不同进行分类，但是由于它们的使用环境相同，并且从整体上来说都是对人体进行刺激，所以在某些要求和基本组成结构上有很多共同点。

1.1 通用要求

1.1.1 电磁兼容

MRI仪通过主磁场、射频场、梯度场与人体中的质子进行相互电磁作用进而生成图像，所得图像的质量依赖于上述3个磁场的准确度。为了不和其他的电磁设备产生相互干扰，保证 MRI仪的磁场质量，通常将 MRI仪磁体系统置于电磁屏蔽室内。进行 fMRI实验时，刺激装置要对人体呈现刺激，必须部分或全部置于屏蔽室内，所以要采取措施保证它具有良好的电磁兼容性，工作时和MRI仪互不干扰。

1.1.2 不引入无关刺激

目前脑科学研究中一个主要的观点是人脑不同的区块负责不同的功能，通过 fMRI实验可以测得对应不同功能的脑区位置[1]。刺激装置通过对被试呈现设计好的刺激任务，让人脑实时地进行某种功能，同时进行成像，就可以得到相应的脑激活区图像。如果刺激装置在进行刺激呈现时引入了其他的无关刺激，就会产生对应这些无关刺激的脑激活，最终得到错误的结果。所以，保证单一刺激是刺激系统必须满足的要求。

1.1.3 成像同步

fMRI实验要在被试受到刺激时进行成像，即需要刺激呈现和功能成像的时间点统一。为了达到此目的，一般刺激装置要接收 MRI仪发出的同步信号，并以此作为触发刺激的条件。实现精确的时间同步，需要相应的硬件和软件，典型的成像同步模块包括用来接收 MRI仪发出的同步光信号的光电转换器、计算机接口电路和控制软件等。目 前 常 见 的 刺 激 软 件 如 E-prime[4]、Presentation[5]等 均 有同步模块，可实现同步功能。

1.1.4 较高的刺激时间精度

刺激时间精度指的是从MRI仪发出同步信号到被试接收到刺激装置刺激所需的延迟时间，较高的刺激时间精度要求刺激装置的延迟时间尽量短并保持稳定。目前MRI仪采用高时间分辨率的 EPI（平面回波成像）序列已经可以在 2 s左右得到全脑的 3D 图像，故刺激装置的时间精度一般要求在 2 s 以内。

fMRI 刺激装置作为 fMRI实验的辅助设备，完全以实验设计方案的需求为设计导向。虽然 fMRI实验种类繁多，但根据研究问题的不同，它们的实验设计一般可以归结为以下 3 种范式 ：组块设计（Blocked Design）、事件相关设计（Event-Related Design）和混合设计（Mixed Design），它们对时间精度的要求各不相同。其中组块设计在一个较长时间的刺激组块（10～60 s）中给予被试同样的刺激事件，对刺激呈现的时间精度要求相对较低。事件相关设计则是分别地给予被试单个刺激事件，相邻两个刺激事件的间隔时间（Interstimulus Interval，ISI）为 2～20 s，要求更高的刺激时间精度。混合设计是在大的时间段上按组块设计呈现刺激，但在每一组块中按事件相关设计的方法呈现刺激事件，所以也要求高时间精度。此外，在人脑高级功能研究和心理生理学研究等方面，可能会涉及到被试的反馈，为了确定反馈时间等实验数据，得到包含刺激呈现时间点、被试反馈时间点和 MRI成像时间点的时间轴，会更加注重刺激装置的时间精度要求[6]。

由于不同刺激方式的原理不同，它们实现同样的刺激时间精度的难度也不同。一般来说，视觉、听觉刺激可以较容易地达到毫秒级的时间精度，而嗅觉、味觉、触觉刺激要达到相同的时间精度，需要更复杂的方案和更高的成本。

1.1.5 刺激强度可控

为了对刺激进行量化，引入刺激强度的概念。对于不同感觉的刺激，刺激强度的概念也有所不同。但总的来说，刺激系统的刺激强度要求可以调节，范围在人体感觉阈值到引起人体损伤的临界值之间。当进行脑科学、神经科学的基础研究时，刺激强度可以作为一个实验变量，对脑激活产生相应的不同影响。在进行其他方面的研究时，也要求刺激强度确定，以进行实验之间的对比。

