磁共振不同模态原理简介

1、功能性磁共振成像功能性磁共振成像是一种新兴的神经影像学方式，其原理是利用磁振造影来测量神经元活动所引发之血液动力的改变。目前主要是运用在研究人及动物的脑或脊髓。背景自从1890年代开始，人们就知道血流与血氧的改变（两者合称为血液动力学）与神经元的活化有着密不可分的关系。神经细胞活化时会消耗氧气，而氧气要借由神经细胞附近的微血管以红血球中的血红素运送过来。因此，当脑神经活化时，其附近的血流会增加来补充消耗掉的氧气。从神经活化到引发血液动力学的改变，通常会有1-5秒的延迟，然后在4-5秒达到的高峰，再回到基线（通常伴随着些微的下冲）。这使得不仅神经活化区域的脑血流会改变，局部血液中的去氧与带氧血红

2、素的浓度，以及脑血容积都会随之改变。血氧浓度相依对比（Blood oxygen-level dependent, BOLD）首先由小川诚二等人于1990年所提出，接着由邝健民等人于1992年发表在人身上的应用。由于神经元本身并没有储存能量所需的葡萄糖与氧气，神经活化所消耗的能量必须快速地补充。经由血液动力反应的过程，血液带来比神经所需更多的氧气，由于带氧血红素与去氧血红素之间磁导率不同，含氧血跟缺氧血量的变化使磁场产生扰动而能被磁振造影侦测出来。借由重复进行某种思考、动作或经历，可以用统计方法判断哪些脑区在这个过程中有信号的变化，因而可以找出是哪些脑区在执行这些思考、动作或经历。几乎大部分的功

3、能性磁共振成像都是用BOLD的方法来侦测1脑中的反应区域，但因为这个方法得到的信号是相对且非定量的，使得人们质疑它的可靠性。因此，还有其他能更直接侦测神经活化的方法（像是氧抽取率（Oxygen Extraction Fraction, OEF）这种估算多少带氧血红素被转变成去氧血红素的方法）被提出来，但由于神经活化所造成的电磁场变化非常微弱，过低的信杂比使得至今仍无法可靠地统计定量。功能性磁共振成像的应用分为三种情况：21、扩散成像，人体内的水分子存在布朗运动形式的随机扩散。这种扩散信息与弛豫时间T1、T2是无关的，它能在分子水平上提供功能性的信息。2、灌注成像，在显微毛细血管层次上的血液动力

4、学成像，传统上是用同位素成像的方法来解决的。在磁共振成像中的平面回波成像方法不仅能同样提供有关的区域脑血流及脑血流量的信息，而且比传统方法具有更高的空间分辨率。3、任务急活的图像，人体在做某项活动时，大脑皮层特殊的区域中会有相应的反映。用fMRI测定大脑血液的氧合水平就能直接进行脑功能的研究。Biswal在1995年分析血氧水平依赖信号(BOLD)时首次发现自发性低频振荡信号(low-frequency fluctuations，LFFs)，即频率位于0.01-0.08Hz的BOLD信号，可以排除心跳、呼吸等干扰从而反映脑静息状态的神经活动。低频振幅(amplitude of low freq

5、uency fluctuation, ALFF)可作为测量局部神经元自发活动幅度的方法，计算 0.01-0.08Hz 内频率幅值的平均值来描述体素自发活动的情况，从能量角度反映静息状态下各个体素自发活动水平的高低。然而 ALFF 对于脑活动无关的生理噪声如脑室、脑池和大血管附近等非特异区域振幅比较敏感，为了去除该噪声影响，Zou等发明了fALFF(fraction amplitude of low frequency fluctuation, fALFF)的分析方法，用低频能谱(0.01-0.08Hz)与整个能谱(0-0.25Hz)的比率抑制了脑脊液及静脉造成的干扰，增强了脑活动相关皮层的信号

6、检出率，对自发神经元活动有较好的敏感性和特异性。结构磁共振成像磁共振成像（Magnetic Resonance Imaging, 简称MRI），又称自旋成像（Spin Imaging）。它利用磁场与射频脉冲使人体组织内运动的氢核（即H+）发生震动产生射频信号，经计算机处理而成像的。含单数质子的原子核，例如人体内广泛存在的氢原子核，其质子有自旋运动，带正电，产生磁距，有如一个小磁体，小磁体自旋轴的排列无一定规律，但如果在均匀的强磁场中，则小磁体的自旋轴将按磁场磁力线的方向重新排列。在这种状态下，用特定频率的射频脉冲（radiofrequency，RF）进行激发，作为小磁体的氢原子核吸收一定的能量

