北師大fMRI【第一章-概述】

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

FunctionalMagneticResonanceImaging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(functionalneuroimaging)：fMRI,PET(positronemissiontomography),SPECT(single-photonemissioncomputerizedtomography)OpticalImaging,功能磁共振成像（fMRI）二、為什么要功能磁共振成像研究腦功能的三種經(jīng)典手段：LesionStudyDrugManipulationRecordingsofElectricalActivity(EEG、MEG)功能磁共振成像：無(wú)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StudyQuestion:1. Whatisfunctionalmagneticresonanceimaging?2. Whatarethelimitationsoflesionstudiesofthebrain?Whatarethelimitationsofdrugstudiesofthebrain?Whatarethelimitationsofelectrophysiologicalstudiesofthebrain?Howcanfunctionalneuroimaginghelpovercometheselimitations?三、各種功能神經(jīng)成像技術(shù)正電子斷層掃描技術(shù)（positronemissiontomography-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)信息的融合四、磁共振技術(shù)的發(fā)展歷史基本上可以認(rèn)為有5個(gè)階段：1、1920-1940：基本物理概念的建立2、1946-1950s：核磁共振現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)與應(yīng)用（非生物上的應(yīng)用）3、1970s：磁共振成像-MRI（生物上的成像）4、1980s：磁共振成像應(yīng)用于醫(yī)學(xué)（結(jié)構(gòu)像）5、1990s：功能磁共振成像-fMRI1924-1940：1924-WolfgangPauli發(fā)現(xiàn)一個(gè)現(xiàn)象：被激活的原子出現(xiàn)了譜線分離。基本假設(shè)：原子核在離散的頻率上自旋。1937-InidorRabi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（NuclearMagneticResonanceNMR）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)FelixBloch（Stanford）EdwardPurcell（MIT）1970s—利用NMR原理進(jìn)行成像（生物體上）PaulLauterbur：空間梯度的概念（定位）PeterMansfield:echo-planarimaging-EPI概念2003:獲得諾貝爾醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)，對(duì)MRI的發(fā)明1980s--MRI儀商品化并廣泛應(yīng)用于臨床1977:第一臺(tái)人的MR掃描儀（0.05T）Damadian’sFONARCo.Bytheearly80s,NMR改稱MRI。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，從而引起NMR信號(hào)強(qiáng)度的變化，稱血氧水平依賴性（BOLD）。StudyQuestion:1. Whatwerethetworeasonsforthechangeinterminologyfrom“nuclearmagneticresonance”to“magneticresonanceimaging”?五、磁共振掃描儀的組成主磁體(StaticMagneticField)射頻系統(tǒng)(RadiofrequencyCoil)梯度系統(tǒng)(GradientCoil)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)其他輔助設(shè)備1、主磁體(StaticMagneticField)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OpenMark3000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)（0.2-0.4T）（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）：1T=10000G5安培1厘米1高斯地球的磁場(chǎng)強(qiáng)度分布圖Gauss(1777-1855)：德國(guó)著名數(shù)學(xué)家，于1832年首次測(cè)量了地球的磁場(chǎng)。StudyQuestions:HowdoesanMRIscannergeneratethemainmagneticfield?Whattwocriteriaareimportantforthemainmagneticfield?WhyaresuperconductingelectromagnetsnecessaryforMRI?2、射頻系統(tǒng)(RadiofrequencyCoil)

射頻線圈的作用（如同無(wú)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）體線圈

激發(fā)并采集MRI信號(hào)表面線圈采集MRI信號(hào)，激發(fā)采用體線圈進(jìn)行接收線圈與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（surfacecoil）體線圈（volumecoil）相陣線圈（phasedarray）StudyQuestions:Whatisthedifferencebetweenasurfacecoilandavolumecoil?Whatisthephasedarray?3、梯度系統(tǒng)(GradientCoil)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.sStudyQuestions:WhatarethethreemaincomponentsofanMRIscann