1.2 刺激装置的基本结构

fMRI 刺激装置作为 fMRI 整体设备的一个系统，在功能层面可分为控制子系统和执行子系统，一个完整的fMRI刺激系统的典型结构，见图 1。其中，控制子系统软件要和刺激序列设计软件进行联合或集成，按照设计好的刺激序列产生并发出相应的刺激指令，并负责对执行子系统进行状态监控。执行子系统接收控制子系统发出的指令，通过驱动模块使执行机构产生相应的感官刺激动作，实现对被试的刺激呈现。在某些实验中还会加入反馈子系统，如反馈键盘等，以得到被试对相应刺激的反馈；或者加入生理监测子系统，如眼动仪、呼吸带等，测量被试在受到刺激时的生理状态，甚至根据被试的生理状态触发特定刺激。

图1 一种完整fMRI刺激系统的典型基本结构图

2 化学刺激

化学刺激是指通过某些化学物质对人体的特定化学感受器进行刺激，如嗅觉刺激和味觉刺激。

化学刺激装置要在给定的时间点将某种物态（气态或液态）的物质投送到相应人体感受器的位置（如鼻腔或舌面），并在此过程中严格控制刺激物的温度、湿度等状态以不引起其他无关的干扰刺激。这种投送是基于流体力学原理进行的，在时间精度上相对光、声刺激更难控制。另外，此类刺激的刺激强度取决于刺激物的浓度，它的控制相对非化学刺激也更困难。刺激开始后刺激物的浓度从零逐渐增加到最大值，有一个过渡过程，通常要求这个过渡时间尽量短，以达到更高的时间分辨率。最后，相对于视觉、听觉和触觉来说，嗅觉、味觉这些化学感觉随着刺激时间的加长更容易产生感觉疲劳现象，导致被试对刺激物的敏感度降低，不利于 fMRI实验的进行。综上，化学刺激类刺激装置的设计比非化学刺激类刺激装置的设计更加复杂。

2.1 嗅觉刺激

嗅觉刺激装置向被试提供含特定气味分子的气体，激活其嗅觉功能。鼻腔中含有三叉神经末梢，为了不引入对其的触觉刺激，刺激气体应该满足温度、湿度、流速均可调节。对于嗅觉刺激来说，刺激强度具体表现为气体中气味分子的浓度，一般要求浓度在实验时保持基本稳定，有些情况还要求其可以量化调节。

除了要满足 fMRI刺激装置的通用要求，有些嗅觉刺激装置还需要具有呼吸同步触发功能。人体的呼吸活动由呼气、吸气两个过程交替进行，嗅觉刺激的呈现应该在吸气相进行，在呼气相停止，故这类刺激装置要能够自动或手动监测呼吸状态，并根据其状态触发刺激。

嗅觉刺激装置的研究目前还处于起步阶段，从事专门刺激装置研究的单位较少，尚未有成熟的标准解决方案，只有国外少数厂家有商用产品，如 Burghart公司、ETT 公司。其中 Burghart公司的嗅觉刺激器采用了外接 PC 控制，而 ETT 公司的产品使用了嵌入式系统控制，更加小巧 ；国内尚未见商用产品。此外，国内外有很多研究嗅觉神经机制的实验室根据自身需要搭建了一些实验装置，它们在功能上各有侧重，结构上有简有繁，为嗅觉刺激装置的研究提供了可参考的方案，具体如下所述。

1997 年，Sobel[7]等设计了一套较为复杂的嗅觉自动刺激装 置， 它 的 气路设计采 用 1985 年 Kobal[8]提 出 的 原理，使用气泵向被试连续地提供两种气味气体，通过控制真空泵从被试鼻端附近的气路汇集管中将其中一种气味气体抽出，达到切换气体的目的，实验采用了组块设计范式，没有考虑呼吸同步的问题。1999 年，Lorig[9]等提出了另外一种刺激装置方案，这种方案的气路设计中不需要真空泵，而是通过一系列电磁阀控制气味的选择与切换，结构相对简单，造价更低，可以在一次实验中使用多种气味气体，但气体的切换速度不如 Kobal的方案，另外它采用了呼吸带监测人体的呼吸状态并由计算机控制其在被试吸气时释放刺激。2004 年，Popp[10]等开发了一种呼吸同步式封闭嗅觉刺激装置，该装置可以在线监测受试者呼吸状态，在吸气时同步提供嗅觉刺激，刺激切换响应时间短，可提供多种气味刺激，此外带有废气排出管路，整体气路封闭，是一种较好的嗅觉刺激方案。2007 年，Johnson 和Sobel[11]提出了一种有特色的嗅觉刺激器，它们通过对气味输出浓度变化的研究，开发出了一种可以输出确定浓度气体的配件，任何开发者都可以通过使用他们的这种气体着味配件方便地得到所需要浓度的气体。2009 年，有慧[12]等使用改进的国产 OEP-98C 型嗅觉诱发电位仪进行了事件相关设计的嗅觉 fMRI研究，该装置为开放式气路设计，采用呼吸带监测被试呼吸，通过手动触发实现呼吸同步。此外，还有其他一些实验室搭建了各自的实验刺激 装 置（2006，Lowen 和 Lukas[13]；2010，Cuevas[14]等 ；2010，Lundstrom[15]等 ；2012，Sommer[16]等 ）， 它 们 采 用的大都是 Lorig 的气路方案（或其改进方案），也都能达到较好的效果。

