1、第一部分 功能磁共振成像的背景知識1 解題功能？（核）磁？共振？成像？功能磁共振成像（fMRI）是眾多腦成像技術中的一種，其他成像技術有近紅外光學成像（fNIRS）與彌散張量成像（DTI）等。1.1 功能核磁共振產生的兩種圖像：（1）結構像（2）功能像腦的基本組分：灰質、白質和腦脊液灰質白質腦脊液1.2 （核）磁（核）磁無放射常見問題：功能磁共振成像對人體有害嗎？你看，不是有“核”嗎？！確實，“核”指“原子核”所言不虛，但功能磁共振成像只與原子核的磁場相關，與原子核聚變、裂變等的能量放射并無關系。1.3 共振定義：能量從一個振動著的物體傳遞到另一個物體，而后者以前者相同的頻率振動。1.4 成像

2、結構像的成像原理與功能像的成像原理基本相同。前者是對大腦內各組分中特定原子核（如氫原子）的磁共振信號的收集。后者則是對BOLD信號的采集。因此有必要分說兩種圖像的成像機制。2 fMRI的主要特點空間分辨率相對較高定位時間分辨率不如ERP（事件相關電位，俗稱“腦電”）3 fMRI的發展歷史1920-1940：基本物理概念的建立1946-1950s：核磁共振現象的發現與應用（非生物上的應用）1970s：磁共振成像-MRI（生物上的成像）1980s：磁共振成像應用于醫學（結構像）1990s：功能磁共振成像-fMRI（功能像）3.1 基本物理概念的建立1924.Wolfgang Pauli被激活的原子

3、出現譜線分離：原子核在離散的頻率上自旋。1937.Inidor Rabi發現共振：如果外加變化磁場的頻率與原子核自旋一致，原子核就會吸收磁場的能量。3.2 對固體的磁共振成像研究 1946.Bloch 和 Purcell蠟的導電性研究自此，核磁共振成像技術進入物質成分檢測的階段。3.3 1970s：利用NMR原理進行成像（生物體上）Paul Lauterbur：空間梯度的概念（定位）Peter Mansfield: echo-planar imaging-EPI概念解決了快速成像的問題。3.4 1980s以降1980s：MRI儀器商品化，廣泛應用于臨床。注意：1977. 第一臺掃人的MR掃描儀

4、問世（0.05T）。1990s：fMRI技術誕生。注意：1990: Ogawa報告了大腦皮層微血管（毛細血管）中血氧的變化，會引起局部磁場均勻性變化，從而引起NMR信號強度的變化，稱血氧水平依賴性（BOLD）。趣聞：為了更好地推廣fMRI技術，醫療衛生機構逐漸刪去“核”（字母“N”）以免除病人對“核放射”的恐懼。4 fMRI設備的構成目前在市場上購買一套fMRI設備需要多少人民幣？設備構成：（1）主磁體 (Static Magnetic Field)磁化（2）射頻系統 (Radiofrequency Coil)共振，激發與接收信號（3）梯度系統 (Gradient Coil)定位（4）計算機系

5、統（5）其他輔助設備（空調、液氮及水冷卻系統、激光照相機、生理指標監視器等）掌握一個基本概念：磁場感應強度（B）主磁體的主要指標北師大目前擁有的fMRI儀器主磁體的磁場感應強度是3T。單位T讀作“特斯拉”。磁場的其他單位：高斯（gauss, G）： 1高斯為距離5安培電流的直導線1厘米處檢測到的磁場強度。特斯拉（Tesla,T）： 1 T = 10000G北極：0.7G，赤道：0.3G第二部分 功能磁共振成像的物理學原理1 原子的結構原子電子原子核質子中子2 原子核的自旋原子核像地球一樣可以圍繞著中軸進行自我旋轉。我們選用H原子（H質子）（1）H原子的質子數為奇數；（2）H原子占人體原子的絕大

6、多數, 水和脂肪。通常所指的MRI為氫質子的MR圖像。通常情況下，盡管每個質子自旋均產生一個小的磁場，但呈隨機無序排列，磁化矢量相互抵消，人體并不表現出宏觀磁化矢量。3 靜磁場中的原子自旋加入一個靜磁場之后的原子自旋狀態。能態哪一塊物體更容易保持？4 原子的進動頻率原子的自旋與進動縱向磁化與橫向磁化（1）處于低能狀態的質子略多于處于高能狀態的質子，因而產生縱向宏觀磁化矢量兩者之間的差產生縱向磁化。（2）盡管每個質子的進動產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生，并無宏觀橫向磁化矢量產生。5 核磁共振的微觀與宏觀效應能態的躍遷通過外來射頻給低能的氫質子能量，氫質子獲

