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脑磁共振成像(MRI),fMRI
脑磁共振成像（structrural&magnetic&resonance&imaging,&sMRI）:MRI脑、脊髓结构异常和病变性质，其影象比CT更清晰。2mm～3mm病变有时也可发现，但检出钙化斑(calcification&patch)不及脑CT可靠。国内首台场强为0.7特斯拉的开放式核磁共振成像用超导磁体系统开放度大，便于实现介入治疗与治疗一体化，以达到实时监控与减少患者幽闭症的效果，该系统的成功研制提升了我国在超导磁体技术产业化和高性能医疗核磁共振成像装备方面的能力和水平。功能性MRI&(functional&MRI,fMRI)显示出的脑、脊髓结构（尤其颅底、脑中线白质影象,fMRI&Utilize&blood&flow&oxygen&level-dependent&(BOLD)changes,ratio&of&oxyhemogrobin(Oxy-Hb)&to &deoxy-hemogrobin&deoxy-Hb）&or&arterial&spin&labeling(ASL).to&detect&image&of &cerebral &activity&& &high&spatial&and&temporal&resolution.）另有磁共振血管显影(MRAngiopraphy),&磁共振弥散显影(diffusion&weighted&imagine,DWI),&磁共振弥散张力显影(MR&difusion&tensor &imaging,DTI, measure&neural&axons&of&white&matter&&N&tracts&or&muscle&fiber.),1H-magnetic &resonance &spectroscopy&&(1HMRI),magnetic&resonance&spectroscopy(MRSpectroscopy,)&etc&functional&brain&mapping:Magnetic&resonance&neurography&(MRN)&is&becoming&a&popular&technique&for&the&evaluation&of&peripheral&nerves.&It&was&my&pleasure&and&honor&to&guest&edit&this&issue&of&Neuroimaging&Clinics&focused&on&this&subject.&The&issue&has&three&main&objectives:&first,&to&stress&the&immense&potential&of&MRN&for&imaging&the&peripheral&&second,&to&provide&the&readers&with&an&updated,&convenient&and&practical&reference&guide&to&utilize&the&technique&effectively&and&interpret&the&findings&more&&and&finally,&to&solicit&contributions&from&experts&from&multiple&related&specialties&in&this&domain&to&bring&out&a&whole&body&of&knowledge&on&this&subject.This&issue&contains&articles&that&describe&state-of-the-art&high-resolution&MR &imaging&techniques&performed&for&both&cranial&and&peripheral&nerve&imaging.&The&comprehensive&text&covers&nerve&anatomy,&pathophysiology,&approach&to&MRN&image&interpretation,&and&imaging&depiction&of&a&variety&of&nerve&lesions&of&upper&extremity,&brachial&plexus,&lower&extremity,&lumbosacral&plexus,&nerve&tumor,&and&tumor-like&conditions.