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医 学 影 像 与 分 子 影 像 学
田 捷
中 科 院 自 动 化 所 医 学 影 像 研 究 室
http://www.3dmed.net
http://www.mitk.net
Email:tian@doctor.com
2004 年 9 月

医 学 影 像 学 发 展 简 史
• 19 世 纪 末 20 世 纪 初 :
X 线 放 射 诊 断 学
• 20 世 纪 50~60 年 代 :
超 声 成 像 (USG)
核 素 γ 闪 烁 成 像 (γ-scintigraphy )
• 70~80 年 代 :
计 算 机 体 层 成 像 (CT)
磁 共 振 成 像 (MRI)
数 字 血 管 减 影 (DSA)
• 20 世 纪 80~90 年 代 :
正 电 子 发 射 成 像 (PET)
单 光 子 发 射 体 层 成 像 (SPECT)
磁 共 振 功 能 成 像 (FMRI)

医 学 影 像 处 理 与 分 析 发 展 的 四 个 阶 段
• 1980 年 前 —1984 年 : 医 学 图 像 质 量 较 差 。 二 维
图 像 处 理 与 分 析 , 重 点 是 图 像 分 割 、 配 准 等 。
• 1985 年 —1991 年 : 医 学 成 像 设 备 的 发 展 ,MR 设
备 成 为 越 来 越 重 要 的 数 据 源 。 计 算 机 辅 助 诊 断 、
图 像 分 割 、 配 准 等 是 研 究 重 点 。
• 1992 年 —1998 年 : 高 质 量 的 三 维 MR 图 像 出
现 。 螺 旋 CT、 超 声 、SPECT 和 PET 也 迅 速 发
展 。 医 学 影 像 处 理 与 分 析 中 的 问 题 越 来 越 复 杂 。
功 能 图 像 的 处 理 与 分 析 出 现 。
• 1999 年 以 后 : 成 像 技 术 更 先 进 。 图 像 处 理 算 法
更 复 杂 。 例 如 : 功 能 激 活 区 提 取 , 纤 维 追 踪 算 法
研 究 。

功 能 成 像 研 究 的 国 际 形 势
• 2002 年 北 美 放 射 年 会 全 体 大 会 上 ,Bruce Rosen 以 “ 时 、 空 间
的 脑 功 能 成 像 ” 为 题 , 报 告 了 10 年 来 功 能 成 像 的 迅 猛 发 展 及 其
医 学 应 用 。 他 指 出
• 分 子 生 物 学 、 神 经 化 学 和 电 生 理 学 这 些 工 具 继 续 在 分 子 、 突
触 和 细 胞 水 平 对 神 经 元 情 况 提 供 相 关 信 息 , 新 一 代 非 侵 入 性
的 成 像 方 法 能 够 使 我 们 将 研 究 领 域 从 细 胞 扩 展 到 系 统 水 平 ,
从 动 物 扩 展 到 人 类 。 这 种 方 法 就 是 磁 共 振 功 能 成 像 , 或 者 简
写 为 fMRI。
• 该 技 术 目 前 已 经 在 各 个 领 域 , 如 研 究 人 类 视 觉 、 听 觉 、 嗅
觉 、 味 觉 、 触 觉 与 运 动 , 记 忆 、 注 意 以 及 人 类 特 有 的 机 能 如
语 言 等 神 经 机 制 方 面 ; 感 觉 运 动 皮 质 的 术 前 成 像 用 于 神 经 变
性 疾 病 、 癫 痫 、 中 风 、 中 风 恢 复 等 临 床 方 面 以 及 人 类 特 有 的
精 神 分 裂 症 、 抑 郁 症 、 孤 独 症 等 精 神 疾 患 。
• 新 技 术 出 现 , 如 结 合 FMRI 的 MEG、EEG 及 弥 散 光 学 成 像
(DOT)。

功 能 成 像 及 其 分 类 ( 按 研 究 领 域 分 类 )
• 功 能 成 像 的 出 现 给 传 统 医 学 影 像 学 带 来 了 一 场 革 命 , 它
甚 至 改 变 了 传 统 医 学 的 诊 断 、 治 疗 模 式 。
• 功 能 成 像 技 术 的 研 究 领 域 分 类 [ 注 1]
灌 注 成 像 (PWI,CT,PET, 光 学 成 像 [ 注 2] )
弥 散 成 像 (DWI)
联 系 图 像 (DTI)
生 化 成 像 (MRS,PET, 光 学 成 像 )
分 子 成 像 (PET, 光 学 成 像 ,phMRI,MRI)
定 量 结 构 测 量 成 像 (MRI,CT)
激 活 区 成 像 (fMRI,PET, 光 学 成 像 ,EEG,MEG)
[ 注 1]:Bruce Rosen. Functional Imaging of the Brain in Space and Time.
Eugene P. Pendergrass New Horizons Lecture, RSNA 2002.
[ 注 2]: : 光 学 成 像 : 近 红 外 谱 技 术 (near(
infrared spectroscopy, NIRS)
与 光 学 相 干 层 析 成 像 (optical(
coherence tomography, OCT)
弥 散 光 学 成 像 (diffusion(
optical tomography, DOT)

