功能磁共振成像原理简介

1、功能磁共振成像原理初步功能磁共振成像原理初步报告人：陈路遥2015年6月5日第一部分第一部分 功能磁共振成像的背景知识功能磁共振成像的背景知识1 1 解题解题u功能？u（核）磁？u共振？u成像？功能磁共振成像（fMRI）是众多脑成像技术中的一种，其他成像技术有近红外光学成像（fNIRS）与弥散张量成像（DTI）等。1.1 1.1 功能功能u核磁共振产生的两种图像：（1）结构像（2）功能像脑的基本组分：灰质、白质和脑脊液灰质灰质白质白质脑脊液脑脊液1.2 1.2 （核）磁（核）磁u（核）磁无放射常见问题：功能磁共振成像对人体有害吗？你看，不是有“核”吗？！确实，“核”指“原子核”所言不虚，但功能

2、磁共振成像只与原子核的磁场相关，与原子核聚变、裂变等的能量放射并无关系。1.3 1.3 共振共振u定义：能量从一个振动着的物体传递到另一个物体，而后者以前者相同的频率振动。1.4 1.4 成像成像u结构像的成像原理与功能像的成像原理基本相同。u前者是对大脑内各组分中特定原子核（如氢原子）的磁共振信号的收集。u后者则是对BOLD信号的采集。u因此有必要分说两种图像的成像机制。2 fMRI2 fMRI的主要特点的主要特点u空间分辨率相对较高定位u时间分辨率不如ERP（事件相关电位，俗称“脑电”）3 fMRI3 fMRI的发展历史的发展历史u1920-1940：基本物理概念的建立u1946-1950

3、s：核磁共振现象的发现与应用（非生物上的应用）u1970s：磁共振成像-MRI（生物上的成像）u1980s：磁共振成像应用于医学（结构像）u1990s：功能磁共振成像-fMRI（功能像）3.1 3.1 基本物理概念的建立基本物理概念的建立u1924.Wolfgang Pauli被激活的原子出现谱线分离：原子核在离散的频率上自旋。u1937.Inidor Rabi发现共振：如果外加变化磁场的频率与原子核自旋一致，原子核就会吸收磁场的能量。3.2 3.2 对固体的磁共振成像研究对固体的磁共振成像研究 u1946.Bloch 和 Purcell蜡的导电性研究自此，核磁共振成像技术进入物质成分检测的阶

4、段。3.3 1970s3.3 1970s：利用：利用NMRNMR原理进行成像（生物体原理进行成像（生物体上）上）uPaul Lauterbur：空间梯度的概念（定位）uPeter Mansfield: echo-planar imaging-EPI概念解决了快速成像的问题。3.4 1980s3.4 1980s以降以降u1980s：MRI仪器商品化，广泛应用于临床。注意：1977. 第一台扫人的MR扫描仪问世（0.05T）。u1990s：fMRI技术诞生。注意：1990: Ogawa报告了大脑皮层微血管（毛细血管）中血氧的变化，会引起局部磁场均匀性变化，从而引起NMR信号强度的变化，称血氧水平依

5、赖性（BOLD）。趣闻：为了更好地推广fMRI技术，医疗卫生机构逐渐删去“核”（字母“N”）以免除病人对“核放射”的恐惧。4 fMRI4 fMRI设备的构成设备的构成u目前在市场上购买一套fMRI设备需要多少人民币？u设备构成：（1）主磁体 (Static Magnetic Field)磁化（2）射频系统 (Radiofrequency Coil)共振，激发与接收信号（3）梯度系统 (Gradient Coil)定位（4）计算机系统（5）其他辅助设备（空调、液氮及水冷却系统、激光照相机、生理指标监视器等）u掌握一个基本概念：磁场感应强度（B B）主磁体的主要指标u北师大目前拥有的fMRI仪器主