&Other&articles&focus&on&MR-guided&perineural&interventions, &peripheral&nerve&surgery &approaches,&postoperative&imaging,&as&well&as&research&techniques&to&assess&the&impact&of&this&technique.&Lots&of&figures&and&tables&have&been&used&to&help&the&discussion,&as&well&as&a&clarification&of&the&differential&diagnoses&and&gamuts&of&peripheral&nerve&disorders.&(Neuromageing&Clinics&of&North&America&&&2014&,24(1)MRI&is&currently&the&best&imaging&modality&to&assess&myelin&maturation&in&the&human&brain.&Myelin&is&the&insulator&for&nerves&and&is&present&in&both&the&peripheral&nervous&system&and&the&central&nervous&system&(CNS).&In&the&CNS,&it&is&a&modified&extension&of&the&oligodendrocyte&cell&and&is&made&up&of&multiple&sheaths&of&protein-lipid-protein-lipid-protein.&Standard&T1-weighted&and&T2-weighted&sequences&can&be&performed &on&any&MR&imaging&platform&and&with&knowledge&of&normal&age-related&myelin&maturation, &myelin&delay &can&be&detected.&Myelination&progresses&in&a&constant&predetermined&pattern&from&bottom&to&top,&central&to&peripheral&and&back&to&front.White&Matter&Anatomy:Diffusion&tensor&imaging&(DTI)&has&allowed&in&vivo&demonstration&of&axonal&architecture&and&connectivity.&This&technique&has&set&the&stage&for&numerous&studies&on&normal&and&abnormal&connectivity&and&their&role&in&developmental&and&acquired&disorders.&Referencing&established&white&matter&anatomy,&DTI&atlases,&and&neuroanatomical&descriptions,&this&article&summarizes&the&major&white&matter&anatomy&and&related&structures&relevant&to&the&clinical&neuroradiologist&in&daily&practice.MR&neurography&(MRN)&has&increasingly&been&used&in&clinical&practice&for&the&evaluation&of&peripheral&nerve&disease.&This&article&reviews&the&historic&perspective&of&MRN,&the&current&imaging&trends&of&this&modality,&and&the&future&directions&and&applications&that&have&shown&potential&for&improved&imaging&and&diagnostic&capabilities.CONCLUSION:MRN&has&come&a&long&way&in&the&past&2&decades.&Excellent&depiction&of&3D&nerve&anatomy&and&pathology&is&currently&possible.&Further&technical&developments&in&diffusion-based&nerve&and &muscle&imaging,&whole-body&MRN,&and&nerve-specific&MR&contrast&agents&will&likely &play&a &major&role &in&advancing&this&novel&field&and&understanding&peripheral&neuromuscular&diseases&in&the&years&to&come.
