医学功能成像技术(详细)
医学功能成像技术 第三讲 磁共振波谱技术
医学功能成像技术第三讲磁共振波谱技术吕维雪本讲座撰写人吕维先生浙江大学教授MRS是一种比MRI更广泛的技术临床的质子MRI只是核磁共振(NMR)非常丰富的物理现象的一种应用这是因为在组织中有许多感兴趣的化合物而不仅仅是水或脂肪的质子水和脂肪的特征固然对于诊断非常有用但它们不能提供足够的信息来肯定地区分正常的和病理的组织能够无损伤地获得特定的代谢物和化学物质以及它们在这些化合物中特定原子位置上的吸收和变化的信息是对于正常的和病理的过程理解和定征十分有用的大量信息不仅是对诊断有用而且对于疾病过程生化细节的解释对于治疗的发展有重大的推动力根据MR的原理可以知道MR提供的信息包括内在T1和T2弛豫的性质自旋密度血液和脑脊髓液(CSF)流弥散灌注局域氧合局域含铁膜通透性以及造影剂在加负荷或刺激或在病理状态下的动态过程新的发展和解释还在继续如脑功能性激活的定位原则上对每一种MRS可见的特定代谢物都能得到大部分这种信息MRS比MRI可以得到的更多的信息中都是由于能获得非质子原子核的信息对其每一种都有一个可见的生物分子谱并且往往代表了代谢的不同方面(如能量的区室化的运动学的)用现有技术可以确定分子结构和形态的细节局域的pH和温度生化的路径以及代谢的运动学这些技术都可以用于评价脑功能的状态和响应获取MRS信息通常要牺牲其它类型的信息之所以会这样是因为不能把一个病人放在磁场里很长的时间来完成各种各样的测量实际上常见的情况是牺牲空间信息(分辨率)来换取化学信息随着设备和测量技术的进步这种代价会有所降低MRS技术的发展是向能够产生每个体素有细致的化学谱图目前这些体素的分辨率受信噪比感兴趣代谢物的浓度以及可用的扫描时间的限制一磁共振波谱的原理MRS 的基本原理和MRI 是一样的都是基于信号频率直接由磁场强度决定场强愈高谐振频率愈高方法上的最大差别在于MRS 信号是在不加梯度磁场时采集的即没有位置编码频率一般MRS 波谱图是一幅强度频率曲线(图1)习惯上信号频率向左是增加从感兴趣体积(VOI)所记录到的信号是不同频率信号分量的总和用傅氏变换可将其转换成一系列频率分量的峰值(图2)人体组织中大部分感兴趣代谢物的毫克分子浓度比组织中水的浓度小10000倍这个比例说明了为什么通常由组织中纯质子信号形成的图像中观察不到所发生的代谢变化因此把代谢物的信号从水和脂肪的信号中分离出来成了MRS 信号处理中的难点在MRS 中很重要的一个概念是化学位移(Chemicalshift)1946年物理学家FelixBlock 和EdwardPurcell 发现某核子的谐振频率w0是直接与该核子所处的磁场强度成比例的同时信号的幅值是与被测核子的数目成比例即00B γω= (1) 式中B 0为磁场的强度; 为一比例常数称为磁旋比(Gyromagneticratio)是每种不同类型原子核的特性1H 13C 31P 等在同样的磁场中有不同的谐振频率但如果对一个分子的一部分质子进行测量时会发现信号的谐振频率与纯质子时的谐振频率有差异这种差异相当于核子受到一个不同的磁场强度B 有效的作用:B 有效=B 0+B 局域 (2)造成B 局域的主要因素是:(1) 围绕核子旋转的电子的磁场;(2) 附近核子的磁场式(1)亦适用于B 局域所以测得的信号频率测为: 测=B 0+B 局域=B 0(1+) (3) 比例常数称为对核子的化学位移通常它是以所加磁场中频率的ppm 来表示因而它与所加磁场无关并在一定程度上与所用的测量仪器无关这就有利于使测量结果标准化MRS 中的另一个重要现象是峰分裂(Peak Splitting)由于峰分裂的过程从MRS 可以得到更多化学信息的细节如果测量的谱有足够的分辨率则可以观察到许多峰分裂成一组组的单个峰信号峰的分裂是由于相邻核子间自旋自旋耦合现象造成图3是峰分裂的一个例子峰分裂的类型与化学结构有关有机化学家可以根据峰分裂的形式判定所测的是什么分子/化合物波谱的模式是独特的犹如指纹一样长期研究的积累已建立起了相当规模的波谱模式数据库并支持对愈来愈复杂的结构的定征研究以及对动物和人体的活体研究二测量的基本方法最初的和最基本的测量方法是把发射器和接收器的射频调谐到一特定的频率测量返回的信号幅值把频率做一小的变化再重复测量从而可以做出一个幅值频率的图即MR波谱更先进和有效的方法是发射一个广谱的RF信号并测量整个量程的返回信号然后用傅氏变换得出各频率分量的幅值MRI和MRS之间的主要区别是MRS是在没有读出梯度磁场下采集的而梯度磁场在MRI中是作为图像的频率编码的由于生化信号(除水和脂肪外)微弱因而受到信噪比的限制所以大部分MRS使用重复测量的数据来取平均由于代谢物的波谱信号微弱所以对MRS的磁场有较高的要求磁铁的设计应使磁场强度的均匀性在0.1ppm以内并有足够大的空间以容纳待测试的物体当被测试物体放入磁场时磁场强度的均匀性将受到影响因此MRS系统必须有某种措施来微调磁场以使对每一所研究的物体都能保持磁场的均匀性这一过程称为Shimming意即引入偏置磁场以改善磁场的均匀性在磁共振扫描仪安装时是靠用小的金属块来改变磁力线的路径以达到要求的均匀性由于磁共振成像(MRI)的信号大磁场不均匀度相对于大的梯度磁场来讲要小得多因此问题不大但对于波谱测量则情况将有所不同因为原则上没有办法区分出位移是由磁场不均匀造成还是由化学位移造成而两者在量级上是接近的所以磁场的不均匀度必须是小于所希望的波谱分辨率对于波谱测量来讲因磁场均匀性受被测物体的影响因此对磁场的微调(Shimming)在对每个被测物体测量前都有进行而且是交互式的它往往占了整个测量过程的大部分时间微调是通过调节流过磁铁中若干微调线圈的电流来实现所以MRS系统与MRI系统在硬件上的一个主要差别是有没有这些微调线圈以及如何有效地进行调节由以上所述可以知道这个磁场微调过程本身是一个高维的数值优化问题掌握微调技术是MRS操作人员最重要的培训内容MRS信号检测时另一个要解决的微调是抑制水的信号在人体组织中水的浓度(100M)比大部分感兴趣代谢物的浓度(10mM)大得多所以如果不采取措施抑制水的信号的话则代谢物的信号将被完全淹没现在已有几种抑制水信号的方法这些方法都是基于水和代谢物之间的性质差别的其中之一为采用频率选择性脉冲这类方法是利用水和代谢物之间化学偏移的不同最常用的方法是用对化学位移有选择性的射频脉冲它与成像技术中的层面选择脉冲相类似(图4)这种方法用一个有限带宽的射频脉冲去激励有相应谐振频率的那些组织在成像技术中由层面选择脉冲激发的自旋决定了其在梯度磁场中的位置而当没有梯度磁场时所激发的自旋决定于它们的化学位移在频域选择性脉冲(而非空域)中组成RF脉冲的带宽是根据只选有限化学试样来确定的最常用的这种方法是发射一以水的峰为中心的窄带脉冲接着用水的90º激发以消除水的信号当水的磁化开始恢复并尚不能激发时对其它的试样作激发和测量这种方法由于不能得到理想的脉冲波形(如截止频率不够陡)因而仍有残余的水信号在采集了数据以后对数据的处理也有许多要注意的地方MRS的数据处理由四步组成: (1)预处理(2)傅氏变换(3)后处理(4)数据分析预处理包括去除直流分量数据补零以及对傅氏变换后的频谱插值有时还将数据乘一指数函数以改善信噪比等第二步的傅氏变换是众所周知的在后处理中两种经常使用的处理为复数数据的相位校正和对涡流效应的校正相位校正的目的是校正傅氏变换实数部分的频谱使计算幅值谱的时候谱峰不会变宽在做波谱成像时对每个体素都要作相位校正当体素数目大的时候需要开发自动相位校正的方法在MRS检测时邻近的金属器件会感生涡流并造成波谱的相位失真在做波谱成像时这种失真将和磁场不均匀一起使失真更严重现在已提出了几种相位校正的方法最后一步是数据分析数据分析的目的是化学位移的定量谱分析以及计算代谢物的绝对浓度或相对浓度三磁共振波谱的显示方法要适合临床应用就应有能有效显示所测得数据的方法这应该是多维数据可视化的问题波谱是一维信号它反映某一体积(感兴趣体积VOI)中的波谱信息必须要把它和周围的组织联系起来才能更好地做生理病理的解释现在常用的有几种方法一种方法如图5所示把一个体素的位置显示在三个正交截面的MR图像上第二种由于化学位移的信噪比低所以要用较大的体素来提高信噪比化学位移成像的空间分辨率低或图像的体素数不大时有可能用一个体素的阵列在每个体素中都显示出其波谱如图6所示当然这种方法在阵列较大时使用就很不方便并且解释困难第三种方法如图7所示这种方法显示一种(灰度图像)或几种(彩色图像)所测的化合物用该化合物峰下的面积来作图像中体素的参量这样波谱中的任何一个峰(对应某代谢物)都可以做出一幅图像同样因化学位移成像的分辨率不高难以确定相应的解剖结构为此往往把它叠加在高分辨率的解剖图像上如MR图像直接用化学位移成像也是可能的因为采集波谱信息意味着不能再用位置的频率编码了于是既要想得到谱的信息又要得到空间的信息就要利用信息的相位编码与大部分的成像序列一样做相位编码需要进行反复的采集这就使成像时间变长图8为一维和二维相位编码成像的示意图在这个相位编码的体积中每一个体素都有完整的化学波谱理论上这些波谱的分辨率和频率宽度是和非成像波谱测量时的一样因而根据这些信息也可以作出任一波峰的图像不过事实上由于成像时间过长以及代谢物信号强度的限制分辨率达不到一般成像的空间分辨率典型的过程是对每一相位编码步做一次完整的信号采集(决定于TR的长短)对于一维的化学位移成像采集数据组的典型反复是用具有正交饱和带宽的层面选择性激发以选定感兴趣几个中的一个列相位编码就是在这一列上进行的化学位移成像的一个主要优点是能更好地定义测量波谱的区域由于许多完整的局域波谱是同时采集的因此所获得的信号比较大信噪比亦较高在基于单个体素的采集中是从单个体素采集N个不同信号而在化学位移成像(CSI)中是整个区域的信号采集N次每次有不同的相位编码最后对每个相位编码的区域作傅氏变换在定位局域的波谱方面一种很成功的反复是施加一个序列的层面选择RF脉冲使得只在一限定的区域内的自旋得到激发并产生信号这个感兴趣(VOI)区域的位置和大小决定于三个正交层面的相交区(图9)图中这个相交区是方形的不过实际形状是决定于选择脉冲在层面上的形状的实现局域检测的方法有多种其中之一称为 STEAM (STimulated Echo Acquisition Mode)的方法常用于脑的MRS研究中在此方法中三个相互垂直的层面分别用三个90º Sinc形RF脉冲激发(图10)只有在三个激发层面的交集中的自旋受到全部三个RF脉冲激发并产生回波所有其它的回波信号都被梯度脉冲破坏只有VOI中激发的回波被采集第一个90º脉冲把所有的磁化转到xy平面第二个90º脉冲把50%的磁化转回到xz和yz平面其余50%的磁化在第二和第三个RF脉冲之间的TM在xy平面中是失相的并对激发回波信号没有贡献在TM期间xz和yz平面中的磁化将按T弛豫时间衰减TM应短以免造成太大的信号损失第三个90º脉冲把磁化1转回xy平面它经过TE/2间隔给出激发的回波信号CSI的主要缺点是一个体素的信号受外界信号的影响这是由于离散和有限取样的结果这种伪像其实在其它成像技术中也是存在的只是在CSI中每个体素的点扩散函数对相邻体素的影响更大使得空间定位的准确度降低CSI的另一个问题是它受磁场不均匀度和梯度造成的涡流影响大它们使谐振频率谱宽谱的形状发生畸变同时由于数据是在一个较大的区域中采集的自然对磁场的均匀度微调的要求都提高了四应用举例MRS可以无损地对活体获取生物化学信息因而对于确定肿瘤的类型有很大的价值确定肿瘤的性质恶性程度及其在空间的分布对神经外科医师做出诊断决定是否要做切除手术甚至手术的导航都是十分关键的到目前为止取活检样本做组织病理学的定征仍是黄金标准但因活检是创伤性的取样的数目不允许很多而且有些部位做穿刺有相当的危险(出血)这些因素不能不影响到用活检作诊断的准确性加权(272ms)质子磁共振波谱可以观察到六种主要的化学从活体脑肿瘤的T2共振这些共振主要是由以下代谢物产生:(1) 四甲基胺主要是3.2ppm的含氯磷脂质(Cho)它参与膜的合成和退化;(2) 肌肉素和3ppm的磷酸肌酸(Cr)它在能量代谢中起重要作用;(3) N-乙酰基组主要来自2ppm的N-乙酰基天氡氨酸它是神经标记物;(4) 1.4ppm的丙氨酸(Ala)它是某些肿瘤中找到的高浓度氨基酸;(5) 1.3ppm的乳酸盐(LA)它是由于异常酶化过程造成的或厌氧性醇解的指标;(6) 0.9ppm的脂类(Lip)和其它大分子如蛋白质(较少程度)基于各类脑肿瘤在这六种共振的波谱模式会有所不同的考虑所以可以利用对MRS作模式分析和识别就有可能对肿瘤定征图11是一个中年病人的MR图像(左上角)两个位置的MRS波谱(左下)以及整个感兴趣区内(黄框所示)中代谢物NA Cho的分布(右)病变处的波谱模式与低级别星形细胞瘤的模式很相似病人再次发作后做的活检证实了是低级别星形细胞瘤在Cho图像上显示出在MR图像最暗区一侧的区域是肿瘤最活跃的部分五前景不熟悉MRS的人往往把它看成是一种奇怪的技术是离临床应用很远的技术其实并非如此MRS和MRI都基于同一基本原理都可以有自己对临床实践的贡献特别是在对脑的功能性激活的研究方面随着MRI/MRS集成系统的增加它们两者之间的差别将不再那么明显新的系统将使MRS的临床应用有更快的发展多种原子核和化学试样的MRS测量已经显示了能提供脑功能生化机理方面的信息以往只能用放射示踪方法得到的速率和吸收的信息现在可以用NMR的方法得到同时所产生的MRS生化信息是与MRI的解剖学结果紧密联系在一起的这些方法在常规临床应用中的潜能扩展了昂贵的MRI设备的有用性MRS/MRI技术的关系有一点像生物技术和基因工程的关系虽然已经开发了很强大的工具但是要完全实现它还需要对正常的和病理的复杂过程有细致的理解不断地开发和应用这些工具将扩展这种理解并使生理学和医学从经验性向定量发展未完待续。
功能性脑成像技术的原理及临床应用
功能性脑成像技术的原理及临床应用近年来，功能性脑成像技术在神经科学研究与临床应用中扮演着越来越重要的角色。
这种技术可以告诉我们大脑的特定区域在特定任务时的活动情况，从而深入研究大脑的结构和功能，探索人类意识、情感和思维等方面的神奇奥秘，对神经科学的发展和多种疾病的治疗和预防具有非常重要的意义。
这篇文章将介绍功能性脑成像技术的原理及其临床应用，主要分为以下几个方面进行探讨：一、功能性脑成像技术的原理功能性脑成像技术是通过记录特定大脑区域的活动情况来揭示大脑功能的一种方法，常用的技术有功能性磁共振成像（fMRI）和脑电图（EEG）等。
