ç£å ±æ¯æååçåfMRIä»ç»(æ´æ°) - ä¸ç»´å»å¦å¾åå¤ç
ç£å ±æ¯æååçåfMRIä»ç»(æ´æ°) - ä¸ç»´å»å¦å¾åå¤ç
ç£å ±æ¯æååçåfMRIä»ç»(æ´æ°) - ä¸ç»´å»å¦å¾åå¤ç
Create successful ePaper yourself
Turn your PDF publications into a flip-book with our unique Google optimized e-Paper software.
医 学 影 像 与 分 子 影 像 学<br />
田 捷<br />
中 科 院 自 动 化 所 医 学 影 像 研 究 室<br />
http://www.3dmed.net<br />
http://www.mitk.net<br />
Email:tian@doctor.com<br />
2004 年 9 月
医 学 影 像 学 发 展 简 史<br />
• 19 世 纪 末 20 世 纪 初 :<br />
X 线 放 射 诊 断 学<br />
• 20 世 纪 50~60 年 代 :<br />
超 声 成 像 (USG)<br />
核 素 γ 闪 烁 成 像 (γ-scintigraphy )<br />
• 70~80 年 代 :<br />
计 算 机 体 层 成 像 (CT)<br />
磁 共 振 成 像 (MRI)<br />
数 字 血 管 减 影 (DSA)<br />
• 20 世 纪 80~90 年 代 :<br />
正 电 子 发 射 成 像 (PET)<br />
单 光 子 发 射 体 层 成 像 (SPECT)<br />
磁 共 振 功 能 成 像 (FMRI)
医 学 影 像 处 理 与 分 析 发 展 的 四 个 阶 段<br />
• 1980 年 前 —1984 年 : 医 学 图 像 质 量 较 差 。 二 维<br />
图 像 处 理 与 分 析 , 重 点 是 图 像 分 割 、 配 准 等 。<br />
• 1985 年 —1991 年 : 医 学 成 像 设 备 的 发 展 ,MR 设<br />
备 成 为 越 来 越 重 要 的 数 据 源 。 计 算 机 辅 助 诊 断 、<br />
图 像 分 割 、 配 准 等 是 研 究 重 点 。<br />
• 1992 年 —1998 年 : 高 质 量 的 三 维 MR 图 像 出<br />
现 。 螺 旋 CT、 超 声 、SPECT 和 PET 也 迅 速 发<br />
展 。 医 学 影 像 处 理 与 分 析 中 的 问 题 越 来 越 复 杂 。<br />
功 能 图 像 的 处 理 与 分 析 出 现 。<br />
• 1999 年 以 后 : 成 像 技 术 更 先 进 。 图 像 处 理 算 法<br />
更 复 杂 。 例 如 : 功 能 激 活 区 提 取 , 纤 维 追 踪 算 法<br />
研 究 。
功 能 成 像 研 究 的 国 际 形 势<br />
• 2002 年 北 美 放 射 年 会 全 体 大 会 上 ,Bruce Rosen 以 “ 时 、 空 间<br />
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<br />
医 学 应 用 。 他 指 出<br />
• 分 子 生 物 学 、 神 经 化 学 和 电 生 理 学 这 些 工 具 继 续 在 分 子 、 突<br />
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<br />
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 ,<br />
从 动 物 扩 展 到 人 类 。 这 种 方 法 就 是 磁 共 振 功 能 成 像 , 或 者 简<br />
写 为 fMRI。<br />
• 该 技 术 目 前 已 经 在 各 个 领 域 , 如 研 究 人 类 视 觉 、 听 觉 、 嗅<br />
觉 、 味 觉 、 触 觉 与 运 动 , 记 忆 、 注 意 以 及 人 类 特 有 的 机 能 如<br />
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<br />
性 疾 病 、 癫 痫 、 中 风 、 中 风 恢 复 等 临 床 方 面 以 及 人 类 特 有 的<br />
精 神 分 裂 症 、 抑 郁 症 、 孤 独 症 等 精 神 疾 患 。<br />
• 新 技 术 出 现 , 如 结 合 FMRI 的 MEG、EEG 及 弥 散 光 学 成 像<br />
(DOT)。
功 能 成 像 及 其 分 类 ( 按 研 究 领 域 分 类 )<br />
• 功 能 成 像 的 出 现 给 传 统 医 学 影 像 学 带 来 了 一 场 革 命 , 它<br />
甚 至 改 变 了 传 统 医 学 的 诊 断 、 治 疗 模 式 。<br />
• 功 能 成 像 技 术 的 研 究 领 域 分 类 [ 注 1]<br />
灌 注 成 像 (PWI,CT,PET, 光 学 成 像 [ 注 2] )<br />
弥 散 成 像 (DWI)<br />
联 系 图 像 (DTI)<br />
生 化 成 像 (MRS,PET, 光 学 成 像 )<br />
分 子 成 像 (PET, 光 学 成 像 ,phMRI,MRI)<br />
定 量 结 构 测 量 成 像 (MRI,CT)<br />
激 活 区 成 像 (fMRI,PET, 光 学 成 像 ,EEG,MEG)<br />
[ 注 1]:Bruce Rosen. Functional Imaging of the Brain in Space and Time.<br />
Eugene P. Pendergrass New Horizons Lecture, RSNA 2002.<br />
[ 注 2]: : 光 学 成 像 : 近 红 外 谱 技 术 (near(<br />
infrared spectroscopy, NIRS)<br />
与 光 学 相 干 层 析 成 像 (optical(<br />
coherence tomography, OCT)<br />