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磁共振成像原理及fMRI介绍-中科院
医学影像与分子影像学田 捷中科院自动化所医学影像研究室http://www.3dmed.net http://www.mitk.net Email：2004年9月医学影像学发展简史19世纪末20世纪初： X线 放射诊断学 20世纪50~60年代： 超声成
像(USG) 核素 γ闪烁成像(γ-scintigraphy ) 70~80年代： 计算机体层成像(CT) 磁共振成像(MRI) 数字血管减影(DSA) 20世纪80~90年代： 正电子发射成像(PET) 单光子发射体层成像(SPECT) 磁共振功能成像（FMRI）医学影像处理与分析发展的四个阶段1980年前―1984年：医学图像质量较差。二维 图像处理与分析，重点是图像分割、配准等。 1985年―1991年：医学成像设备的发展，MR设 备成为越来越重要的数据源。计算机辅助诊断、 图像分割、配准等是研究重点。 1992 年 ―1998 年 ： 高质量的三维 MR图像出 现。螺旋CT、超声、SPECT和PET也迅速发 展。医学影像处理与分析中的问题越来越复杂。 功能图像的处理与分析出现。 1999年以后：成像技术更先进。图像处理算法 更复杂。例如：功能激活区提取，纤维追踪算法 研究。功能成像研究的国际形势2002年北美放射年会全体大会上，Bruce Rosen以“时、空间 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 医学应用。他指出 分子生物学、神经化学和电生理学这些工具继续在分子、突 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 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， 从动物扩展到人类。这种方法就是磁共振功能成像，或者简 写为fMRI。 该技术目前已经在各个领域，如研究人类视觉、听觉、嗅 觉、味觉、触觉与运动，记忆、注意以及人类特有的机能如 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 性疾病、癫痫、中风、中风恢复等临床方面以及人类特有的 精神分裂症、抑郁症、孤独症等精神疾患。 新技术出现，如结合FMRI的MEG、EEG及弥散光学成像 (DOT)。功能成像及其分类（按研究领域分类）功能成像的出现给传统医学影像学带来了一场革命，它 甚至改变了传统医学的诊断、治疗模式。 功能成像技术的研究领域分类 [注1] 灌注成像（PWI，CT，PET，光学成像 [注2] ） 弥散成像（DWI） 联系图像（DTI） 生化成像（MRS，PET，光学成像） 分子成像（PET，光学成像，phMRI，?MRI） 定量结构测量成像（MRI，CT） 激活区成像（fMRI，PET，光学成像，EEG，MEG）[注1]：Bruce Rosen. Functional Imaging of the Brain in Space and Time. Eugene P. Pendergrass New Horizons Lecture, RSNA 2002. [注2]：光学成像：近红外谱技术（near infrared spectroscopy， NIRS） 与光学相干层析成像（optical coherence tomography， OCT） 弥散光学成像（diffusion optical tomography, DOT）功能成像方式（按方法分类）Metabolic / vascular methods磁共振功能成像 (fMRI) 正电子发射断层扫描 (PET) 单光子发射断层扫描 (SPECT)Electrophysiological methods脑电图(EEG) 脑磁图 (MEG)课程安排第七讲： 第八讲： 第九讲： 第十讲： MRI基础知识 功能成像方法与设备 功能数据处理 功能处理与分析综述第十一讲：情绪反应机理研究 第十二讲：针灸镇痛机理研究 第十三讲：弥散张量图像处理与可视化 第十四讲：脑中风研究第七讲： 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NMR、MRI及fMRI历史 质子的物理性质 横向驰豫及纵向驰豫 回波序列 磁共振信号与图像 成像设备、应用及一些成像例子NMR历史简介二十世纪四十年代，人类就 认识了核磁共振现象 。