磁共振功能成像的应用
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磁共振功能成像的应用
汕大医学院一附院 肖壮伟
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1
• 磁共振功能成像 (fMRI) 是磁共振成像中 迅速发展的领域 • fMRI包括: 弥散加权像（DWI）
灌注成像（PI）
包括外源性和内源性灌注成像 血氧水平依赖法（BOLD）为内源性PI
磁共振波谱分析（MRS）
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2
• 血氧水平依赖法(BOLD) 成像是fMRI常用的方 法，可用于无创性地检测脑功能变化情况，其 信号具有较高的敏感性和空间特异性
可有效地避免神经元反应减弱，相对提高了实 验的敏感性，可敏感地获得兴奋区局部血氧反 应的曲线
编辑ppt
11
组块设计
事件相关设计
编辑ppt
12
BOLD数据处理
• 图像配准 空间配准 检出并修正运动伪影 将数据编码到三维结构像 按照Talairach图谱进行标准化
编辑ppt
13
BOLD数据处理
• 统计学处理方法 种类繁多（最简单的包括t检验） 常用的软件包括AFNI、Stimulate和SPM 设备配置的工作站也可进行自动处理
编辑ppt
8
• 生理性噪声的修正方法
Navigator（导航） echo correction methods Non-navigator （非导航）echo correction methods
编辑ppt
9
BOLD技术的实现
• 被试的准备和训练 • 刺激的施加（视觉、听觉、嗅觉、体感
觉、痛觉、运动等） • 记录反应 • 安全性
-0.2 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 -0.4 -0.6
时间点
时间点
左侧V4
编辑ppt
左侧MT+
18
本研究利用事件相关功能磁共振成像技
术研究了参与颜色知觉和运动知觉的脑
结构，并研究了有关脑区的局部血氧反
应。结果表明：颜色刺激主要激活V4， 但也可一定程度激活MT＋；而运动刺激 主要激活MT＋，但V4也有一定激活。这 一现象在多数组块设计脑功能成像中未
• 在其他条件（设备硬件、脉冲序列、制 动装置等）稳定的情况下，生理性噪声 为主要的噪声源
• 生理性噪声包括呼吸、心跳、脑脊液搏 动、眼球运动等引起的噪声
编辑ppt
7
呼吸噪声（约0.3Hz） 心跳噪声（约0.9Hz）
图示正常人平静躺在磁体（4.0T, TR=200ms, TE=26ms） 内时脑部信号曲线，可见呼吸和心跳的噪声
• 选用SPM软件处理，所用P值为0.0001
• 图象的左右方向均为：上对应左，下对应右； 左对应左，右对应右
编辑ppt
25
右足主动持续背屈 编辑ppt 右足电刺激持续背曲26
右足主动持续背屈
编辑ppt
右足电刺激持续背曲
27
海洛因成瘾者脑部fMRI
编辑ppt
28
Patient YGJ
• Male • Age: 52 years • Right-handed • Native Chinese speaker • Education: 9 years
• 最早的人脑BOLD成像是在1992年使用视觉刺 激（Kwong, Ogawa）和运动任务（Bandettini） 而实现的
• 由于神经元兴奋区血液动力学及代谢的特点， 可导致其静脉血中相对的氧合血红蛋白增加及 去氧血红蛋白减少
编辑ppt
3
BOLD基本原理
动脉血（氧合血红蛋白）
毛细血管
静脉血（去氧血红蛋白+氧合血红蛋白）
机器噪声的防护 神经肌肉刺激
编辑ppt
10
刺激的设计
• 组块设计（Blocked design）
常用，优点为方便可靠，容易获得兴奋区信号， 缺点为：1.持续和重复给予相同的刺激可引起 受试者注意力改变和对刺激的适应，2.尽管本 设计可用于功能定位，但不能提供脑局部的反 应特点
• 事件相关设计（Event-related design）
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16
A
10-36
B
10-17
7名受试的冠状位平均脑激活图
A：颜色知觉激活图（V4）
B：运动知觉激活图（MT+）
颜色柱表示统计值P
编辑ppt
17
%信号变化率 %信号变化率
LV4
LMT+
2
Leabharlann Baidu
1
0.8
1.5
0.6
1
0.4
c
0.2
c
0.5
m
0
m
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
-0.5
编辑ppt
14