弥 散 光 学 成 像 (diffusion(<br />
optical tomography, DOT)
功 能 成 像 方 式 ( 按 方 法 分 类 )<br />
• Metabolic / vascular methods<br />
• 磁 共 振 功 能 成 像 (fMRI)<br />
• 正 电 子 发 射 断 层 扫 描 (PET)<br />
• 单 光 子 发 射 断 层 扫 描 (SPECT)<br />
• Electrophysiological methods<br />
• 脑 电 图 (EEG)<br />
• 脑 磁 图 (MEG)
课 程 安 排<br />
• 第 七 讲 : MRI 基 础 知 识<br />
• 第 八 讲 : 功 能 成 像 方 法 与 设 备<br />
• 第 九 讲 : 功 能 数 据 处 理<br />
• 第 十 讲 : 功 能 处 理 与 分 析 综 述<br />
• 第 十 一 讲 : 情 绪 反 应 机 理 研 究<br />
• 第 十 二 讲 : 针 灸 镇 痛 机 理 研 究<br />
• 第 十 三 讲 : 弥 散 张 量 图 像 处 理 与 可 视 化<br />
• 第 十 四 讲 : 脑 中 风 研 究
第 七 讲 :<br />
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<br />
NMR、MRI 及 fMRI 历 史<br />
•<br />
质 子 的 物 理 性 质<br />
•<br />
横 向 驰 豫 及 纵 向 驰 豫<br />
•<br />
回 波 序 列<br />
•<br />
磁 共 振 信 号 与 图 像<br />
•<br />
成 像 设 备 、 应 用 及 一 些 成 像 例 子<br />
•
NMR 历 史<br />
• 简 介<br />
二 十 世 纪 四 十 年 代 , 人 类 就<br />
认 识 了 核 磁 共 振 现 象 。 但 这<br />
一 现 象 在 三 十 多 年 之 后 才 得<br />
到 了 广 泛 地 应 用 。1946 年 美<br />
国 学 者 斯 坦 福 大 学 的 Felix<br />
Bloch 和 哈 佛 大 学 的 Edward<br />
Purcell 分 别 发 现 了 核 磁 共 振<br />
(Nuclear Magnetic<br />
Resonance) 现 象 , 为 现 代 的<br />
磁 共 振 成 像 技 术 建 立 了 理 论<br />
基 础 。 两 学 者 因 而 获 得 了<br />
1952 年 的 诺 贝 尔 物 理 学 奖 。
NMR 历 史<br />
• 1971 年 纽 约 州 立 大 学<br />
医 生 Raymond<br />
Damadian 发 现 肿 瘤 组<br />
织 的 T1、T2 时 间 延<br />
长 。1973 年 纽 约 州 立<br />
大 学 化 学 教 授 Paul<br />
Lauterbur 发 表 了 两<br />
个 充 水 试 管 的 第 一 幅<br />
核 磁 共 振 图 像 ,1974<br />
年 作 出 了 活 鼠 的 核 磁<br />
图 像 。
• MRI<br />
fMRI 历 史<br />
• 1973: Lauterbur 提 出 NMR 可 以 用 来 成 像<br />
• 1977: 取 得 了 临 床 MRI 扫 描 器 的 专 利<br />
• 1977: Mansfield 使 用 回 波 成 像 (EPI) 序 列 更 快 的 得<br />
到 图 像<br />
• fMRI<br />
• 1990: Ogawa 通 过 T2 加 权 像 观 察 到 BOLD 效 应<br />
• 1991: Belliveau 首 次 通 过 对 比 机 制 观 察 到 功 能 图 像<br />
• 1992: Ogawa & Kwong 发 表 了 通 过 BOLD 信 号 成<br />
像 的 结 果
MRI 原 理<br />
NMR、MRI<br />
MRI 及 fMRI 历 史<br />
•<br />
质 子 的 物 理 性 质<br />
•<br />
横 向 驰 豫 及 纵 向 驰 豫<br />
•<br />
回 波 序 列<br />
•<br />
磁 共 振 信 号 与 图 像<br />
•<br />
成 像 设 备 、 应 用 及 一 些 成 像 例 子<br />
•
质 子 的 物 理 性 质<br />
• 移 动 的 带 电 粒 子 能 够 产 生 磁 场<br />
• 质 子 具 有 自 旋 的 性 质<br />
质 子 自 旋 .
磁 场 中 的 质 子<br />
无 磁 场 的 空 间<br />
存 在 磁 场 的 空 间<br />
Applied Magnetic<br />
Field (B 0 )<br />
M<br />
随 机 分 布<br />
按 照 一 定 的 规 律 排 列
Lamor 方 程<br />
• 进 动 频 率 与 磁 场 强 度 成 正 比 , 并 且 由<br />
Larmor 方 程 如 下 定 义 :<br />
ω = γβ<br />
0 0<br />
ω<br />
γ<br />
β<br />
0<br />
: 进 动 频 率<br />
: 旋 磁 比<br />
0<br />
: 外 部 磁 场 强 度
Lamor 方 程<br />
对 于 氢 质 子 来 说 , 进 动 频 率 是<br />
•<br />
42.6MHzT-1<br />
也 就 是 说 在 外 部 磁 场 是 1.0T 时 , 氢 质<br />
子 每 秒 自 旋 4.2*10 7 次 ;<br />
在 1.5T 时 , 约 为 6.3*10 7 次
Lamor 方 程<br />
MRI 的 目 的 是 以 某 种 方 法 如 通 过 测 量 该<br />
•<br />
断 层 组 织 氢 核 的 密 度 , 显 示 身 体 中 某<br />
一 断 面 的 组 织 分 布 图 像 , 由 此 而 获 得 身<br />
体 中 二 维 断 面 的 二 维 图 像 。
叠 加 电 磁 射 频 脉 冲<br />
