功能磁共振成像原理簡介

1、功能磁共振成像原理初步功能磁共振成像原理初步報(bào)告人：陳路遙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識功能磁共振成像的背景知識1 1 解題解題u功能？u（核）磁？u共振？u成像？功能磁共振成像（fMRI）是眾多腦成像技術(shù)中的一種，其他成像技術(shù)有近紅外光學(xué)成像（fNIRS）與彌散張量成像（DTI）等。1.1 1.1 功能功能u核磁共振產(chǎn)生的兩種圖像：（1）結(jié)構(gòu)像（2）功能像腦的基本組分：灰質(zhì)、白質(zhì)和腦脊液灰質(zhì)灰質(zhì)白質(zhì)白質(zhì)腦脊液腦脊液1.2 1.2 （核）磁（核）磁u（核）磁無放射常見問題：功能磁共振成像對人體有害嗎？你看，不是有“核”嗎？！確實(shí)，“核”指“原子核”所言不虛，但功能

2、磁共振成像只與原子核的磁場相關(guān)，與原子核聚變、裂變等的能量放射并無關(guān)系。1.3 1.3 共振共振u定義：能量從一個(gè)振動(dòng)著的物體傳遞到另一個(gè)物體，而后者以前者相同的頻率振動(dòng)。1.4 1.4 成像成像u結(jié)構(gòu)像的成像原理與功能像的成像原理基本相同。u前者是對大腦內(nèi)各組分中特定原子核（如氫原子）的磁共振信號的收集。u后者則是對BOLD信號的采集。u因此有必要分說兩種圖像的成像機(jī)制。2 fMRI2 fMRI的主要特點(diǎn)的主要特點(diǎn)u空間分辨率相對較高定位u時(shí)間分辨率不如ERP（事件相關(guān)電位，俗稱“腦電”）3 fMRI3 fMRI的發(fā)展歷史的發(fā)展歷史u1920-1940：基本物理概念的建立u1946-1950

3、s：核磁共振現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)與應(yīng)用（非生物上的應(yīng)用）u1970s：磁共振成像-MRI（生物上的成像）u1980s：磁共振成像應(yīng)用于醫(yī)學(xué)（結(jié)構(gòu)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被激活的原子出現(xiàn)譜線分離：原子核在離散的頻率上自旋。u1937.Inidor Rabi發(fā)現(xiàn)共振：如果外加變化磁場的頻率與原子核自旋一致，原子核就會(huì)吸收磁場的能量。3.2 3.2 對固體的磁共振成像研究對固體的磁共振成像研究 u1946.Bloch 和 Purcell蠟的導(dǎo)電性研究自此，核磁共振成像技術(shù)進(jìn)入物質(zhì)成分檢測的階

4、段。3.3 1970s3.3 1970s：利用：利用NMRNMR原理進(jìn)行成像（生物體原理進(jìn)行成像（生物體上）上）uPaul Lauterbur：空間梯度的概念（定位）uPeter Mansfield: echo-planar imaging-EPI概念解決了快速成像的問題。3.4 1980s3.4 1980s以降以降u1980s：MRI儀器商品化，廣泛應(yīng)用于臨床。注意：1977. 第一臺掃人的MR掃描儀問世（0.05T）。u1990s：fMRI技術(shù)誕生。注意：1990: Ogawa報(bào)告了大腦皮層微血管（毛細(xì)血管）中血氧的變化，會(huì)引起局部磁場均勻性變化，從而引起NMR信號強(qiáng)度的變化，稱血氧水平依

5、賴性（BOLD）。趣聞：為了更好地推廣fMRI技術(shù)，醫(yī)療衛(wèi)生機(jī)構(gòu)逐漸刪去“核”（字母“N”）以免除病人對“核放射”的恐懼。4 fMRI4 fMRI設(shè)備的構(gòu)成設(shè)備的構(gòu)成u目前在市場上購買一套fMRI設(shè)備需要多少人民幣？u設(shè)備構(gòu)成：（1）主磁體 (Static Magnetic Field)磁化（2）射頻系統(tǒng) (Radiofrequency Coil)共振，激發(fā)與接收信號（3）梯度系統(tǒng) (Gradient Coil)定位（4）計(jì)算機(jī)系統(tǒng)（5）其他輔助設(shè)備（空調(diào)、液氮及水冷卻系統(tǒng)、激光照相機(jī)、生理指標(biāo)監(jiān)視器等）u掌握一個(gè)基本概念：磁場感應(yīng)強(qiáng)度（B B）主磁體的主要指標(biāo)u北師大目前擁有的fMRI儀器主

