功能磁共振成像原理簡(jiǎn)介ppt課件

1、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2第一部分第一部分 功能磁共振成像的背景知識(shí)功能磁共振成像的背景知識(shí)31 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。41.1 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5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61.2 1.2 （核）磁（核）磁u（核）磁無(wú)放射常見(jiàn)問(wèn)題：功能磁共振成像對(duì)人體有害嗎？你看，不是有“核”嗎？！確實(shí)，“核”指“原子核”所言

2、不虛，但功能磁共振成像只與原子核的磁場(chǎng)相關(guān)，與原子核聚變、裂變等的能量放射并無(wú)關(guān)系。71.3 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)。81.4 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(duì)大腦內(nèi)各組分中特定原子核（如氫原子）的磁共振信號(hào)的收集。u后者則是對(duì)BOLD信號(hào)的采集。u因此有必要分說(shuō)兩種圖像的成像機(jī)制。92 fMRI2 fMRI的主要特點(diǎn)的主要特點(diǎn)u空間分辨率相對(duì)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”）103 fMRI3 fMRI的發(fā)展歷史的發(fā)展歷史u1920-1940：基本物理概念的建

3、立u1946-1950s：核磁共振現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)與應(yīng)用（非生物上的應(yīng)用）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）113.1 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(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。123.2 3.2 對(duì)固體的磁共振成像研究對(duì)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

4、振成像技術(shù)進(jìn)入物質(zhì)成分檢測(cè)的階段。133.3 1970s3.3 1970s：利用：利用NMRNMR原理進(jìn)行成像（生物體上）原理進(jìn)行成像（生物體上）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(wèn)題。143.4 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(tái)掃人的MR掃描儀問(wèn)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(chǎng)均勻性變化，從而

5、引起NMR信號(hào)強(qiáng)度的變化，稱血氧水平依賴性（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(duì)“核放射”的恐懼。154 fMRI4 fMRI設(shè)備的構(gòu)成設(shè)備的構(gòu)成u目前在市場(chǎng)上購(gòu)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(hào)（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）16u掌握一個(gè)基本概念：磁場(chǎng)感應(yīng)強(qiáng)度（B B）主

6、磁體的主要指標(biāo)u北師大目前擁有的fMRI儀器主磁體的磁場(chǎng)感應(yīng)強(qiáng)度是3T。單位T讀作“特斯拉”。磁場(chǎng)的其他單位：磁場(chǎng)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(cè)到的磁場(chǎng)強(qiáng)度。特斯拉（Tesla,T）： 1 T = 10000G北極：0.7G，赤道：0.3G1718第二部分第二部分 功能磁共振成像的物理學(xué)原理功能磁共振成像的物理學(xué)原理191 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202 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

7、脂肪。通常所指的MRI為氫質(zhì)子的MR圖像。21u通常情況下，盡管每個(gè)質(zhì)子自旋均產(chǎn)生一個(gè)小的磁場(chǎng)，但呈隨機(jī)無(wú)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。223 3 靜磁場(chǎng)中的原子自旋靜磁場(chǎng)中的原子自旋u加入一個(gè)靜磁場(chǎng)之后的原子自旋狀態(tài)。u能態(tài)哪一塊物體更容易保持？234 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)24u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?jī)烧咧g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(wú)宏觀橫向磁化矢量產(chǎn)生。255

8、 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(guò)外來(lái)射頻給低能的氫質(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)。265.1 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(wú)線電波（射頻脈沖）激發(fā)人體內(nèi)的氫質(zhì)子來(lái)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)。275.2 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)286 6 馳豫與馳豫時(shí)間馳豫與馳豫時(shí)間u“出來(lái)混，遲早要還的

9、！”橫向弛豫: 橫向磁化矢量減少,直至到0狀態(tài)的過(guò)程。 縱向弛豫: 縱向磁化矢量開(kāi)始恢復(fù)，直至恢復(fù)到平衡狀態(tài)的過(guò)程。u“縱向馳豫時(shí)間”（T1）：90度脈沖關(guān)閉后，在主磁場(chǎng)的作用下，縱向磁化矢量開(kāi)始恢復(fù)，直至恢復(fù)到平衡狀態(tài)的縱向磁場(chǎng)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)！296.1 6.1 縱向馳豫時(shí)間縱向馳豫時(shí)間T1T1)1 (1/0TtzeMM306.2 6.2 橫向弛豫時(shí)間橫向弛豫時(shí)間T2T22/0TtxyeMM316.3 T16.3 T1與與T2