如 果 在 质 子 上 叠 加 一 个 等 同 于 响 应 频<br />
•<br />
率 的 电 磁 射 频 脉 冲 , 则 质 子 会 吸 收 能<br />
量 , 根 据 量 子 理 论 , 单 个 质 子 将 发 生<br />
能 量 跃 迁 , 跃 迁 至 更 高 的 能 量 状 态 。
MRI 原 理<br />
NMR、MRI<br />
MRI 及 fMRI 历 史<br />
•<br />
质 子 的 物 理 性 质<br />
•<br />
横 向 驰 豫 及 纵 向 驰 豫<br />
•<br />
回 波 序 列<br />
•<br />
磁 共 振 信 号 与 图 像<br />
•<br />
成 像 设 备 、 应 用 及 一 些 成 像 例 子<br />
•
横 向 驰 豫 与 纵 向 弛 豫<br />
• T2 衰 减 以 及 失 相 位<br />
• 在 RF 脉 冲 后 , 所 有 的 自 旋 都 同 相 位<br />
• 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<br />
• T2 衰 减 以 及 失 相 位<br />
• 质 子 进 动 的 快 慢 依 赖 于 它 所 在 的 磁 场<br />
• 一 个 单 独 的 质 子 只 受 外 部 磁 场 的 影 响 ,<br />
因 此 其 自 旋 速 率 是 常 数<br />
• 随 着 质 子 向 同 一 方 向 的 移 动 , 它 们 的 磁<br />
场 开 始 相 互 作 用
横 向 驰 豫 与 纵 向 弛 豫<br />
• T2 衰 减 以 及 失 相 位<br />
• 如 果 一 个 质 子 的 磁 场 使 得 另 一 个 质 子 的<br />
磁 场 加 强 , 则 另 一 个 质 子 将 在 其 作 用 下<br />
加 速<br />
• 如 果 这 两 个 质 子 的 磁 场 互 相 反 作 用 , 则<br />
第 二 个 质 子 将 减 速<br />
• 当 自 旋 质 子 分 开 , 并 且 互 不 作 用 的 时 ,<br />
他 们 以 原 有 的 频 率 运 动 , 但 是 却 在 不 同<br />
的 相 位 上 运 动 ( 失 相 位 )。
横 向 驰 豫 与 纵 向 弛 豫<br />
• T2 衰 减 以 及 失 相 位<br />
• 这 种 类 型 的 相 互 作 用 就 称 为 自 旋 - 自 旋<br />
(spin-spin) 相 互 作 用<br />
• 这 些 随 机 的 相 互 作 用 是 可 以 累 加 的<br />
• 使 得 信 号 发 生 变 化
横 向 驰 豫 与 纵 向 弛 豫<br />
• 自 旋 - 自 旋 相 互 作 用
横 向 驰 豫 与 纵 向 弛 豫<br />
• 自 旋 - 自 旋 相 互 作 用
横 向 驰 豫 与 纵 向 弛 豫<br />
• T2 衰 减 曲 线<br />
• 由 自 旋 - 自 旋 相 作 用 的 信 号 衰 减 是 以 指<br />
数 形 式 表 达 的<br />
• T2 时 间 是 指 当 信 号 衰 减 为 原 始 信 号 的<br />
36.8% 的 时 间<br />
• 每 种 组 织 的 T2 时 间 是 唯 一 的 , 基 本 由 它<br />
的 化 学 环 境 决 定 , 与 场 强 基 本 无 关
横 向 驰 豫 与 纵 向 弛 豫<br />
• 不 同 组 织 的 T2 驰 豫 时 间
横 向 驰 豫 与 纵 向 弛 豫<br />
• T2 弛 豫<br />
T2 弛 豫 时 间
横 向 驰 豫 与 纵 向 弛 豫<br />
• T2 弛 豫<br />
在 射 频 脉 冲 结 束 时 , 质 子 的 磁 矩 方 向 相 同 , 称<br />
为 同 相 位 , 在 xy 平 面 产 生 了 一 个 单 一 的 磁 化 矢<br />
量 ; 之 后 , 由 于 组 织 中 的 分 子 热 运 动 及 周 围 磁<br />
场 微 环 境 的 作 用 , 质 子 的 旋 进 频 率 出 现 差 异 ,<br />
质 子 的 磁 矩 方 位 出 现 不 同 , 称 失 相 位 , 这 时 质<br />
子 的 磁 化 矢 量 分 散 于 xy 平 面 ; 随 着 时 间 的 推<br />
移 , 分 散 于 xy 平 面 的 磁 化 矢 量 进 一 步 散 开 , 最<br />
后 质 子 的 磁 化 矢 量 完 全 失 相 位 , 在 xy 平 面 相 互<br />
抵 消 , 即 横 向 磁 化 矢 量 消 失 。
横 向 驰 豫 与 纵 向 弛 豫<br />
• T1 弛 豫<br />
• 当 质 子 从 能 量 较 高 的 能 级 回 到 能 量 较 低<br />
的 能 级 上 时 释 放 射 频 能 量 , 最 后 与 主 磁<br />
场 方 向 一 致 的 过 程<br />
• T1 弛 豫 时 间 指 正 在 恢 复 的 纵 向 磁 化 矢 量<br />
恢 复 到 原 来 (M0) 的 63% 时 所 需 要 的 时<br />
间 。 这 种 弛 豫 方 式 也 称 为 T1 驰 豫 , 自 旋 -<br />
晶 格 驰 豫 或 纵 向 弛 豫
横 向 驰 豫 与 纵 向 弛 豫<br />
• T1 弛 豫<br />
T1 时 间
横 向 驰 豫 与 纵 向 弛 豫<br />
• 不 同 组 织 的 T1 弛 豫 时 间
横 向 驰 豫 与 纵 向 弛 豫<br />
• T1 弛 豫<br />
以 Larmor 频 率 施 加 的 射 频 脉 冲 结 束 时 , 正 在 以<br />
Larmor 频 率 旋 进 的 有 关 质 子 吸 收 能 量 , 由 低 能<br />
态 跃 迁 到 高 能 态 , 其 磁 矩 的 方 向 由 南 极 转 向 北<br />
极 。 由 于 组 织 中 的 分 子 热 运 动 及 周 围 磁 场 微 环<br />
境 的 波 动 , 这 些 高 能 态 的 质 子 又 回 到 低 能 态 并<br />
释 放 出 吸 收 的 能 量 —— 射 频 光 子 , 其 磁 矩 的 方<br />
向 又 由 北 极 转 向 南 极 。 释 放 出 的 射 频 光 子 其 频<br />
