磁共振应用-李焕杰课件

磁共振应用李焕杰生物医学工程系磁共振应用李焕杰1提纲功能磁共振

血氧水平依赖对比度（BOLDfMRI）

静息态

（Resting-statefMRI,rfMRI）磁共振波谱（MRSpectroscopy,MRS)结构磁共振结构像(T1,T2…)弥散张量成像（DiffusionTensorImaging,DTI）提纲功能磁共振2BOLDfMRI是一种检测大脑活动的技术，它是检测发生神经活动时血氧和血流的变化，通过测量血流、血氧和氧消耗的关系来间接的反映神经活动。BOLDfMRI是一种检测大脑活动的技术，它是检测发生神3背景1992年，Ogawa在做老鼠实验时发现血氧水平对比度（BOLD）现象BOLD对比度示图（A）大鼠吸入纯氧气体的MRI；（B）大鼠吸入标准空气的MRI。

氧含量对弛豫时间的影响;横坐标表示血液中氧含量的百分比;红线表示纵向弛豫率;蓝线表示横向弛豫率。

背景1992年，Ogawa在做老鼠实验时发现血氧水平对比度（4脑活动时BOLD信号产生原理脑活动时BOLD信号产生原理5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。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蛋白，两者的比例保持一定水平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神6含氧血红蛋白oxy-Hb:抗磁性，不影响磁场的均匀性脱氧血红蛋白deoxy-Hb:顺磁性，增加磁场不均匀性，使T2*缩短，磁共振信号降低含氧血红蛋白oxy-Hb:抗磁性，不影响磁场的均匀性7脱氧血红蛋白增加原因？

不匹配理论:大脑功能活动时，血流（CBF）和血氧消耗（CMRO2）的需求关系不匹配脱氧血红蛋白增加原因？

不匹配理论:8TheRoy-Sherringtonprinciple

RoyandSherrington,J.Physiology(1890)CBF、CMRglu

和CMRO2的需求是匹配的CBFCMRO2TheRoy-Sherringtonprinciple9PET(视觉刺激)CBF:50%CMRGlc:51%

Foxetal,PNAS(1986);Science(1988).CBF:50%CMRO2:5%不匹配!!!PET(视觉刺激)CBF:50%10刺激初期，代谢机制刺激初期，代谢机制11磁共振研究证实不匹配现象磁共振研究证实不匹配现象12BOLD信号与脑血流、脑氧代谢率和脑血体积的关系：BOLD信号与脑血流、脑氧代谢率和脑血体积的关系：13早期fMRI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）年龄、性别、健康与疾病、高低氧状态早期fMRI研究研究领域：初级神经活动（视觉、听觉、运动等）14认知实验N-back任务Zou…Gao,JCognSci（2011）认知实验N-back任务Zou…Gao,JCogn15实验设计实验设计16神经激活后氧合血红蛋白和脱氧血红蛋白含量的变化

血液动力学响应曲线。（A）为块状型设计响应曲线；（B）为事件相关型设计响应曲线。神经激活后氧合血红蛋白和脱氧血红蛋白含量的变化17磁共振应用-李焕杰课件18静息态功能磁共振（rfMRI）什么是静息态？无任务（睁眼或者闭眼）放松休息不要胡思乱想保持清醒静息态磁共振采集5-10分钟fMRI图像分析低频波动（0.01-0.08Hz）静息态功能磁共振（rfMRI）什么是静息态？19早期rfMRI研究体素信号时间序列低频信号代表大脑的自发活动早期rfMRI研究体素信号时间序列低频信号代表大脑的自发活动20脑网络默认网络（defaultmodenetwork,DMN）:休息时开启，执行任务时关闭ZhangandRaichle,2010.Nat.Rev.Neurol.脑网络默认网络（defaultmodenetwork,21脑连接脑连接22磁共振波谱（MRS）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差异，因此可在频率域上得出物质信息磁共振波谱（MRS）不是图像域信号，而是频率域信号23波谱脉冲三个RF脉冲都是选层脉冲，单体素采集，体素大小2x2x2cm3采集FID信号，频率域信息波谱脉冲三个RF脉冲都是选层脉冲，单体素采集，体素大小2x224特点对场的均匀度要求很高，ω=γ(B0+△B)单体素成像，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时间分辨率低，约在分钟量级，T=2s(TR)x200(平均次数)依赖高场磁共振，B0越高，信噪比越高，但B0越高，场均匀性越差，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有利于疾病（如肿瘤）的临床诊断和评估特点对场的均匀度要求很高，ω=γ(B0+△B)25应用：乳酸研究应用：乳酸研究2610Hz视觉刺激时，乳酸的变化Mangiaetal,JCBFM(2007)10Hz视觉刺激时，乳酸的变化Mangia27不同频率视觉刺激时，乳酸的变化