6、磁體的磁場感應(yīng)強(qiáng)度是3T。單位T讀作“特斯拉”。磁場的其他單位：磁場的其他單位：高斯（gauss, G）： 1高斯為距離5安培電流的直導(dǎo)線1厘米處檢測到的磁場強(qiáng)度。特斯拉（Tesla,T）： 1 T = 10000G北極：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學(xué)原理物理學(xué)原理1 1 原子的結(jié)構(gòu)原子的結(jié)構(gòu)原子電子原子核質(zhì)子中子2 2 原子核的自旋原子核的自旋u原子核像地球一樣可以圍繞著中軸進(jìn)行自我旋轉(zhuǎn)。u我們選用H原子（H質(zhì)子）（1）H原子的質(zhì)子數(shù)為奇數(shù)；（2）H原子占人體原子的絕大多數(shù), 水和脂肪。通常所指的MRI為氫質(zhì)子的MR圖像。u通常情況下，盡管每

7、個(gè)質(zhì)子自旋均產(chǎn)生一個(gè)小的磁場，但呈隨機(jī)無序排列，磁化矢量相互抵消，人體并不表現(xiàn)出宏觀磁化矢量。3 3 靜磁場中的原子自旋靜磁場中的原子自旋u加入一個(gè)靜磁場之后的原子自旋狀態(tài)。u能態(tài)哪一塊物體更容易保持？4 4 原子的進(jìn)動(dòng)頻率原子的進(jìn)動(dòng)頻率u原子的自旋與進(jìn)動(dòng)u縱向磁化與橫向磁化縱向磁化與橫向磁化（1）處于低能狀態(tài)的質(zhì)子略多于處于高能狀態(tài)的質(zhì)子，因而產(chǎn)生縱向宏觀磁化矢量兩者之間的差產(chǎn)生縱向磁化。（2）盡管每個(gè)質(zhì)子的進(jìn)動(dòng)產(chǎn)生了縱向和橫向磁化矢量，但由于相位不同，因而只有宏觀縱向磁化矢量產(chǎn)生，并無宏觀橫向磁化矢量產(chǎn)生。5 5 核磁共振的微觀與宏觀效應(yīng)核磁共振的微觀與宏觀效應(yīng)u能態(tài)的躍遷通過外來射頻給低

8、能的氫質(zhì)子能量，氫質(zhì)子獲得能量進(jìn)入高能狀態(tài)，即核磁共振。射頻取消，氫質(zhì)子回到低能狀態(tài)。5.1 5.1 微觀效應(yīng)微觀效應(yīng)u磁共振現(xiàn)象是靠射頻線圈發(fā)射無線電波（射頻脈沖）激發(fā)人體內(nèi)的氫質(zhì)子來引發(fā)的，這種射頻脈沖的頻率必須與氫質(zhì)子進(jìn)動(dòng)頻率相同，低能的質(zhì)子獲能進(jìn)入高能狀態(tài)。5.2 5.2 宏觀效應(yīng)宏觀效應(yīng)u射頻脈沖激發(fā)后的效應(yīng)是使宏觀磁化矢量發(fā)生偏轉(zhuǎn)。u射頻脈沖的強(qiáng)度和持續(xù)時(shí)間決定射頻脈沖激發(fā)后的效應(yīng)。中等能量中等能量(90脈沖脈沖)(180脈沖脈沖)6 6 馳豫與馳豫時(shí)間馳豫與馳豫時(shí)間u“出來混，遲早要還的！”橫向弛豫: 橫向磁化矢量減少,直至到0狀態(tài)的過程。 縱向弛豫: 縱向磁化矢量開始恢復(fù)，直至

9、恢復(fù)到平衡狀態(tài)的過程。u“縱向馳豫時(shí)間”（T1）：90度脈沖關(guān)閉后，在主磁場的作用下，縱向磁化矢量開始恢復(fù)，直至恢復(fù)到平衡狀態(tài)的縱向磁場強(qiáng)度63%所需的時(shí)間，反映組織T1弛豫的快慢。u“橫向馳豫時(shí)間”（T2）：指90度脈沖關(guān)閉后，橫向最大磁化矢量減少了63%所需的時(shí)間，反映組織T2弛豫的快慢。u弛豫時(shí)間與質(zhì)子密度有關(guān)！6.1 6.1 縱向馳豫時(shí)間縱向馳豫時(shí)間T1T1)1 (1/0TtzeMM6.2 6.2 橫向弛豫時(shí)間橫向弛豫時(shí)間T2T22/0TtxyeMM6.3 T16.3 T1與與T2T2的比較的比較uT1T26.4 6.4 加權(quán)成像加權(quán)成像u比一比T1像T2像7 7 重復(fù)時(shí)間（重復(fù)時(shí)間（

10、TRTR）與回波延時(shí)時(shí)間（）與回波延時(shí)時(shí)間（TETE）uTR：連續(xù)施加兩個(gè)90度脈沖之間的時(shí)間間隔。uTE：射頻脈沖停止后等待一小段時(shí)間接受信號，這個(gè)時(shí)間間隔就是TE。2/)(TTEzxyeTRMMTRMz0t7.1 T17.1 T1與與TRTR、T2T2與與TETE的關(guān)系的關(guān)系uT1與T2是組織的固有特性，而TR和TE可以被操作者控制和調(diào)整。長長TR減少減少T1的作用，短的作用，短TR增加增加T1的對比。的對比。短短TE減少減少T2的作用，長的作用，長TE增加增加T2的對比。的對比。u加權(quán)成像中TR與TE的配列很重要！8 8 脈沖序列脈沖序列u在MR檢查中反復(fù)施加的射頻脈沖序列，其中包括了T

