磁共振應(yīng)用_李煥杰

1、磁共振應(yīng)用磁共振應(yīng)用李煥杰李煥杰生物醫(yī)學工程生物醫(yī)學工程系系提綱提綱功能磁共振功能磁共振 血血氧水平依賴對比度（氧水平依賴對比度（BOLD fMRI） 靜息態(tài)靜息態(tài) （Resting-state fMRI, rfMRI）磁共振波譜（磁共振波譜（MR Spectroscopy, MRS)結(jié)構(gòu)磁共振結(jié)構(gòu)磁共振 結(jié)構(gòu)像結(jié)構(gòu)像 (T1, T2) 彌散彌散張量成像張量成像（Diffusion Tensor Imaging, DTI）BOLD fMRI 是一種檢測大腦活動的技術(shù)，它是檢測發(fā)生神經(jīng)是一種檢測大腦活動的技術(shù)，它是檢測發(fā)生神經(jīng)活動時活動時血氧血氧和和血流血流的變化，通過測量血流、血氧的變化，通過

2、測量血流、血氧和氧消耗的關(guān)系來和氧消耗的關(guān)系來間接間接的反映神經(jīng)活動。的反映神經(jīng)活動。背景背景1992年，年，Ogawa在做老鼠實驗時發(fā)現(xiàn)在做老鼠實驗時發(fā)現(xiàn)血血氧水平對比度（氧水平對比度（BOLD）現(xiàn)象現(xiàn)象BOLD對比度示圖對比度示圖（A）大鼠吸入純氧氣體的）大鼠吸入純氧氣體的MRI；（B）大鼠吸入標準空氣的）大鼠吸入標準空氣的MRI。 氧含量對弛豫時間的氧含量對弛豫時間的影響影響;橫坐標橫坐標表示血液中氧含量的表示血液中氧含量的百分比百分比;紅紅線表示縱向弛豫線表示縱向弛豫率率; 藍藍線表示橫向弛豫率。線表示橫向弛豫率。 腦活動時腦活動時BOLD 信號產(chǎn)生原理信號產(chǎn)生原理氧在血液和組織間的交

3、換氧在血液和組織間的交換在當神經(jīng)激活之后，供應(yīng)的氧含量遠大于在當神經(jīng)激活之后，供應(yīng)的氧含量遠大于神經(jīng)活動所需要的，導致含氧血紅蛋白所神經(jīng)活動所需要的，導致含氧血紅蛋白所占的比例升高，脫氧血紅蛋白比例降低。占的比例升高，脫氧血紅蛋白比例降低。在正常生理條件下，毛細血管內(nèi)的氧合在正常生理條件下，毛細血管內(nèi)的氧合血紅蛋白以一定的速率轉(zhuǎn)化為脫氧血紅血紅蛋白以一定的速率轉(zhuǎn)化為脫氧血紅蛋白，兩者的比例保持一定水平蛋白，兩者的比例保持一定水平含氧血紅蛋白含氧血紅蛋白oxy-Hb: 抗磁性，不影響磁場的均勻性抗磁性，不影響磁場的均勻性脫氧血紅蛋白脫氧血紅蛋白deoxy-Hb: 順磁性順磁性，增加磁場不均勻性，

4、使，增加磁場不均勻性，使T2*縮短，磁共振信號降低縮短，磁共振信號降低脫氧血紅蛋白增加原因？脫氧血紅蛋白增加原因？不匹配不匹配理論理論:大腦功能活動時，血流（大腦功能活動時，血流（CBF）和血氧）和血氧消耗（消耗（CMRO2）的需求關(guān)系不匹配的需求關(guān)系不匹配The Roy-Sherrington principle Roy and Sherrington, J. Physiology (1890)CBF、CMRglu 和和 CMRO2的需求是匹配的的需求是匹配的CBFCMRO2PET (視覺刺激視覺刺激) CBF: 50%CMRGlc: 51 % Fox et al, PNAS (1986);