刺激频率:4,8,16Hz

刺激时间:4minLinetal.,PNAS(2010)不同频率视觉刺激时，乳酸的变化

刺激频率:4,8,162831P-MRS(磷谱)Zhuetal.,NeuroImage2012可以测量ATP，PCr等能量代谢物质31P-MRS(磷谱)Zhuetal.,NeuroI29二维波谱MRS时间分辨率和空间分辨率都较低Velanetal.,JMRI2007二维波谱MRS时间分辨率和空间分辨率都较低Velanet30波谱图像MRSIMaudsleyetal.,MRM2009单个被试采集时间：15min88个被试的平均图像波谱图像MRSIMaudsleyetal.,MRM31结构磁共振结构像T1,T2,…弥散张量成像（DTI）结构磁共振结构像32结构像：VBM分析研究：脑灰质密度差异应用：阿尔茨海默症诊断、年龄、特殊人群等结构像：VBM分析研究：脑灰质密度差异33DTI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。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，各个方向弥散程度不同，具有方向依赖性。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向，34表述参数扩散张量D(矢量，有方向)表观扩散系数ADC（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，ADC越高，表示水分子扩散能力越强，单位mm2/s。部分各向异性指数FA（标量，无方向）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0～1。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。表述参数扩散张量D(矢量，有方向)35脑组织水分子扩散特点CSFGrayMatterWhiteMatterWhiteMatter脑组织水分子扩散特点CSFGrayMatterWhite36ADCFAADCFA37应用功能应用较少，why?临床脑缺血早期诊断：

FA降低，ADC在发病不同阶段不同脑白质稀疏

慢性脑缺血、阿尔茨海默症、脑梗塞等大脑发育、成熟和退化

应用功能应用较少，why?38磁共振应用李焕杰生物医学工程系磁共振应用李焕杰39提纲功能磁共振

血氧水平依赖对比度（BOLDfMRI）

静息态

（Resting-statefMRI,rfMRI）磁共振波谱（MRSpectroscopy,MRS)结构磁共振结构像(T1,T2…)弥散张量成像（DiffusionTensorImaging,DTI）提纲功能磁共振40BOLDfMRI是一种检测大脑活动的技术，它是检测发生神经活动时血氧和血流的变化，通过测量血流、血氧和氧消耗的关系来间接的反映神经活动。BOLDfMRI是一种检测大脑活动的技术，它是检测发生神41背景1992年，Ogawa在做老鼠实验时发现血氧水平对比度（BOLD）现象BOLD对比度示图（A）大鼠吸入纯氧气体的MRI；（B）大鼠吸入标准空气的MRI。

氧含量对弛豫时间的影响;横坐标表示血液中氧含量的百分比;红线表示纵向弛豫率;蓝线表示横向弛豫率。

背景1992年，Ogawa在做老鼠实验时发现血氧水平对比度（42脑活动时BOLD信号产生原理脑活动时BOLD信号产生原理43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。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蛋白，两者的比例保持一定水平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神44含氧血红蛋白oxy-Hb:抗磁性，不影响磁场的均匀性脱氧血红蛋白deoxy-Hb:顺磁性，增加磁场不均匀性，使T2*缩短，磁共振信号降低含氧血红蛋白oxy-Hb:抗磁性，不影响磁场的均匀性45脱氧血红蛋白增加原因？