在临床应用中，fMRI是最常用的功能性脑成像技术。
这种技术是通过检测脑区在特定时间内的血氧水平变化来推断该脑区的神经活动情况。
当特定大脑区域开始活动时，它的氧气需求会增加，导致周围磁场的扰动，fMRI可以监测到这种扰动并生成一个反映大脑活动情况的图像。
二、功能性脑成像技术的临床应用功能性脑成像技术在临床神经科学中有广泛的应用，可以帮助医生诊断多种神经疾病和精神障碍。
1. 疾病诊断与治疗fMRI可以在脑功能异常区域位置和程度上提供精确的信息，因此在神经科学领域的疾病诊断方面得到了广泛运用。
例如，在癫痫病患者中，fMRI可以检测局部皮层和海马区的高代谢和过度活动；在阿尔茨海默症和帕金森病等神经变性疾病中，fMRI可以检测出大脑退化的区域。
这种信息对于疾病的早期诊断和治疗非常有帮助。
2. 定位功能区在手术治疗前，医生需要明确脑区的功能区域，以避免手术操作过程中损伤至关键的脑区。
fMRI可以帮助医生快速准确地定位大脑功能区域，例如语言、视觉、听觉和运动等，从而保护正常脑区功能。
3. 神经可塑性研究神经元在发育和学习过程中会发生变化，这些变化称为神经可塑性。
fMRI可以帮助研究神经可塑性，并帮助神经科学家更好地了解人类的意识、记忆、学习和智力等方面。
三、功能性脑成像技术的未来发展随着功能性脑成像技术的发展和成熟，其应用的地位和范围将会进一步扩大。
医学影像PETCT基本原理和应用
其他应用领域
药物研发
PET-CT可用于药物研发过程中，评估药物在体内的分布、活化状态和代谢情 况。
科学研究
PET-CT在生物学、药理学、生理学等领域的研究中也有广泛应用，为科学研究 提供有力支持。
03
PET-CT的优势与局限性
神经科学研究
功能成像
PET-CT可用于研究大脑Fra bibliotek能和神经 活动，揭示认知、情感和行为过程的 神经机制。
神经退行性疾病诊断
PET-CT可用于诊断阿尔茨海默病、帕 金森病等神经退行性疾病，评估病情 进展。
心血管疾病诊断
冠心病诊断
PET-CT通过检测心肌的葡萄糖代谢和血流情况，有助于诊断 冠心病。
心功能评估
正电子衰变产生一对湮灭光子，通过特定探测器检测光子的位置，可以重建出衰变 发生的位置。
PET技术能够反映人体组织的功能和代谢状态，对于肿瘤、神经系统和心血管系统 等疾病具有重要诊断价值。
CT技术原理
计算机断层扫描（CT）是一种结构成 像技术，通过X射线对物体进行多角 度扫描，利用计算机重建出物体内部 结构的二维图像。
PET-CT融合技术提高了诊断的 准确性和可靠性，为临床医生 提供了更丰富的影像学资料。
02
PET-CT应用领域
肿瘤诊断与分期
肿瘤诊断
PET-CT通过检测肿瘤组织中异常 的葡萄糖代谢活动，有助于早期 发现肿瘤，提高诊断准确性。
肿瘤分期
PET-CT可以评估肿瘤的大小、位 置以及是否转移，为制定治疗方 案提供依据。
CT技术广泛应用于肿瘤、血管和骨骼 系统等疾病的诊断和评估。
CT图像能够清晰显示人体解剖结构， 提供密度、组织类型和病变位置等信 息。
功能磁共振成像技术的原理和应用
功能磁共振成像技术的原理和应用随着医疗技术的不断进步，功能磁共振成像技术（Functional Magnetic Resonance Imaging，fMRI）已成为现代医学诊断和研究的重要手段。
本篇文章将主要介绍fMRI的原理和应用。
一、fMRI的原理fMRI是一种通过磁共振成像技术检测脑部功能活动的方法。
其原理基于磁共振成像技术和神经活动的耗氧量相关性（Blood Oxygen Level-Dependent，BOLD）。
正常情况下，神经活动需要大量的氧气供应。
在神经活动后，大脑中的血流量会增加，然后被释放的氧气会被血红蛋白吸收，形成含有氧气的血红蛋白。
这些含有氧气的血红蛋白会使组织变成更磁性的状态，从而在磁共振成像中呈现出更明显的信号。
通过脑部的fMRI扫描，可以检测到不同脑区的血流量、血氧含量和血红蛋白浓度的变化，从而观测到神经活动的对应区域。
fMRI技术的主要优点是非侵入性和无辐射。
此外，由于与其他成像技术相比，fMRI比较便宜，可以广泛运用。
二、fMRI的应用1. 认知研究在认知研究中，fMRI技术被广泛应用。
通过调查在不同认知任务下脑的活动区域，可以进一步了解在认知过程中特定区域的运用情况。
例如，研究人员可以询问受试者记忆一些图像、数字等，同时检测这些活动的神经区域变化。
通过这些数据，研究人员可以进一步了解人类大脑的处理能力。
2. 精神疾病诊断和治疗fMRI技术在精神疾病的诊断和治疗方面也有着重要的应用。
例如，在对抗焦虑和抑郁症的治疗中，fMRI技术常常被用于治疗反馈。
治疗反馈是指将fMRI扫描与图像反馈一起使用，帮助患者观察自身在恢复期间的大脑活动，并在这些活动表现为积极变化时给予奖励。
3. 异常检测通过fMRI技术，可以检测大脑在很小的水平范围内的变化。
这些变化可能包括缺少的灰物质如某些精神障碍倾向细胞和连通神经网络之间距离的变化等。
通过这些变化的检测，fMRI技术可以被用来检测某些神经系统紊乱和疾病早期警示，如加尔文氏症、老年痴呆症和帕金森症等。
医学成像技术解析
医学成像技术解析医学成像技术是医学领域中广泛应用的重要技术之一。
它可以通过非侵入性的手段，获取人体内部的生理结构和病理状态信息，为临床诊断、治疗和研究等提供了重要的支持和帮助。
本文将对目前较为常见的医学成像技术进行介绍和解析，包括X线成像、CT成像、MRI成像和超声成像。
一、X线成像X线成像是最早被应用于医学的成像技术。
它是一种利用X射线穿过人体组织发生吸收和散射的不同程度，来获取人体内部结构信息的技术。
在X线成像中，医生会将X射线的能量通过机器或手持设备照射到人体部位，然后利用椭圆形光阻胶板或数字探测器等设备获取X射线的信号。
随后，通过计算机处理，就可以获得人体部位的结构图像。
X线成像是一种便捷、快速的成像技术，但同时也存在照射量过大、辐射危害等潜在风险。
因此，医生在使用该技术时需要仔细评估患者的个体化风险，并做好防护措施。
二、CT成像CT成像是一种以计算机为中心的断层成像技术，主要通过多次X线扫描，获取一个部位多个角度的投影像，然后通过计算机算法进行反投影、重建成动态的层面图像。
相比于X线成像，CT成像可以提供更为详细、立体的结构图像，特别在头部、腹部和胸部等结构复杂的部位应用较为普遍。
CT成像的特点是通过非侵入性的手段，可以获取不同平面上的断层图像，并且可以针对不同的器官、病变和功能进行特定量化分析，对于确诊某些疾病、制定治疗方案等非常重要。
但CT成像也存在辐射量较大、造成对患者体害较大等问题，医生在使用该技术时需要综合考虑患者的风险与利益。
三、MRI成像MRI成像是一种基于磁共振原理的无侵入性成像技术。
它利用静态磁场、射频场和梯度磁场等信号对人体水分子的旋转和相对移动进行检测和分析，从而获得部位间的结构和信号强度等信息。
MRI成像的优点是分辨率高、对软组织成像效果较好，并且不产生辐射危害。
但MRI成像在患者体检时受到被检测患者体内金属等异物的影响，同时，MRI成像设备体积大、造价昂贵，且医生需要了解相关技术原理才能进行操作和分析。
医学影像学中的成像原理与技术
