磁共振特殊成像技术
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2020/11/26
• 脱氧血红蛋白 - 顺磁性 • 氧合血红蛋白 – 逆磁性
• 刺激开始时的氧消耗大，氧合血红蛋白和脱 氧血红蛋白的浓度比减小，局部磁化率增强 (T2*变小)，持续大约1-2秒钟。
• 神经组织受到刺激引起血液以弹丸的方式很 快增加，自旋相干增强（T2*变大）
• 在T2*加权图像上出现局部信号增强。 • 在响应曲线中有一段先负后正的过程。
肿瘤组织内功能活动区的显示，提示肿瘤 的发展将破坏残余的功能区，对病情的发 展评价有一定的帮助。
2020/11/26
（3）肿瘤放疗
在放疗中，富氧细胞被优先杀死。因此， 临床上通常用人工的方法增强放疗时的 肿瘤组织的氧饱和度，如：吸入100% 的纯氧 吸入卡普金气体（Carbogen），即5% 的二氧化碳和95%的氧气的混合气体 静脉注射乙酰唑胺（利尿剂）ACZ，它 可以改变脑血流（CBF）
2020/11/26
B, The image was acquired with fat suppression. The articular cartilage is clearly visualised.
二局部饱和技术
• 对某一区域的全部组织在RF脉冲激 发前预先施加非选择性预饱和脉冲 ，使其纵向磁化全部饱和。随后进 行目标区的激发及数据采集，被饱 和区无法产生信号。
2020/11/26
off on off t
2020/11/26
表1.1 世界上流行的fMRI分析软件包
软件
提供者
Web地址
运行要求
AFNI
SPM
Stimulate
MEDx
FMRI Analysis Package
2020/11/26
R.W.Cox, MCW
K.Friston, UCL,
J.P.Strupp, UMN Sensor
BOLD机制
• 1990年由Ogawa等人所发现和命名。 • 大脑皮层的微血管中的血氧变化时，
会引起局部磁场均匀性变化，从而引 起MR信号强度的变化，称为血氧水平 依赖性(BOLD : Blood Oxygenation Level Dependent contrast)。
2020/11/26
• BOLD是含氧和脱氧血红蛋白的磁化率差 异、神经活动引起的血流有变化、血氧浓 度及代谢率有变化的综合机制。
解剖定位，位 向 限 于 切 向 复，价格贵
置精度差 源，价格贵
2020/11/26
• MRI是一种无损获取人脑和其他器官 的高分辨力结构像的方法。
• MRI应用于脑功能的研究主要是测量 与脑激活相关的血氧和血液动力学变 化引起的MR信号强度的改变，而不 是测量它们的解剖学结构的变化。
2020/11/26
2020/11/26
frequency
220 Hz 1.5 T
Fat Saturation
RF pulse
RF pulse
signal fat sat pulse
echo from water only
additional time required for saturation pulse
2020/11/26
码
的编码技术
2020/11/26
fMRI与其它成像技术比较
信号基础
高分 时间
EEG
MEG PET/SPECT fMRI
脑 神 经 活 动 脑 神 经 活 动 血流变化/代谢 血氧水平依赖
(细胞外全脑 (细胞外神经 物质的功能,药 性与结构和代
电流之和) 电流引起的有 物的药效和功 谢谱测量
取向的弱磁 能
• 利用频率差异在信号激发前，预先发射 具有高度频率选择性的饱和脉冲使一种 或几种单一频率的信号被饱和，只留下 感兴趣组织的纵向磁化。
• 利用此技术可获得纯水或纯脂肪激发的 图像，使不需要的组织全部被饱和。
2020/11/26
Fat Sat
fat water
fat selective bandwidth
2020/11/26
fMRI实验步骤
• 实验设计 • 设计脉冲序列 • 图像采集与重建 • 图像后处理
2020/11/26
fMRI实验步骤：实验设计
根据一定的认知任务设计对被试的刺激 方案，即在一段时间内（十几分钟到几 十分钟）对人脑的各个层面进行连续重 复的成像，在这段时间内，被试处于交 替的“静息”状态（control or “off”）和 “任务”状态（task or “on”）。
http://wwwmrips.cc.nih.gov/MEDx.htmlmrip
s.cc.nih.gov/MEDx.html http://mri.med.yale.edu/individual/
pawel/fMRIpackage.html
SUN,SGI
Unix Commercia
l Matlab SUN,SGI
2020/11/26
fMR 应用
• 1.神经病学 • 2.情感 • 3.精神病学 • 4.小儿科
• 5.药理研究 • 6.手术计划 • 7.阅读困难
2020/11/26
fMRI在肿瘤中的应用
（1）肿瘤诊断与定位 （2）肿瘤手术计划 （3）肿瘤放疗
2020/11/26
（1）肿瘤诊断与定位
BOLD应用于肿瘤探测。病理生化研究 表明，肿瘤组织的代谢异于正常组织： （1）有氧酵解的速度高于正常细胞 （2）摄取的氧比正常组织少
2020/11/26
脑功能成像方式(四)