但这 一现象在三十多年之后才得 到了广泛地应用。1946年美 国学者斯坦福大学的Felix Bloch和哈佛大学的Edward Purcell分别发现了核磁共振 (Nuclear Magnetic Resonance)现象，为现代的 磁共振成像技术建立了理论 基础。两学者因而获得了 1952年的诺贝尔物理学奖。NMR历史1971年纽约州立大学 医生Raymond Damadian发现肿瘤组 织的T1、T2时间延 长。1973年纽约州立 大学化学教授Paul Lauterbur发表了两 个充水试管的第一幅 核磁共振图像，1974 年作出了活鼠的核磁 图像。fMRI历史MRI1973: Lauterbur 提出 NMR 可以用来成像 1977: 取得了临床MRI扫描器的专利 1977: Mansfield使用回波成像 (EPI)序列更快的 得 到图像fMRI1990: Ogawa 通过T2加权像观察到BOLD效应 1991: Belliveau首次通过对比机制观察到功能图像 1992: Ogawa & Kwong 发表了通过BOLD信号成 像的结果MRI原理 NMR、MRI及fMRI历史 质子的物理性质 横向驰豫及纵向驰豫 回波序列 磁共振信号与图像 成像设备、应用及一些成像例子质子的物理性质 移动的带电粒子能够产生磁场 质子具有自旋的性质质子自旋.磁场中的质子无磁场的空间 存在磁场的空间Applied Magnetic Field (B0)M随机分布按照一定的规律排列Lamor方程进动频率与磁场强度成正比，并且由 Larmor方程如下定义：ω0 = γβ 0ω0：进动频率 γ：旋磁比 β 0：外部磁场强度Lamor方程 对于氢质子来说，进动频率是 42.6MHzT-1 也就是说在外部磁场是1.0T时，氢质 子每秒自旋4.2*107次; 在1.5T时，约为6.3*107次Lamor方程MRI的目的是以某种方法如通过测量该 断层组织氢核的密度，显示身体中某 一断面的组织分布图像,由此而获得身 体中二维断面的二维图像。叠加电磁射频脉冲如果在质子上叠加一个等同于响应频 率的电磁射频脉冲，则质子会吸收能 量，根据量子理论，单个质子将发生 能量跃迁，跃迁至更高的能量状态。MRI原理 NMR、MRI及fMRI历史 质子的物理性质 横向驰豫及纵向驰豫 回波序列 磁共振信号与图像 成像设备、应用及一些成像例子横向驰豫与纵向弛豫T2衰减以及失相位在RF脉冲后，所有的自旋都同相位 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 T2衰减以及失相位质子进动的快慢依赖于它所在的磁场 一个单独的质子只受外部磁场的影响， 因此其自旋速率是常数 随着质子向同一方向的移动，它们的磁 场开始相互作用横向驰豫与纵向弛豫 T2衰减以及失相位如果一个质子的磁场使得另一个质子的 磁场加强，则另一个质子将在其作用下 加速 如果这两个质子的磁场互相反作用，则 第二个质子将减速 当自旋质子分开，并且互不作用的时， 他们以原有的频率运动，但是却在不同 的相位上运动（失相位）。横向驰豫与纵向弛豫 T2衰减以及失相位这种类型的相互作用就称为自旋－自旋 (spin-spin)相互作用 这些随机的相互作用是可以累加的 使得信号发生变化横向驰豫与纵向弛豫自旋－自旋相互作用横向驰豫与纵向弛豫自旋－自旋相互作用横向驰豫与纵向弛豫 T2衰减曲线由自旋－自旋相作用的信号衰减是以指 数形式表达的 T2时间是指当信号衰减为原始信号的 36.8% 的时间 每种组织的T2时间是唯一的，基本由它 的化学环境决定，与场强基本无关横向驰豫与纵向弛豫不同组织的T2驰豫时间横向驰豫与纵向弛豫 T2弛豫T2弛豫时间横向驰豫与纵向弛豫 T2弛豫在射频脉冲结束时，质子的磁矩方向相同，称 为同相位，在xy平面产生了一个单一的磁化矢 量；之后，由于组织中的分子热运动及周围磁 场微环境的作用，质子的旋进频率出现差异， 质子的磁矩方位出现不同，称失相位，这时质 子的磁化矢量分散于xy平面；随着时间的推 移，分散于xy平面的磁化矢量进一步散开，最 后质子的磁化矢量完全失相位，在xy平面相互 抵消，即横向磁化矢量消失。横向驰豫与纵向弛豫 T1弛豫当质子从能量较高的能级回到能量较低 的能级上时释放射频能量，最后与主磁 场方向一致的过程 T1弛豫时间指正在恢复的纵向磁化矢量 恢复到原来（M0）的63％时所需要的时 间。