5、 Science (1988).CBF: 50%CMRO2: 5%不匹配不匹配!刺激初期，代謝機制刺激初期，代謝機制磁共振研究證實不匹配現(xiàn)象磁共振研究證實不匹配現(xiàn)象BOLD信號與腦血流、腦氧代謝率和腦信號與腦血流、腦氧代謝率和腦血體積的關(guān)系：血體積的關(guān)系： 1121111% BOLD% CMRO% CBV% CBFM 早期早期fMRI研究研究研究領(lǐng)域：初級神經(jīng)活動（視覺、聽覺、運動等）和高級認知任務(wù)（情感、記憶等）研究領(lǐng)域：初級神經(jīng)活動（視覺、聽覺、運動等）和高級認知任務(wù)（情感、記憶等） 年齡、性別、健康與疾病、高低氧狀態(tài)年齡、性別、健康與疾病、高低氧狀態(tài)認知認知實驗實驗N-back任務(wù)任務(wù)Z

6、ou Gao, J Cogn Sci （2011）實驗設(shè)計實驗設(shè)計神經(jīng)激活后氧合血紅蛋白和脫神經(jīng)激活后氧合血紅蛋白和脫氧血紅蛋白含量的變化氧血紅蛋白含量的變化 血液動力學血液動力學響應(yīng)曲線。響應(yīng)曲線。（A）為塊狀型設(shè)計響應(yīng)曲線；）為塊狀型設(shè)計響應(yīng)曲線；（B）為事件相關(guān)型設(shè)計響應(yīng)曲線。）為事件相關(guān)型設(shè)計響應(yīng)曲線。靜息態(tài)功能磁共振（靜息態(tài)功能磁共振（rfMRI）什么是靜息態(tài)？什么是靜息態(tài)？ 無任務(wù)（睜眼或者閉眼）無任務(wù)（睜眼或者閉眼） 放松休息放松休息 不要胡思亂想不要胡思亂想 保持清醒保持清醒靜息靜息態(tài)磁共振態(tài)磁共振 采集采集5-10分鐘分鐘fMRI圖像圖像 分析低頻波動（分析低頻波動（0.01

7、-0.08Hz）早期早期rfMRI研究研究體體素信號時間序列素信號時間序列低頻信號代表大腦的自發(fā)活動低頻信號代表大腦的自發(fā)活動腦網(wǎng)絡(luò)腦網(wǎng)絡(luò)默認網(wǎng)絡(luò)（默認網(wǎng)絡(luò)（default mode network, DMN）:休息時開啟，執(zhí)行任務(wù)時關(guān)閉休息時開啟，執(zhí)行任務(wù)時關(guān)閉Zhang and Raichle, 2010. Nat. Rev. Neurol.腦連接腦連接磁共振波譜（磁共振波譜（MRS）不是圖像域信號，而是頻率域信號不是圖像域信號，而是頻率域信號不同物質(zhì)所處的化學環(huán)境不同，產(chǎn)生不同的化學位移，導致各物質(zhì)頻率產(chǎn)生略微不同物質(zhì)所處的化學環(huán)境不同，產(chǎn)生不同的化學位移，導致各物質(zhì)頻率產(chǎn)生略微差異，因

8、此可在頻率域上得出物質(zhì)信息差異，因此可在頻率域上得出物質(zhì)信息波譜脈沖波譜脈沖三個三個RF脈沖都是選層脈沖，單體素采集，體素大小脈沖都是選層脈沖，單體素采集，體素大小2x2x2cm3采集采集FID信號，頻率域信息信號，頻率域信息特點特點對場的均勻度要求很高，對場的均勻度要求很高，=(B0+B)單體素單體素成像，區(qū)域越小，場均勻度越好；全腦的場均勻度較低成像，區(qū)域越小，場均勻度越好；全腦的場均勻度較低信噪比低，需多次平均提高信噪比信噪比低，需多次平均提高信噪比時間分辨率低，約在分鐘量級，時間分辨率低，約在分鐘量級，T=2s(TR) x 200(平均次數(shù)平均次數(shù))依賴高場磁共振，依賴高場磁共振，B0