功 能 成 像 方 式 ( 按 方 法 分 类 )
• Metabolic / vascular methods
• 磁 共 振 功 能 成 像 (fMRI)
• 正 电 子 发 射 断 层 扫 描 (PET)
• 单 光 子 发 射 断 层 扫 描 (SPECT)
• Electrophysiological methods
• 脑 电 图 (EEG)
• 脑 磁 图 (MEG)

课 程 安 排
• 第 七 讲 : MRI 基 础 知 识
• 第 八 讲 : 功 能 成 像 方 法 与 设 备
• 第 九 讲 : 功 能 数 据 处 理
• 第 十 讲 : 功 能 处 理 与 分 析 综 述
• 第 十 一 讲 : 情 绪 反 应 机 理 研 究
• 第 十 二 讲 : 针 灸 镇 痛 机 理 研 究
• 第 十 三 讲 : 弥 散 张 量 图 像 处 理 与 可 视 化
• 第 十 四 讲 : 脑 中 风 研 究

第 七 讲 :
磁 共 振 成 像 原 理 及 fMRI 介 绍

第 一 部 分 : 磁 共 振 成 像 原 理

MRI 原 理
NMR、MRI 及 fMRI 历 史
•
质 子 的 物 理 性 质
•
横 向 驰 豫 及 纵 向 驰 豫
•
回 波 序 列
•
磁 共 振 信 号 与 图 像
•
成 像 设 备 、 应 用 及 一 些 成 像 例 子
•

NMR 历 史
• 简 介
二 十 世 纪 四 十 年 代 , 人 类 就
认 识 了 核 磁 共 振 现 象 。 但 这
一 现 象 在 三 十 多 年 之 后 才 得
到 了 广 泛 地 应 用 。1946 年 美
国 学 者 斯 坦 福 大 学 的 Felix
Bloch 和 哈 佛 大 学 的 Edward
Purcell 分 别 发 现 了 核 磁 共 振
(Nuclear Magnetic
Resonance) 现 象 , 为 现 代 的
磁 共 振 成 像 技 术 建 立 了 理 论
基 础 。 两 学 者 因 而 获 得 了
1952 年 的 诺 贝 尔 物 理 学 奖 。

NMR 历 史
• 1971 年 纽 约 州 立 大 学
医 生 Raymond
Damadian 发 现 肿 瘤 组
织 的 T1、T2 时 间 延
长 。1973 年 纽 约 州 立
大 学 化 学 教 授 Paul
Lauterbur 发 表 了 两
个 充 水 试 管 的 第 一 幅
核 磁 共 振 图 像 ,1974
年 作 出 了 活 鼠 的 核 磁
图 像 。

• MRI
fMRI 历 史
• 1973: Lauterbur 提 出 NMR 可 以 用 来 成 像
• 1977: 取 得 了 临 床 MRI 扫 描 器 的 专 利
• 1977: Mansfield 使 用 回 波 成 像 (EPI) 序 列 更 快 的 得
到 图 像
• fMRI
• 1990: Ogawa 通 过 T2 加 权 像 观 察 到 BOLD 效 应
• 1991: Belliveau 首 次 通 过 对 比 机 制 观 察 到 功 能 图 像
• 1992: Ogawa & Kwong 发 表 了 通 过 BOLD 信 号 成
像 的 结 果

MRI 原 理
NMR、MRI
MRI 及 fMRI 历 史
•
质 子 的 物 理 性 质
•
横 向 驰 豫 及 纵 向 驰 豫
•
回 波 序 列
•
磁 共 振 信 号 与 图 像
•
成 像 设 备 、 应 用 及 一 些 成 像 例 子
•

质 子 的 物 理 性 质
• 移 动 的 带 电 粒 子 能 够 产 生 磁 场
• 质 子 具 有 自 旋 的 性 质
质 子 自 旋 .

磁 场 中 的 质 子
无 磁 场 的 空 间
存 在 磁 场 的 空 间
Applied Magnetic
Field (B 0 )
M
随 机 分 布
按 照 一 定 的 规 律 排 列

Lamor 方 程
• 进 动 频 率 与 磁 场 强 度 成 正 比 , 并 且 由
Larmor 方 程 如 下 定 义 :
ω = γβ
0 0
ω
γ
β
0
: 进 动 频 率
: 旋 磁 比
0
: 外 部 磁 场 强 度

Lamor 方 程
对 于 氢 质 子 来 说 , 进 动 频 率 是
•
42.6MHzT-1
也 就 是 说 在 外 部 磁 场 是 1.0T 时 , 氢 质
子 每 秒 自 旋 4.2*10 7 次 ;
在 1.5T 时 , 约 为 6.3*10 7 次

Lamor 方 程
MRI 的 目 的 是 以 某 种 方 法 如 通 过 测 量 该
•
断 层 组 织 氢 核 的 密 度 , 显 示 身 体 中 某
一 断 面 的 组 织 分 布 图 像 , 由 此 而 获 得 身
体 中 二 维 断 面 的 二 维 图 像 。

叠 加 电 磁 射 频 脉 冲
如 果 在 质 子 上 叠 加 一 个 等 同 于 响 应 频
•
率 的 电 磁 射 频 脉 冲 , 则 质 子 会 吸 收 能
量 , 根 据 量 子 理 论 , 单 个 质 子 将 发 生
能 量 跃 迁 , 跃 迁 至 更 高 的 能 量 状 态 。