目前嗅觉 fMRI的研究和应用都还在探索阶段，不同研究课题会有不同的实验方案，对刺激装置的功能、性能要求也不同，所以会产生上述的种种不同方案。刺激装置的功能、性能和它的搭建成本成正比，对实验室为某项课题搭建的专用刺激装置来说，应该看它是否用最少的成本满足了实验需要，而不是功能越多越好，性能越强越好。但对商用的通用刺激装置来说，刺激装置的功能越多、性能越强，它就会有越广泛的应用。一般情况下，研究人脑高级功能的实验会对刺激呈现的时间精度和强度控制提出更高的要求，也就需要设计更加复杂的刺激装置。

综上所述，fMRI专用的嗅觉刺激技术储备已经比较丰富，目前的研究基本上满足了刺激装置需要具备的5项通用要求，相信随着嗅觉 fMRI应用的扩展，商用产品会进一步增加。

2.2 味觉刺激

味觉刺激一般通过将刺激物溶液送到舌面味蕾来进行。相对于嗅觉刺激，味觉刺激难度更大，主要体现在以下 3 点。① 舌面除了味蕾感受味觉刺激外，还有其他神经可以感受到皮肤触觉和温度觉，这种生理结构使得在进行刺激时会不可避免地引入无关刺激 ；② 味觉刺激要将溶液不间断地通入舌面进行，如何排出溶液也是必须考虑的问题，如果被试自行咽下，会产生头部运动，进而产生运动伪影，故最好要设计口腔内的排液装置进行排液 ；③ 进行刺激时，刺激溶液会残留在舌面，有味刺激完成后进行无味刺激时要经过较长时间将其冲洗掉，这会使试验时间延长，进而产生味觉疲劳，所以设计时还要考虑如何尽量少地将刺激溶液残留于舌面。

目前商用的味觉刺激器还非常少见。2011 年，Burghart公司推出了首台商用味觉刺激器 Burghart GU002[17]，它采用了模块化设计，可以通过增减模块实现在一次实验中使用2～5 种刺激溶液。另外，它还集成了溶液加热模块来避免温度刺激；在舌面的溶液出口使用了喷雾装置尽量减小触觉刺激；采用了间隔很小的脉冲刺激方式来提高时间分辨率，同时在一个刺激组块中使被试不会感觉到明显的刺激间隙。

除了商用刺激装置，一些实验室也自行搭建了味觉刺激装置来进行各种研究。2007 年，Veldhuizen[18]等人提出了一种味觉刺激方案。该方案设置了 11个独立的由计算机控制的可编程注射泵，在一次实验中可以最多使用9种刺激溶液（剩下两种分别是控制溶液和冲洗溶液），每个注射泵的流速可以控制在 6～15 mL/min 之间，11 个支路管道穿过屏蔽室波导管，到达垂直固定在头部线圈上的汇流管，汇流管出口下方通过小孔将刺激溶液导向一个小球表面，被试舌面在实验中要一直接触该小球，从而达到刺激目的。由于溶液流量很小，故该方案没有设计排液装置，需要被试周期性地将溶液吞咽下去。2011 年，Nakamura[19]等人提出了一种纯味觉刺激方案。该方案的口腔部件采用新颖的结构方式，将味觉刺激溶液直接投送到对味觉敏感的舌头侧边缘，同时刺激溶液通过回液管流出，这种通过式味觉刺激方式避免了常见味觉刺激中因不时吞咽刺激液体而产生的吞咽动作，从而避免了吞咽运动伪影的产生，实现了味觉的精确刺激。