这种弛豫方式也称为T1驰豫，自旋晶格驰豫或纵向弛豫横向驰豫与纵向弛豫 T1弛豫T1时间横向驰豫与纵向弛豫 不同组织的T1弛豫时间横向驰豫与纵向弛豫 T1弛豫以Larmor频率施加的射频脉冲结束时，正在以 Larmor频率旋进的有关质子吸收能量，由低能 态跃迁到高能态，其磁矩的方向由南极转向北 极。由于组织中的分子热运动及周围磁场微环 境的波动，这些高能态的质子又回到低能态并 释放出吸收的能量――射频光子，其磁矩的方 向又由北极转向南极。释放出的射频光子其频 率与吸收能量的有关质子Larmor频率相同。因 此，T1驰豫是仅仅以Larmor频率的磁波动与主 磁场垂直作用，被激励的高能态质子才能释放 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 T1、T2弛豫T1、T2弛豫过程横向驰豫与纵向弛豫综上所述，驰豫是一个 能量转化、恢复的过 程。在弛豫过程中，横 向弛豫和纵向弛豫同时 进行。如图所示，90° 脉冲停止之后，净磁化 矢量 (M)以螺旋的形式 上升，趋向Bo ；横向 磁化矢量由最大逐渐变 为零，而纵向磁化矢量 则逐渐由零恢复成最大 值。横向驰豫与纵向弛豫不同组织的T1、T2弛豫时间MRI原理 NMR、MRI及fMRI历史 质子的物理性质 横向驰豫及纵向驰豫 回波序列 磁共振信号与图像 成像设备、应用及一些成像例子回波序列自旋回波脉冲扫描(Spin Echo?SE ) 反转恢复扫描法(Inversion Recovery?IR ) 部分饱和扫描法(Partial Saturation Recovery?PSR ) 梯度回波（Gradient echo ）回波序列自旋回波脉冲扫描(Spin Echo?SE )自旋回波序列回波序列反转恢复扫描法(Inversion Recovery?IR )实际应用的反转恢复扫描法回波序列部分饱和扫描法(Partial Saturation Recovery?PSR )部分饱和扫描法回波序列梯度回波（Gradient echo ）梯度回波MRI原理 NMR、MRI及fMRI历史 质子的物理性质 横向驰豫及纵向驰豫 回波序列 磁共振信号与图像 成像设备、应用及一些成像例子磁共振信号与图像 空间定位MRI空间定位靠的是梯度磁场由x、y、z三组线圈构成的梯度磁场线圈磁共振信号与图像 空间定位施加层面选 择梯度后， 二维的图像 还需要相位 编码梯度。相位编码示意图磁共振信号与图像 图像重建二维与三维的图像通过傅立叶变换进行重建。为 了获得有高信噪比的图像，整个步骤需要重复多 次。 以自旋回波为例，二维傅立叶变换的成像原理 ： 自由感应衰减（FID）代表叠加在一起的正弦震 荡，需要用数学方法将振幅随时间变化的函数转 化成为振幅按频率分布变化的函数，这个按频率 分布变化的函数即为磁共振波谱，而这个转换称 为傅立叶变换。由于傅立叶变换可以区分FID，将 频率和相位分离开，因此，只要沿某层面互相垂 直的两个方向分别进行编码，就可以得到某一单 个体元的信息。多个这样的体元则构成了一个矩 阵。再通过计算机算出体元的灰阶值，便可获得 一帧磁共振图像。磁共振信号与图像 图像重建自由感应衰减（free induction decay, FID）磁共振信号与图像完成一帧磁共振图像的所需要的时间（T） 为：T=TR w Phase w Nex二维MRI图像的形成磁共振信号与图像所有前面提到的因素 + 适当的对比机制 || 核磁共振图像核磁共振图像一些例子T1 加权像密度加权像T2 加权像影响成像的一些因素图像的空间分辨率 影像对比度 信噪比 伪影 化学位移伪影 卷褶伪影 运动伪影 金属伪影 部分容积效应MRI原理 NMR、MRI及fMRI历史 质子的物理性质 横向驰豫及纵向驰豫 回波序列 磁共振信号与图像 成像设备、应用及一些成像例子磁共振成像设备GE Signo 3.0Siemens 3.0 Triol临床应用临床应用血管成像临床应用神经成像临床应用头部图像临床应用神经科学应用一些成像的例子EPI成像以及k-space一些成像的例子（续）EPI成像以及k-space一些成像的例子（续）EPI成像以及k-space一些成像的例子（续）MRI图像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介绍引言 BOLD-fMRI原理 fMRI实验设计 fMRI实验步骤 数据分析方法什么是fMRI 磁共振功能成像或功能性磁共振成像 （functional Magnetic Resonance Imaging，fMRI） 是指应用磁共振成 像技术对人体（或动物体）的功能进 行研究和检测。