北師大fMRI【第一章-概述】課件

1、功 能 磁 共 振 成 像 姚 力 龍志穎 等第一章 概述一、什么是 功能 磁共振成像（fMRI）MRI fMRI Functional Magnetic Resonance Imaging功能 磁共振成像（fMRI）: 利用磁共振成像技術(shù)顯示腦的功能激活影像。 功能神經(jīng)影像(functional neuroimaging)：fMRI, PET (positron emission tomography), SPECT(single-photon emission computerized tomography ) Optical Imaging, 功能 磁共振成像（fMRI）二、為什么要功能

2、磁共振成像研究腦功能的三種經(jīng)典手段：Lesion StudyDrug ManipulationRecordings of Electrical Activity (EEG、MEG)功能磁共振成像：無創(chuàng)，健康人做被試高的空間分辨率和時(shí)間分辨率對(duì)多種認(rèn)知實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)有很好適應(yīng)性補(bǔ)償上述方法的不足三、各種功能神經(jīng)成像技術(shù)正電子斷層掃描技術(shù) （positron emission tomography-PET）腦磁圖（Magnetoencephalography-MEG）腦電圖（EEG）與事件相關(guān)電位（ERP）注意：腦功能研究中的多模態(tài)信息的融合1924-1940：1924- Wolfgang Pauli

3、發(fā)現(xiàn)一個(gè)現(xiàn)象： 被激活的原子出現(xiàn)了譜線分離?；炯僭O(shè)： 原子核在離散的頻率上自旋。1937-Inidor Rabi發(fā)現(xiàn)共振： 如果外加變化磁場(chǎng)的頻率與原子核自旋一致，原子核就會(huì)吸收磁場(chǎng)的能量。1944- Rabi獲諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)1946驗(yàn)證了固體的核磁共振（Nuclear Magnetic Resonance NMR）現(xiàn)象; 1952: 獲得諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)， 固體磁共振現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)1950s: 物質(zhì)成分的檢測(cè)(波譜)Felix Bloch （Stanford） Edward Purcell （MIT）1970s利用NMR原理進(jìn)行成像（生物體上）Paul Lauterbur：空間梯度的概念（定位）

4、Peter Mansfield: echo-planar imaging-EPI概念2003: 獲得諾貝爾醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)，對(duì)MRI的發(fā)明1982：GE公司生產(chǎn)了1.5T第一臺(tái)商業(yè)醫(yī)用MR 掃描儀1985: FDA批準(zhǔn)了臨床使用MR 掃描儀1990s發(fā)明功能磁共振成像（ fMRI）1936: Pauling 指出合氧血紅蛋白和脫氧血紅蛋白的磁化率不同1982：Thulorn論證了脫氧血紅蛋白的NMR信號(hào)衰減速度比合氧血紅蛋白快1986：Fox發(fā)現(xiàn)，神經(jīng)活動(dòng)伴隨區(qū)域性腦血流(rCBF)、血體積(rCBV) 、血氧和代謝等變化。1990: Ogawa報(bào)告了大腦皮層微血管中血氧的變化，會(huì)引起局部磁場(chǎng)均勻性變化

5、，從而引起NMR信號(hào)強(qiáng)度的變化，稱血氧水平依賴性（BOLD）。五、磁共振掃描儀的組成主磁體 (Static Magnetic Field)射頻系統(tǒng) (Radiofrequency Coil)梯度系統(tǒng) (Gradient Coil)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)其他輔助設(shè)備1、主磁體 (Static Magnetic Field)分類按磁場(chǎng)產(chǎn)生方式： 永磁體 （釹 鐵 硼） 常導(dǎo)磁體 超導(dǎo)磁體1.5T 超導(dǎo)磁體0.35T 永磁磁體OpenMark 3000按磁體的外形：封閉式磁體特殊外形磁體開放式磁體按主磁場(chǎng)的場(chǎng)強(qiáng)分類 超高場(chǎng)（4.0-7.0T） 高場(chǎng)（1.5-3.0T） 中場(chǎng)（0.5-1.4T） 低場(chǎng)（0.2-0