6、磁体的磁场感应强度是3T。单位T读作“特斯拉”。磁场的其他单位：磁场的其他单位：高斯（gauss, G）： 1高斯为距离5安培电流的直导线1厘米处检测到的磁场强度。特斯拉（Tesla,T）： 1 T = 10000G北极：0.7G，赤道：0.3G第第二二部分部分 功能磁共振成像的功能磁共振成像的物理学原理物理学原理1 1 原子的结构原子的结构原子电子原子核质子中子2 2 原子核的自旋原子核的自旋u原子核像地球一样可以围绕着中轴进行自我旋转。u我们选用H原子（H质子）（1）H原子的质子数为奇数；（2）H原子占人体原子的绝大多数, 水和脂肪。通常所指的MRI为氢质子的MR图像。u通常情况下，尽管每

7、个质子自旋均产生一个小的磁场，但呈随机无序排列，磁化矢量相互抵消，人体并不表现出宏观磁化矢量。3 3 静磁场中的原子自旋静磁场中的原子自旋u加入一个静磁场之后的原子自旋状态。u能态哪一块物体更容易保持？4 4 原子的进动频率原子的进动频率u原子的自旋与进动u纵向磁化与横向磁化纵向磁化与横向磁化（1）处于低能状态的质子略多于处于高能状态的质子，因而产生纵向宏观磁化矢量两者之间的差产生纵向磁化。（2）尽管每个质子的进动产生了纵向和横向磁化矢量，但由于相位不同，因而只有宏观纵向磁化矢量产生，并无宏观横向磁化矢量产生。5 5 核磁共振的微观与宏观效应核磁共振的微观与宏观效应u能态的跃迁通过外来射频给低

8、能的氢质子能量，氢质子获得能量进入高能状态，即核磁共振。射频取消，氢质子回到低能状态。5.1 5.1 微观效应微观效应u磁共振现象是靠射频线圈发射无线电波（射频脉冲）激发人体内的氢质子来引发的，这种射频脉冲的频率必须与氢质子进动频率相同，低能的质子获能进入高能状态。5.2 5.2 宏观效应宏观效应u射频脉冲激发后的效应是使宏观磁化矢量发生偏转。u射频脉冲的强度和持续时间决定射频脉冲激发后的效应。中等能量中等能量(90脉冲脉冲)(180脉冲脉冲)6 6 驰豫与驰豫时间驰豫与驰豫时间u“出来混，迟早要还的！”横向弛豫: 横向磁化矢量减少,直至到0状态的过程。 纵向弛豫: 纵向磁化矢量开始恢复，直至

9、恢复到平衡状态的过程。u“纵向驰豫时间”（T1）：90度脉冲关闭后，在主磁场的作用下，纵向磁化矢量开始恢复，直至恢复到平衡状态的纵向磁场强度63%所需的时间，反映组织T1弛豫的快慢。u“横向驰豫时间”（T2）：指90度脉冲关闭后，横向最大磁化矢量减少了63%所需的时间，反映组织T2弛豫的快慢。u弛豫时间与质子密度有关！6.1 6.1 纵向驰豫时间纵向驰豫时间T1T1)1 (1/0TtzeMM6.2 6.2 横向弛豫时间横向弛豫时间T2T22/0TtxyeMM6.3 T16.3 T1与与T2T2的比较的比较uT1T26.4 6.4 加权成像加权成像u比一比T1像T2像7 7 重复时间（重复时间（

10、TRTR）与回波延时时间（）与回波延时时间（TETE）uTR：连续施加两个90度脉冲之间的时间间隔。uTE：射频脉冲停止后等待一小段时间接受信号，这个时间间隔就是TE。2/)(TTEzxyeTRMMTRMz0t7.1 T17.1 T1与与TRTR、T2T2与与TETE的关系的关系uT1与T2是组织的固有特性，而TR和TE可以被操作者控制和调整。长长TR减少减少T1的作用，短的作用，短TR增加增加T1的对比。的对比。短短TE减少减少T2的作用，长的作用，长TE增加增加T2的对比。的对比。u加权成像中TR与TE的配列很重要！8 8 脉冲序列脉冲序列u在MR检查中反复施加的射频脉冲序列，其中包括了T