由于实现精确味觉刺激的技术难度大，目前味觉刺激装置的研发还处于初步阶段，特别是对于上述的5项通用要求中的“不引入其他刺激”，还需要进一步研究。

3 非化学刺激

非化学刺激即除嗅觉、味觉刺激之外的其他刺激，包括视觉刺激、听觉刺激和触觉刺激。它们不需要刺激物，在时间和强度上比化学刺激更易于控制。由于电子技术和信息技术的飞速发展，此类刺激装置的设计越来越简单，刺激呈现的可靠性和可重复性也更好。相对于嗅觉和味觉，视觉、听觉、触觉对人类来说更加重要，应用更广泛，在大脑中激活范围也更大。所以，目前各种 fMRI应用研究主要通过非化学刺激方式（尤其是视觉刺激）进行，其中视听觉刺激装置发展已经较为成熟。

3.1 视觉刺激

视觉刺激在人类受到的外界神经刺激中占了绝大部分，进入大脑的信息 70% 以上是通过视觉系统接收的，故视觉刺激是利用 fMRI进行脑科学研究时应用最频繁的一类刺激。它不仅用于简单视觉通路的研究，还可以通过文字、图片、动画传达给人具体、直观、丰富的信息，作为探索大脑的记忆、思维、情感等高级功能时外界信息的输入口。

视觉刺激装置通过屏幕将设计好的视觉刺激内容按要求精确呈现给被试，可分为反射式和直视式两种。反射式刺激装置用放置在 MRI仪前面或后面的投影仪幕布或 LCD屏幕显示刺激内容，然后通过固定在头部线圈上的棱镜或平面镜将其反射到被试视野中，这种方案构造简便，成本较低，应用广泛，但要求被试实验中必须一直注视屏幕，做长时间实验时，被试容易走神，视线偏离屏幕，此时会降低实验的可靠性。直视式刺激装置使用光纤传导刺激内容，并将其显示到镜筒中的小屏幕上，可以使被试直接通过贴近眼睛的镜筒观看刺激信息，避免了其他无关刺激的干扰，提高了实验可靠性，但此方案结构复杂，技术难度较大，成本较高。另外还有一些视觉刺激装置为了满足更多的应用要求，集成了眼动监视系统，可以实时地监视被试眼球凝视点，获得更多的被试生理信息。

对于视力不正常的被试者，为了能够顺利地进行刺激呈现，要给他们佩戴相应的视力校正镜（即近视或远视镜片）。因为通常的眼镜镜架会有金属存在，为了满足电磁兼容要求，必须设计专门的塑料眼镜架和配套镜片，作为视觉刺激装置的配件。

目前，商用视觉刺激装置产品很多，实验室和医院一般都直接购买使用。国内外一些主要厂家有 Invivo、CRS、NordicNeuroLab、Avotec、Resonance Technology 公司以及深圳美德公司等。

3.2 听觉刺激

听觉刺激装置要将音频信号按特定要求精确地呈现给被试。它一般和被试监控装置集成在一起，通过双向语音传输系统实现。被试端设有耳机和拾音器，它们穿过屏蔽室波导管接到控制室的语音控制台上，控制台连接控制室内的音箱、麦克风和计算机。这样，系统既可以用于操作人员和被试沟通，也可以播放计算机中设计好的音频刺激文件形成听觉刺激。

由于 MRI仪的强磁场影响，刺激装置中的被试耳机不能采用普通的动圈式耳机，只能采用气导式、压电式或静电式耳机。如果采用压电式或静电式耳机，还要选用高阻抗的线缆，并在耳机线缆之前加装RF滤波模块，滤掉影响 MRI仪 RF发射和接收的频带，以免对成像质量造成不良影响。气导式耳机结构简单，故常见的耳机为气导式耳机。

另外，MRI仪在成像过程中切换梯度时会产生较强的噪声，故对耳机附加的一个功能要求是要尽量屏蔽外界噪声，否则会引入无关刺激，影响实验的准确性。常见的降噪方式为被动降噪，通过全覆式耳机并且内置声屏蔽材料来实现，降噪效果一般可达到 30 dB 左右。有些头部线圈空间较小，不能容纳全覆式耳机，只能采用入耳式耳机，达不到被动降噪的效果。如果想进一步减少噪声，必须加装主动降噪模块，通过实时监测环境噪声，产生与噪声信号相反的音频信号达到抵消噪声的目的。