率 与 吸 收 能 量 的 有 关 质 子 Larmor 频 率 相 同 。 因<br />
此 ,T1 驰 豫 是 仅 仅 以 Larmor 频 率 的 磁 波 动 与 主<br />
磁 场 垂 直 作 用 , 被 激 励 的 高 能 态 质 子 才 能 释 放<br />
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<br />
• T1、T2 弛 豫<br />
T1、T2 弛 豫 过 程
横 向 驰 豫 与 纵 向 弛 豫<br />
• 综 上 所 述 , 驰 豫 是 一 个<br />
能 量 转 化 、 恢 复 的 过<br />
程 。 在 弛 豫 过 程 中 , 横<br />
向 弛 豫 和 纵 向 弛 豫 同 时<br />
进 行 。 如 图 所 示 ,90°<br />
脉 冲 停 止 之 后 , 净 磁 化<br />
矢 量 (M) 以 螺 旋 的 形 式<br />
上 升 , 趋 向 Bo ; 横 向<br />
磁 化 矢 量 由 最 大 逐 渐 变<br />
为 零 , 而 纵 向 磁 化 矢 量<br />
则 逐 渐 由 零 恢 复 成 最 大<br />
值 。
横 向 驰 豫 与 纵 向 弛 豫<br />
• 不 同 组 织 的 T1、T2 弛 豫 时 间
MRI 原 理<br />
NMR、MRI 及 fMRI 历 史<br />
•<br />
质 子 的 物 理 性 质<br />
•<br />
横 向 驰 豫 及 纵 向 驰 豫<br />
•<br />
回 波 序 列<br />
•<br />
磁 共 振 信 号 与 图 像<br />
•<br />
成 像 设 备 、 应 用 及 一 些 成 像 例 子<br />
•
回 波 序 列<br />
• 自 旋 回 波 脉 冲 扫 描 (Spin Echo⎯SE )<br />
• 反 转 恢 复 扫 描 法 (Inversion Recovery⎯IR )<br />
• 部 分 饱 和 扫 描 法 (Partial Saturation<br />
Recovery⎯PSR )<br />
• 梯 度 回 波 (Gradient echo )
回 波 序 列<br />
• 自 旋 回 波 脉 冲 扫 描 (Spin Echo⎯SE )<br />
自 旋 回 波 序 列
回 波 序 列<br />
• 反 转 恢 复 扫 描 法 (Inversion Recovery⎯IR )<br />
实 际 应 用 的 反 转 恢 复 扫 描 法
回 波 序 列<br />
• 部 分 饱 和 扫 描 法 (Partial Saturation<br />
Recovery⎯PSR )<br />
部 分 饱 和 扫 描 法
回 波 序 列<br />
• 梯 度 回 波 (Gradient echo )<br />
梯 度 回 波
MRI 原 理<br />
NMR、MRI 及 fMRI 历 史<br />
•<br />
质 子 的 物 理 性 质<br />
•<br />
横 向 驰 豫 及 纵 向 驰 豫<br />
•<br />
回 波 序 列<br />
•<br />
磁 共 振 信 号 与 图 像<br />
•<br />
成 像 设 备 、 应 用 及 一 些 成 像 例 子<br />
•
磁 共 振 信 号 与 图 像<br />
• 空 间 定 位<br />
MRI 空 间 定 位 靠 的 是 梯 度 磁 场<br />
由 x、y、z 三 组 线 圈 构 成 的 梯 度 磁 场<br />
线 圈
磁 共 振 信 号 与 图 像<br />
• 空 间 定 位<br />
施 加 层 面 选<br />
择 梯 度 后 ,<br />
二 维 的 图 像<br />
还 需 要 相 位<br />
编 码 梯 度 。<br />
相 位 编 码 示 意 图
• 图 像 重 建<br />
磁 共 振 信 号 与 图 像<br />
• 二 维 与 三 维 的 图 像 通 过 傅 立 叶 变 换 进 行 重 建 。 为<br />
了 获 得 有 高 信 噪 比 的 图 像 , 整 个 步 骤 需 要 重 复 多<br />
次 。<br />
• 以 自 旋 回 波 为 例 , 二 维 傅 立 叶 变 换 的 成 像 原 理 :<br />
自 由 感 应 衰 减 (FID) 代 表 叠 加 在 一 起 的 正 弦 震<br />
荡 , 需 要 用 数 学 方 法 将 振 幅 随 时 间 变 化 的 函 数 转<br />
化 成 为 振 幅 按 频 率 分 布 变 化 的 函 数 , 这 个 按 频 率<br />
分 布 变 化 的 函 数 即 为 磁 共 振 波 谱 , 而 这 个 转 换 称<br />
为 傅 立 叶 变 换 。 由 于 傅 立 叶 变 换 可 以 区 分 FID, 将<br />
频 率 和 相 位 分 离 开 , 因 此 , 只 要 沿 某 层 面 互 相 垂<br />
直 的 两 个 方 向 分 别 进 行 编 码 , 就 可 以 得 到 某 一 单<br />
个 体 元 的 信 息 。 多 个 这 样 的 体 元 则 构 成 了 一 个 矩<br />
阵 。 再 通 过 计 算 机 算 出 体 元 的 灰 阶 值 , 便 可 获 得<br />
一 帧 磁 共 振 图 像 。
• 图 像 重 建<br />
磁 共 振 信 号 与 图 像<br />
自 由 感 应 衰 减 (free induction decay, FID)
磁 共 振 信 号 与 图 像<br />
• 完 成 一 帧 磁 共 振 图 像 的 所 需 要 的 时 间 (T)<br />
为 :T=TR ╳ Phase ╳ Nex<br />
二 维 MRI 图 像 的 形 成
磁 共 振 信 号 与 图 像<br />
所 有 前 面 提 到 的 因 素<br />
+<br />
适 当 的 对 比 机 制<br />
||<br />
核 磁 共 振 图 像
核 磁 共 振 图 像<br />
• 一 些 例 子<br />
T1 加 权 像<br />
密 度 加 权 像<br />
T2 加 权 像
影 响 成 像 的 一 些 因 素<br />
• 图 像 的 空 间 分 辨 率<br />
• 影 像 对 比 度<br />
• 信 噪 比<br />
