磁共振应用_李焕杰

1、磁共振应用磁共振应用李焕杰李焕杰生物医学工程生物医学工程系系提纲提纲功能磁共振功能磁共振 血血氧水平依赖对比度（氧水平依赖对比度（BOLD fMRI） 静息态静息态 （Resting-state fMRI, rfMRI）磁共振波谱（磁共振波谱（MR Spectroscopy, MRS)结构磁共振结构磁共振 结构像结构像 (T1, T2) 弥散弥散张量成像张量成像（Diffusion Tensor Imaging, DTI）BOLD fMRI 是一种检测大脑活动的技术，它是检测发生神经是一种检测大脑活动的技术，它是检测发生神经活动时活动时血氧血氧和和血流血流的变化，通过测量血流、血氧的变化，通过

2、测量血流、血氧和氧消耗的关系来和氧消耗的关系来间接间接的反映神经活动。的反映神经活动。背景背景1992年，年，Ogawa在做老鼠实验时发现在做老鼠实验时发现血血氧水平对比度（氧水平对比度（BOLD）现象现象BOLD对比度示图对比度示图（A）大鼠吸入纯氧气体的）大鼠吸入纯氧气体的MRI；（B）大鼠吸入标准空气的）大鼠吸入标准空气的MRI。 氧含量对弛豫时间的氧含量对弛豫时间的影响影响;横坐标横坐标表示血液中氧含量的表示血液中氧含量的百分比百分比;红红线表示纵向弛豫线表示纵向弛豫率率; 蓝蓝线表示横向弛豫率。线表示横向弛豫率。 脑活动时脑活动时BOLD 信号产生原理信号产生原理氧在血液和组织间的交

3、换氧在血液和组织间的交换在当神经激活之后，供应的氧含量远大于在当神经激活之后，供应的氧含量远大于神经活动所需要的，导致含氧血红蛋白所神经活动所需要的，导致含氧血红蛋白所占的比例升高，脱氧血红蛋白比例降低。占的比例升高，脱氧血红蛋白比例降低。在正常生理条件下，毛细血管内的氧合在正常生理条件下，毛细血管内的氧合血红蛋白以一定的速率转化为脱氧血红血红蛋白以一定的速率转化为脱氧血红蛋白，两者的比例保持一定水平蛋白，两者的比例保持一定水平含氧血红蛋白含氧血红蛋白oxy-Hb: 抗磁性，不影响磁场的均匀性抗磁性，不影响磁场的均匀性脱氧血红蛋白脱氧血红蛋白deoxy-Hb: 顺磁性顺磁性，增加磁场不均匀性，

4、使，增加磁场不均匀性，使T2*缩短，磁共振信号降低缩短，磁共振信号降低脱氧血红蛋白增加原因？脱氧血红蛋白增加原因？不匹配不匹配理论理论:大脑功能活动时，血流（大脑功能活动时，血流（CBF）和血氧）和血氧消耗（消耗（CMRO2）的需求关系不匹配的需求关系不匹配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 (视觉刺激视觉刺激) 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，代谢机制刺激初期，代谢机制磁共振研究证实不匹配现象磁共振研究证实不匹配现象BOLD信号与脑血流、脑氧代谢率和脑信号与脑血流、脑氧代谢率和脑血体积的关系：血体积的关系： 1121111% BOLD% CMRO% CBV% CBFM 早期早期fMRI研究研究研究领域：初级神经活动（视觉、听觉、运动等）和高级认知任务（情感、记忆等）研究领域：初级神经活动（视觉、听觉、运动等）和高级认知任务（情感、记忆等） 年龄、性别、健康与疾病、高低氧状态年龄、性别、健康与疾病、高低氧状态认知认知实验实验N-back任务任务Z

6、ou Gao, J Cogn Sci （2011）实验设计实验设计神经激活后氧合血红蛋白和脱神经激活后氧合血红蛋白和脱氧血红蛋白含量的变化氧血红蛋白含量的变化 血液动力学血液动力学响应曲线。响应曲线。（A）为块状型设计响应曲线；）为块状型设计响应曲线；（B）为事件相关型设计响应曲线。）为事件相关型设计响应曲线。静息态功能磁共振（静息态功能磁共振（rfMRI）什么是静息态？什么是静息态？ 无任务（睁眼或者闭眼）无任务（睁眼或者闭眼） 放松休息放松休息 不要胡思乱想不要胡思乱想 保持清醒保持清醒静息静息态磁共振态磁共振 采集采集5-10分钟分钟fMRI图像图像 分析低频波动（分析低频波动（0.01