MRI 原 理
NMR、MRI
MRI 及 fMRI 历 史
•
质 子 的 物 理 性 质
•
横 向 驰 豫 及 纵 向 驰 豫
•
回 波 序 列
•
磁 共 振 信 号 与 图 像
•
成 像 设 备 、 应 用 及 一 些 成 像 例 子
•

横 向 驰 豫 与 纵 向 弛 豫
• T2 衰 减 以 及 失 相 位
• 在 RF 脉 冲 后 , 所 有 的 自 旋 都 同 相 位
• 当 RF 脉 冲 停 止 , 所 有 的 自 旋 开 始 失 相 位

横 向 驰 豫 与 纵 向 弛 豫
• T2 衰 减 以 及 失 相 位
• 质 子 进 动 的 快 慢 依 赖 于 它 所 在 的 磁 场
• 一 个 单 独 的 质 子 只 受 外 部 磁 场 的 影 响 ,
因 此 其 自 旋 速 率 是 常 数
• 随 着 质 子 向 同 一 方 向 的 移 动 , 它 们 的 磁
场 开 始 相 互 作 用

横 向 驰 豫 与 纵 向 弛 豫
• T2 衰 减 以 及 失 相 位
• 如 果 一 个 质 子 的 磁 场 使 得 另 一 个 质 子 的
磁 场 加 强 , 则 另 一 个 质 子 将 在 其 作 用 下
加 速
• 如 果 这 两 个 质 子 的 磁 场 互 相 反 作 用 , 则
第 二 个 质 子 将 减 速
• 当 自 旋 质 子 分 开 , 并 且 互 不 作 用 的 时 ,
他 们 以 原 有 的 频 率 运 动 , 但 是 却 在 不 同
的 相 位 上 运 动 ( 失 相 位 )。

横 向 驰 豫 与 纵 向 弛 豫
• T2 衰 减 以 及 失 相 位
• 这 种 类 型 的 相 互 作 用 就 称 为 自 旋 - 自 旋
(spin-spin) 相 互 作 用
• 这 些 随 机 的 相 互 作 用 是 可 以 累 加 的
• 使 得 信 号 发 生 变 化

横 向 驰 豫 与 纵 向 弛 豫
• 自 旋 - 自 旋 相 互 作 用

横 向 驰 豫 与 纵 向 弛 豫
• 自 旋 - 自 旋 相 互 作 用

横 向 驰 豫 与 纵 向 弛 豫
• T2 衰 减 曲 线
• 由 自 旋 - 自 旋 相 作 用 的 信 号 衰 减 是 以 指
数 形 式 表 达 的
• T2 时 间 是 指 当 信 号 衰 减 为 原 始 信 号 的
36.8% 的 时 间
• 每 种 组 织 的 T2 时 间 是 唯 一 的 , 基 本 由 它
的 化 学 环 境 决 定 , 与 场 强 基 本 无 关

横 向 驰 豫 与 纵 向 弛 豫
• 不 同 组 织 的 T2 驰 豫 时 间

横 向 驰 豫 与 纵 向 弛 豫
• T2 弛 豫
T2 弛 豫 时 间

横 向 驰 豫 与 纵 向 弛 豫
• T2 弛 豫
在 射 频 脉 冲 结 束 时 , 质 子 的 磁 矩 方 向 相 同 , 称
为 同 相 位 , 在 xy 平 面 产 生 了 一 个 单 一 的 磁 化 矢
量 ; 之 后 , 由 于 组 织 中 的 分 子 热 运 动 及 周 围 磁
场 微 环 境 的 作 用 , 质 子 的 旋 进 频 率 出 现 差 异 ,
质 子 的 磁 矩 方 位 出 现 不 同 , 称 失 相 位 , 这 时 质
子 的 磁 化 矢 量 分 散 于 xy 平 面 ; 随 着 时 间 的 推
移 , 分 散 于 xy 平 面 的 磁 化 矢 量 进 一 步 散 开 , 最
后 质 子 的 磁 化 矢 量 完 全 失 相 位 , 在 xy 平 面 相 互
抵 消 , 即 横 向 磁 化 矢 量 消 失 。

横 向 驰 豫 与 纵 向 弛 豫
• T1 弛 豫
• 当 质 子 从 能 量 较 高 的 能 级 回 到 能 量 较 低
的 能 级 上 时 释 放 射 频 能 量 , 最 后 与 主 磁
场 方 向 一 致 的 过 程
• T1 弛 豫 时 间 指 正 在 恢 复 的 纵 向 磁 化 矢 量
恢 复 到 原 来 (M0) 的 63% 时 所 需 要 的 时
间 。 这 种 弛 豫 方 式 也 称 为 T1 驰 豫 , 自 旋 -
晶 格 驰 豫 或 纵 向 弛 豫