• 伪 影<br />
• 化 学 位 移 伪 影<br />
• 卷 褶 伪 影<br />
• 运 动 伪 影<br />
• 金 属 伪 影<br />
• 部 分 容 积 效 应
MRI 原 理<br />
NMR、MRI 及 fMRI 历 史<br />
•<br />
质 子 的 物 理 性 质<br />
•<br />
横 向 驰 豫 及 纵 向 驰 豫<br />
•<br />
回 波 序 列<br />
•<br />
磁 共 振 信 号 与 图 像<br />
•<br />
成 像 设 备 、 应 用 及 一 些 成 像 例 子<br />
•
磁 共 振 成 像 设 备<br />
GE Signo 3.0<br />
Siemens 3.0 Triol
临 床 应 用
临 床 应 用<br />
血 管 成 像
临 床 应 用<br />
神 经 成 像
临 床 应 用<br />
头 部 图 像
临 床 应 用
神 经 科 学 应 用
一 些 成 像 的 例 子<br />
• EPI 成 像 以 及 k-space
一 些 成 像 的 例 子 ( 续 )<br />
• EPI 成 像 以 及 k-space
一 些 成 像 的 例 子 ( 续 )<br />
• EPI 成 像 以 及 k-space
• MRI 图 像<br />
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<br />
• 引 言<br />
• BOLD-fMRI 原 理<br />
• fMRI 实 验 设 计<br />
• fMRI 实 验 步 骤<br />
• 数 据 分 析 方 法
什 么 是 fMRI<br />
磁 共 振 功 能 成 像 或 功 能 性 磁 共 振 成 像<br />
•<br />
(functional Magnetic Resonance<br />
Imaging,fMRI) 是 指 应 用 磁 共 振 成<br />
像 技 术 对 人 体 ( 或 动 物 体 ) 的 功 能 进<br />
行 研 究 和 检 测 。
什 么 是 fMRI<br />
• 狭 义 概 念 :<br />
• BOLD( 血 氧 合 水 平 依 赖 )<br />
• 广 义 概 念 包 括 :<br />
• BOLD( 血 氧 合 水 平 依 赖 )<br />
• DWI( 磁 共 振 弥 散 成 像 )<br />
• PWI( 灌 注 成 像 )<br />
• DTI( 磁 共 振 弥 散 张 量 成 像 )<br />
• MRS( 磁 共 振 波 谱 成 像 )
fMRI 研 究<br />
• fMRI 是 目 前 国 际 上 科 学 研 究 工 作 的 热 点<br />
• 国 际 热 门 期 刊<br />
MRM, Radiology, Stoke, Neuroradiology, Neurology,<br />
Neuroimage, Neuroreport,JMRI, Human Brain<br />
Mapping 等<br />
• 许 多 国 际 会 议 均 设 有 磁 共 振 功 能 成 像 方 向 的 专<br />
门 论 坛<br />
RSNA, SPIE Medical Imaging, Human Brain<br />
Mapping<br />
• 磁 共 振 功 能 成 像 的 专 门 国 际 会 议<br />
ISMRM, ESMRMB
fMRI 介 绍<br />
• 引 言<br />
• BOLD-fMRI 原 理<br />
• fMRI 实 验 设 计<br />
• fMRI 实 验 步 骤<br />
• 数 据 分 析 方 法
BOLD-fMRI 原 理<br />
功 能 成 像 方 法 (fMRI) 主 要 是 根 据 测<br />
•<br />
量 到 的 大 脑 各 个 区 域 的 耗 氧 量 , 来 判<br />
断 某 个 区 域 是 否 处 于 活 动 之 中 。 耗 氧<br />
量 越 大 , 说 明 活 动 越 厉 害 。<br />
此 方 法 主 要 用 于 定 位 大 脑 的 各 个 功 能<br />
•<br />
区 , 比 如 说 视 觉 区 , 简 单 说 就 是 区 分<br />
哪 一 块 大 脑 皮 质 对 视 觉 起 反 应 。
• 三 个 重 要 发 现 :<br />
BOLD-fMRI 原 理<br />
• 1936 年 ,L.Pauling 在 分 析 镰 状 细 胞 性<br />
贫 血 时 , 提 出 含 氧 血 红 蛋 白 与 脱 氧 血<br />
红 蛋 白 两 者 的 磁 敏 感 性 不 同 。<br />
• 1982 年 ,K.Thulborn 证 明 , 脱 氧 血 红<br />
蛋 白 与 含 氧 血 红 蛋 白 相 比 ,T2 时 间 有<br />
明 显 缩 短 。<br />
• 1986 年 ,P.T.Fox 发 现 脑 活 动 时 局 部<br />
脑 血 流 、 脑 血 容 积 和 脑 内 局 部 血 氧 含<br />
量 均 有 不 同 程 度 改 变 。
BOLD-fMRI 原 理<br />
• 生 物 组 织 活 动 需 要 消 耗 氧 。<br />
• 生 物 组 织 消 耗 的 氧 是 由 血 液 运 输 的 , 耗<br />
氧 量 大 的 组 织 区 域 , 血 流 量 就 多 。 耗 氧<br />
量 还 是 一 个 动 态 变 化 过 程 , 没 有 活 动 时<br />
耗 氧 少 , 一 旦 活 动 耗 氧 量 便 随 着 活 动 增<br />
加 , 血 流 量 也 相 应 增 加 。<br />
• 血 管 网 络 在 一 般 状 态 下 并 未 达 到 最 大 血<br />
液 运 输 量 , 所 以 能 够 支 持 这 种 血 流 量 的<br />
增 加 。
血 管 网 络<br />
BOLD-fMRI 原 理<br />
微 动 脉<br />
( Arterioles )<br />
微 静 脉<br />
(Venules)<br />
毛 细 血 管<br />
(Capillaries)<br />
未 激 活 时 使 用 率<br />
95%<br />
60%<br />
80%<br />
激 活 时 使 用 率<br />
