功能磁共振成像原理简介

空间分辨率相对较高——定位
时间分辨率不如ERP（事件相关电位，俗称“脑电”）
3 fMRI的发展历史


1920-1940：基本物理概念的建立
1946-1950s：核磁共振现象的发现与应用（非生物上的应 用）


1970s：磁共振成像-MRI（生物上的成像）
1980s：磁共振成像应用于医学（结构像） 1990s：功能磁共振成像-fMRI（功能像）

“纵向驰豫时间”（T1）：90度脉冲关闭后，在主磁场的 作用下，纵向磁化矢量开始恢复，直至恢复到平衡状态的 纵向磁场强度63%所需的时间，反映组织T1弛豫的快慢。 “横向驰豫时间”（T2）：指90度脉冲关闭后，横向最大 磁化矢量减少了63%所需的时间，反映组织T2弛豫的快慢。 弛豫时间与质子密度有关！
第三部分
功能磁共振成像的生物学原理
1 观测大脑的三个基本位置
轴位 冠状位
矢状位
2 大脑的分叶
3 脑内毛细血管与血红蛋白

毛细血管运输的血红细胞中含 有血红蛋白。
带氧分子的血红蛋白称为“氧 合血红蛋白”（Hb），不带的 则称为“脱氧血红蛋白” （dHb）。


氧合血红蛋白磁化率低，具抗 磁性(磁场－）
12 图像重构


k-space的信息即为rawdata。
将rawdata通过傅立叶反变换来还原到image-space中，形 成我们想要得到的结构像。

成像时间的问题：脉冲序列的类型关系到成像时间的久暂。
13 小结


原子核自旋——原子核进动频率——共振
射频线圈根据一定的脉冲序列激发与接收信号 脉冲序列与组分的弛豫时间和人为选择的TR、TE有关 确定层厚后进行扫描 将扫描得到的信号（k-space中，已经得到了频率和相位 的编码）进行傅立叶反变换，重构图像。
接收到的总频率成分信号 可以通过傅立叶变换来加 以区分，从而得到各列的 进动频率。

相位编码：指在射频脉冲结束以后，信号采集之前，沿某 方向施加一段时间的梯度磁场，使得在相位编码结束以后 沿相位编码方向上各象素点对应的原子核磁化矢量的进动 相位各不相同。
因此，k-space中的每一个像素都是由频率和相位进行编码的！
颜色
小
快
高
白
小
快
低
黑
大
慢
低
黑
大
慢
高
白
7 重复时间（TR）与回波延时时间（TE）

TR：连续施加两个90度脉冲之间的时间间隔。

TE：射频脉冲停止后等待一小段时间接受信号，这个时间 间隔就是TE。
M xy M z (TR)eTE / T2
Mz
0
TR
t
7.1 T1与TR、T2与TE的关系

T1与T2是组织的固有特性，而TR和TE可以被操作者控制和 调整。

1980s：MRI仪器商品化，广泛应用于临床。
注意：1977. 第一台扫人的MR扫描仪问世（0.05T）。

1990s：fMRI技术诞生。
注意： 1990: Ogawa报告了大脑皮层微血管（毛细血管）中 血氧的变化，会引起局部磁场均匀性变化，从而引起 NMR 信 号强度的变化，称血氧水平依赖性（BOLD）。
蜡的导电性研究 自此，核磁共振成像技术进入物质成分检测的阶段。
3.3 1970s：利用NMR原理进行成像（生物体 上）


Paul Lauterbur：空间梯度的概念（定位）
Peter Mansfield: echo-planar imaging-EPI概念——解 决了快速成像的问题。
3.4 1980s以降

通常情况下，尽管每个质子自旋均产生一个小的磁场，但 呈随机无序排列，磁化矢量相互抵消，人体并不表现出宏 观磁化矢量。
3 静磁场中的原子自旋

加入一个静磁场之后的原子自旋状态。

能态
哪一块物体更容易保持？
4 原子的进动频率

原子的自旋与进动

纵向磁化与横向磁化
（ 1 ）处于低能状态的质子略多于处 于高能状态的质子，因而产生纵向宏 观磁化矢量两者之间的差产生纵向磁 化。 （ 2 ）尽管每个质子的进动产生了纵 向和横向磁化矢量，但由于相位不同， 因而只有宏观纵向磁化矢量产生，并 无宏观横向磁化矢量产生。
长TR减少T1的作用，短TR增加T1的对比。
短TE减少T2的作用，长TE增加T2的对比。

加权成像中TR与TE的配列很重要！
8 脉冲序列

在MR检查中反复施加的射频脉冲序列，其中包括了TR或TE 等参数。
9 层厚的选择

基本概念：
像素（pixel）、体素（体元，voxel）

层厚的选择与梯度场强和射频带宽有关。
谢谢大家！
scan time 3 seconds
oxyHB deoxyHB
BOLD signal amplitude
Hemodynamic Response Function
undershoot
Time
initial dip
Stimulus onset
定位情况
Site of elevated neuronal activity Observed site of BOLD effect
5.2 宏观效应


射频脉冲激发后的效应是使宏观磁化矢量发生偏转。
射频脉冲的强度和持续时间决定射频脉冲激发后的效应。
低能量
中等能量(90º 脉冲)
高能量(180º 脉冲)
6 驰豫与驰豫时间