6、.4T）（MRI圖像信噪比與主磁場(chǎng)場(chǎng)強(qiáng)成正比）主磁場(chǎng)的兩個(gè)重要指標(biāo)：磁場(chǎng)強(qiáng)度與磁場(chǎng)的均勻性磁場(chǎng)的單位：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(cè)到的磁場(chǎng)強(qiáng)度特斯拉（Tesla,T）： 1 T = 10000G5安培1厘米1高斯Study Questions:How does an MRI scanner generate the main magnetic field? What two criteria are important for the main magnetic field?Why are superconducting electromagnets

7、necessary for MRI?2、射頻系統(tǒng) (Radiofrequency Coil)射頻線圈的作用（如同無線電波的天線）激發(fā)人體產(chǎn)生共振（廣播電臺(tái)的發(fā)射天線）采集MR信號(hào)（收音機(jī)的天線）接收線圈與MRI圖像SNR密切相關(guān)接收線圈離身體越近，所接收到的信號(hào)越強(qiáng)線圈內(nèi)體積越小，所接收到的噪聲越低射頻線圈的幾個(gè)重要概念激發(fā)（excitation）接收（reception）表面線圈（surface coil）體線圈（volume coil）相陣線圈（phased array）Study Questions:What is the difference between a surface coi

8、l and a volume coil?What is the phased array?3、梯度系統(tǒng) (Gradient Coil)梯度磁場(chǎng)是一種人為加入的，隨空間位置線性變化的不均勻場(chǎng)，分別加在空間的三個(gè)方向。加入梯度場(chǎng)的目的是使空間不同位置經(jīng)受的磁場(chǎng)不同，因此標(biāo)識(shí)了空間的不同點(diǎn)，即對(duì)成像對(duì)象進(jìn)行了空間編碼。作用：空間定位產(chǎn)生信號(hào)梯度線圈性能的提高 磁共振成像速度加快梯度磁場(chǎng)的產(chǎn)生Z軸方向梯度磁場(chǎng)的產(chǎn) 生X、Y、Z軸上梯度磁場(chǎng)的產(chǎn)生 梯度線圈性能指標(biāo) 梯度場(chǎng)強(qiáng) 25 60mT/m 切換率 120 200mT/m.sStudy Questions:What are the three mai

9、n components of an MRI scanner?What are the function of the three main components勻場(chǎng)線圈（shimming coil） 用于補(bǔ)償靜磁場(chǎng)的不均勻性單位：ppm ( part per million) 20厘米球體內(nèi)例如：0.1ppm，1.5T， 0.00000015T的偏離 4、計(jì)算機(jī)系統(tǒng)數(shù)據(jù)的重構(gòu)、分析和顯示。對(duì)硬件的一系列指示。 （pulse sequence）5、其他輔助設(shè)備空調(diào)液氦及水冷卻系統(tǒng)激光照相機(jī)生理指標(biāo)監(jiān)視器小 結(jié)主 磁 體梯 度 系 統(tǒng)射 頻 系 統(tǒng)計(jì) 算 機(jī) 系 統(tǒng)其他輔助設(shè)備六、磁共振儀的安全

10、性靜磁場(chǎng)對(duì)人生理上的作用強(qiáng)磁場(chǎng)中的鐵磁物質(zhì)梯度磁場(chǎng)的作用射頻場(chǎng)的作用（specific absorption rate-SAR)幽閉癥噪聲Study Questions:What happens to metal brought within the static magnetic field? Consider both large external objects (e.g., oxygen canisters) and small internal devices (e.g., aneurysm clips).What effects do the changing gradient fields have upon the human body? How can these effects be minimized?What is SAR? Why is it important for fMRI?Why is it important to avoid looping wires or necklaces near the head coil?七、本課程內(nèi)容第一章 概述 （1周）第二章 磁共振成像原理 （4周）21 MRI信號(hào)產(chǎn)生的基本原理22 MRI信號(hào)成像的基本原理23 脈沖序列 24 快速掃描第三章