FMRI基础知识
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[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）
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
Recovery⎯PSR ) 梯度回波（Gradient echo ）
回波序列
自旋回波脉冲扫描(Spin Echo⎯SE )
回波序列
反转恢复扫描法(Inversion Recovery⎯IR )
自旋回波序列
实际应用的反转恢复扫描法
7
回波序列
部分饱和扫描法(Partial Saturation Recovery⎯PSR )
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。
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
5
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。
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。
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)
1
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。
课程安排
第七讲： MRI基础知识 第八讲： 功能成像方法与设备 第九讲： 功能数据处理 第十讲： 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
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。
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 = γβ0
ω0：进动频率 γ：旋磁比
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)。
回波序列
梯度回波（Gradient echo ）
部分饱和扫描法
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
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。
2
fMRI历史
MRI
1973: 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
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。
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
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）
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
到图像
fMRI
1990: 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
横向驰豫与纵向弛豫 T1、T2弛豫
T1、T2弛豫过程
6
wk.baidu.com
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
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）。
4
横向驰豫与纵向弛豫
β
：外部磁场强度
0
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
3
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。
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
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：tian@doctor.com
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 )
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
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。
[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）
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
Recovery⎯PSR ) 梯度回波（Gradient echo ）
回波序列
自旋回波脉冲扫描(Spin Echo⎯SE )
回波序列
反转恢复扫描法(Inversion Recovery⎯IR )
自旋回波序列
实际应用的反转恢复扫描法
7
回波序列
部分饱和扫描法(Partial Saturation Recovery⎯PSR )
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。
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
5
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。
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。
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)
1
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。
课程安排
第七讲： MRI基础知识 第八讲： 功能成像方法与设备 第九讲： 功能数据处理 第十讲： 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
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。
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 = γβ0
ω0：进动频率 γ：旋磁比
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)。
回波序列
梯度回波（Gradient echo ）
部分饱和扫描法
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
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。
2
fMRI历史
MRI
1973: 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
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。
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
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）
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
到图像
fMRI
1990: 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
横向驰豫与纵向弛豫 T1、T2弛豫
T1、T2弛豫过程
6
wk.baidu.com
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
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）。
4
横向驰豫与纵向弛豫
β
：外部磁场强度
0
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
3
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。
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
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：tian@doctor.com
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 )
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
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。