100% 90%<br />
90%<br />
直 径<br />
25 mm 25-50 mm<br />
8 mm<br />
Neurons<br />
Artery<br />
Vein<br />
Arterioles<br />
Veneoles<br />
Capillaries<br />
1 - 2 cm<br />
传 输 时 间 为 2-3 秒
BOLD-fMRI 原 理<br />
• 血 红 蛋 白<br />
6 mm 宽 1-2 mm 厚<br />
与 氧 气 结 合 形 成 氧 合 血 红 蛋 白 在 血 液 中<br />
传 输 , 在 组 织 中 氧 气 被 消 耗 掉 , 形 成 脱<br />
氧 血 红 蛋 白 。 此 二 者 的 磁 化 系 数 不 同 ,<br />
前 者 的 信 号 比 后 者 的 信 号 高 。
BOLD-fMRI 原 理<br />
• 由 于 氧 合 血 红 蛋 白 和 脱 氧 血 红 蛋 白 磁 化 率 的<br />
差 异 , 如 果 某 一 个 区 域 从 未 被 激 活 到 被 活 ,<br />
从 动 脉 流 入 的 血 流 量 会 增 加 , 氧 合 血 红 蛋 白<br />
数 量 增 多 , 信 号 强 度 就 会 增 加 , 而 没 有 被 激<br />
活 的 区 域 信 号 强 度 不 变 。<br />
• 在 MRI 图 像 上 , 当 有 较 多 动 脉 血 液 流 入 时 ,<br />
相 应 的 脑 区 在 MRI 图 像 上 呈 较 高 信 号 , 这 些<br />
较 高 信 号 被 认 为 与 脑 功 能 活 动 有 关 。
• BOLD 信 号 图<br />
BOLD-fMRI 原 理<br />
CMRO2- 血 氧 含 量<br />
CBF- 脑 血 流<br />
CBV- 脑 血 容
BOLD-fMRI 原 理<br />
• 从 总 体 上 来 说 , 在 被 激 活 区 , 氧 合 红 蛋 白<br />
的 含 量 有 一 定 增 加 。<br />
CBF<br />
氧 合 血 红 蛋 白<br />
CMRO 2<br />
氧 合 血 红 蛋 白<br />
氧 合 血 红 蛋 白<br />
CBV<br />
氧 合 血 红 蛋 白
BOLD-fMRI 原 理<br />
值 得 注 意 的 是 , 在 BOLD-fMRI 中 , 被 激<br />
活 区 呈 现 较 高 信 号 , 这 个 较 高 信 号 是 相<br />
对 未 被 激 活 ( 一 般 指 相 同 区 域 ) 而 言 的 ,<br />
不 是 指 在 fMRI 中 信 号 最 高 的 就 是 被 激 活<br />
区 ! 在 右 下 面 的 图 中 , 中 间 部 分 信 号 最<br />
亮 , 但 并 不 是 激 活 区 , 我<br />
们 怎 样 来 找 激 活 区 呢 这<br />
就 是 下 面 要 讨 论 的 问 题 。
fMRI 介 绍<br />
• 引 言<br />
• BOLD-fMRI 原 理<br />
• fMRI 实 验 设 计<br />
• fMRI 实 验 步 骤<br />
• 数 据 分 析 方 法
实 验 设 计<br />
• 由 于 被 激 活 区 呈 现 的 较 高 信 号 是 相 对 于 该<br />
区 未 被 激 活 而 言 的 , 那 么 我 们 就 需 要 找 出<br />
这 种 信 号 变 化 。<br />
• 下 面 以 针 灸 为 例 来 简 单 说 明 这 个 问 题 :<br />
0~60s 没 有 针 灸 刺 激<br />
60~120s 针 灸 刺 激<br />
120~180s 没 有 针 灸 刺 激<br />
180~240s 针 灸 刺 激
刺 激 函 数 (1)<br />
大 脑 某 一 区 域 随 时<br />
间 变 化 的 fMRI 信 号<br />
强 度 (2)<br />
大 脑 另 一 区 域 随 时<br />
间 变 化 的 fMRI 信 号<br />
强 度 (3)<br />
由 此 图 可 见 , 大 脑 有 的 区 域 有 随 刺 激 函 数 变 化 的 趋 势 , 如<br />
(2), 有 的 区 域 没 有 随 刺 激 函 数 变 化 的 趋 势 , 如 (3)。 出 现<br />
(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<br />
是 由 针 灸 引 起 的 。(3) 所 示 区 域 未 被 激 活 。
实 验 设 计<br />
时 段 设 计 与 事 件 相 关 设 计<br />
时 段 设 计 (block design) 和 事 件 相 关<br />
(event-related)fMRI 为 fMRI 研 究 中<br />
的 2 个 主 要 设 计 方 法 , 其 设 计 原 理 略 有<br />
不 同 , 因 而 应 用 也 不 相 同 。 一 般 情 况<br />
下 , 需 要 根 据 具 体 实 验 进 行 综 合 考<br />
虑 , 以 确 定 应 用 那 种 方 法 。
实 验 设 计<br />
时 段 设 计 (block design)<br />
• 常 规 的 fMRI 方 法 , 也 是 最 早 应 用 的 fMRI 研 究<br />
方 法 。<br />
• 基 本 原 理<br />
在 实 验 设 计 中 , 以 一 段 时 间 无 任 务 作 为 对<br />
照 , 然 后 开 始 一 段 时 间 的 多 次 、 连 续 的 任<br />
务 , 之 后 再 重 复 上 述 过 程 , 直 到 结 束 。 最 后<br />
形 成 对 照 — 任 务 — 对 照 — 任 务 范 式 , 或 者 可<br />
以 成 为 任 务 — 对 照 — 任 务 — 对 照 的 范 式 。
实 验 设 计<br />
事 件 相 关 (event-related)<br />
• 事 件 相 关 fMRI 出 现 于 1995 年 , 但 得 到 广 泛 应 用<br />
的 开 始 时 间 是 在 1997~1998 年 以 后 。<br />
• 基 本 原 理<br />
以 一 段 时 间 无 任 务 为 对 照 , 然 后 快 速 执 行 首 次 任<br />