医学影像学中的成像原理与技术医学影像学是现代医学领域中不可或缺的一部分，它通过现代科技手段获取人体内部结构、功能和病变信息，并将其呈现在屏幕上以帮助临床医生做出正确诊断。
影像学中的成像原理与技术一直是热门话题，本文将会对医学影像学中的成像原理和技术进行较为详细的解析。
成像原理不同的医学影像学技术的成像原理是不同的，下面将分别介绍几种主要的成像原理。
1. X光成像原理X光成像是医学影像学中最常用的一种成像技术，X光产生了形象化的影像，是因为X光束被人体内部的物质吸收程度各不相同，从而形成了影像。
X射线成像原理是利用特殊的设备向被检查的部位发射电磁波，并通过对电磁波的吸收程度来得到影像。
2. CT成像原理CT (Computer Tomographic) 柿果成像是一种利用 X 射线在人体内部检测不同物质密度分布的一种医学成像技术，基本原理是让X 射线在线圆形轨道上旋转并通过被检查的部位，与不同物质发生不同的散射和吸收后，将信息电子传达给计算机进行数字化和三维重建，生成不同切层的影像并提供软组织分辨率的高清图像解剖信息。
3. MRI成像原理MRI (Magnetic Resonance Imaging) 磁共振成像是一种利用原子核磁共振产生高质量图像的医学成像技术。
MRI 所利用的原理是神经元核磁共振现象，通过高斯电磁场的作用下，原子核产生一种特殊的共振现象，从而形成了高清晰的图像。
成像技术除了成像原理外，医学影像学中的成像技术也是至关重要的一部分。
下面将会对几种主要的成像技术进行详细的介绍。
1. 三维打印技术三维打印技术已经被广泛地应用于医学领域中，它可以生成真实且精致的人体内部脏器和重构图像。
这些精致的模型可用于指导手术和医学研究。
2. 放射性核素成像技术放射性核素成像技术可以通过注射放射性核素来生成图像。
这种技术主要用于检测某些病情的情况，如肿瘤等。
3. 磁共振波谱成像技术磁共振波谱成像技术用于检测脑部神经病变的情况。
生物医学中的成像技术
生物医学中的成像技术随着科学技术的发展，越来越多的成像技术被应用于生物医学领域。
它们可以让医学工作者通过非入侵性手段进行诊断和治疗，从而有效避免了传统手术带来的风险和痛苦。
本文将介绍几种生物医学中常见的成像技术及其应用。
一、磁共振成像技术磁共振成像技术（Magnetic Resonance Imaging, MRI）是一种非侵入性的成像技术，其原理是利用磁场和无线电波对人体组织进行扫描并生成图像。
它可以拍摄出人体内部的结构、器官和软组织，且其分辨率高，能够呈现出细微结构的细节，是目前最为先进的成像技术之一。
MRI广泛应用于医学领域。
例如，它可用于探测人体各种疾病的发生和发展情况，如肿瘤、糖尿病、脑血管疾病等。
同时，MRI在医学研究中也有广泛的应用，例如在神经科学研究中，通过使用MRI来研究人脑的功能活动和结构。
二、计算机断层扫描技术计算机断层扫描技术（Computed Tomography, CT）是一种通过旋转X光机扫描人体不同角度，然后利用计算机技术处理，生成三维影像的成像技术。
相比于传统平片，CT影像更为精细，可以准确显示器官的大小、形态、数量和位置等各种细节信息。
在医疗领域，CT广泛应用于各类疾病的诊断，如肺结节、卵巢囊肿、骨折、脊柱骨质疏松等。
这些信息对于医生做出诊断和治疗方案至关重要。
三、磁漂移共振成像技术磁漂移共振成像技术（Magnetic Resonance Imaging, MRI）是一种新型MRI技术，其原理是利用双原子分子的磁偏离效应来检测物质变化。
与传统MRI相比，磁漂移共振成像技术可以在更高的速度下进行成像，可以做到更高的时间分辨率，对于需要追踪观察短时间内改变的过程的疾病研究及临床检查具有重要意义。
与MRI相同，磁漂移共振成像技术在医学诊断中也有着广泛的应用。
它可以用于检测肺部、肝脏等内部器官的疾病情况，并对这些疾病进行定量化分析。
四、超声成像技术超声成像技术是一种对器官、组织、血流量、心脏等进行观察的成像技术。
现代医学中的光学成像技术
现代医学中的光学成像技术光学成像技术是一种先进的医疗技术，它利用光学原理，将被检测的对象映射到摄像机，从而快速、准确地获取到目标的信息。
目前，光学成像技术已经应用在多个医学领域中，主要包括肿瘤检测、眼科疾病检测、皮肤病诊断等。
下面，我们将详细介绍现代医学中的光学成像技术。
一、传统光学成像技术传统光学成像技术是一个基于二维成像原理的技术，主要应用于体表肿瘤的检测。
它采用反射镜或透镜将被检测对象的光线汇聚到一个固定点上，并使用摄像机捕获所反射或透过的光线，从而完成成像。
传统光学成像技术的优点是速度快、成本低，可以实现比较准确的体表肿瘤检测，但其缺点是对目标深度有限，不能检测更深的组织、器官及病灶。
二、近红外成像技术光学成像技术的近红外成像技术是一种光学分子影像技术，其阻碍了红外线波长的散射，使得人体组织中发生的化学反应变得有可能被监测。
该技术具有较高的分辨率和比较深的组织切面，可以检测深层组织的发放情况。
近红外成像技术擅长于检测生物分子、肿瘤的血管生成、神经元发放等生物过程。
近红外光学成像技术近年来在肿瘤检测方面的应用呈现出相当明显的优势，在癌细胞分析、诊断以及辅助治疗过程中，都起到了越来越重要的作用。
由于近红外光学成像技术能够更加清楚地识别肿瘤血管，故而可更好地帮助有效提高肿瘤的诊断质量，为临床医生提供更为优越合理的治疗方案。
三、光学相干断层成像技术光学相干断层成像技术是近年来的一项新技术，可以通过红外光和可见光来达到高解析度、低侵入性的断层成像。
该技术主要通过光时间和空间相干性进行成像，可以可视化目标组织及细胞的内部结构。
它擅长于探索细胞结构变化和深层组织内部结构，广泛应用于眼科、心脏监测、皮肤病检测等领域。
光学相干断层成像技术的优势是成像分辨率高、对深层组织的探测能力强、能够实现三维成像等。
但其缺点是成像速度慢、设备昂贵、对于非连续性形状的组织不够准确。
未来随着技术的进一步发展，相信光学相干断层成像技术将成为医学领域的重要技术。
医学成像技术-第2.3.1节PPT
医学成像技术的应用领域
医学影像诊断
医学成像技术在医学影像诊断中 发挥着重要作用，通过观察和分 析人体内部结构和器官的形态、 功能和代谢等特征，医生可以准
确地诊断病情。
监测与治疗
医学成像技术还可以用于监测疾 病的发展和治疗效果，以及辅助 治疗过程，例如放射治疗和介入
治疗等。
科研与教学
医学成像技术还广泛应用于科研 和教学领域，帮助科学家和医生 深入了解人体结构和功能，提高
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第2.3.3节：核磁共振成像技术
核磁共振成像技术的原理与特点
原理：核磁共振成像技术（MRI）利用磁 场和射频脉冲使人体内的氢原子核发生共 振，通过检测共振信号进行成像。
可用于全身各部位检查，尤其适用于脑 部、脊柱、关节等复杂结构。
可获取多方位、多参数的图像，对软组 织的分辨率高。
特点 无电离辐射，对人体无害。
核磁共振成像技术的临床应用
神经系统
MRI可清晰显示脑部结构，对 脑部疾病如脑肿瘤、脑梗塞等
有重要诊断价值。
骨骼肌肉系统
对关节、肌肉、韧带等软组织 损伤的诊断有较高准确性。