什么是fMRI 狭义概念：BOLD（血氧合水平依赖）广义概念包括：BOLD（血氧合水平依赖） DWI（磁共振弥散成像） PWI（灌注成像） DTI（磁共振弥散张量成像） MRS（磁共振波谱成像）fMRI研究fMRI是目前国际上科学研究工作的热点国际热门期刊MRM, Radiology, Stoke, Neuroradiology, Neurology, Neuroimage, Neuroreport，JMRI, Human Brain Mapping等许多国际会议均设有磁共振功能成像方向的专 门论坛RSNA, SPIE Medical Imaging, Human Brain Mapping磁共振功能成像的专门国际会议ISMRM, ESMRMB
fMRI介绍引言 BOLD-fMRI原理 fMRI实验设计 fMRI实验步骤 数据分析方法BOLD-fMRI原理 功能成像方法（fMRI）主要是根据测 量到的大脑各个区域的耗氧量，来判 断某个区域是否处于活动之中。耗氧 量越大，说明活动越厉害。 此方法主要用于定位大脑的各个功能 区，比如说视觉区，简单说就是区分 哪一块大脑皮质对视觉起反应。BOLD-fMRI原理 三个重要发现：1936年，L.Pauling在分析镰状细胞性 贫血时，提出含氧血红蛋白与脱氧血 红蛋白两者的磁敏感性不同。 1982年，K.Thulborn证明，脱氧血红 蛋白与含氧血红蛋白相比，T2时间有 明显缩短。 1986年，P.T.Fox 发现脑活动时局部 脑血流、脑血容积和脑内局部血氧含 量均有不同程度改变。BOLD-fMRI原理生物组织活动需要消耗氧。 生物组织消耗的氧是由血液运输的，耗 氧量大的组织区域，血流量就多。耗氧 量还是一个动态变化过程，没有活动时 耗氧少，一旦活动耗氧量便随着活动增 加，血流量也相应增加。 血管网络在一般状态下并未达到最大血 液运输量，所以能够支持这种血流量的 增加。BOLD-fMRI原理血管网络微动脉 （ Arterioles ） 未激活时使用率 激活时使用率 直径 95% 100% 25 mm 微静脉 （Venules） 60% 90% 25-50 mmNe ur ons毛细血管 （Capillaries） 80% 90% 8 mmArt eryA rt erioles V eneolesV einCapilla ries 1 - 2 cm传输时间 为 2-3秒BOLD-fMRI原理 血红蛋白6 mm 宽 1-2 mm 厚 与氧气结合形成氧合血红蛋白在血液中 传输，在组织中氧气被消耗掉，形成脱 氧血红蛋白。此二者的磁化系数不同， 前者的信号比后者的信号高。BOLD-fMRI原理由于氧合血红蛋白和脱氧血红蛋白磁化率的 差异，如果某一个区域从未被激活到被活， 从动脉流入的血流量会增加，氧合血红蛋白 数量增多，信号强度就会增加，而没有被激 活的区域信号强度不变。 在MRI图像上，当有较多动脉血液流入时， 相应的脑区在MRI图像上呈较高信号，这些 较高信号被认为与脑功能活动有关。BOLD-fMRI原理BOLD信号图CMRO2－血氧含量 CBF－脑血流 CBV－脑血容BOLD-fMRI原理从总体上来说，在被激活区，氧合红蛋白 的含量有一定增加。CBF 氧合血红蛋白CMRO2氧合血红蛋白氧合血红蛋白CBV氧合血红蛋白BOLD-fMRI原理值得注意的是，在BOLD-fMRI中，被激 活区呈现较高信号，这个较高信号是相 对未被激活（一般指相同区域）而言的， 不是指在fMRI中信号最高的就是被激活 区！在右下面的图中，中间部分信号最 亮，但并不是激活区，我 们怎样来找激活区呢？这 就是下面要讨论的问题。fMRI介绍引言 BOLD-fMRI原理 fMRI实验设计 fMRI实验步骤 数据分析方法实验设计由于被激活区呈现的较高信号是相对于该 区未被激活而言的，那么我们就需要找出 这种信号变化。 下面以针灸为例来简单说明这个问题：0~60s 60~120s 120~180s 180~240s 没有针灸刺激 针灸刺激 没有针灸刺激 针灸刺激刺激函数（1）大脑某一区域随时 间变化的fMRI信号 强度（2） 大脑另一区域随时 间变化的fMRI信号 强度（3）由此图可见，大脑有的区域有随刺激函数变化的趋势，如 （2），有的区域没有随刺激函数变化的趋势，如（3）。出现 （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 是由针灸引起的。（3）所示区域未被激活。实验设计 时段设计与事件相关设计时 段 设 计 (block design) 和 事 件 相 关 （event-related）fMRI为fMRI研究中 的2个主要设计方法，其设计原理略有 不同，因而应用也不相同。