横 向 驰 豫 与 纵 向 弛 豫
• T1 弛 豫
T1 时 间

横 向 驰 豫 与 纵 向 弛 豫
• 不 同 组 织 的 T1 弛 豫 时 间

横 向 驰 豫 与 纵 向 弛 豫
• T1 弛 豫
以 Larmor 频 率 施 加 的 射 频 脉 冲 结 束 时 , 正 在 以
Larmor 频 率 旋 进 的 有 关 质 子 吸 收 能 量 , 由 低 能
态 跃 迁 到 高 能 态 , 其 磁 矩 的 方 向 由 南 极 转 向 北
极 。 由 于 组 织 中 的 分 子 热 运 动 及 周 围 磁 场 微 环
境 的 波 动 , 这 些 高 能 态 的 质 子 又 回 到 低 能 态 并
释 放 出 吸 收 的 能 量 —— 射 频 光 子 , 其 磁 矩 的 方
向 又 由 北 极 转 向 南 极 。 释 放 出 的 射 频 光 子 其 频
率 与 吸 收 能 量 的 有 关 质 子 Larmor 频 率 相 同 。 因
此 ,T1 驰 豫 是 仅 仅 以 Larmor 频 率 的 磁 波 动 与 主
磁 场 垂 直 作 用 , 被 激 励 的 高 能 态 质 子 才 能 释 放
其 能 量 , 恢 复 到 激 励 前 的 低 能 态 的 过 程 。

横 向 驰 豫 与 纵 向 弛 豫
• T1、T2 弛 豫
T1、T2 弛 豫 过 程

横 向 驰 豫 与 纵 向 弛 豫
• 综 上 所 述 , 驰 豫 是 一 个
能 量 转 化 、 恢 复 的 过
程 。 在 弛 豫 过 程 中 , 横
向 弛 豫 和 纵 向 弛 豫 同 时
进 行 。 如 图 所 示 ,90°
脉 冲 停 止 之 后 , 净 磁 化
矢 量 (M) 以 螺 旋 的 形 式
上 升 , 趋 向 Bo ; 横 向
磁 化 矢 量 由 最 大 逐 渐 变
为 零 , 而 纵 向 磁 化 矢 量
则 逐 渐 由 零 恢 复 成 最 大
值 。

横 向 驰 豫 与 纵 向 弛 豫
• 不 同 组 织 的 T1、T2 弛 豫 时 间

MRI 原 理
NMR、MRI 及 fMRI 历 史
•
质 子 的 物 理 性 质
•
横 向 驰 豫 及 纵 向 驰 豫
•
回 波 序 列
•
磁 共 振 信 号 与 图 像
•
成 像 设 备 、 应 用 及 一 些 成 像 例 子
•

回 波 序 列
• 自 旋 回 波 脉 冲 扫 描 (Spin Echo⎯SE )
• 反 转 恢 复 扫 描 法 (Inversion Recovery⎯IR )
• 部 分 饱 和 扫 描 法 (Partial Saturation
Recovery⎯PSR )
• 梯 度 回 波 (Gradient echo )

回 波 序 列
• 自 旋 回 波 脉 冲 扫 描 (Spin Echo⎯SE )
自 旋 回 波 序 列

回 波 序 列
• 反 转 恢 复 扫 描 法 (Inversion Recovery⎯IR )
实 际 应 用 的 反 转 恢 复 扫 描 法

回 波 序 列
• 部 分 饱 和 扫 描 法 (Partial Saturation
Recovery⎯PSR )
部 分 饱 和 扫 描 法

回 波 序 列
• 梯 度 回 波 (Gradient echo )
梯 度 回 波

MRI 原 理
NMR、MRI 及 fMRI 历 史
•
质 子 的 物 理 性 质
•
横 向 驰 豫 及 纵 向 驰 豫
•
回 波 序 列
•
磁 共 振 信 号 与 图 像
•
成 像 设 备 、 应 用 及 一 些 成 像 例 子
•

磁 共 振 信 号 与 图 像
• 空 间 定 位
MRI 空 间 定 位 靠 的 是 梯 度 磁 场
由 x、y、z 三 组 线 圈 构 成 的 梯 度 磁 场
线 圈

磁 共 振 信 号 与 图 像
• 空 间 定 位
施 加 层 面 选
择 梯 度 后 ,
二 维 的 图 像
还 需 要 相 位
编 码 梯 度 。
相 位 编 码 示 意 图

• 图 像 重 建
磁 共 振 信 号 与 图 像
• 二 维 与 三 维 的 图 像 通 过 傅 立 叶 变 换 进 行 重 建 。 为
了 获 得 有 高 信 噪 比 的 图 像 , 整 个 步 骤 需 要 重 复 多
次 。
• 以 自 旋 回 波 为 例 , 二 维 傅 立 叶 变 换 的 成 像 原 理 :
自 由 感 应 衰 减 (FID) 代 表 叠 加 在 一 起 的 正 弦 震
荡 , 需 要 用 数 学 方 法 将 振 幅 随 时 间 变 化 的 函 数 转
化 成 为 振 幅 按 频 率 分 布 变 化 的 函 数 , 这 个 按 频 率
分 布 变 化 的 函 数 即 为 磁 共 振 波 谱 , 而 这 个 转 换 称
为 傅 立 叶 变 换 。 由 于 傅 立 叶 变 换 可 以 区 分 FID, 将
频 率 和 相 位 分 离 开 , 因 此 , 只 要 沿 某 层 面 互 相 垂
直 的 两 个 方 向 分 别 进 行 编 码 , 就 可 以 得 到 某 一 单
个 体 元 的 信 息 。 多 个 这 样 的 体 元 则 构 成 了 一 个 矩
阵 。 再 通 过 计 算 机 算 出 体 元 的 灰 阶 值 , 便 可 获 得
一 帧 磁 共 振 图 像 。

• 图 像 重 建
磁 共 振 信 号 与 图 像
自 由 感 应 衰 减 (free induction decay, FID)