心血管系统
可评估心脏结构、功能及心肌 病变。
肿瘤筛查与诊断
MRI对肿瘤的早期发现和定性 诊断具有重要价值。
核磁共振成像技术的优缺点
医学成像技术-第2.3.1节
• 医学成像技术概述 • 第2.3.1节：X射线成像技术 • 第2.3.2节：超声成像技术 • 第2.3.3节：核磁共振成像技术 • 第2.3.4节：正电子发射断层扫描技
术
01
医学成像技术概述
医学成像技术的定义与分类
医学成像技术定义
医学成像技术是指利用各种物理原理 和技术手段，将人体内部结构和器官 的形态、功能和代谢等特征以图像形 式呈现出来的技术。
医学成像技术及其应用
医学成像技术及其应用随着科学技术的不断发展，人们对医学健康的关注也日渐增强。
在医学领域，成像技术已经成为了诊断和治疗疾病不可或缺的一部分。
医学成像技术能够帮助医生了解患者病情，对疾病的诊断有着重要的影响。
本文将介绍医学成像技术的基本概念，分类和常见的应用。
一、医学成像技术的基本概念医学成像技术是一种用于可视化人体内部结构和功能的技术。
通常使用一定的能量源对人体进行扫描或照射，然后通过电子、光子、磁场等物理量将所得到的信号转换成数字进行分析和图像处理，以获取有关人体内部结构和功能的相关信息。
目前常见的医学成像技术有：X 光成像、计算机断层成像（CT）、磁共振成像（MRI）、超声波成像、核医学成像和光学成像等。
二、医学成像技术的分类1. 根据成像方式的不同，可以将医学成像技术分为以下两种：1）非侵入性成像技术（Noninvasive imaging technology）。
这种成像技术通常不需要对人体进行手术或切开，通过将特定的物理或生物量转换为数字信号进行处理和解析，展现出人体内部的结构和组织，其中包括X 光成像、CT、MRI、超声波成像和光学成像等。
2）侵入性成像技术（Invasive imaging technology）。
这种技术需要在人体内部注入特定的药物或手术操作来获得所需的图像信息，它们包括核医学成像和介入成像等。
2. 根据成像的物理原理不同，可以将医学成像技术分为以下几种：1）X 光成像。
这是目前广泛应用的一种非侵入性成像技术。
它使用X 射线穿透人体，成像机将穿透的能量转换成数字图像。
X 光成像可以诊断肺部疾病、骨折和某些肿瘤等病症。
2）计算机断层成像（CT）。
这种成像技术使用 X 射线和计算机技术进行人体扫描，生成多层的数字解剖图像。
CT 能够显示人体内部的细微结构，可用于检测肿瘤、中风、器官异常等病症。
3）磁共振成像（MRI）。
这种成像技术采用磁场和电磁波的互作用获取人体内部的图像信息。
医学成像(影像)技术类型及其原理
医学成像(影像)技术类型及其原理
随着科技的进步，医学成像技术有了长足的发展。
医学成像是指医学影像数据的形成过程，也指形成医学成像（现代医学成像）的技术或装置。
医学成像技术是借助于某种能量与生物体的相互作用，提取生物体内组织或器官的形态、结构以及某些生理功能的信息，为生物组织研究和临床诊断提供影像信息的一门科学。
一、医学成像(影像)设备的共同特征
能量发射源、效应组织、探测器、处理器、显示器
二、医学成像(影像)技术的类型
(1) X 射线影像(2)核磁共振成像(3)核素显像(核医学成像技术) (4)超声成像(5) 阻抗成像(6) 热、微波成像(7) 光学成像
前四种用途最广泛，容易推广普及，称为四大医学成像技术。
不同类型的医学影像具有优势互补作用
三、各种医学成像(影像)原理
1 、X 线成像原理
1895 年伦琴发现了X 射线(X-ray)，这是19 世纪医学诊断学上最伟大的发现。
X-ray 透视和摄影技术作为最早的医学影像技术，直到今天还是使用最普遍且
有相当大的临床诊断价值的一种医学诊断方法。
X 线成像系统检测的信号是穿透组织后的X 线强度，反映人体不同组织对X 线吸收系数的差别，即组织厚
度及密度的差异;图像所显示的是组织、器官和病变部位的形状。
2、磁共振成像原理
磁共振(MRI)成像系统检测的信号是生物组织中的原子核所发出的磁共振信号。
原子核在外加磁场的作用下接受特定射频脉冲时会发生共振现象，MRI 系。
功能性核磁共振成像技术
功能性核磁共振成像技术近年来，随着医疗科技的不断进步，功能性核磁共振成像技术（fMRI）在神经科学研究、精神疾病治疗等方面得到了广泛应用。
而在普通人眼中，fMRI似乎是一项神秘的科技，本文将为您详细介绍该技术的原理、应用以及现有的局限性。
一、如何实现fMRI核磁共振成像技术（MRI）最初的应用目的是图像诊断人体内部各种组织和器官的结构，它与传统X光技术相比，具有更高的分辨率和更少的辐射危害。
而fMRI则是MRI的一种功能性应用，它通过对人脑的血氧水平变化进行监测，揭示人脑在不同认知任务下的活动情况。
具体来说，fMRI利用了氧合血红蛋白和脱氧血红蛋白等婴儿血，它们对磁场的受到程度不同，从而形成了一种磁异常，fMRI技术就是基于这种磁异常的不同来进行成像的。
当脑区域活跃时，血流量和血氧水平都会增加，至此就形成了fMRI成像所需要的信号。
二、fMRI的应用fMRI技术被广泛地应用于神经科学研究、精神疾病治疗等领域，下面分别进行介绍。
1. 神经科学研究：fMRI技术是现代神经科学研究中的一项重要工具，它可以帮助科学家了解人脑在各种认知任务下的工作方式，这对于揭示脑功能机制、破解认知和感觉的奥秘有着重要意义。
此外，fMRI技术还可以帮助研究人员寻找神经可塑性的机制，这对于治疗多种脑部损伤和疾病也有一定帮助。
2. 精神疾病治疗：fMRI技术可以帮助医生识别精神疾病患者的大脑活动异常，比如，fMRI技术可以测量基底皮质区域的活动情况，这是治疗强迫症和抑郁症时非常重要的脑区，这有助于为患者开发更个性化的精神治疗方案。
三、fMRI存在的局限性虽然fMRI技术在医学领域中有着广泛的应用，但它的应用还受到了一些限制。
1. 空间分辨率限制：由于fMRI测量的是大脑血氧含量的变化，因此它的空间分辨率相对较低，无法有效地观察到神经元之间的相互作用和连接。
2. 时间分辨率限制：fMRI测量血流变化的速度较慢，数据采集点之间要相隔几秒钟甚至几分钟，这又限制了fMRI在观察大脑响应时的时间分辨率。
生物医学工程中的各类成像技术解析
生物医学工程中的各类成像技术解析生物医学工程是一门交叉学科，将工程学的原理和技术应用于医学领域。
其中，成像技术在生物医学工程中起着重要的作用。
成像技术可以帮助医生观察、诊断和治疗疾病，同时也对研究人体结构和功能提供了重要的工具。
本文将解析生物医学工程中的各类成像技术。
1. X射线成像技术：X射线成像技术是生物医学工程中最常用的一种成像技术。
通过使用X射线来穿透人体，并利用不同组织和器官对X射线的吸收情况来形成影像，从而观察人体内部的结构。
X射线成像广泛应用于诊断肺部疾病、骨折、肿瘤等。
然而，由于X射线辐射的副作用，如损伤DNA、导致癌症等，因此在使用X射线成像技术时需要谨慎考虑辐射剂量。
2. 磁共振成像技术：磁共振成像技术是一种基于磁场和无线电波的成像技术。
通过对人体放置在强磁场中的原子核进行激发并测量其释放的能量，可以获取高分辨率的图像。
磁共振成像技术在诊断肿瘤、神经系统疾病和心血管疾病等方面有广泛应用。