7、而发生共振，即发生了磁共振现象。停止发射射频脉冲，被激发的氢原子核就会把所吸收的能逐步释放出来，其相位和能级都恢复到激发前的状态。这一恢复过程称为弛豫过程（relaxation process），而恢复到原来平衡状态所需的时间则称之为弛豫时间（relaxation time）。有两种弛豫时间，一种是自旋-晶格弛豫时间（spin-lattice relaxation time），又称纵向弛豫时间（longitudinal relaxation time），反映自旋核把吸收的能传给周围晶格所需要的时间，也就是90射频脉冲质子由纵向磁化转到横向磁化之后再恢复到纵向磁化激发前状态所需时间，称T1。另一

8、种是自旋-自旋弛豫时间（spin-spin relaxation time），又称横向弛豫时间（transverse relaxation time），反映横向磁化衰减、丧失的过程，也就是横向磁化所维持的时间，称T2。T2衰减是由共振质子之间相互磁化作用所引起，与T1不同，它引起相位的变化。人体不同器官的正常组织与病理组织的T1是相对固定的，而且它们之间有一定的差别，T2也是如此。这种组织间弛豫时间上的差别，是MRI的成像基础。MRI是T1、T2和自旋核密度（P）等几个参数，其中T1和T2尤为重要。因此，获得选定层面中各种组织的T1（或T2）值，就可获得该层面中包括各种组织影像的图像。MRI的

9、成像把检查层面分成Nx，Ny，Nz一定数量的小体积，即体素，用接收器收集信息，数字化后输入计算机处理，获得每个体素的T1值（或T2值），进行空间编码。用转换器将每个T值转为模拟灰度，而重建图像。磁共振得到的图像是一种三维立体的图像，因此我们可以从不同的角度来对其进行观察，按照解剖学上的习惯，通常从冠状面（前后方向看）、矢状面（左右方向看）和横断面（上下方向看）来对磁共振数据进行观察。弥散张量成像(Diffusion tensor imaging，DTI)，是在弥散加权成像（Diffusion weighted imaging，DWI）基础上发展而来的用于研究人体组织中水分子运动的一种无创性磁共

10、振成像技术，DTI除了可以用来观测组织中水分子运动的快慢之外，还可以分析组织内水分子在不同方向上扩散，从而观察组织的细微结构，得到更多常规MRI不能提供的人体组织微观结构、神经纤维走行及受损情况等信息。由于DTI可以测量水分子扩散的大小和方向，而组织结构的状态、生理生化信息等能一定程度上影响水分子的扩散，组织的病理状态不仅影响水分子扩散的速度，而且影响水的在不同方向上的扩散特征。主要参数如下：（1）平均弥散率（mean diffusivity MD），为了对组织某一体素或区域的弥散状况进行全面的评价，必须要消除各向异性弥散的影响，并用一不变的参数来表示，也就是说这一参数的变化不依赖于弥散的方向

11、。在弥散张量的几个元素中，弥散张量轨迹（the trace of the diffusion tensor）就是一个不变参数，Tr(D)=DXX+DYY+DZZ，平均弥散率 MD=1/3 Tr(D)=1/3（DXX+DYY+DZZ）。MD反映分子整体的弥散水平（平均椭球的大小）和弥散阻力的整体情况。MD只表示弥散的大小，而与弥散的方向无关。MD 越大，组织内所含自由水分子则越多。MD常用表观扩散系数（apparent Diffusion coefficient，ADC）与平均扩散系数（average Diffusion coefficient，DCavg），前者实际上只能代表扩散梯度磁场施加方

12、向上水分子的扩散特性，不能完全、正确地评价不同组织间各向异性的特征；后者能更全面反映水分子扩散运动的快慢，是扩散张量矩阵的主对角线元素之和的算数平均数，反映的是所有水分子在不同方向上的位移。（2）部分各向异性（fraction anisotropy，FA），是水分子各向异性成分占整个弥散张量的比例，它的变化范围从01。0代表弥散不受限制，比如脑脊液的 FA 值接近 0；对于非常规则的具有方向性的组织，其FA值大于0，例如大脑白质纤维 FA 值接近 1。（3）RA：相对各向异性指数，是弥散张量的各向异性部分与弥散张量各向同性部分的比值，它的变化范围从0(各向同性弥散)到2(无穷各向异性)。（4）