11、R或TE等參數(shù)。9 9 層厚的選擇層厚的選擇u基本概念：像素（pixel）、體素（體元，voxel）u層厚的選擇與梯度場強(qiáng)和射頻帶寬有關(guān)。公式：層厚=帶寬/梯度場強(qiáng)u確定層厚之后就可進(jìn)行選片。10 10 傅立葉變換傅立葉變換u一種數(shù)學(xué)運(yùn)算，可以實(shí)現(xiàn)信號在時(shí)間域和頻率域中進(jìn)行等效變換。u時(shí)域呈現(xiàn)的是“圖像空間”（image space），而頻域呈現(xiàn)的是“k空間”（k-space）。11 11 頻率編碼與相位編碼頻率編碼與相位編碼u頻率編碼：即進(jìn)動(dòng)頻率編碼，指在信號采集的同時(shí)在某方向上施加一個(gè)梯度磁場，從而使得此片層的信號中沿頻率編碼施加的方向上各列的拉莫爾進(jìn)動(dòng)頻率各不相同。接收到的總頻率成分信號

12、接收到的總頻率成分信號可以通過傅立葉變換來加可以通過傅立葉變換來加以區(qū)分，從而得到以區(qū)分，從而得到各列各列的的進(jìn)動(dòng)頻率。進(jìn)動(dòng)頻率。u相位編碼：指在射頻脈沖結(jié)束以后，信號采集之前，沿某方向施加一段時(shí)間的梯度磁場，使得在相位編碼結(jié)束以后沿相位編碼方向上各象素點(diǎn)對應(yīng)的原子核磁化矢量的進(jìn)動(dòng)相位各不相同。因此，因此，k-space中的每一個(gè)像素都是由頻率和相位進(jìn)行編碼的！中的每一個(gè)像素都是由頻率和相位進(jìn)行編碼的！12 12 圖像重構(gòu)圖像重構(gòu)uk-space的信息即為rawdata。u將rawdata通過傅立葉反變換來還原到image-space中，形成我們想要得到的結(jié)構(gòu)像。u成像時(shí)間的問題：脈沖序列的類

13、型關(guān)系到成像時(shí)間的久暫。13 13 小結(jié)小結(jié)u原子核自旋原子核進(jìn)動(dòng)頻率共振u射頻線圈根據(jù)一定的脈沖序列激發(fā)與接收信號u脈沖序列與組分的弛豫時(shí)間和人為選擇的TR、TE有關(guān)u確定層厚后進(jìn)行掃描u將掃描得到的信號（k-space中，已經(jīng)得到了頻率和相位的編碼）進(jìn)行傅立葉反變換，重構(gòu)圖像。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學(xué)原理學(xué)原理1 1 觀測大腦的三個(gè)基本位置觀測大腦的三個(gè)基本位置軸位軸位冠狀位冠狀位矢狀位矢狀位2 2 大腦的分葉大腦的分葉3 3 腦內(nèi)毛細(xì)血管與血紅蛋白腦內(nèi)毛細(xì)血管與血紅蛋白u(yù)毛細(xì)血管運(yùn)輸?shù)难t細(xì)胞中含有血紅蛋白。u帶氧分子的血紅蛋白稱為“氧合血紅蛋白”（H

14、b），不帶的則 稱 為 “ 脫 氧 血 紅 蛋 白 ”（dHb）。u氧合血紅蛋白磁化率低，具抗磁性(磁場）u脫氧血紅蛋白磁化率高, 具順磁性 (磁場）4 BOLD4 BOLD信號信號u血氧過補(bǔ)償u血氧（Hb）水平, 順磁性dHb, 形成局部梯度磁場 , T2* WI局域性信號強(qiáng)度，這就是BOLD效應(yīng)。uBOLD信號依賴于CMR O2（氧耗）、CBF（血流量）和CBV（血容積）uHRFTimeStimulus onsetinitial dipHemodynamic Response Functionundershoottime to peak5-8 secondsscan time 3 secondsBOLD signal amplitudeoxyHBdeoxyHBObserved siteof BOLD effectSite of elevated neuronal activity定位情況定位情況5 5 小結(jié)小結(jié)u根據(jù)血氧過補(bǔ)償機(jī)制可以接收到BOLD信號u經(jīng)過數(shù)據(jù)處理（預(yù)處理+統(tǒng)計(jì)分析），我們可以看到腦內(nèi)激活的區(qū)域，是為激活區(qū)功能像。u將功能像疊加到結(jié)構(gòu)像上就形成了我們一開始看到的腦成像圖。結(jié)結(jié) 語語1 希望看到此處的您希望看到此處的您“不明覺厲不明覺厲”的感覺已經(jīng)淡了許多。的感覺已經(jīng)淡了許多。2 扎實(shí)學(xué)好一門技術(shù)