11、R或TE等参数。9 9 层厚的选择层厚的选择u基本概念：像素（pixel）、体素（体元，voxel）u层厚的选择与梯度场强和射频带宽有关。公式：层厚=带宽/梯度场强u确定层厚之后就可进行选片。10 10 傅立叶变换傅立叶变换u一种数学运算，可以实现信号在时间域和频率域中进行等效变换。u时域呈现的是“图像空间”（image space），而频域呈现的是“k空间”（k-space）。11 11 频率编码与相位编码频率编码与相位编码u频率编码：即进动频率编码，指在信号采集的同时在某方向上施加一个梯度磁场，从而使得此片层的信号中沿频率编码施加的方向上各列的拉莫尔进动频率各不相同。接收到的总频率成分信号

12、接收到的总频率成分信号可以通过傅立叶变换来加可以通过傅立叶变换来加以区分，从而得到以区分，从而得到各列各列的的进动频率。进动频率。u相位编码：指在射频脉冲结束以后，信号采集之前，沿某方向施加一段时间的梯度磁场，使得在相位编码结束以后沿相位编码方向上各象素点对应的原子核磁化矢量的进动相位各不相同。因此，因此，k-space中的每一个像素都是由频率和相位进行编码的！中的每一个像素都是由频率和相位进行编码的！12 12 图像重构图像重构uk-space的信息即为rawdata。u将rawdata通过傅立叶反变换来还原到image-space中，形成我们想要得到的结构像。u成像时间的问题：脉冲序列的类

13、型关系到成像时间的久暂。13 13 小结小结u原子核自旋原子核进动频率共振u射频线圈根据一定的脉冲序列激发与接收信号u脉冲序列与组分的弛豫时间和人为选择的TR、TE有关u确定层厚后进行扫描u将扫描得到的信号（k-space中，已经得到了频率和相位的编码）进行傅立叶反变换，重构图像。第第三三部分部分 功能磁共振成像的功能磁共振成像的生物生物学原理学原理1 1 观测大脑的三个基本位置观测大脑的三个基本位置轴位轴位冠状位冠状位矢状位矢状位2 2 大脑的分叶大脑的分叶3 3 脑内毛细血管与血红蛋白脑内毛细血管与血红蛋白u毛细血管运输的血红细胞中含有血红蛋白。u带氧分子的血红蛋白称为“氧合血红蛋白”（H

14、b），不带的则 称 为 “ 脱 氧 血 红 蛋 白 ”（dHb）。u氧合血红蛋白磁化率低，具抗磁性(磁场）u脱氧血红蛋白磁化率高, 具顺磁性 (磁场）4 BOLD4 BOLD信号信号u血氧过补偿u血氧（Hb）水平, 顺磁性dHb, 形成局部梯度磁场 , T2* WI局域性信号强度，这就是BOLD效应。uBOLD信号依赖于CMR O2（氧耗）、CBF（血流量）和CBV（血容积）uHRFTimeStimulus onsetinitial dipHemodynamic Response Functionundershoottime to peak5-8 secondsscan time 3 secondsBOLD signal amplitudeoxyHBdeoxyHBObserved siteof BOLD effectSite of elevated neuronal activity定位情况定位情况5 5 小结小结u根据血氧过补偿机制可以接收到BOLD信号u经过数据处理（预处理+统计分析），我们可以看到脑内激活的区域，是为激活区功能像。u将功能像叠加到结构像上就形成了我们一开始看到的脑成像图。结结 语语1 希望看到此处的您希望看到此处的您“不明觉厉不明觉厉”的感觉已经淡了许多。的感觉已经淡了许多。2 扎实学好一门技术