务 , 这 个 任 务 仅 执 行 一 次 ; 再 进 入 一 段 无 任 务 阶<br />
段 , 最 后 再 进 行 第 二 次 任 务 , 这 个 任 务 也 是 执 行<br />
一 次 ; 重 复 上 述 过 程 , 直 到 结 束 。<br />
• 优 点<br />
与 时 段 设 计 方 法 相 比 较 , 事 件 相 关 可 以 使 得<br />
fMRI 研 究 的 时 空 间 分 辨 率 , 尤 其 是 时 间 分 辨 率<br />
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<br />
• 在 激 活 区 提 取 时 , 可 能 会 出 现 很 多 的 激 活 区 , 但<br />
并 不 是 每 个 激 活 区 都 是 由 实 验 设 计 的 刺 激 引 起<br />
的 。 因 为 人 的 大 脑 是 一 个 十 分 复 杂 的 系 统 , 它<br />
对 外 界 的 任 何 刺 激 都 会 起 反 应 。 在 实 验 过 程 中 ,<br />
可 能 存 在 别 的 激 激 , 其 刺 激 函 数 跟 实 验 设 计 刺<br />
激 相 同 ( 这 种 可 能 性 极 大 ) , 这 样 的 实 验 结 果<br />
就 不 准 确 。<br />
• 实 验 设 计 是 一 门 很 深 的 学 问 , 其 最 主 要 的 目 的 是<br />
尽 可 能 排 除 干 扰 , 尽 可 能 增 强 激 活 信 号 , 使 得 到<br />
的 结 果 更 准 确 。
血 液 动 力 学 函 数 (HRF)<br />
在 实 验 设 计 中 , 还 要 考 虑 血 液 动 力 学 函<br />
数 的 影 响 。 大 脑 的 激 活 几 乎 跟 刺 激 一 样<br />
快 , 即 刺 激 一 开 始 , 有 反 应 的 脑 区 就 被<br />
激 活 了 , 但 是 由 于 血 流 有 延 迟 , 核 磁 信<br />
号 上 并 不 能 马 上 反 应 出 来 , 还 得 有 几 秒<br />
钟 的 滞 后 。 刺 激 停 止 时 也 一 样 。 而 且 核<br />
磁 信 号 不 能 像 刺 激 那 样 突 变 , 它 有 一 个<br />
缓 慢 变 化 的 过 程 。 这 个 延 迟 过 程 被 描 述<br />
为 血 液 动 力 学 函 数 。
血 液 动 力 学 函 数 (HRF)<br />
下 面 即 为 血 液 动 力 学 函 数 , 在 BOLDfMRI<br />
中 , 这 是 一 个 不 得 不 面 对 的 问 题 。<br />
血 液 动 力 学 函 数
fMRI 介 绍<br />
• 引 言<br />
• BOLD-fMRI 原 理<br />
• fMRI 实 验 设 计<br />
• fMRI 实 验 步 骤<br />
• 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<br />
扫 描 结 构 像 (T1)<br />
• 高 分 辨 率 图 像<br />
• 3D data<br />
• 64 anatomical slices
Slice<br />
SAGITTAL SLICE<br />
Number of Slices<br />
e.g., 10<br />
Slice Thickness<br />
e.g., 6 mm<br />
In-plane resolution<br />
e.g., 192 mm / 64<br />
= 3 mm<br />
IN-PLANE SLICE<br />
VOXEL<br />
(Volumetric Pixel)<br />
3 mm<br />
3 mm<br />
6 mm<br />
Matrix Size<br />
e.g., 64 x 64<br />
Field of View (FOV)<br />
e.g., 19.2 cm
• 扫 描 功 能 像 (T2*)<br />
• 通 常 为 低 分 辨 率<br />
fMRI 实 验 步 骤 2: 功 能 像<br />
• a volume : 某 一 时 刻 所 有 slice<br />
• 4D data:3 空 间 ,1 时 间<br />
…<br />
first volume<br />
(2 sec to acquire)
功 能 像<br />
fMRI 实 验 步 骤 3: 激 活 区 统 计<br />
~2s<br />
fMRI<br />
Signal<br />
(% change)<br />
ROI Time<br />
Course<br />
Time<br />
Condition<br />
Condition 1<br />
统 计 图<br />
加 到 结 构 像 上<br />
Time<br />
Condition 2<br />
感 兴 趣 区 域 (ROI)<br />
...<br />
~ 5 min
实 验 的 刺 激 (stimulation)<br />
基 线 (baseline) rest<br />
激 活 的<br />
时 序<br />
% signal change<br />
images<br />
stimulation<br />
血 液 动 力 学 响 应 函 数
统 计 图 & 时 序
2D 3D
fMRI 介 绍<br />
• 引 言<br />
• BOLD-fMRI 原 理<br />
• fMRI 实 验 设 计<br />
• fMRI 实 验 步 骤<br />
• 数 据 分 析 方 法
数 据 处 理 方 法<br />
• 预 处 理<br />
• 对 齐 (realignment)<br />
• 标 准 化 (normalization)<br />
• 配 准 (coregister)<br />
• 平 滑 (smooth)<br />
• 数 据 分 析<br />
• Model based<br />
• Model free
预 处 理<br />
• 对 齐 (realignment)<br />
在 fMRI 序 列 当 中 , 由 于 人 为 的 因 素 而<br />
引 起 的 误 差 是 很 严 重 的 , 例 如 头 部 的<br />