磁 共 振 信 号 与 图 像
• 完 成 一 帧 磁 共 振 图 像 的 所 需 要 的 时 间 (T)
为 :T=TR ╳ Phase ╳ Nex
二 维 MRI 图 像 的 形 成

磁 共 振 信 号 与 图 像
所 有 前 面 提 到 的 因 素
+
适 当 的 对 比 机 制
||
核 磁 共 振 图 像

核 磁 共 振 图 像
• 一 些 例 子
T1 加 权 像
密 度 加 权 像
T2 加 权 像

影 响 成 像 的 一 些 因 素
• 图 像 的 空 间 分 辨 率
• 影 像 对 比 度
• 信 噪 比
• 伪 影
• 化 学 位 移 伪 影
• 卷 褶 伪 影
• 运 动 伪 影
• 金 属 伪 影
• 部 分 容 积 效 应

MRI 原 理
NMR、MRI 及 fMRI 历 史
•
质 子 的 物 理 性 质
•
横 向 驰 豫 及 纵 向 驰 豫
•
回 波 序 列
•
磁 共 振 信 号 与 图 像
•
成 像 设 备 、 应 用 及 一 些 成 像 例 子
•

磁 共 振 成 像 设 备
GE Signo 3.0
Siemens 3.0 Triol

临 床 应 用

临 床 应 用
血 管 成 像

临 床 应 用
神 经 成 像

临 床 应 用
头 部 图 像

临 床 应 用

神 经 科 学 应 用

一 些 成 像 的 例 子
• EPI 成 像 以 及 k-space

一 些 成 像 的 例 子 ( 续 )
• EPI 成 像 以 及 k-space

一 些 成 像 的 例 子 ( 续 )
• EPI 成 像 以 及 k-space

• MRI 图 像
一 些 成 像 的 例 子 ( 续 )

一 些 例 子 - 手 指 运 动 的 大 脑 激 活 图 像

一 些 例 子 - 血 管 的 核 磁 共 振 图 像

第 二 部 分 :fMRI 介 绍

fMRI 介 绍
• 引 言
• BOLD-fMRI 原 理
• fMRI 实 验 设 计
• fMRI 实 验 步 骤
• 数 据 分 析 方 法

什 么 是 fMRI
磁 共 振 功 能 成 像 或 功 能 性 磁 共 振 成 像
•
(functional Magnetic Resonance
Imaging,fMRI) 是 指 应 用 磁 共 振 成
像 技 术 对 人 体 ( 或 动 物 体 ) 的 功 能 进
行 研 究 和 检 测 。

什 么 是 fMRI
• 狭 义 概 念 :
• BOLD( 血 氧 合 水 平 依 赖 )
• 广 义 概 念 包 括 :
• BOLD( 血 氧 合 水 平 依 赖 )
• DWI( 磁 共 振 弥 散 成 像 )
• PWI( 灌 注 成 像 )
• DTI( 磁 共 振 弥 散 张 量 成 像 )
• MRS( 磁 共 振 波 谱 成 像 )

fMRI 研 究
• fMRI 是 目 前 国 际 上 科 学 研 究 工 作 的 热 点
• 国 际 热 门 期 刊
MRM, Radiology, Stoke, Neuroradiology, Neurology,
Neuroimage, Neuroreport,JMRI, Human Brain
Mapping 等
• 许 多 国 际 会 议 均 设 有 磁 共 振 功 能 成 像 方 向 的 专
门 论 坛
RSNA, SPIE Medical Imaging, Human Brain
Mapping
• 磁 共 振 功 能 成 像 的 专 门 国 际 会 议
ISMRM, ESMRMB

fMRI 介 绍
• 引 言
• BOLD-fMRI 原 理
• fMRI 实 验 设 计
• fMRI 实 验 步 骤
• 数 据 分 析 方 法

BOLD-fMRI 原 理
功 能 成 像 方 法 (fMRI) 主 要 是 根 据 测
•
量 到 的 大 脑 各 个 区 域 的 耗 氧 量 , 来 判
断 某 个 区 域 是 否 处 于 活 动 之 中 。 耗 氧
量 越 大 , 说 明 活 动 越 厉 害 。
此 方 法 主 要 用 于 定 位 大 脑 的 各 个 功 能
•
区 , 比 如 说 视 觉 区 , 简 单 说 就 是 区 分
哪 一 块 大 脑 皮 质 对 视 觉 起 反 应 。

• 三 个 重 要 发 现 :
BOLD-fMRI 原 理
• 1936 年 ,L.Pauling 在 分 析 镰 状 细 胞 性
贫 血 时 , 提 出 含 氧 血 红 蛋 白 与 脱 氧 血
红 蛋 白 两 者 的 磁 敏 感 性 不 同 。
• 1982 年 ,K.Thulborn 证 明 , 脱 氧 血 红
蛋 白 与 含 氧 血 红 蛋 白 相 比 ,T2 时 间 有
明 显 缩 短 。
• 1986 年 ,P.T.Fox 发 现 脑 活 动 时 局 部
脑 血 流 、 脑 血 容 积 和 脑 内 局 部 血 氧 含
量 均 有 不 同 程 度 改 变 。