“出来混，迟早要还的！”
横向弛豫: 横向磁化矢量减少,直至到0状态的过程。 纵向弛豫: 纵向磁化矢量开始恢复，直至恢复到平衡状态的 过程。
趣闻：为了更好地推广 fMRI 技术，医疗卫生机构逐渐删去 “核”（字母“N”）以免除病人对“核放射”的恐惧。
4 fMRI设备的构成


目前在市场上购买一套fMRI设备需要多少人民币？
设备构成：
（1）主磁体 (Static Magnetic Field)——磁化 （2）射频系统 (Radiofrequency Coil)——共振，激发与 接收信号 （3）梯度系统 (Gradient Coil)——定位 （4）计算机系统 （ 5 ）其他辅助设备（空调、液氮及水冷却系统、激光照相 机、生理指标监视器等）


6.1 纵向驰豫时间T1
M z M 0 (1 et / T 1 )
6.2 横向弛豫时间T2
M xy M 0et / T 2
6.3 T1与T2的比较

T1>>T2
6.4 加权成像

比一比
T1像
T2像
T1
纵向磁化 MR信号 矢量恢复 强度 速度
颜色
T2
横向磁化 MR信号 矢量减少 强度 速度
3.1 基本物理概念的建立

1924.Wolfgang Pauli
被激活的原子出现谱线分离：原子核在离散的频率上自旋。

1937.Inidor Rabi发现共振：
如果外加变化磁场的频率与原子核自旋一致，原子核就会吸 收磁场的能量。
3.2 对固体的磁共振成像研究

1946.Bloch 和 Purcell
（1）结构像 （2）功能像
脑的基本组分：灰质、白质和脑脊液
灰质
白质
脑脊液
1.2 （核）磁

（核）磁无放射
常见问题：功能磁共振成像对人体有害吗？你看，不是有 “核”吗？！
确实，“核”指“原子核”所言不虚，但功能磁共振成像只 与原子核的磁场相关，与原子核聚变、裂变等的能量放射并 无关系。
1.3 共振
公式：层厚=带宽/梯度场强

确定层厚之后就可进行选片。
10 傅立叶变换

一种数学运算，可以实现信号在时间域和频率域中进行等 效变换。
时域呈现的是“图像空间”（image space），而频域呈 现的是“k空间”（k-space）。

11 频率编码与相位编码

频率编码：即进动频率编码，指在信号采集的同时在某方 向上施加一个梯度磁场，从而使得此片层的信号中沿频率 编码施加的方向上各列的拉莫尔进动频率各不相同。

掌握一个基本概念：磁场感应强度（B ）——主磁体的主 要指标
北师大目前拥有的fMRI仪器主磁体的磁场感应强度是3T。

单位T读作“特斯拉”。
磁场的其他单位： 高斯（gauss, G）： 1高斯为距离5安培电流的直导线1厘米 处检测到的磁场强度。
特斯拉（Tesla,T）： 1 T = 10000G
北极：0.7G，赤道：0.3G
第二部分
功能磁共振成像的物理学原理
1 原子的结构
原子
电子
原子核
质子
中子
2 原子核的自旋

原子核像地球一样可以围绕着中轴进行自我旋转。
我们选用H原子（H质子）

（1）H原子的质子数为奇数； （2）H原子占人体原子的绝大多数, 水和脂肪。 通常所指的MRI为氢质子的MR图像。
功能磁共振成像原理初步
报告人：陈路遥 2015年6月5日
第一部分 功能磁共振成像的背景知识
1 解题


功能？
（核）磁？ 共振？ 成像？
功能磁共振成像（fMRI）是众多脑成像技术中的一种，其他 成像技术有近红外光学成像（fNIRS）与弥散张量成像（DTI） 等。
1.1 功能

核磁共振产生的两种图像：
5 核磁共振的微观与宏观效应

能态的跃迁
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
通过外来射频给低能的氢质 子能量，氢质子获得能量进 入高能状态，即核磁共振。 射频取消，氢质子回到低能 状态。
5.1 微观效应

磁共振现象是靠射频线圈发射无线电波（射频脉冲）激发 人体内的氢质子来引发的，这种射频脉冲的频率必须与氢 质子进动频率相同，低能的质子获能进入高能状态。
5 小结


根据血氧过补偿机制可以接收到BOLD信号
经过数据处理（预处理 +统计分析），我们可以看到脑内 激活的区域，是为激活区功能像。

将功能像叠加到结构像上就形成了我们一开始看到的脑成 像图。
结 语
1 希望看到此处的您“不明觉厉”的感觉已经淡了许多。 2 扎实学好一门技术非一日之功。 3 实用主义挺好：联系我们自身的研究兴趣，例如，功能磁共振 成像能为语言学及应用语言学研究提供什么帮助？ 4 合理利用资源——课程的、人力的…… 5 To know something about everything, and to know everything about something.
定义：能量从一个振动着的物体传递到另一个物体，而后 者以前者相同的频率振动。

1.4 成像


结构像的成像原理与功能像的成像原理基本相同。
前者是对大脑内各组分中特定原子核（如氢原子）的磁共 振信号的收集。


后者则是对BOLD信号的采集。
因此有必要分说两种图像的成像机制。
2 fMRI的主要特点

脱氧血红蛋白磁化率高, 具顺 磁性 (磁场＋）

4 BOLD信号


血氧过补偿
血氧（Hb）水平↑, 顺磁性dHb↓, 形成局部梯度磁场 , T2* WI局域性信号强度↑，这就是BOLD效应。

BOLD 信号依赖于 CMR O 2 （氧耗）、 CBF （血流量）和 CBV （血容积）

HRF
time to peak 5-8 seconds