7、-0.08Hz）早期早期rfMRI研究研究体体素信号时间序列素信号时间序列低频信号代表大脑的自发活动低频信号代表大脑的自发活动脑网络脑网络默认网络（默认网络（default mode network, DMN）:休息时开启，执行任务时关闭休息时开启，执行任务时关闭Zhang and Raichle, 2010. Nat. Rev. Neurol.脑连接脑连接磁共振波谱（磁共振波谱（MRS）不是图像域信号，而是频率域信号不是图像域信号，而是频率域信号不同物质所处的化学环境不同，产生不同的化学位移，导致各物质频率产生略微不同物质所处的化学环境不同，产生不同的化学位移，导致各物质频率产生略微差异，因

8、此可在频率域上得出物质信息差异，因此可在频率域上得出物质信息波谱脉冲波谱脉冲三个三个RF脉冲都是选层脉冲，单体素采集，体素大小脉冲都是选层脉冲，单体素采集，体素大小2x2x2cm3采集采集FID信号，频率域信息信号，频率域信息特点特点对场的均匀度要求很高，对场的均匀度要求很高，=(B0+B)单体素单体素成像，区域越小，场均匀度越好；全脑的场均匀度较低成像，区域越小，场均匀度越好；全脑的场均匀度较低信噪比低，需多次平均提高信噪比信噪比低，需多次平均提高信噪比时间分辨率低，约在分钟量级，时间分辨率低，约在分钟量级，T=2s(TR) x 200(平均次数平均次数)依赖高场磁共振，依赖高场磁共振，B0

9、越高，信噪比越高，但越高，信噪比越高，但B0越高，场均匀性越差，越高，场均匀性越差，目前常用的磁场强度为目前常用的磁场强度为3T可以观测到分子层面物质信息，有利于深入了解脑能量代谢机制可以观测到分子层面物质信息，有利于深入了解脑能量代谢机制有利于疾病（如肿瘤）的临床诊断和评估有利于疾病（如肿瘤）的临床诊断和评估应用：乳酸研究应用：乳酸研究10Hz视觉刺激时，乳酸的变化视觉刺激时，乳酸的变化 Mangia et al, JCBFM (2007)不同频率视觉刺激时，乳酸的变化不同频率视觉刺激时，乳酸的变化31P-MRS (磷磷谱谱)Zhu et al., NeuroImage 2012可以测量可以

10、测量ATP，PCr等能量代谢物质等能量代谢物质时间分辨率和空间分辨率都较低时间分辨率和空间分辨率都较低Velan et al., JMRI 2007波谱图像波谱图像MRSI Maudsley et al., MRM 2009单个被试单个被试采集时间：采集时间：15 min88个被试的平均图像个被试的平均图像结构磁共振结构磁共振结构像结构像 T1, T2, 弥散张量成像（弥散张量成像（DTI）结构结构像：像：VBM分析分析研究：脑灰质密度差异研究：脑灰质密度差异应用：阿尔茨海默症诊断、年龄、特殊人群等应用：阿尔茨海默症诊断、年龄、特殊人群等DTI中枢神经纤维精细成像，可显示脑白质内神经传导束的走

11、向，研究不中枢神经纤维精细成像，可显示脑白质内神经传导束的走向，研究不同组织中水分子扩散运动的差异。同组织中水分子扩散运动的差异。各向同性：均匀介质中，水分子是随机运动的，不受限制，各个方向各向同性：均匀介质中，水分子是随机运动的，不受限制，各个方向运动的几率相同（如脑脊液运动的几率相同（如脑脊液CSF）。）。各向异性：在人体组织中，水分子的运动受到组织细胞结构的影响，各向异性：在人体组织中，水分子的运动受到组织细胞结构的影响，各个方向弥散程度不同，具有方向依赖性。各个方向弥散程度不同，具有方向依赖性。表述参数表述参数扩散张量扩散张量D (矢量，有方向矢量，有方向)表观扩散系数表观扩散系数AD

12、C （标量，无方向）（标量，无方向） 反映水分子的扩散运动能力，单位时间内水分子的扩散运动范围，反映水分子的扩散运动能力，单位时间内水分子的扩散运动范围， ADC越高，表越高，表示水分子扩散能力越强，单位示水分子扩散能力越强，单位mm2/s。部分部分各向异性指数各向异性指数FA（标量，无方向（标量，无方向） 是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代表弥散代表弥散不受限制，比如脑脊液的不受限制，比如脑脊液的 FA 值接近值接近 0；对于非常规则的具有方向性的组织，其；对于非常规则的具有方向性的组织，其FA值大于值大于0，例如大脑白质纤维，例如大脑白质纤维 FA 值接近值接近 1。脑组织水分子扩散特