BOLD-fMRI 原 理
• 生 物 组 织 活 动 需 要 消 耗 氧 。
• 生 物 组 织 消 耗 的 氧 是 由 血 液 运 输 的 , 耗
氧 量 大 的 组 织 区 域 , 血 流 量 就 多 。 耗 氧
量 还 是 一 个 动 态 变 化 过 程 , 没 有 活 动 时
耗 氧 少 , 一 旦 活 动 耗 氧 量 便 随 着 活 动 增
加 , 血 流 量 也 相 应 增 加 。
• 血 管 网 络 在 一 般 状 态 下 并 未 达 到 最 大 血
液 运 输 量 , 所 以 能 够 支 持 这 种 血 流 量 的
增 加 。

血 管 网 络
BOLD-fMRI 原 理
微 动 脉
( Arterioles )
微 静 脉
(Venules)
毛 细 血 管
(Capillaries)
未 激 活 时 使 用 率
95%
60%
80%
激 活 时 使 用 率
100% 90%
90%
直 径
25 mm 25-50 mm
8 mm
Neurons
Artery
Vein
Arterioles
Veneoles
Capillaries
1 - 2 cm
传 输 时 间 为 2-3 秒

BOLD-fMRI 原 理
• 血 红 蛋 白
6 mm 宽 1-2 mm 厚
与 氧 气 结 合 形 成 氧 合 血 红 蛋 白 在 血 液 中
传 输 , 在 组 织 中 氧 气 被 消 耗 掉 , 形 成 脱
氧 血 红 蛋 白 。 此 二 者 的 磁 化 系 数 不 同 ,
前 者 的 信 号 比 后 者 的 信 号 高 。

BOLD-fMRI 原 理
• 由 于 氧 合 血 红 蛋 白 和 脱 氧 血 红 蛋 白 磁 化 率 的
差 异 , 如 果 某 一 个 区 域 从 未 被 激 活 到 被 活 ,
从 动 脉 流 入 的 血 流 量 会 增 加 , 氧 合 血 红 蛋 白
数 量 增 多 , 信 号 强 度 就 会 增 加 , 而 没 有 被 激
活 的 区 域 信 号 强 度 不 变 。
• 在 MRI 图 像 上 , 当 有 较 多 动 脉 血 液 流 入 时 ,
相 应 的 脑 区 在 MRI 图 像 上 呈 较 高 信 号 , 这 些
较 高 信 号 被 认 为 与 脑 功 能 活 动 有 关 。

• BOLD 信 号 图
BOLD-fMRI 原 理
CMRO2- 血 氧 含 量
CBF- 脑 血 流
CBV- 脑 血 容

BOLD-fMRI 原 理
• 从 总 体 上 来 说 , 在 被 激 活 区 , 氧 合 红 蛋 白
的 含 量 有 一 定 增 加 。
CBF
氧 合 血 红 蛋 白
CMRO 2
氧 合 血 红 蛋 白
氧 合 血 红 蛋 白
CBV
氧 合 血 红 蛋 白

BOLD-fMRI 原 理
值 得 注 意 的 是 , 在 BOLD-fMRI 中 , 被 激
活 区 呈 现 较 高 信 号 , 这 个 较 高 信 号 是 相
对 未 被 激 活 ( 一 般 指 相 同 区 域 ) 而 言 的 ,
不 是 指 在 fMRI 中 信 号 最 高 的 就 是 被 激 活
区 ! 在 右 下 面 的 图 中 , 中 间 部 分 信 号 最
亮 , 但 并 不 是 激 活 区 , 我
们 怎 样 来 找 激 活 区 呢 这
就 是 下 面 要 讨 论 的 问 题 。

fMRI 介 绍
• 引 言
• BOLD-fMRI 原 理
• fMRI 实 验 设 计
• fMRI 实 验 步 骤
• 数 据 分 析 方 法

实 验 设 计
• 由 于 被 激 活 区 呈 现 的 较 高 信 号 是 相 对 于 该
区 未 被 激 活 而 言 的 , 那 么 我 们 就 需 要 找 出
这 种 信 号 变 化 。
• 下 面 以 针 灸 为 例 来 简 单 说 明 这 个 问 题 :
0~60s 没 有 针 灸 刺 激
60~120s 针 灸 刺 激
120~180s 没 有 针 灸 刺 激
180~240s 针 灸 刺 激

刺 激 函 数 (1)
大 脑 某 一 区 域 随 时
间 变 化 的 fMRI 信 号
强 度 (2)
大 脑 另 一 区 域 随 时
间 变 化 的 fMRI 信 号
强 度 (3)
由 此 图 可 见 , 大 脑 有 的 区 域 有 随 刺 激 函 数 变 化 的 趋 势 , 如
(2), 有 的 区 域 没 有 随 刺 激 函 数 变 化 的 趋 势 , 如 (3)。 出 现
(2) 所 示 信 号 变 化 的 区 域 即 为 针 灸 激 活 区 。 因 为 它 的 信 号 变 化
是 由 针 灸 引 起 的 。(3) 所 示 区 域 未 被 激 活 。

实 验 设 计
时 段 设 计 与 事 件 相 关 设 计
时 段 设 计 (block design) 和 事 件 相 关
(event-related)fMRI 为 fMRI 研 究 中
的 2 个 主 要 设 计 方 法 , 其 设 计 原 理 略 有
不 同 , 因 而 应 用 也 不 相 同 。 一 般 情 况
下 , 需 要 根 据 具 体 实 验 进 行 综 合 考
虑 , 以 确 定 应 用 那 种 方 法 。