在生产厂家方面，有些MRI设备厂家会自带被试监控系统，可以用来进行听觉刺激。也有一些专业的刺激装置 生 产 厂 家 有 相 关 产 品， 如 Sensimetrics Corporation、MR CONFON、Avotec、Imagilys、NordicNeuroLab、Invivo、 深 圳美德公司等。

3.3 触觉刺激

触觉是一种复杂而广泛的感觉，具体可分为触压觉、痛觉和温度觉。人体的触觉器遍布于体表皮肤内，但在不同部位的分布有所不同，导致感受特性存在差异。目前皮肤触觉 fMRI主要还处于实验研究阶段，主要是通过手、脸、足等部位的刺激研究人体的触觉机制。

触觉刺激的方式多种多样，实现手段五花八门，可以通过振动、气流、图案、电流、针刺、激光、温度等方式进行，其中通过图案进行刺激时可以通过印有不同图案的压块让被试进行辨别实验，用于研究人脑的触觉与运动、记忆、分析等高级功能的关系。国外研究者对触觉 fMRI的研究比较全面，上述各种刺激手段均有涉及，并针对不同刺激手段搭建了多种复杂的自动刺激装置。相对而言，国内的相关研究较少，内容主要集中在比较容易实现的针刺穴位、电流、温度刺激等方面，刺激手段也基本都是人工进行。以下对几种典型刺激手段分别作一些介绍。

3.3.1 触压觉刺激

触压觉刺激主要通过振动、气流和图案等方式来呈现。

给予被试振动刺激时可以通过不同的原理方案进行，其中通过气动装置实现振动刺激应用较为广泛。2009 年，Chakravarty[20]等设计了一种对整个手掌进行振动刺激的装置，它采用气动原理，通过控制两路气体的流速使得握在被试手中的一个刺激棒产生 40～50 Hz 的振动，达到刺激效果。2010 年，Gallasch[21]等设计了一种对单个手指进行振动刺激的装置，它用尼龙搭扣将一个小气囊环绕固定在手指上，气路系统对小气囊中的气体气压以 1～20 Hz 的频率进行周期性改变，达到振动刺激目的。通过压电陶瓷实现振动刺激也是一种较好的方案，2005 年，Gizewski[22]等搭建了一种基于压电陶瓷的触觉刺激装置进行了 fMRI研究， 该 装置是 2002 年 Uffmann[23]等 为 进 行磁共振 弹 性 成像（Magnetic Resonance Elastography，MRE） 而 设 计 的，它有两个优点，一是可以进行高频刺激（0～300 Hz），二是可以通过精确地调整振幅（0～1 mm）来调整刺激强度。另外还可以采用纯机械的方式产生振动刺激，2002 年，Golaszewski[24]等设计了一种通过机械传动产生振动刺激的装置，其中电动机在屏蔽室外，一根起传动作用的碳纤维挠性轴穿过波导管进入屏蔽室，接到内含偏心转子的振动头上，最终可以产生频率可调（1～30 Hz）、幅值可调（0.5～4 mm）的振动刺激。

给予被试气流刺激的典型设计可以参考 2007 年 Huang和 Sereno[25]进行的研究，他们设计的气流刺激装置可以同时独立地控制 12条气路对被试的脸部和手部进行刺激，优点是可以用于大面积刺激且适用于体表的任何刺激部位。

给予被试图案刺激以研究人脑的触觉信息处理机制也是目前触觉 fMRI研究的热点之一。2006 年，Ingeholm[26]等人开发了一种螺旋轴式多模触觉刺激装置。整套装置采用旋转轴式结构，在刺激鼓盘上有大量图案或文字随着转轴旋转而切换，整个鼓盘还可实现轴向振动。为了避免手指运动对脑功能激活的干扰，该装置还设有手指位置控制机构对手指的位置和触压力度进行控制。整套装置采用计算机控制,可以实现振动、空间图案和文字的联合刺激，并精确控制刺激参数，具有良好的刺激重复性，是一种较好的触压觉刺激方案。此外还有一些研究者也设计了其他图案刺激装置来研究此类问题，如 2007 年的 Dykes[27]、2010年的 Lane[28]、2011 年的 Yang[29]等。