不匹配理论:大脑功能活动时，血流（CBF）和血氧消耗（CMRO2）的需求关系不匹配脱氧血红蛋白增加原因？

不匹配理论:46TheRoy-Sherringtonprinciple

RoyandSherrington,J.Physiology(1890)CBF、CMRglu

和CMRO2的需求是匹配的CBFCMRO2TheRoy-Sherringtonprinciple47PET(视觉刺激)CBF:50%CMRGlc:51%

Foxetal,PNAS(1986);Science(1988).CBF:50%CMRO2:5%不匹配!!!PET(视觉刺激)CBF:50%48刺激初期，代谢机制刺激初期，代谢机制49磁共振研究证实不匹配现象磁共振研究证实不匹配现象50BOLD信号与脑血流、脑氧代谢率和脑血体积的关系：BOLD信号与脑血流、脑氧代谢率和脑血体积的关系：51早期fMRI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）年龄、性别、健康与疾病、高低氧状态早期fMRI研究研究领域：初级神经活动（视觉、听觉、运动等）52认知实验N-back任务Zou…Gao,JCognSci（2011）认知实验N-back任务Zou…Gao,JCogn53实验设计实验设计54神经激活后氧合血红蛋白和脱氧血红蛋白含量的变化

血液动力学响应曲线。（A）为块状型设计响应曲线；（B）为事件相关型设计响应曲线。神经激活后氧合血红蛋白和脱氧血红蛋白含量的变化55磁共振应用-李焕杰课件56静息态功能磁共振（rfMRI）什么是静息态？无任务（睁眼或者闭眼）放松休息不要胡思乱想保持清醒静息态磁共振采集5-10分钟fMRI图像分析低频波动（0.01-0.08Hz）静息态功能磁共振（rfMRI）什么是静息态？57早期rfMRI研究体素信号时间序列低频信号代表大脑的自发活动早期rfMRI研究体素信号时间序列低频信号代表大脑的自发活动58脑网络默认网络（defaultmodenetwork,DMN）:休息时开启，执行任务时关闭ZhangandRaichle,2010.Nat.Rev.Neurol.脑网络默认网络（defaultmodenetwork,59脑连接脑连接60磁共振波谱（MRS）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差异，因此可在频率域上得出物质信息磁共振波谱（MRS）不是图像域信号，而是频率域信号61波谱脉冲三个RF脉冲都是选层脉冲，单体素采集，体素大小2x2x2cm3采集FID信号，频率域信息波谱脉冲三个RF脉冲都是选层脉冲，单体素采集，体素大小2x262特点对场的均匀度要求很高，ω=γ(B0+△B)单体素成像，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时间分辨率低，约在分钟量级，T=2s(TR)x200(平均次数)依赖高场磁共振，B0越高，信噪比越高，但B0越高，场均匀性越差，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有利于疾病（如肿瘤）的临床诊断和评估特点对场的均匀度要求很高，ω=γ(B0+△B)63应用：乳酸研究应用：乳酸研究6410Hz视觉刺激时，乳酸的变化Mangiaetal,JCBFM(2007)10Hz视觉刺激时，乳酸的变化Mangia65不同频率视觉刺激时，乳酸的变化

刺激频率:4,8,16Hz

刺激时间:4minLinetal.,PNAS(2010)不同频率视觉刺激时，乳酸的变化

刺激频率:4,8,166631P-MRS(磷谱)Zhuetal.,NeuroImage2012可以测量ATP，PCr等能量代谢物质31P-MRS(磷谱)Zhuetal.,NeuroI67二维波谱MRS时间分辨率和空间分辨率都较低Velanetal.,JMRI2007二维波谱MRS时间分辨率和空间分辨率都较低Velanet68波谱图像MRSIMaudsleyetal.,MRM2009单个被试采集时间：15min88个被试的平均图像波谱图像MRSIMaudsleyetal.,MRM69结构磁共振结构像T1,T2,…弥散张量成像（DTI）结构磁共