实 验 设 计
时 段 设 计 (block design)
• 常 规 的 fMRI 方 法 , 也 是 最 早 应 用 的 fMRI 研 究
方 法 。
• 基 本 原 理
在 实 验 设 计 中 , 以 一 段 时 间 无 任 务 作 为 对
照 , 然 后 开 始 一 段 时 间 的 多 次 、 连 续 的 任
务 , 之 后 再 重 复 上 述 过 程 , 直 到 结 束 。 最 后
形 成 对 照 — 任 务 — 对 照 — 任 务 范 式 , 或 者 可
以 成 为 任 务 — 对 照 — 任 务 — 对 照 的 范 式 。

实 验 设 计
事 件 相 关 (event-related)
• 事 件 相 关 fMRI 出 现 于 1995 年 , 但 得 到 广 泛 应 用
的 开 始 时 间 是 在 1997~1998 年 以 后 。
• 基 本 原 理
以 一 段 时 间 无 任 务 为 对 照 , 然 后 快 速 执 行 首 次 任
务 , 这 个 任 务 仅 执 行 一 次 ; 再 进 入 一 段 无 任 务 阶
段 , 最 后 再 进 行 第 二 次 任 务 , 这 个 任 务 也 是 执 行
一 次 ; 重 复 上 述 过 程 , 直 到 结 束 。
• 优 点
与 时 段 设 计 方 法 相 比 较 , 事 件 相 关 可 以 使 得
fMRI 研 究 的 时 空 间 分 辨 率 , 尤 其 是 时 间 分 辨 率
得 到 相 当 大 的 提 高 。

时 段 设 计 与 事 件 相 关 fMRI 设 计 原 理

实 验 设 计
• 在 激 活 区 提 取 时 , 可 能 会 出 现 很 多 的 激 活 区 , 但
并 不 是 每 个 激 活 区 都 是 由 实 验 设 计 的 刺 激 引 起
的 。 因 为 人 的 大 脑 是 一 个 十 分 复 杂 的 系 统 , 它
对 外 界 的 任 何 刺 激 都 会 起 反 应 。 在 实 验 过 程 中 ,
可 能 存 在 别 的 激 激 , 其 刺 激 函 数 跟 实 验 设 计 刺
激 相 同 ( 这 种 可 能 性 极 大 ) , 这 样 的 实 验 结 果
就 不 准 确 。
• 实 验 设 计 是 一 门 很 深 的 学 问 , 其 最 主 要 的 目 的 是
尽 可 能 排 除 干 扰 , 尽 可 能 增 强 激 活 信 号 , 使 得 到
的 结 果 更 准 确 。

血 液 动 力 学 函 数 (HRF)
在 实 验 设 计 中 , 还 要 考 虑 血 液 动 力 学 函
数 的 影 响 。 大 脑 的 激 活 几 乎 跟 刺 激 一 样
快 , 即 刺 激 一 开 始 , 有 反 应 的 脑 区 就 被
激 活 了 , 但 是 由 于 血 流 有 延 迟 , 核 磁 信
号 上 并 不 能 马 上 反 应 出 来 , 还 得 有 几 秒
钟 的 滞 后 。 刺 激 停 止 时 也 一 样 。 而 且 核
磁 信 号 不 能 像 刺 激 那 样 突 变 , 它 有 一 个
缓 慢 变 化 的 过 程 。 这 个 延 迟 过 程 被 描 述
为 血 液 动 力 学 函 数 。

血 液 动 力 学 函 数 (HRF)
下 面 即 为 血 液 动 力 学 函 数 , 在 BOLDfMRI
中 , 这 是 一 个 不 得 不 面 对 的 问 题 。
血 液 动 力 学 函 数

fMRI 介 绍
• 引 言
• BOLD-fMRI 原 理
• fMRI 实 验 设 计
• fMRI 实 验 步 骤
• 数 据 分 析 方 法

fMRI 实 验 步 骤

核 磁 共 振 设 备

fMRI 实 验 步 骤 1: 结 构 像
扫 描 结 构 像 (T1)
• 高 分 辨 率 图 像
• 3D data
• 64 anatomical slices

Slice
SAGITTAL SLICE
Number of Slices
e.g., 10
Slice Thickness
e.g., 6 mm
In-plane resolution
e.g., 192 mm / 64
= 3 mm
IN-PLANE SLICE
VOXEL
(Volumetric Pixel)
3 mm
3 mm
6 mm
Matrix Size
e.g., 64 x 64
Field of View (FOV)
e.g., 19.2 cm

• 扫 描 功 能 像 (T2*)
• 通 常 为 低 分 辨 率
fMRI 实 验 步 骤 2: 功 能 像
• a volume : 某 一 时 刻 所 有 slice
• 4D data:3 空 间 ,1 时 间
…
first volume
(2 sec to acquire)

功 能 像
fMRI 实 验 步 骤 3: 激 活 区 统 计
~2s
fMRI
Signal
(% change)
ROI Time
Course
Time
Condition
Condition 1
统 计 图
加 到 结 构 像 上
Time
Condition 2
感 兴 趣 区 域 (ROI)
...
~ 5 min

实 验 的 刺 激 (stimulation)
基 线 (baseline) rest
激 活 的
时 序
% signal change
images
stimulation
血 液 动 力 学 响 应 函 数