3.3.2 痛觉刺激

痛觉刺激主要通过电流、针刺、化学刺激物、激光等手段进行。通过电流进行的痛觉 fMRI研究国内外都很多，主要是因为可以采用通用的医用诱发电位仪产生直流电脉冲进行刺激，而且刺激强度、频率、时间都比较 容 易 控 制[30-31]。 通 过 针 刺 手 段 进 行 痛 觉 fMRI 的 研 究在国内近年来也很多，主要用来探索中医穴位针灸的神经机 制， 但均 为 人工 刺 激[32-34]。 也 有使 用 电针 联 合 刺 激 的fMRI的研究，刺激装置为细针和医用低频脉冲电子治疗仪等[35-36]。国外有一些自动化的针刺刺激装置，2008 年，Dresel[37]等设计了一种使用 von Frey 丝的针刺刺激装置，它通过控制双作用气缸产生往复运动，再经过传动系统最终形成 von Frey 丝的往复运动，达到针刺效果。该装置同时可以独立地控制 8 路刺激，刺激的最高频率是 10 Hz，可以通过使用不同的 von Frey 丝达到改变刺激强度的目的，由于采用了柔性的刺激头固定方案，刺激位置可以任意调整。另外，也有通过化学刺激来产生一些特殊部位痛觉刺激的研究，如使用嗅觉刺激装置通过 CO2气体对鼻腔内三叉神经末梢产生痛觉刺激等[38]。最后，还可以采用激光进行痛觉刺激，2010 年，Pott[39]等人开发了一种适用于磁共振环境的激光痛觉刺激装置，该装置利用可控性好的激光光源作为刺激源，利用激光的热效应产生痛觉刺激。为了避免激光热效应在皮肤表面的热积聚造成实质性皮肤灼伤，该装置设计了一种小巧的气动激光光斑移动结构，通过不断地改变光斑位置避免热积聚，从而防止热灼伤。整个装置体积小，时间精度高，刺激强度也容易控制，是一种较好的痛觉刺激方案。

3.3.3 温度觉刺激

进行温度觉 fMRI研究时，需要给予被试冷热刺激，一般通过让被试刺激部位接触具有不同温度的物体表面来实现。为了对刺激温度进行精确控制，通常以帕尔贴效应（Peltier Effect）为原理搭建刺激装置，目前已经有公司推出了 fMRI适用的此类产品，如 Medoc 公司的 PATHWAY产品，可以在 -10～54℃范围内以最快 70 ℃ /s 的切换速度进行温度刺激。一些研究者使用 Medoc 公司的刺激装置进 行 了 相 关 课 题 研 究（1999 年，Becerra[40]等 ；2012 年，Chen[41]等）。

目前触觉 fMRI的研究和应用同嗅觉、味觉 fMRI 一样，都还在探索阶段，不同研究课题会对刺激装置有不同的需求，再加上触觉刺激方式和部位的多样性，导致产生了上述种种不同方案。将来随着触觉 fMRI技术的成熟和其应用的扩展，可能会出现标准的触觉刺激方式和对应的刺激装置。

4 问题和展望

4.1 问题

虽然视觉和听觉在人类感知外界信息方面处于主导地位，但嗅觉、味觉和触觉3种基本感觉仍必不可少，并在某些方面具有独特的作用。脑功能涉及到很多方面，对脑功能进行全面的研究需要科学完备的功能刺激方案和装置，因此，嗅觉、味觉和触觉刺激装置在一些 fMRI研究中有着明确的需求。目前功能磁共振自动刺激装置面临的主要问题是，对这3种感觉的刺激，成熟的刺激手段和商用装置还相对较少，标准的刺激范式也还没有建立。随着fMRI研究的不断深入和拓展，非视听类刺激装置的需求将日益迫切。

fMRI刺激装置的发展和 fMRI研究是相互促进、相辅相成的。一般来说，研究的脑功能越高级，对刺激装置的功能、性能要求就越高，刺激装置就越复杂。在嗅觉、味觉、触觉刺激方面，目前国内缺乏复杂刺激装置已经成为了限制高级脑科学研究的因素之一。

