Cerebellar DBS during fMRI: initial findings and simulation-informed thermal assessment [NEUROIMAGING PHYSICS/FUNCTIONAL NEUROIMAGING/CT AND MRI TECHNOLOGY]
小腦 DBS 也能安全做 fMRI：最新模擬顯示，病患特異性射頻加熱效應遠低於預期，最大溫升僅 0.6–1.5°C。
- 針對三種小腦 DBS 走線進行 CT 三維重建與電磁模擬，最大溫度上升僅介於 0.6 至 1.5°C。
- 採用 30 秒間隔循環的區塊設計，成功在麻醉病患身上提取出與解剖結構一致的功能性網路活化。
- 安全性具備高度設備依賴性，執行前必須將磁振造影儀切換至嚴密監管 B1+rms 的操作模式。
裝設小腦深層腦部刺激器（DBS）的病患執行功能性磁振造影（fMRI），射頻加熱效應竟低於預期——模擬顯示最大溫升僅 0.6 至 1.5°C。這打破了小腦導線易引發高溫的疑慮，為探討動作障礙網路機制帶來新契機。
小腦 DBS 治療動作障礙：fMRI 掃描的潛在風險
長期以來，DBS（深層腦部刺激器）多半植入於視丘下核或蒼白球內核，用以治療帕金森氏症與原發性顫抖。然而，小腦正逐漸成為極具潛力的新興 DBS 標靶，特別是針對動作不良型腦性麻痺、小腦性共濟失調以及中風後遺症。這些複雜的神經系統疾病往往牽涉廣泛的皮質與皮質下網路，單純依靠靜態的解剖結構影像，極難釐清神經刺激啟動後大腦各個區域如何產生協同反應與功能代償。這使得 fMRI（偵測大腦活動的功能性磁振造影）成為無可取代的評估工具，它能藉由血氧濃度相依對比訊號，在活體內即時追蹤大腦網路受到外加電流刺激時的動態重塑過程。
然而，要讓體內帶有金屬導線與節律器的病患進入強磁場，並進行射頻密集的 EPI（回音平面造影序列）掃描，是一項極具風險的物理挑戰。當磁振造影的射頻發射脈衝與導線長度發生共振時，會導致電磁場在電極尖端高度集中，產生所謂的天線效應。這會將游離的能量轉換成熱能，引發局部腦組織的熱損傷與細胞蛋白質變性。更棘手的是，小腦 DBS 導線的入針點位於後顱窩或枕下區域，其骨骼彎折角度、在頭皮下的盤繞方式，乃至於沿著頸椎向胸前延伸的路徑，都截然不同於常規基底核 DBS 的前額葉路徑。這使得過去為視丘下核建立的射頻安全性模型完全無法直接套用，也是為何在現今各大醫學會的安全指引中，對於此類小腦植入病患的高強度造影始終抱持極度保守的態度。
結合 3 例術後 CT 走線與電磁模擬的雙階段驗證
為了解決上述的臨床擔憂，研究團隊採取了周密的雙階段驗證策略。在研究的第一階段，他們並沒有貿然將病患送入掃描儀，而是先透過 FDTD（計算射頻電磁場的有限時域差分法）等物理模擬軟體，進行高解析度的射頻誘發加熱風險評估。從方法學的細節來看，團隊調閱了三位已接受小腦 DBS 植入病患的術後電腦斷層影像，如 Table 1 所示，這三位病患恰好代表了三種截然不同的硬體擺放方位與皮下盤繞模式。他們將這些解剖構造與整套實體金屬零件精準重建為三維網格模型，並將邊界條件對齊實際掃描儀的 SAR（人體組織吸收射頻能量的比吸收率）與發射磁場限制，藉此精算出電磁能量損耗轉換為溫度的劇烈程度。
在這套複雜的熱力學模擬中，研究人員特別導入了生物熱傳導方程式，將局部腦血流量與腦脊髓液的流動視為天然的散熱系統。後顱窩雖然空間狹小，但豐富的腦脊髓液循環能在一定程度上帶走電極尖端淤積的熱量。確認了三種極端走線在理論上的安全性後，團隊才正式啟動第二階段的活體實測，這也是目前正在進行中的 NCT06122675 臨床試驗的一部分。在活體掃描階段，研究對象為一名處於全身麻醉狀態的小腦 DBS 病患。在具體的造影流程上，研究人員一共收集了三個獨立的運行區段：第一段將 DBS 完全關閉以建立大腦的基線標準；第二段將 DBS 持續開啟以記錄穩定狀態；第三段則採用經典的區塊設計，讓 DBS 執行 30 秒開啟與 30 秒關閉的週期性循環。這種特定切換頻率完美契合了 HRF（血流動力學反應函數）的起伏週期，能夠最大程度地提取出由電流刺激誘發的純粹大腦訊號。
| 研究階段 | 受試對象與條件 | 核心數據與操作 |
|---|---|---|
| 射頻加熱模擬 | 3位不同導線走線的病患 CT 影像 | 預估最大溫度上升 0.6–1.5°C |
| 活體 fMRI 測試 | 1位麻醉狀態的小腦 DBS 病患 | DBS 關閉（Baseline） |
| 活體 fMRI 測試 | 1位麻醉狀態的小腦 DBS 病患 | DBS 持續開啟（Steady state） |