7、得能量進入高能狀態，即核磁共振。射頻取消，氫質子回到低能狀態。5.1 微觀效應磁共振現象是靠射頻線圈發射無線電波（射頻脈沖）激發人體內的氫質子來引發的，這種射頻脈沖的頻率必須與氫質子進動頻率相同，低能的質子獲能進入高能狀態。5.2 宏觀效應射頻脈沖激發后的效應是使宏觀磁化矢量發生偏轉。射頻脈沖的強度和持續時間決定射頻脈沖激發后的效應。低能量中等能量(90脈沖)高能量(180脈沖)6 馳豫與馳豫時間“出來混，遲早要還的！”橫向弛豫: 橫向磁化矢量減少,直至到0狀態的過程。 縱向弛豫: 縱向磁化矢量開始恢復，直至恢復到平衡狀態的過程。“縱向馳豫時間”（T1）：90度脈沖關閉后，在主磁場的作用下，縱

8、向磁化矢量開始恢復，直至恢復到平衡狀態的縱向磁場強度63%所需的時間，反映組織T1弛豫的快慢。“橫向馳豫時間”（T2）：指90度脈沖關閉后，橫向最大磁化矢量減少了63%所需的時間，反映組織T2弛豫的快慢。弛豫時間與質子密度有關！6.1 縱向馳豫時間T16.2 橫向弛豫時間T26.3 T1與T2的比較T1T26.4 加權成像比一比T1像T2像T1縱向磁化矢量恢復速度MR信號強度顏色小快高白大慢低黑T2橫向磁化矢量減少速度MR信號強度顏色小快低黑大慢高白7 重復時間（TR）與回波延時時間（TE）TR：連續施加兩個90度脈沖之間的時間間隔。TE：射頻脈沖停止后等待一小段時間接受信號，這個時間間隔就是

9、TE。TRMz0t7.1 T1與TR、T2與TE的關系T1與T2是組織的固有特性，而TR和TE可以被操作者控制和調整。長TR減少T1的作用，短TR增加T1的對比。短TE減少T2的作用，長TE增加T2的對比。加權成像中TR與TE的配列很重要！8 脈沖序列在MR檢查中反復施加的射頻脈沖序列，其中包括了TR或TE等參數。9 層厚的選擇基本概念：像素（pixel）、體素（體元，voxel）層厚的選擇與梯度場強和射頻帶寬有關。公式：層厚=帶寬/梯度場強確定層厚之后就可進行選片。10 傅立葉變換一種數學運算，可以實現信號在時間域和頻率域中進行等效變換。時域呈現的是“圖像空間”（image space），而

10、頻域呈現的是“k空間”（k-space）。11 頻率編碼與相位編碼頻率編碼：即進動頻率編碼，指在信號采集的同時在某方向上施加一個梯度磁場，從而使得此片層的信號中沿頻率編碼施加的方向上各列的拉莫爾進動頻率各不相同。接收到的總頻率成分信號可以通過傅立葉變換來加以區分，從而得到各列的進動頻率。相位編碼：指在射頻脈沖結束以后，信號采集之前，沿某方向施加一段時間的梯度磁場，使得在相位編碼結束以后沿相位編碼方向上各象素點對應的原子核磁化矢量的進動相位各不相同。因此，k-space中的每一個像素都是由頻率和相位進行編碼的！12 圖像重構k-space的信息即為rawdata。將rawdata通過傅立葉反變換

11、來還原到image-space中，形成我們想要得到的結構像。成像時間的問題：脈沖序列的類型關系到成像時間的久暫。13 小結原子核自旋原子核進動頻率共振射頻線圈根據一定的脈沖序列激發與接收信號脈沖序列與組分的弛豫時間和人為選擇的TR、TE有關確定層厚后進行掃描將掃描得到的信號（k-space中，已經得到了頻率和相位的編碼）進行傅立葉反變換，重構圖像。第三部分 功能磁共振成像的生物學原理1 觀測大腦的三個基本位置軸位冠狀位矢狀位2 大腦的分葉3 腦內毛細血管與血紅蛋白毛細血管運輸的血紅細胞中含有血紅蛋白。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）。氧合血

12、紅蛋白磁化率低，具抗磁性(磁場）脫氧血紅蛋白磁化率高, 具順磁性 (磁場）4 BOLD信號血氧過補償血氧（Hb）水平, 順磁性dHb, 形成局部梯度磁場 , T2* WI局域性信號強度，這就是BOLD效應。BOLD信號依賴于CMR O2（氧耗）、CBF（血流量）和CBV（血容積）HRFTimeStimulus onsetinitial dipHemodynamic Response Functionundershoottime to peak5-8 secondsscan time 3 secondsBOLD signal amplitudeoxyHBdeoxyHBObserved siteof BOLD effectSite of elevated neuronal activity定位情況5 小結根據血氧過補償機制可以接收到BOLD信號經過數據處理（預處理+統計分析），我們可以看到腦內激活的區域，是為激活區功能像。將功能像疊加到結構像上就形成了我們一開始看到的腦成