BOLD技术在研究领域的应用
• BOLD 已经广泛用于基础研究领域 运动（简单运动和复杂运动）、感觉
（包括听、视觉系统）、语言、记忆、 儿童脑发育等
编辑ppt
15
BOLD技术在临床领域的应用
BOLD在临床也有很广泛的应用前景，如神 经外科手术术前计划和术后评价、难治性癫痫的 定位 、脑康复的评价、慢性疼痛治疗的评价、针 灸穴位治疗机理的研究、药物成瘾病人脑内功能 的研究、无创性Wada试验(语言优势半球定位)、 记忆优势半球的定位、在痴呆研究中的应用等
神经元兴奋区静脉血中氧合血红蛋白含量高于非兴奋 区静脉血中氧合血红蛋白含量，在T2*图像中信号较 高（2-3%）
编辑ppt
4
BOLD扫描技术
• 梯度回波和自旋回波 • 回波平面成像（EPI）
SE-EPI（信噪比好，适于高场机） GRE-EPI（敏感但伪影重）
• 螺旋扫描技术
编辑ppt
5
BOLD的分辨率
• BOLD的空间分辨率通常可达到3~5mm， 优于其他非创伤性检测方法，如PET等
• BOLD的时间分辨率也较高，但不如EEG 等，它受到许多因素的影响，如神经元血流动力学之间的结合情况、脑活动的 复杂程度等
编辑ppt
6
生理性噪声
• BOLD图像的信号通常很微弱（中央前、 后回等信号较强的区域一般也在4%以下， 细微的兴奋区信号变化通常小于1%）
能得到反映，提示事件相关fMRI技术敏 感度较高
编辑ppt
19
汉字同音字与同义字脑部fMRI
编辑ppt
20
编辑ppt
21
左手运动
右侧脑膜瘤与手指运动皮层的关系
右手运动
fMRI在外科手术计编辑划ppt制订中的应用
22
左手运动
右侧胶质瘤与手指运动皮层的关系
右手运动
fMRI在外科手术计编辑划ppt制订中的应用
23
Postcentral G. activation during electroacupuncture
1.0 0.5
0
SII
-0.5
-1.0
Intensity
S1
S2
针刺脑部fMRI
S1
S2
编辑ppt
24
• 图片包括主动持续右足背屈（对应为1）和持 续电刺激（对应为6）
• “>”说明兴奋较强，“<”说明兴奋较弱
汕大医学院一附院 肖壮伟
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1
• 磁共振功能成像 (fMRI) 是磁共振成像中 迅速发展的领域 • fMRI包括: 弥散加权像（DWI）
灌注成像（PI）
包括外源性和内源性灌注成像 血氧水平依赖法（BOLD）为内源性PI
磁共振波谱分析（MRS）
编辑ppt
2
• 血氧水平依赖法(BOLD) 成像是fMRI常用的方 法，可用于无创性地检测脑功能变化情况，其 信号具有较高的敏感性和空间特异性
可有效地避免神经元反应减弱，相对提高了实 验的敏感性，可敏感地获得兴奋区局部血氧反 应的曲线
编辑ppt
11
组块设计
事件相关设计
编辑ppt
12
BOLD数据处理
• 图像配准 空间配准 检出并修正运动伪影 将数据编码到三维结构像 按照Talairach图谱进行标准化
编辑ppt
13
BOLD数据处理
• 统计学处理方法 种类繁多（最简单的包括t检验） 常用的软件包括AFNI、Stimulate和SPM 设备配置的工作站也可进行自动处理
编辑ppt
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• 生理性噪声的修正方法
Navigator（导航） echo correction methods Non-navigator （非导航）echo correction methods
编辑ppt
9
BOLD技术的实现
• 被试的准备和训练 • 刺激的施加（视觉、听觉、嗅觉、体感
觉、痛觉、运动等） • 记录反应 • 安全性
-0.2 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 -0.4 -0.6
时间点
时间点
左侧V4
编辑ppt
左侧MT+
18
本研究利用事件相关功能磁共振成像技
术研究了参与颜色知觉和运动知觉的脑
结构，并研究了有关脑区的局部血氧反
应。结果表明：颜色刺激主要激活V4， 但也可一定程度激活MT＋；而运动刺激 主要激活MT＋，但V4也有一定激活。这 一现象在多数组块设计脑功能成像中未
• 在其他条件（设备硬件、脉冲序列、制 动装置等）稳定的情况下，生理性噪声 为主要的噪声源
• 生理性噪声包括呼吸、心跳、脑脊液搏 动、眼球运动等引起的噪声
编辑ppt
7
呼吸噪声（约0.3Hz） 心跳噪声（约0.9Hz）
图示正常人平静躺在磁体（4.0T, TR=200ms, TE=26ms） 内时脑部信号曲线，可见呼吸和心跳的噪声
• 选用SPM软件处理，所用P值为0.0001