统 计 图 & 时 序

2D 3D

fMRI 介 绍
• 引 言
• BOLD-fMRI 原 理
• fMRI 实 验 设 计
• fMRI 实 验 步 骤
• 数 据 分 析 方 法

数 据 处 理 方 法
• 预 处 理
• 对 齐 (realignment)
• 标 准 化 (normalization)
• 配 准 (coregister)
• 平 滑 (smooth)
• 数 据 分 析
• Model based
• Model free

预 处 理
• 对 齐 (realignment)
在 fMRI 序 列 当 中 , 由 于 人 为 的 因 素 而
引 起 的 误 差 是 很 严 重 的 , 例 如 头 部 的
微 小 移 动 。 因 此 在 处 理 数 据 之 前 应 当
将 这 些 人 为 的 因 素 减 少 到 最 小 。

预 处 理
• 标 准 化 (normalization)
由 于 个 体 之 间 存 在 差 异 , 在 提 取 个 体
之 间 的 均 值 信 号 或 者 在 标 准 空 间 的 坐
标 系 统 下 描 述 激 活 区 时 , 需 要 将 许 多
个 体 的 图 像 形 变 至 同 一 标 准 的 空 间 ,
即 图 像 的 空 间 标 准 化 。 目 前 最 常 用 的
是 Talairach 和 Tournoux 标 准 脑 图 谱 。

预 处 理
• 配 准 (coregister)
为 了 功 能 激 活 区 的 精 确 定 位 , 通 常 将
功 能 信 息 定 位 在 分 辨 率 较 高 的 解 剖 图
像 ( 如 T1 加 权 像 ) 上 , 这 就 需 要 将 功
能 图 像 和 解 剖 图 像 进 行 配 准 。

预 处 理
平 滑 (smooth)
•
平 滑 主 要 有 两 个 作 用 :
• 增 加 信 噪 比
• 可 以 对 于 图 像 部 分 效 果 进 行 增 强 。

数 据 分 析 - 两 种 方 法
• Model based & model free
Problem⇒ Data ⇒ Model ⇒ Analysis
⇒ Conclusion
Problem ⇒ Data ⇒ Analysis ⇒ Model
⇒ Conclusions

Model-based- 什 么 是 线 性 模 型
f(t)
sin(t)
sin(2t)
r(t)
f(t)= β 1 sin(t)+ β 2
sin(2t)+r(t)
其 中 r(t) 的 函 数 表 达 式 很 复 杂 , 而 且 |r(t)| 很 小 , 可 以 忽 略 。 因 此 我 们 可
以 用 sin(t) 和 sin(2t) 来 拟 合 f(t)。 这 就 是 一 个 最 简 单 的 一 般 线 性 模 型 。
f(t)~β 1
sin(t)+ β 2
sin(2t)

真 实 数 据
一 般 线 性 模 型
时 间 序 列

一 般 线 性 模 型
现 在 , 我 们 要 从 数 据
中 找 寻 激 活 区 , 就 用
刺 激 函 数 来 拟 合 所 得
到 的 数 据 。
Time
240s

一 般 线 性 模 型
例 子 : 刺 激 为 听 消 极 词 语 。 刺 激 函 数 中 的 黑 色 表 示 休 息 ,
白 色 表 示 听 消 极 词 语 。
单 任 务 模 型
听 消 极 词 语 休 息
一 个 体 素 中 的 BOLD
时 间 序 列 响 应
7 个 循 环
每 个 时 段 6 次 扫 描
刺 激 函 数

一 般 线 性 模 型
一 个 体 素 中 的 BOLD
时 间 序 列 相 应
此 例 为 拟 合 一 个 体 素 点 , 实 际 中
要 拟 合 整 个 大 脑 。
ε∼Ν(0, σ 2 )
( 误 差 为 独 立 正 态 分 布 )
时 间
强 度
β
= +
x 1
error
ε
用 刺 激 拟 合 数 据 , 误
差 要 尽 量 小 , 这 样 可
以 得 到 一 个 β , β越
大 , 拟 合 越 好 , 激 活
越 明 显 。

加 入 血 液 动 力 学 模 型
后 的 改 进 模 型
刺 激 函 数 与 血 液 动 力 学 函 数 卷 积
血 液 动 力 学 函 数
fitted data data

多 任 务 模 型
α β 1
µ β 2
β 3
=
β 4
β 5
β 6
β 7
+
β 8
β 9
Y
= X β +
多 任 务 模 型 是 指 : 在 一 个 实 验 中 , 刺 激 函 数 不 单 一 ,
比 如 既 听 消 极 词 语 , 又 听 积 极 词 语 。 这 样 的 模 型 更 复
杂 , 但 是 可 以 进 行 对 比 研 究 , 应 用 比 较 广 泛 。
ε

多 任 务 模 型 数
据 处 理 方 法
β =
β
α1
µ β 2
β 3
β 4
β 5
β 6
β 7
β 8
β 9
ˆ β =
( X
X
)
T −1
ˆ ε = Y − X ˆ β
X
T
Y
使 得
N
∑
t=
1
ˆε 2
t
最 小
最 小 平 方 参 数 估 计

Model free
ICA(Independent Component Analysis)
• ‘Infomax’ 方 法
• ‘fourth-order’ 方 法

ICA
• 对 标 准 血 液 动 力 学 函 数 模 型 的 改 进
ICA 方 法
标 准 血 液 动 力
学 模 型

小 结
• MRI 原 理
• fMRI 介 绍