| 活體 fMRI 測試 | 1位麻醉狀態的小腦 DBS 病患 | 30秒間隔 ON/OFF 循環刺激 |
資料來源：NCT06122675 臨床試驗初期報告
Figure 1 模擬：最高溫升僅 1.5°C 的安全區間
把焦點拉到研究的核心成果，模擬數據為後續的操作帶來了極具說服力的定心丸。根據研究數據展示的 Figure 1 模擬結果與文字敘述，針對三種不同小腦 DBS 走線模型的電磁與熱力學計算明確顯示，在設定的特定掃描儀硬體與序列條件下，電極尖端的峰值溫度上升範圍僅落在 0.6°C 至 1.5°C 之間。在神經放射線學的嚴格安全規範中，通常將局部組織溫升低於 2°C 至 3°C 視為不會引發不可逆細胞變性與組織壞死的安全閾值，因此這組最高僅 1.5°C 的數據，強烈暗示了耗時且射頻密集的掃描在特定條件下是絕對可行的。
這個數值之所以具備高度的臨床指標性意義，是因為小腦所在的後顱窩體積受限，且周圍環繞著厚實的骨骼與極其重要的腦幹組織。若是依照過去胸前 IPG（植入胸前的脈衝產生器）連接至額頂部導線的傳統經驗來臆測，往往會以為短距離且盤繞複雜的後頸部走線更容易形成高風險的射頻共振迴路。然而，實際結合真實病患 CT 幾何構造的流固模擬徹底打破了這個物理迷思，證實只要系統阻抗與射頻頻率未產生惡性耦合，熱能累積完全在可受控的範圍之內。這不僅保住了受試者的安全底線，也讓這名单一病患的活體掃描數據具備了符合科學正當性的立足點。若進一步考量到高場強 MRI 的功率沉積特性，這 0.6°C 到 1.5°C 的微小波動也間接證明了線圈發射極限參數的設定極為精準。
30 秒區塊設計誘發的小腦神經活化與訊號陷阱
在順利完成掃描流程後，這名病患的初步功能性數據展示了令人著迷的皮質下連動反應。經歷了 30 秒間隔循環的高頻刺激後，大腦展現出與底層結構解剖學高度一致的刺激誘發活化現象與功能性連結改變。從神經解剖的視角推敲，針對小腦深部齒狀核的電流刺激，其激發訊號理應會沿著齒狀核至視丘的白質路徑向上傳遞，並精準地跨越半球去重塑對側主要運動皮質與輔助運動區的動態網路連結。這種由下而上的直接驅動，為我們理解小腦如何遠端調控肢體張力與不自主運動提供了最直接的活體視覺化證據。
然而，在解讀這份看似完美的腦區活化數據時，必須特別警惕隱藏在實驗設計背後的生理陷阱。活體 fMRI 掃描是在病患處於麻醉狀態下進行的，這是一種無可奈何的妥協手段。雖然全身麻醉能完全消除頭部微小位移帶來的動作假影，並降低病患在狹窄管腔中的焦慮與躁動，但多數麻醉藥劑本身就是強效的神經血管耦合抑制劑。這意味著麻醉會直接改變大腦局部的基礎耗氧率與血管擴張能力，進而大幅扭曲 BOLD 訊號的振幅強度與空間擴散範圍。我們在麻醉狀態下觀察到的網路活化，可能僅僅反映了最強韌的基礎突觸傳導路徑，而無形中過濾掉了清醒狀態下複雜且微弱的感覺回饋與皮質協同處理網路。這種血流動力學的狀態性抑制，是放射科醫師與神經科學家在研讀此類功能性文獻時，必須隨時保持敏銳的判斷盲點。
B1+rms 管控下的適用邊界與放射科最佳化策略
儘管 0.6°C 至 1.5°C 的溫升數據與初步活化結果極具啟發性，作者也坦承了這份初期報告的明顯侷限。最核心的限制在於極小的實測樣本數：雖然熱效應模擬涵蓋了三位不同走線的病患，但真實接受磁振造影測試的僅有單一病患，且評估範圍嚴格受限於研究團隊特定的掃描儀廠牌與造影序列條件。這代表 1.5°C 這個數字絕不能被放大解釋為所有小腦 DBS 病患都能無條件隨意掃描的通用通行證。若更換了主磁場強度（例如從 1.5T 升級至 3T）、使用了不同陣列的頭部發射線圈，或是為了追求高時間解析度而擅自縮短了 TR，電磁場的空間分佈可能會發生非線性的劇變，瞬間突破組織熱損傷的安全紅線。
對於前線忙碌的放射科醫師而言，這篇研究完整示範了如何有憑有據地處理高風險神經植入物的排檢需求。在實際操作場景中，當接收到此類檢查單時，首要任務是查閱原廠最新的條件式相容手冊，並強制將系統切換至嚴密監控 B1+rms（射頻發射磁場的均方根值）的模式，確保數值穩定壓制在 2.0 µT 甚至更低的嚴格限制內。此外，為了對抗 DBS 金屬接點在小腦狹窄區域產生的劇烈磁化率假影與幾何變形，可以考慮適度調降回訊時間並拉高平行造影加速因子（如 GRAPPA），藉由犧牲部分影像的整體訊雜比，來換取植入物周圍更完整的解剖保真度。這不僅是維持影像診斷品質的技術把關，更是對病患生命安全的最高承諾。
面對特殊走線的 DBS，與其盲目拒絕排檢，不如先查明設備的 B1+rms 上限，將射頻熱效應牢牢鎖死在 1.5°C 的安全區間內。