• 图象的左右方向均为：上对应左，下对应右； 左对应左，右对应右
编辑ppt
25
右足主动持续背屈 编辑ppt 右足电刺激持续背曲26
右足主动持续背屈
编辑ppt
右足电刺激持续背曲
27
海洛因成瘾者脑部fMRI
编辑ppt
28
Patient YGJ
• Male • Age: 52 years • Right-handed • Native Chinese speaker • Education: 9 years
• 最早的人脑BOLD成像是在1992年使用视觉刺 激（Kwong, Ogawa）和运动任务（Bandettini） 而实现的
• 由于神经元兴奋区血液动力学及代谢的特点， 可导致其静脉血中相对的氧合血红蛋白增加及 去氧血红蛋白减少
编辑ppt
3
BOLD基本原理
动脉血（氧合血红蛋白）
毛细血管
静脉血（去氧血红蛋白+氧合血红蛋白）
机器噪声的防护 神经肌肉刺激
编辑ppt
10
刺激的设计
• 组块设计（Blocked design）
常用，优点为方便可靠，容易获得兴奋区信号， 缺点为：1.持续和重复给予相同的刺激可引起 受试者注意力改变和对刺激的适应，2.尽管本 设计可用于功能定位，但不能提供脑局部的反 应特点
• 事件相关设计（Event-related design）
编辑ppt
16
A
10-36
B
10-17
7名受试的冠状位平均脑激活图
A：颜色知觉激活图（V4）
B：运动知觉激活图（MT+）
颜色柱表示统计值P
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%信号变化率 %信号变化率
LV4
LMT+
2
Leabharlann Baidu
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0.8
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0.5
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BOLD技术在研究领域的应用
• BOLD 已经广泛用于基础研究领域 运动（简单运动和复杂运动）、感觉
（包括听、视觉系统）、语言、记忆、 儿童脑发育等
编辑ppt
15
BOLD技术在临床领域的应用
BOLD在临床也有很广泛的应用前景，如神 经外科手术术前计划和术后评价、难治性癫痫的 定位 、脑康复的评价、慢性疼痛治疗的评价、针 灸穴位治疗机理的研究、药物成瘾病人脑内功能 的研究、无创性Wada试验(语言优势半球定位)、 记忆优势半球的定位、在痴呆研究中的应用等
神经元兴奋区静脉血中氧合血红蛋白含量高于非兴奋 区静脉血中氧合血红蛋白含量，在T2*图像中信号较 高（2-3%）
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BOLD扫描技术
• 梯度回波和自旋回波 • 回波平面成像（EPI）
SE-EPI（信噪比好，适于高场机） GRE-EPI（敏感但伪影重）
• 螺旋扫描技术
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5
BOLD的分辨率
• BOLD的空间分辨率通常可达到3~5mm， 优于其他非创伤性检测方法，如PET等
• BOLD的时间分辨率也较高，但不如EEG 等，它受到许多因素的影响，如神经元血流动力学之间的结合情况、脑活动的 复杂程度等
编辑ppt
6
生理性噪声
• BOLD图像的信号通常很微弱（中央前、 后回等信号较强的区域一般也在4%以下， 细微的兴奋区信号变化通常小于1%）
能得到反映，提示事件相关fMRI技术敏 感度较高
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19
汉字同音字与同义字脑部fMRI
编辑ppt
20
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21
左手运动
右侧脑膜瘤与手指运动皮层的关系
右手运动
fMRI在外科手术计编辑划ppt制订中的应用
22
左手运动
右侧胶质瘤与手指运动皮层的关系
右手运动
fMRI在外科手术计编辑划ppt制订中的应用
23
Postcentral G. activation during electroacupuncture
1.0 0.5
0
SII
-0.5
-1.0
Intensity
S1
S2
针刺脑部fMRI
S1
S2
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24
• 图片包括主动持续右足背屈（对应为1）和持 续电刺激（对应为6）
• “>”说明兴奋较强，“<”说明兴奋较弱