相比于X射线成像技术，磁共振成像技术无辐射、无侵入性，但在某些情况下，如患者有金属植入物或心脏起搏器等，可能会产生干扰。
3. 超声成像技术：超声成像技术是利用声波来观察人体器官和组织的成像技术。
通过往人体部位施加高频声波，利用声波在不同组织中传播速度和能量的差异，可以形成图像。
超声成像技术在产科、心脏病学和肝脏病学等领域有广泛应用。
超声成像技术无辐射、无侵入性，便携性强，且应用范围广，但其分辨率相对较低。
4. 核磁共振成像技术：核磁共振成像技术是一种利用原子核的自旋性质来获取图像的成像技术。
通过施加强磁场和无线电波，原子核的旋磁共振信号被激发和检测，从而得到具有高对比度的图像。
核磁共振成像技术广泛应用于脑科学、神经系统疾病和肿瘤检测等。
与磁共振成像技术类似，核磁共振成像技术无辐射、无侵入性，但对氧气需求高，同时成本较高。
5. 光学成像技术：光学成像技术是一种利用光学原理来观察和记录人体组织和器官的成像技术。
功能性核磁共振成像技术在医学领域的应用
功能性核磁共振成像技术在医学领域的应用功能性核磁共振成像技术（fMRI）是一种通过检测血液中氧气浓度变化来研究大脑在不同任务下活动程度的神经影像学技术。
随着技术的发展，fMRI已经成为神经科学和心理学领域的重要研究工具，同时也在医学领域得到广泛应用。
一、fMRI的原理fMRI利用了磁共振成像技术来生成具有空间分辨率的图像。
该技术通过检测血液中氧气含量变化，来反映大脑神经元活动的局部增加需氧量。
当大脑的某个区域活跃时，血流量会增加，氧气水平会下降，而被磁场激发后放射出的信号也会相应变化。
通过对这些变化的捕捉，fMRI可以生成反映脑部神经元活动的图像。
二、fMRI在医学领域的应用1.诊断神经性疾病fMRI可以揭示神经性疾病的局部神经功能障碍，如癫痫、阿尔茨海默病和帕金森病等。
通过观察激发任务引起的脑区功能变化，医生可以确定病人的疾病类型和程度，并制定恰当的治疗方案。
2.判断植物人是否意识清醒植物人是指由于重大脑部损伤导致的意识丧失，此时医生很难确定其是否真正没有任何意识。
通过对植物人进行fMRI扫描，医生可以了解患者对特定声音、光线和疼痛触感的反应，从而判断其是否“意识清醒”。
3.评估特定计划治疗方案的效果针对某些神经性疾病的治疗，如手术或药物介入，fMRI可以成为评估特定治疗方案效果的重要工具。
通过比较术前和术后的fMRI图像，医生可以确定治疗对局部大脑功能的影响，以便进一步调整治疗方案。
4.预测药物成瘾风险fMRI可以研究大脑奖赏系统的反应，并与成瘾倾向相关联。
通过观察脑区在吸毒者和健康人之间的差异，医学研究者可以预测某些药物的成瘾风险，有助于公众了解药物的危害性和制定适宜的预防措施。
三、总结fMRI的广泛应用使得医学科学家对诊断、治疗和预防神经性疾病更加敏感。
通过fMRI技术，我们可以更加了解大脑复杂的神经网络，有助于我们更好地理解人类情感、认知和思维等行为的机制。
在未来，fMRI还将继续发挥其在医学研究领域的重要作用，并为临床医生提供更加准确的判断和更加有效的治疗方案。
功能性脑成像技术及其应用
功能性脑成像技术及其应用随着医学技术的飞速发展，人脑的研究工作也越来越深入。
功能性脑成像技术便是其中之一，可以在不侵入脑内的情况下，实时监测人脑运作活动，从而实现脑功能状态的判断和诊断。
本文将会介绍功能性脑成像技术的基本原理、现有技术及其应用。
基本原理功能性脑成像技术从本质上来说是一种记录大脑活动的方法。
它可以检测大脑神经元的电活动、血流动力学和脉冲氧合行为，从而诊断大脑神经元的活动和大脑功能的状态。
目前广泛应用的功能性脑成像技术包括磁共振成像（fMRI）、功能性磁共振影像（fMRA）、磁脑电成像（MEG）和波谱学（fMRS）等。
现有技术fMRI是目前功能性脑成像技术中使用最广泛的一种方法。
它利用磁共振成像技术，通过检测脑血流的变化来分析大脑神经元的活动。
在fMRI扫描过程中，被测者需要进行一些特定的认知任务，例如看图形、听音频、做简单的心理数学运算，以刺激大脑活动。
通过同一区域的fMRI比对，可以更全面的了解大脑的激活模式和运作方式。
fMRA是fMRI的变种。
它不仅针对大脑的血流动力学，还可以检测局部血流速度、血容量的变化和脉搏血氧含量等血液参数。
fMRA常用于癫痫、脑卒中和脑外伤等人体疾病的研究，以及脑外科手术前的脑功能定位，更加精确和靠谱。
MEG是一种通过检测脑电场来记录大脑神经元活动的非侵入性技术。
其敏感性极高，可以检测到互补的神经元信号。
由于MEG并不依赖于血液，因此它可以观察到更细微和快速的神经活动，对于人脑科学研究和临床问题的解答有着重要的价值。
波谱学诊断技术利用红外线传播的原理，通过检测脑区的代谢物质含量，能实现脑功能诊断和疾病监测。
它可以早期检测到脑代谢紊乱等问题，也可用于治疗、药物研究和咨询诊断等领域。
应用功能性脑成像技术在不同的领域发挥着重要的作用。
在医学诊断方面，它可以为医生提供更全面的疾病诊断和更合理的治疗方案。
在行为研究方面，它可以证实和推测人脑对行为动机的反应。
在神经科学领域，该技术被广泛应用于大脑神经系统和神经学研究，如人脑发育、神经可塑性、神经损伤和疾病等方面。
医学成像技术的原理及临床应用
医学成像技术的原理及临床应用随着科技的不断进步，医学成像技术已经成为了医疗领域中不可或缺的一部分。
医学成像技术是指采用各种不同的技术手段来获取人体内部结构信息的方法。
这些技术手段包括X光、MRI、CT、超声等。
本文将会介绍这些医学成像技术的原理及其在临床中的应用。
一、X光成像技术X光成像技术是医学成像技术中最早应用的一种，其原理是利用X射线的穿透力来获取人体内部结构信息。
X光穿透人体后，在拍摄区域上形成的X光照片上，由于不同部位的组织密度不同，能够呈现出不同的颜色和影像。
如骨骼系统呈现白色，肌肉体呈现浅灰色，腹部脏器呈现黑色。
X光成像技术广泛应用于骨科、心血管、肺部等疾病的诊断。
二、MRI成像技术MRI成像技术是一种利用核磁共振原理获取人体内部结构信息的方法。
它的原理是将人体放入一定强度的磁场中，同时通过给予辐射使核磁共振现象发生，从而获取人体各个部位的信号。
这些信号随后被翻译成二维或三维图像。
MRI成像技术相较于X光成像技术更加安全，不会产生任何辐射危害。
在医学诊断中，MRI成像技术被广泛应用于脑部、肌肉、关节等疾病的诊断。
三、CT成像技术CT成像技术使用的是一种能够旋转的X光源，它可以从不同角度对人体的组织进行扫描，从而获取多个平面的X光图像，再经过计算机的处理，可以得到更为复杂的三维图像。
与X光成像技术相比，CT成像技术更加详细地呈现了人体结构，因此在各个医学领域中被广泛应用，特别是在肿瘤的诊断中。
四、超声波成像技术超声波成像技术是一种利用高频声波进行成像的技术。
它的原理是将高频声波投射到人体内部，声波会在组织中反弹并返回，通过测量反弹时间和强度，就可以获取人体内部结构的图像。
相比于其他成像技术，超声波成像技术更加安全，不需要任何辐射，也不需要注射造影剂。
超声波成像技术主要应用于孕妇妊娠访问、婴儿产前筛查以及内部器官疾病的诊断。
五、PET成像技术PET成像技术是一种利用射线标记的放射性药物进行成像的技术。