一般情况 下，需要根据具体实验进行综合考 虑，以确定应用那种方法。实验设计 时段设计（block design）常规的fMRI方法，也是最早应用的fMRI研究 方法。基本原理在实验设计中，以一段时间无任务作为对 照，然后开始一段时间的多次、连续的任 务，之后再重复上述过程，直到结束。最后 形成对照―任务―对照―任务范式，或者可 以成为任务―对照―任务―对照的范式。实验设计 事件相关（event-related）事件相关fMRI出现于1995年 ，但得到广泛应用 的开始时间是在年以后。基本原理以一段时间无任务为对照，然后快速执行首次任 务，这个任务仅执行一次；再进入一段无任务阶 段，最后再进行第二次任务，这个任务也是执行 一次；重复上述过程，直到结束。优点与时段设计方法相比较，事件相关可以使得 fMRI研究的时空间分辨率，尤其是时间分辨率 得到相当大的提高。时段设计与事件相关fMRI设计原理实验设计在激活区提取时，可能会出现很多的激活区，但 并不是每个激活区都是由实验设计的刺激引起 的。因为人的大脑是一个十分复杂的系统，它 对外界的任何刺激都会起反应。在实验过程中， 可能存在别的激激，其刺激函数跟实验设计刺 激相同（这种可能性极大） ，这样的实验结果 就不准确。 实验设计是一门很深的学问，其最主要的目的是 尽可能排除干扰，尽可能增强激活信号，使得到 的结果更准确。血液动力学函数（HRF）在实验设计中，还要考虑血液动力学函 数的影响。大脑的激活几乎跟刺激一样 快，即刺激一开始，有反应的脑区就被 激活了，但是由于血流有延迟，核磁信 号上并不能马上反应出来，还得有几秒 钟的滞后。刺激停止时也一样。而且核 磁信号不能像刺激那样突变，它有一个 缓慢变化的过程。这个延迟过程被描述 为血液动力学函数。血液动力学函数（HRF）下面即为血液动力学函数，在BOLDfMRI中，这是一个不得不面对的问题。血液动力学函数 血液动力学函数fMRI介绍引言 BOLD-fMRI原理 fMRI实验设计 fMRI实验步骤 数据分析方法fMRI 实验步骤核磁共振设备fMRI 实验步骤1: 结构像扫描结构像（T1）高分辨率图像 3D data 64 anatomical slicesSliceSlice Thickness e.g., 6 mmVOXEL (Volumetric Pixel)In-plane resolution e.g., 192 mm / 64 = 3 mm3 mm 6 mmSAGITTAL SLICENumber of Slices e.g., 10IN-PLANE SLICE3 mmMatrix Size e.g., 64 x 64 Field of View (FOV) e.g., 19.2 cmfMRI 实验步骤2: 功能像扫描功能像(T2*)通常为低分辨率 a volume ：某一时刻所有slice 4D data：3 空间，1 时间…first volume (2 sec to acquire)功能像fMRI实验步骤3：激活区统计~2s fMRI Signal (% change)ROI Time CourseTimeCo nd itio nCondition1统计图加到结构像上TimeCond itio n2...感兴趣区域 (ROI)~ 5 min实验的刺激（stimulation）激活的 时序基线（baseline） rest% signal changeimagesstimulation血液动力学响应函数统计图 & 时序2D3DfMRI介绍引言 BOLD-fMRI原理 fMRI实验设计 fMRI实验步骤 数据分析方法数据处理方法 预处理对齐（realignment） 标准化（normalization） 配准（coregister） 平滑（smooth）数据分析Model based Model free预处理 对齐（realignment）在fMRI序列当中，由于人为的因素而 引起的误差是很严重的，例如头部的 微小移动。因此在处理数据之前应当 将这些人为的因素减少到最小。预处理 标准化（normalization）由于个体之间存在差异，在提取个体 之间的均值信号或者在标准空间的坐 标系统下描述激活区时，需要将许多 个体的图像形变至同一标准的空间， 即图像的空间标准化。目前最常用的 是Talairach和Tournoux标准脑图谱。预处理 配准（coregister）为了功能激活区的精确定位，通常将 功能信息定位在分辨率较高的解剖图 像（如T1加权像）上，这就需要将功 能图像和解剖图像进行配准。预处理平滑（smooth） 平滑主要有两个作用：增加信噪比 可以对于图像部分效果进行增强。