9、越高，信噪比越高，但越高，信噪比越高，但B0越高，場均勻性越差，越高，場均勻性越差，目前常用的磁場強度為目前常用的磁場強度為3T可以觀測到分子層面物質(zhì)信息，有利于深入了解腦能量代謝機制可以觀測到分子層面物質(zhì)信息，有利于深入了解腦能量代謝機制有利于疾病（如腫瘤）的臨床診斷和評估有利于疾?。ㄈ缒[瘤）的臨床診斷和評估應(yīng)用：乳酸研究應(yīng)用：乳酸研究10Hz視覺刺激時，乳酸的變化視覺刺激時，乳酸的變化 Mangia et al, JCBFM (2007)不同頻率視覺刺激時，乳酸的變化不同頻率視覺刺激時，乳酸的變化31P-MRS (磷磷譜譜)Zhu et al., NeuroImage 2012可以測量可以

10、測量ATP，PCr等能量代謝物質(zhì)等能量代謝物質(zhì)時間分辨率和空間分辨率都較低時間分辨率和空間分辨率都較低Velan et al., JMRI 2007波譜圖像波譜圖像MRSI Maudsley et al., MRM 2009單個被試單個被試采集時間：采集時間：15 min88個被試的平均圖像個被試的平均圖像結(jié)構(gòu)磁共振結(jié)構(gòu)磁共振結(jié)構(gòu)像結(jié)構(gòu)像 T1, T2, 彌散張量成像（彌散張量成像（DTI）結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)像：像：VBM分析分析研究：腦灰質(zhì)密度差異研究：腦灰質(zhì)密度差異應(yīng)用：阿爾茨海默癥診斷、年齡、特殊人群等應(yīng)用：阿爾茨海默癥診斷、年齡、特殊人群等DTI中樞神經(jīng)纖維精細成像，可顯示腦白質(zhì)內(nèi)神經(jīng)傳導束的走

11、向，研究不中樞神經(jīng)纖維精細成像，可顯示腦白質(zhì)內(nèi)神經(jīng)傳導束的走向，研究不同組織中水分子擴散運動的差異。同組織中水分子擴散運動的差異。各向同性：均勻介質(zhì)中，水分子是隨機運動的，不受限制，各個方向各向同性：均勻介質(zhì)中，水分子是隨機運動的，不受限制，各個方向運動的幾率相同（如腦脊液運動的幾率相同（如腦脊液CSF）。）。各向異性：在人體組織中，水分子的運動受到組織細胞結(jié)構(gòu)的影響，各向異性：在人體組織中，水分子的運動受到組織細胞結(jié)構(gòu)的影響，各個方向彌散程度不同，具有方向依賴性。各個方向彌散程度不同，具有方向依賴性。表述參數(shù)表述參數(shù)擴散張量擴散張量D (矢量，有方向矢量，有方向)表觀擴散系數(shù)表觀擴散系數(shù)AD

12、C （標量，無方向）（標量，無方向） 反映水分子的擴散運動能力，單位時間內(nèi)水分子的擴散運動范圍，反映水分子的擴散運動能力，單位時間內(nèi)水分子的擴散運動范圍， ADC越高，表越高，表示水分子擴散能力越強，單位示水分子擴散能力越強，單位mm2/s。部分部分各向異性指數(shù)各向異性指數(shù)FA（標量，無方向（標量，無方向） 是是水分子各向異性成分占整個彌散張量的比例，它的變化范圍從水分子各向異性成分占整個彌散張量的比例，它的變化范圍從01。0代表彌散代表彌散不受限制，比如腦脊液的不受限制，比如腦脊液的 FA 值接近值接近 0；對于非常規(guī)則的具有方向性的組織，其；對于非常規(guī)則的具有方向性的組織，其FA值大于值大于0，例如大腦白質(zhì)纖維，例如大腦白質(zhì)纖維 FA 值接近值接近 1。腦組織水分子擴散特