生物医学中的功能性影像学技术
生物医学中的功能性影像学技术随着现代医学的不断发展，影像学技术在医学诊断、疾病治疗方面发挥着越来越重要的作用。
其中，功能性影像学技术是一种非侵入性的检查手段，能够直观地展现人体内部的结构和功能状态，对于疾病的早期诊断和治疗非常有帮助。
本文将着重介绍生物医学中的几种重要的功能性影像学技术。
一、磁共振成像技术磁共振成像技术是一种利用核磁共振原理获得人体组织结构和功能状态信息的技术。
其优点在于：无辐射、无损伤、非侵入性、分辨率高、对软组织、血流和代谢等多方面有很好的显示效果。
因此广泛应用于心脑血管疾病、神经疾病、肝胆胰等腹部疾病的诊断。
二、脑功能磁共振技术脑功能磁共振技术是一种可以实时检测活跃神经区域的技术，也被称为“脑显微镜”。
它可以根据脑部神经元发放电磁信号的特点，记录下神经元活动区域的信息，从而在脑部特定区域发生活动时，定位并显示出来。
这种技术可以为神经外科手术提供导航，也帮助科学家深入探究人类大脑的生理功能。
三、计算机断层摄影技术计算机断层摄影（CT）技术是利用不同角度的X光探测器获取大量的断层图像，利用专门的软件将断层图像还原成完整的三维图像。
CT技术在肺癌、脑部和骨骼等领域有广泛应用。
其中最具代表性的是螺旋CT，即螺旋扫描式计算机断层摄影。
它采用比传统技术快数倍的速度拍摄图像，可以更好地解释体内器官的内部结构和病变情况。
同时也可以检测血流和血管成像。
四、单光子发射计算机断层摄影技术单光子发射计算机断层摄影（SPECT）技术是一种基于核医学原理，获得体内代谢活跃程度的技术。
临床医生通过向患者体内注射少量放射性核素，通过扫描技术获取的图像，可显示出生物体内各种代谢活动的情况。
SPECT技术在神经学、肿瘤学、心脏病医学等领域有广泛应用。
五、正电子发射断层扫描技术正电子发射断层扫描（PET）技术是一种用于疾病诊断和治疗的，可以测量人体内生物活性亚分子水平的技术。
临床医生通过向患者体内注射少量放射性核素，通过探测器获取图像，可以看到代谢应答的分子碎片，显示出内部器官的代谢活动和组织结构，从而实现早期诊断和靶向治疗等目的。
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医学功能成像技术第二讲功能性磁共振成像吕维雪本讲座撰写人吕维雪先生浙江大学教授解剖结构的磁共振成像已经在临床和研究中被普遍接受了功能性磁共振成像做脑功能定位的出现更进一步扩大了磁共振成像技术在临床上的作用这一新技术可以通过检测神经活动对局域血流流量以及氧饱和的影响产生被激活脑区的图像它对于进一步理解脑的结构功能和病理学之间的关系有重要的作用而且该技术是无损的能很容易地和现有的临床实践集成所以受到了很大的重视仅有结构成像技术是不能确定功能性的神经解剖学的已经证明即使在正常人中其脑的中央沟都有很大差异这种情况当存在脑肿瘤时变得更为严重这时会有质量效应和功能性的重新组织能做功能性定位的技术可以在畸变和脑解剖不确定的场合下提供有临床意义的信息在对脑肿瘤做手术治疗时功能性成像也是很有价值的在很多场合中需要对主要的功能性皮层做精确的定位以便能最大程度地切除病态组织而使术后的神经性后遗症减到最少术前能确定主要的功能区对于评价手术是否可行和手术的方案都有重要意义术前关键功能区的定位是功能性磁共振成像立即可以对临床有用的领域fMRI可以在医院现有的MRI扫描仪上做功能区定位的常规检查图像的采集和处理时间基本上和结构性MRI检查类似除了这种应用以外fMRI对许多心理学和认知异常方面的理解和治疗也有潜在的临床价值一功能性磁共振的原理要了解功能性磁共振需要熟悉磁共振的物理原理它决定了信号的特性并由这些信号形成图像1990年Seiji Ogawa首先报道了在磁共振图像中发现了血液氧合对T2*的影响他注意到当血液氧合降低时皮层血管变得更清楚了他知道这是由于去氧基血红素造成局域磁场不均匀的结果并把这一方法称为BOLD(Blood OxygenationLevel Dependent)法以后Robert Turner用快速平面回波成像观察到了动物在吸了缺氧的氮气后这种氧合变化的过程很快在人体上也观察到类似的变化人脑中受激发区会有局域血流增加是由PET的功能性成像所证实了的用造影剂的MR成像证实了由于感官的刺激血容量也会增加看来血流的增加量超过了组织对氧的需求量于是在静脉血液中的含氧量增加去氧基血红素降低(图1)由于去氧基血红素是顺磁的它改变了T2*加权的磁共振图像信号这样去氧基血红素有时被看成是内生的反差增强剂(造影剂)并用作fMRI的信号源采用适当的成像序列人脑的皮层功能可以在临床用的扫描仪上(场强1.5T)不用外加的反差增强剂来观察从磁共振信号决定的脑区功能性活动证实了已知的解剖学上不同处理区(视觉皮层运动皮层与说话和语言活动相关的Broca区)fMRI作为一种把大脑活动与特定任务或感受过程联系起来的成像技术其主要优点包括:(1) 不需要注射放射性同位素;(2) 所需的总扫描时间很短;(3) 功能图像平面中的分辨率通常约1.5mm 1.5mm(小于1mm的分辨率是可能的)与以PET方法得到的功能图像相比PET要注射放射性同位素多次采集(因而增加了成像时间)此外PET图像的分辨率比fMRI的象素尺寸要大得多而且PET通常要用多个人的脑图像结合起来以得到可靠的信号因而个体病人的信息被平均掉了虽然这些限制对许多神经科学方面的应用仍可适用但它们对于评价特定病人的神经外科和治疗计划不是最合适的二fMRI方法尽管fMRI是很有前途的一种技术但它还不能说是已经完全确立的技术因为对所涉及的准确机理可靠的检查步骤以及应用方面的限制都还没有严格地建立起来例如目前的fMRI技术是建立在局域血流和血液氧合变化的基础上的如果病人的病理条件或服用的药物会改变局域血流和血液氧合则又将会怎样此外大家都知道磁共振成像本身可以有很多种变化的方法例如在成像脉冲的序列上就有许多不同的种类fMRI成像的序列也可以根据不同的成像目的而有很大的不同所以现在有许多不同的成像序列用于各种不同的检查事实上随着这种技术的发展以往为其它应用而开发的大量成像序列现在都被试用在fMRI上看看是否有用对fMRI序列的要求主要包括对被测参量的敏感性成像的稳定性以及对伪像的不敏感性此外成像速度始终是一个重要的考虑因素目前fMRI的大部分要求看来都可以由某种EPI的变型来满足不过这些要求是在迅速发展的由于EPI成像对硬件设备有很高的要求(昂贵的全身梯度线圈以及能快速切换大电流的放大器)所以新开发的成像序列首先应考虑要能达到EPI的速度且要能在常规的成像设备上使用而且还不清楚EPI是否能始终保持作为稳健和准确的fMRI检查的首选方法例如已经有人提出利用某种梯度回波和自旋回波的结合如GRASE来利用梯度回波和自旋回波的优点同时激励机制信号源以及伪像源的特征方面的进展和考虑都会继续影响fMRI成像序列设计的方向下面是一些新的fMRI成像序列所用的新技术1. 成像序列a. 