微 小 移 动 。 因 此 在 处 理 数 据 之 前 应 当<br />
将 这 些 人 为 的 因 素 减 少 到 最 小 。
预 处 理<br />
• 标 准 化 (normalization)<br />
由 于 个 体 之 间 存 在 差 异 , 在 提 取 个 体<br />
之 间 的 均 值 信 号 或 者 在 标 准 空 间 的 坐<br />
标 系 统 下 描 述 激 活 区 时 , 需 要 将 许 多<br />
个 体 的 图 像 形 变 至 同 一 标 准 的 空 间 ,<br />
即 图 像 的 空 间 标 准 化 。 目 前 最 常 用 的<br />
是 Talairach 和 Tournoux 标 准 脑 图 谱 。
预 处 理<br />
• 配 准 (coregister)<br />
为 了 功 能 激 活 区 的 精 确 定 位 , 通 常 将<br />
功 能 信 息 定 位 在 分 辨 率 较 高 的 解 剖 图<br />
像 ( 如 T1 加 权 像 ) 上 , 这 就 需 要 将 功<br />
能 图 像 和 解 剖 图 像 进 行 配 准 。
预 处 理<br />
平 滑 (smooth)<br />
•<br />
平 滑 主 要 有 两 个 作 用 :<br />
• 增 加 信 噪 比<br />
• 可 以 对 于 图 像 部 分 效 果 进 行 增 强 。
数 据 分 析 - 两 种 方 法<br />
• Model based & model free<br />
Problem⇒ Data ⇒ Model ⇒ Analysis<br />
⇒ Conclusion<br />
Problem ⇒ Data ⇒ Analysis ⇒ Model<br />
⇒ Conclusions
Model-based- 什 么 是 线 性 模 型<br />
f(t)<br />
sin(t)<br />
sin(2t)<br />
r(t)<br />
f(t)= β 1 sin(t)+ β 2<br />
sin(2t)+r(t)<br />
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<br />
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 。<br />
f(t)~β 1<br />
sin(t)+ β 2<br />
sin(2t)
真 实 数 据<br />
一 般 线 性 模 型<br />
时 间 序 列
一 般 线 性 模 型<br />
现 在 , 我 们 要 从 数 据<br />
中 找 寻 激 活 区 , 就 用<br />
刺 激 函 数 来 拟 合 所 得<br />
到 的 数 据 。<br />
Time<br />
240s
一 般 线 性 模 型<br />
例 子 : 刺 激 为 听 消 极 词 语 。 刺 激 函 数 中 的 黑 色 表 示 休 息 ,<br />
白 色 表 示 听 消 极 词 语 。<br />
单 任 务 模 型<br />
听 消 极 词 语 休 息<br />
一 个 体 素 中 的 BOLD<br />
时 间 序 列 响 应<br />
7 个 循 环<br />
每 个 时 段 6 次 扫 描<br />
刺 激 函 数
一 般 线 性 模 型<br />
一 个 体 素 中 的 BOLD<br />
时 间 序 列 相 应<br />
此 例 为 拟 合 一 个 体 素 点 , 实 际 中<br />
要 拟 合 整 个 大 脑 。<br />
ε∼Ν(0, σ 2 )<br />
( 误 差 为 独 立 正 态 分 布 )<br />
时 间<br />
强 度<br />
β<br />
= +<br />
x 1<br />
error<br />
ε<br />
用 刺 激 拟 合 数 据 , 误<br />
差 要 尽 量 小 , 这 样 可<br />
以 得 到 一 个 β , β越<br />
大 , 拟 合 越 好 , 激 活<br />
越 明 显 。
加 入 血 液 动 力 学 模 型<br />
后 的 改 进 模 型<br />
刺 激 函 数 与 血 液 动 力 学 函 数 卷 积<br />
血 液 动 力 学 函 数<br />
fitted data data
多 任 务 模 型<br />
α β 1<br />
µ β 2<br />
β 3<br />
=<br />
β 4<br />
β 5<br />
β 6<br />
β 7<br />
+<br />
β 8<br />
β 9<br />
Y<br />
= X β +<br />
多 任 务 模 型 是 指 : 在 一 个 实 验 中 , 刺 激 函 数 不 单 一 ,<br />
比 如 既 听 消 极 词 语 , 又 听 积 极 词 语 。 这 样 的 模 型 更 复<br />
杂 , 但 是 可 以 进 行 对 比 研 究 , 应 用 比 较 广 泛 。<br />
ε
多 任 务 模 型 数<br />
据 处 理 方 法<br />
β =<br />
β<br />
α1<br />
µ β 2<br />
β 3<br />
β 4<br />
β 5<br />
β 6<br />
β 7<br />
β 8<br />
β 9<br />
ˆ β =<br />
( X<br />
X<br />
)<br />
T −1<br />
ˆ ε = Y − X ˆ β<br />
X<br />
T<br />
Y<br />
使 得<br />
N<br />
∑<br />
t=<br />
1<br />
ˆε 2<br />
t<br />
最 小<br />
最 小 平 方 参 数 估 计
Model free<br />
ICA(Independent Component Analysis)<br />
• ‘Infomax’ 方 法<br />
• ‘fourth-order’ 方 法
ICA<br />
• 对 标 准 血 液 动 力 学 函 数 模 型 的 改 进<br />
ICA 方 法<br />
标 准 血 液 动 力<br />
学 模 型
小 结<br />
• MRI 原 理<br />
• fMRI 介 绍