13、VR：容积比指数。是椭圆体与球体容积的比值。由于它的变化范围从 1(即各向同性弥散)到0，所以，临床上更倾向于应用1/VR。弥散张量成像DTI 是磁共振成像的重要组成部分，是弥散加权成像(Diffusion Weighted Imaging, DWI)的进一步发展，它在 DWI 的基础上加入了至少在 6 个非共线方向上连续施加弥散敏感的梯度脉冲，采集弥散信息。DTI 是通过生物组织中水分子的弥散特性进行成像的技术。弥散(Diffusion)是指水分子的随机的不规则运动，也叫做布朗运动(Brownian Motion)。弥散通常包含各向同性(Isotropic)弥散和各向异性(Anisotrop

14、ic)弥散，在人脑组织中，脑脊液及大脑灰质中水分子的弥散近似各向同性弥散，而在脑白质中纤维素的髓鞘会阻碍水分子的弥散，分子向各个方向弥散的距离不相等，称为各向异性弥散。DTI 通过计算施加梯度脉冲造成磁场衰减，检测水分子的扩散。一般以一张未施加扩散敏感梯度的图像，即 b0 像(b=0s/mm2)作为基准图像，进而利用多个扩散敏感梯度从多个方向对水分子的运动进行测量，同时假定这种运动遵循高斯分布。由于弥散具有各向异性，需要用更复杂的 Stejskal-Tanner公式来表达：Sk=S0e-bgTDgk (k=1，2，N)其中：b=2G22(-3)D=DxxDxyDxzDxyDyyDyzDxzDy

15、zDzz=v1 v2 v3100020003v1v2v3 =1v1v1T+1v1v1T+1v1v1T式中，Sk表示施加扩散梯度脉冲gk所对应的信号；S0为未施加扩散梯度脉冲的参考信号；b（单位：s/mm2）为弥散敏感系数； 为旋磁率，大小为 42MHz/Tesla；G 为弥散梯度脉冲强度；为弥散梯度脉冲持续时间；为两次弥散梯度脉冲时间间隔；D 为弥散张量矩阵，是一个 33 的对称矩阵，D 中存在 6 个独立的分量（包括 xx, yy, zz, xy, xz, yz），所以至少需要 6 个非共面的磁场梯度方向，再加上一个基准图像 S0，DTI 数据采集至少需要 7 次扫描。此外，对于 D，几何模

16、型上可以表示为一个椭圆球体，如图 2.1 所示，在椭球体的 X、Y、Z 坐标轴线中：v1，v2 和v3代表特征向量；1，2和3为特征值。根据1，2和3的相对大小就可以粗略描述该椭球的几何形状：（1）当123时，形成球体模型，这时各个方向的弥散能力相同，即为各向同性，如图2.2a所示。在人脑组织中，大脑灰质内及脑脊液的水分子的扩散一般属于这种情况；(2)当123时，形成平面模型，弥散方向主要在圆所在平面内，这时扩散主要集中于v1和v2所构成的平面内，如图 2.2b 所示。在人脑组织中，一些神经纤维交叉区域的水分子的弥散属于这种情况；(3)当123时，形成线性模型，弥散方向主要沿着主特征向量的方向

17、，这时扩散主要在方向上，如图 2.2c 所示。在人脑组织中，大脑白质区域内的水分子的扩散属于这种情况。为了描述每个体素的弥散特性，根据弥散张量的三个特征值可以定义多个指标，这包括平均弥散度(Mean Diffusivity, MD)；表现弥散系数(Apparent Diffusion Coefficient, ADC)；各向异性分数(FA)；轴向扩散(Axial Diffusivity, AD)；径向扩散(Radial Diffusivity, RD)。如图 2.3 所示：实验数据分析中某个被试的 b0、MD、FA和 FA-color 图像。1.表现弥散系数 ADC 反映水分子的弥散强度的弥散系数，即一个水分子单位时间内的随机运动的平均范围，单位为 mm2/s，ADC 值越大，表示弥散程度越强，公式为：ADC=gTDg=1(gv1)2+2(gv2)2+3(gv3)2=-ln(SS0)b式中，S和S0分别表示施加和未施加扩散梯度脉冲的信号，b 为弥散敏感系数。2.平均弥散度MD衡量水分子在人体组织环境中的弥散运动，就是把所有影响水分子运动的因素叠加起来形成的数值，反映在磁场梯度方向上水分子的位移强度。其公式为：MD=Dxx+Dyy+Dzz3=1+2+333.各向异性分数FA测定体素内一致性的指标，反映纤维结构的完整性，