交替回波(Interleaved Echos)增加GRE序列的T2*灵敏度典型地会延长TE它导致TR和成像时间的增加新的fMRI序列试图保持或增加T2*的权重同时减少总的成像时间对于常规的GRE成像序列所需的长TE意味着有相当一部分时间(用于等待灵敏度的积累)没有被充分利用改善成像效率的一种途径是用回波偏移即激励和梯度回波的形成被多个TR分割这样的序列如图2所示其中序列TE比序列TR长由第一个RF脉冲激励的自旋造成的梯度回波在第二个TR间期中重新聚焦通过把在所希望延时回波时间处的相位与每一个主梯度同相并且与其它的可能梯度和自旋回波错相就可以实现偏移的回波b. K空间置换(K-Space Substitution)注射造影剂的fMRI可能是对成像序列的时间分辨率有最高的要求因为所得的结果与在注剂迅速通过组织的第一次循环中能否得到足够的图像数十分有关因为CBV/CBF的估计直接与能够从所得数据作出多精确的浓度时间曲线有关能够用BOLD法(时间分辨率的要求低)作fMRI研究的设备一般不能适应Gd-DTPA法所要求的成像速率为了能在常规的临床设备上快速得到图像(秒以下)发展了一些改善图像时间分辨率的方法其中的一种方法是很快地获得有限个傅里叶空间的样本并把丢失的数据(即傅氏空间中没有采集的某些行数据)用在开始动态成像前的一次完整采集中的数据来补足这一技术是在傅氏空间取得较低空间频率的行数据而高频信息是从一幅基准图像得到(图3)虽然这样图像的采集时间可以减少到1/4并且看起来比不加基准信息的要好一些但动态信息含量并不因加了空间频率而有所改善同时只有图像低空间频率的变化能观察到这限制了这种方法用于观察较大和较均匀的图像区域2. 处理方法通常做fMRI要在两次不同采集(神经刺激之前和之后)的结果之间作比较fMRI的处理方法要能最优地比较这些数据组并把找出的激活区叠加到相应的MR解剖学图像上去形成一幅融合的图像fMRI的数据处理往往需要在图像组之间确定微小的诱发信号之差这种变化的大小通常处在各种可能干扰源的范围内(特别对1.5T的扫描仪)所以为了提高图像的信噪比从而提高图像间的差通常对多次采集数据取平均随着图像数目和成像时间的增加那些非刺激性的过程如病人的整体运动和血液或CSF的脉动都会导致虚假的信号变化简单的差值图像很容易受这种伪迹的影响处理的目的就是要使最终的功能图像不受这种与刺激无关的信号变化的影响并准确地把激活区映射到相应的解剖学图像上去fMRI所得数据的处理可以说是这一领域中最零乱的部分有许多有趣的方法但很少标准化除了基本的相减和t-tests以外有ANOV A Z映射功率谱分析时域相位偏移以及频域相位偏移等一直到复杂的质点聚类分析虽有那么多的方法但用得不适当反而会造成对fMRI数据的错误解释这些方法还必须做许多验证才能用到临床上去同时由于处理步骤的多样性再加上各种序列和实验细节的不同所以很难对各单位的结果进行比较a. 求差最初fMRI结果的处理只是求两组平均数据的差标准的是静息图像的平均和每一幅激活图像求差(或与激活图像的平均求差)这种简单的方法很容易受噪声的影响特别是对大信号中的小变化同时它对刺激和静息之间发生的运动没法区分测试表明即使是亚象素的移动在差值图像中也会有相当大的表现这种方法对图像和象素中的亮度变化也很敏感往往激活区只能通过人工交互地给差值图像加一个阈值来确定数据求差也可以在数据采集时进行大部分的处理方法是在刺激开关期间采集全部的数据组也可以对相邻TR循环的数据求差来得到一系列的图像这样它们只反映两个循环之间的信号差并对移动伪差的敏感性降低此外在颠倒刺激开和关顺序的条件下采集不同的图像就可以得到有开/关差值一倍的图像b. 激励时程有关激励时程的先验知识对于确定激励的响应是一种很重要的信息源要设法利用这一信息fMRI数据分析通常可以看成是一种治疗/响应的模型把刺激看作是一次治疗其目的是要考察数据看看治疗对输出(象素的亮度)是否有大的影响用这种简单的模型当数据是在不平衡条件下取得时就会有问题当图像的采集速率可以与血流动力学的响应时间可比时数据可能是在过渡状态下采集的此外因为这些响应对于突然施加或去除的刺激有滞后性所以如果数据是在响应还没有开始时采集的则数据对治疗作用的标注就是完全错误的(图4)通常这些过渡的点在分析中要略去或者在采集前加一个延时与刺激同步并以长得多的时间来采集的图像往往可以忽略这种过渡效应通常fMRI是观察在不同神经活动条件下(典型的情况是加刺激和静息)所采集的信号差为基础的通常这种过程对稍有移动和失配是很敏感的所以这两种状态要在同一次成像期间进行往往采用短的刺激和静息间期反复进行以防止信号的饱和并能对信号作平均以提高信噪比fMRI是一种建立在血流动力学响应基础上的技术所以它和PET或SPECT 的应用领域有所重叠但由于fMRI高的空间和时间分辨率(空间分辨率为几毫米时间分辨率小于1s)没有辐射以及低的成本它将会在临床上获得更多的应用至于与MEG和EEG的关系由于它们之间的机理是非常不同的所以它们提供的信息是互补的很可能将来在临床上会用多种模态的方法来取得更全面的信息三应用1. 实例功能性磁共振信号的大小和血液有关血液在灰质中只有约6%在白质中更少所以在脑激发时的血流动力学信号改变是很小的对于中等磁场强度(1.5T)为2~5%在4T时约15%尽管如此只要图像有适当的信噪比这种变化还是清晰可见的图5是视觉皮层V1在光刺激下信号改变的图像它是在8Hz光图案的刺激下在禽距沟层面的图像上左图是在黑暗时的图后四幅图是与它相减在禽距沟处可见信号的增加图6是在光刺激下禽距沟附近一个小面积上的信号强度变化从图6可以看到刺激后fMRI信号要经过一段时间才达到其峰值即存在一定的滞后性这个数值显然大于实际的神经响应时间这种滞后的大小对不同的脑区和不同的刺激方式都会有不同关于fMRI的空间分辨率从标准的MRI技术来讲分辨率可以达到100μm 左右但对于fMRI来讲它受到一系列的限制磁共振的信号是脑组织内生的是相当小的要提高空间分辨率就使每个象素的MR信号能量变得更小而同时噪声水平却几乎不变因此信噪比以体素大小的三次方下降目前fMRI利用的都是百分之几的信号改变所以一定要有相当高的信噪比才能观察这种变化2. 方法及过程a.图像采集: 图像是用T2*加权梯度回波序列采集: TE=60ms反转角=90˚,用的是GE公司的1.5T磁共振成像系统这一系统配有平面回波选件能提供极快速的图像采集通常层厚设在5mm不过可以薄到3mm可以同时采集沿任意合适平面取向的接续的16个层面图像(在较长的采集时间时可以到21个层面)每个成像序列约需30个完整头部体积的采集b. 试验过程: 病人与对象在扫描仪中与常规扫描一样定位同时平面线根据常规成像方法设置在一次典型的功能性成像序列中在90s运转时间内采集30幅图像其中最初和最后10幅图像为基线条件而中间的10幅图像(30s)是一次试验所采集的例如在一次设计做确定包含手和手指运动的脑组织区的典型试验中病人在活动期打手指这一活动期的开始和末尾由一视觉或听觉信号提示相应地出现在图像10和20语言的感觉的视觉的听觉的以及其它的目标功能也以类似的方式成像在图7中表示了一由测试诱发的信号变化它是包括左手触碰刺激(触摸)的感觉试验横轴表示在一90s间期中30幅图像的采集最初触摸前的(基线)10幅图像接着是10幅活动图像(左手触摸)以及10幅触摸后图像每90s图像序列(用一个体素的灰度表示)实际上重复两次虽然只示出了一个序列在此例中左手触摸造成右半球的活动并推测代表后中心脑沟的感觉带(Post Central Sulcus Sensory Strip)未完待续。