数据分析－两种方法Model based & model freeProblem? Data ? Model ? Analysis ? Conclusion Problem ? Data ? Analysis ? Model ? ConclusionsModel-based-什么是线性模型f(t) sin(t) sin(2t) r(t)f(t)= β1sin(t)+ β2sin(2t)+r(t) 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 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。 f(t)～ β1 sin(t)+ β2sin(2t)一般线性模型 真实数据时间序列一般线性模型现在，我们要从数据 中找寻激活区，就用 刺激函数来拟合所得 到的数据。Time240s一般线性模型例子：刺激为听消极词语。刺激函数中的黑色表示休息， 白色表示听消极词语。 单任务模型 单任务模型 听消极词语 休息 听消极词语 休息 7个循环 7个循环 每个时段6次扫描 每个时段6次扫描 一个体素中的BOLD 一个体素中的BOLD 时间序列响应 时间序列响应刺激函数 刺激函数一般线性模型一个体素中的BOLD 时间序列相应此例为拟合一个体素点，实际中 要拟合整个大脑。ε?Ν(0, σ2)(误差为独立正态分布)=β+error ε时间强度x1用刺激拟合数据，误 差要尽量小，这样可 以得到一个 β ，β 越 大，拟合越好，激活 越明显。加入血液动力学模型 后的改进模型刺激函数与血液动力学函数卷积血液动力学函数 血液动力学函数fitted data fitted data多任务模型 多任务模型β1 α β2 ?β3=β4 β5 β6 β7 β8 β9+Y=Xβ+ε多任务模型是指：在一个实验中，刺激函数不单一， 比如既听消极词语，又听积极词语。这样的模型更复 杂，但是可以进行对比研究，应用比较广泛。多任务模型数 多任务模型数 据处理方法 据处理方法β1 α β2 ?β3β=β4 β5 β6 β7 β8 β9? = ( X T X ) ?1 X T Y β? ? ε = Y ? Xβ使得 使得ε t2 ∑?t =1N最小 最小最小平方参数估计 最小平方参数估计Model free ICA（Independent Component Analysis） ‘Infomax’ 方法 ‘fourth-order’ 方法ICA 对标准血液动力学函数模型的改进ICA方法 标准血液动力 学模型小结MRI原理 fMRI介绍
脑功能成像(fMRI)技术_理学_高等教育_教育专区。介绍 第四节 脑功能成像技术 ...1.1 fMRI的发展及其原理 MRI(Magnetic Resonance Imaging,磁共振成像)产生于上...磁共振成像原理与设备_理学_高等教育_教育专区。磁共振...3、功能磁共振成像(FMRI) : 它是指对人体功能进行...以下分别介绍 (二)层面选择梯度使用了层面选择(...功能性磁共振成像(fMRI)作为一种无创的、即时的、无辐射的现代神经影像 技术,已经广泛运用于临床的研究当中。但从实验设计和实验影响因素等方面来 看, 这种原理的...磁共振成像技术核磁共振(Nuclear magnetic resonance, NMR) 成像,现称为磁共振...FMRI的基本原理是 , 大脑皮层的特定区域接收到感官刺激 , 进行智力活动或受到 ...基本原理简介: 原理简介 基本原理简介 NMR 光谱仪必须在大磁场下进行,外加大...共振成像[M1] 发展迅速 随着磁共振成像技术的发展,出现了功能磁共振成像(fMRI)...本章主要就功能磁共振成像及磁敏感加权成像 的基本原理、临床应用和相关处理与分析技术做简要介绍。 第一节 fMRI 及 SWI 的原理及特点 一、fMRI 的原理与特点 ...其中目前主要用 于功能磁共振成像系采用血氧饱和度依赖性(BOLD)信息进行成像的脑...fMRI 的数据处理一般是利用对比原理找出与某一过程相关的脑区。 这种对比通常...磁共振成像系统原理和功能结构_信息与通信_工程科技_专业资料。总结得很详细,适用...数据处理 硬件 以上复习了核磁共振的基本概念,下面介绍获得磁共振图像的基本硬件...FMRI 人们越来越执著于对客观、确凿的大脑真相的追寻,现在有了一种非常优秀的...成像技术 空间编码是磁共振成像的关键技术。其基本的原理是,在 X 轴、Y 轴和...对比剂首过灌注成像 又称为磁敏感性对比剂动态首过团注示踪法。其基本原理是:...脑 fMRI 检查主要有造影法、血氧水平依赖对比法( BOLD )。 核磁共振频谱学 ...
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