4.2 趋势展望

脑神经科学的发展使得 fMRI的研究不断成熟，这将会逐渐完善其刺激装置的功能及性能，同时促进刺激装置的标准化、集成化、智能化，具体内容如下。

首先，fMRI刺激装置的发展趋势是其功能越来越丰富、性能越来越高、商用产品越来越多，将来可以适用于更多的要求、更高的 fMRI实验方案，提高刺激呈现的准确性，进而提高实验的可靠性。

其次，刺激装置的标准化也是它的发展趋势之一。标准化是一个学科成熟的标志，随着脑功能学科的不断发展，一些典型的 fMRI实验会形成“标准实验”，用于临床应用。另外，研究者会总结出一些最为合理的“基本刺激事件”，只要重新按时间排列组合这些“基本刺激事件”就可以形成自己需要的刺激序列。这些 fMRI实验设计的标准化会同时带来刺激装置的标准化。

此外，未来各种刺激装置的集成化程度会更高。随着fMRI研究的广泛开展，成套的综合刺激装置的需求将越来越多，非视听类刺激装置将成为 fMRI综合功能刺激装置的必要组成部分。比如，人的视觉、听觉、味觉、嗅觉刺激都集中在头部，所以将来可能将这4种刺激装置以及头部线圈集成于一个装置中。另外，痛觉、温度觉、触压觉刺激属于触觉刺激，它们也可以集成于同一装置，装在一个可以任意移动位置的机械臂上，构成多功能的综合触觉刺激设备。通过融合所有感觉的刺激方案，未来的综合刺激装置可以在一次实验中引入多种刺激方式，为深入研究人脑功能机制提供实验条件。

最后，智能化也是刺激装置的发展趋势之一。未来的刺激装置在人机交互方面会更加智能，系统的可操作性更好，操作者只要设计好刺激序列，剩下的刺激呈现将由刺激装置自动完成。此外，在实验设计上也更加智能化，由现在的面向刺激过程的实验设计转变为面向具体研究功能的实验设计，根据研究者的研究内容，刺激装置会自动引导实验设计人员生成所需刺激序列，使实验设计过程更高效简便。

5 结论

fMRI自动刺激装置是进行脑功能成像必不可少的辅助设备，为神经系统功能研究提供了极大的便利性，在 fMRI设备中占有重要的地位。它可以精确地自动对被试进行各种所需的刺激，激活相应脑区，在基础研究和临床应用中有着广泛的应用前景。fMRI 刺激装置的发展和 fMRI 研究是相互促进、相辅相成的，随着 fMRI研究的需要和工程技术的进步，fMRI刺激装置在功能和性能上将更强大，对功能神经影像学的发展做出更大贡献。

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Advances in Automatic Stimulation Devices for functional Magnetic Resonance Imaging

WANG Xiao-guan1,2,3, ZHU Zhen-wei3, XU Ya-jie3, TIAN Hao-ran3, CHANG Yan3, ZHANG Guang-cai3, JIANG Rui-rui1,2,3, YANG Xiao-dong3
1 Changchun Institute of Optics, Fine Mechanics and Physics, Chinese Academy of Sciences, Changchun Jilin 130033, China; 2 University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China; 3 Suzhou Institute of Biomedical Engineering and Technology, Chinese Academy of Sciences, Suzhou Jiangsu 215163, China

In recent years, functional magnetic resonance imaging(fMRI) has been more and more widely used in researches of human brain science; the sensory stimulation means and devices for fMRI are also developing. How to correctly understand the various needs of fMRI studies on stimulation devices and develop appropriate stimulation devices, is now a problem for fMRI researchers. This paper briefly describes the needs background for fMRI stimulation devices, focuses on the various available stimulation means and devices in fMRI study, then summarizes the existing problems of fMRI stimulation devices, and finally discusses its development trend. We try to do a comprehensive summary of this field and let readers get a general knowledge of it.

functional magnetic resonance imaging; stimulation device; sensory stimulus; cerebral function imaging

R445.2

A

10.3969/j.issn.1674-1633.2013.01.001

1674-1633(2013)01-0001-08

2012-11-20

国家自然科学基金（11105096）；苏州市应用基础科技项目（SYG201125）。

本文作者：王骁冠，中国科学院苏州生物医学工程技术研究所研究生，于2011年在湖南大学获机械设计制造及自动化专业学士学位，研究方向为功能磁共振成像技术与设备。

杨晓冬，博士，中国科学院苏州生物医学工程技术研究所副研究员，研究生导师。

通讯作者邮箱：xiaodong．yang@sibet．ac．cn