10、T2的比較的比較uT1T2326.4 6.4 加權(quán)成像加權(quán)成像u比一比T1像T2像33T1縱向磁化矢縱向磁化矢量恢復(fù)速度量恢復(fù)速度MR信號(hào)強(qiáng)信號(hào)強(qiáng)度度顏色顏色小小快快高高白白大大慢慢低低黑黑T2橫向磁化矢橫向磁化矢量減少速度量減少速度MR信號(hào)強(qiáng)信號(hào)強(qiáng)度度顏色顏色小小快快低低黑黑大大慢慢高高白白347 7 重復(fù)時(shí)間（重復(fù)時(shí)間（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(hào)，這個(gè)時(shí)間間隔就是TE。2/)(TTEzxyeTRMMTRMz0t357.1 T17.1 T1與與TRTR、T2T2與與TETE的

11、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(zhǎng)長(zhǎng)TR減少減少T1的作用，短的作用，短TR增加增加T1的對(duì)比。的對(duì)比。短短TE減少減少T2的作用，長(zhǎng)的作用，長(zhǎng)TE增加增加T2的對(duì)比。的對(duì)比。36u加權(quán)成像中TR與TE的配列很重要！378 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TR或TE等參數(shù)。389 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(chǎng)強(qiáng)和射頻帶寬有關(guān)。公式：層厚=帶寬/梯度場(chǎng)強(qiáng)u確定層厚之后就可進(jìn)行選片。3910 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(hào)在

12、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）。404111 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(hào)采集的同時(shí)在某方向上施加一個(gè)梯度磁場(chǎng)，從而使得此片層的信號(hào)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(hào)可接收到的總頻率成分信號(hào)可以通過(guò)傅立葉變換來(lái)加以區(qū)以通過(guò)傅立葉變換來(lái)加以區(qū)分，從而得到各列的進(jìn)動(dòng)頻分，從而得到各列的進(jìn)動(dòng)頻率。率。42u相位編碼：指在射頻脈沖結(jié)束以后，信號(hào)采集之前，沿某方向施加一段時(shí)間的梯度磁場(chǎng)，使得在相位編碼結(jié)束以后沿相位編碼

13、方向上各象素點(diǎn)對(duì)應(yīng)的原子核磁化矢量的進(jìn)動(dòng)相位各不相同。43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！4412 12 圖像重構(gòu)圖像重構(gòu)uk-space的信息即為rawdata。u將rawdata通過(guò)傅立葉反變換來(lái)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(wèn)題：脈沖序列的類型關(guān)系到成像時(shí)間的久暫。4513 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(hào)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(hào)（k-space中，已經(jīng)

14、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。46第三部分第三部分 功能磁共振成像的生物學(xué)原理功能磁共振成像的生物學(xué)原理471 1 觀測(cè)大腦的三個(gè)基本位置觀測(cè)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482 2 大腦的分葉大腦的分葉493 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”（Hb），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(chǎng)）u脫氧血紅蛋白磁化率高, 具順磁性 (磁場(chǎng)）504 BOLD4 BOLD信號(hào)信號(hào)u血氧過(guò)補(bǔ)償u血氧（Hb）水平, 順磁性dHb,

15、 形成局部梯度磁場(chǎng) , T2* WI局域性信號(hào)強(qiáng)度，這就是BOLD效應(yīng)。51uBOLD信號(hào)依賴于CMR O2（氧耗）、CBF（血流量）和CBV（血容積）52uHRFTimeStimulus onsetinitial dipHemodynamic Response Functionundershoottime to peak5-8 secondsscan time 3 secondsBOLD signal amplitudeoxyHBdeoxyHB53Observed siteof BOLD effectSite of elevated neuronal activity定位情況定位情況545 5 小結(jié)小結(jié)u根據(jù)血氧過(guò)補(bǔ)償機(jī)制可以接收到BOLD信號(hào)u經(jīng)過(guò)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(kāi)始看到的腦成像圖。55結(jié)結(jié) 語(yǔ)語(yǔ)1 希望看到此處的您希望看到此處的您“不明覺(jué)厲不明覺(jué)厲”的感覺(jué)已經(jīng)淡了許多。的感覺(jué)已經(jīng)淡了許多。2 扎