以NMR为基础发展的成像技术 • fMRI(Function Magnetic Resonance Imaging)功能
磁共振成像技术
根据MR信号与血流中含氧量有关的原理，测 量脑活动时脑内各处血流含氧量的变化反映相 应的神经细胞活动的变化
• MRS(Magnetic Resonance Spectroscopy) 磁共 振波谱技术
2020/11/26
fMRI实验步骤： 设计脉冲序列
通常要先对选定的各个层面进行T1 加权成像以得到高空间分辨力的结 构像，然后用快速成像序列(GE-EPI 等)对各层面进行T2*加权成像，即功 能像。
2020/11/26
fMRI实验步骤：图像后处理
用统计方法处理时间序列数据，检 测大脑哪些区域在“任务”状态时 被激活了。
Spatial Saturation
saturation band within the FOV
2020/11/26
三 化学位移水—脂反相位饱和 成像技术
• 水中氢质子与脂肪中氢质子存在化学位 移3.5ppm。周期性出现同相和反相。
• 反相时，两者信号相减，信号幅度低者 消失或下降。水脂交界处及含水和脂肪 的组织的信号下降明显。
MRI与MRS比较
MRI
MRS
基本原理 核磁共振波谱学 核磁共振波谱学
表达方式 解剖图像，显示所测样 信号幅度与共振频率
品中核自旋的空间分 （或磁场强度）的函数
布
关系曲线，记录整个样
品或样品中某一感兴趣
区域（VOI）的 NMR 信
号
实验方法 采用梯度场进行空间 在均匀磁场中采集信
位置的相位和频率编 号，不能使用识别位置
• 常用于垂直于层面的流动信号的饱 和。如腹部横断面成像。
2020/11/26
RF pulse
RF pulse
signal saturation pulse
additional time required for single saturation pulse
2020/11/26
no echo
System, Inc.
P. Skudlarski Yale Univ.
http://www.biophysics.mcw.edu/br i-mri/bri-mri.html
http://www.fil.ion.ucl.ac.uk/spm
Unix, Linux
Matlab
http://www.cmrr.drad.umn.edu/sti mulate
• 不需用对人体有害的外源性对比剂，而直 接测量人脑激活时的血液动力学变化。
2020/11/26
BOLD基本原理
• 当人接受某种感觉、运动刺激或认知任务时 ，人脑（尤其是大脑皮层）的局部神经活动 增强，代谢率增大，引起局部血管扩张(血管 体积和血流速度变化都可能引起血流容积的 变化)。血管扩张直接导致脑血流增多，带入 更多的氧气，尽管与此同时血体积也增大， 氧的消耗也上升，但总的效果还是局部氧浓 度增大，脱氧血红蛋白与氧合血红蛋白浓度 比下降。
• SPECT(Single Photon Emission Computerized Tomography) 单光子发射计算机断层显像技术
将发射γ射线的核素标记化合物注入人体,在体 外测量γ射线而获得此标记化合物在脑内分布 的断层图像。
• PET(Positron Emission Computerized Tomography) 正电子发射断层显像技术
场)
1cm
3mm
5mm
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
1mm
10ms
1ms
秒/分
100ms
优点 无创，普及， 无创，最佳的 整体成像，能探 功 能 磁 共 振 成
常规操作比较 时间空间分辨 测整体活动三 像，三维空间和
明确，价格便 结合，临床使 维空间时间分 时间分辨率号
宜
用容易
布
缺陷 长时间操作和 深度限制，取 放射性，很难重 伪影多，价格贵
MR 功能成像技术
脑功能成像方式(一)
测量脑活动时的电磁信号研究脑功能的 动态过程
• EEG(Electro-physiological imaging) 脑电成像技术
• MEG(Magnetic-physiological imaging) 脑磁成像技术
2020/11/26
脑功能成像方式(二)
同位素成像技术
肿瘤组织可以分为里面乏氧部分和外面 富氧部分，因此通过对血氧水平敏感的 脉冲序列扫描，结合统计处理的方法， 有可能把正常组织和病变组织分开来。
2020/11/26
（2）肿瘤手术计划
显示肿瘤边缘功能活动区，帮助确定是否 进行立体定向治疗或精确治疗范围；
残余脑功能区的解剖学定位，避免损伤功 能区；
2020/11/26
2020/11/26
第一节 饱和成像技术
MR成像为了更好地区分目标区域，可采 用一些特殊方法使某些组织信号减小。
• 局部饱和技术 • 化学位移频率选择饱和技术 • 化学位移水—脂反相位饱和成像技术 • 磁化传递饱和技术 • 幅度选择饱和技术
2020/11/26
一 化学位移频率选择饱和技术
• 此技术常用于肝脏脂肪浸润的检查。
1 0.9 0.8 0.7 0.6 ML 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1
0
2020/11/26
FAT SAT
tim e (m sec)
Water Fat
Fat Sat examples
2020/11/26
A. The image was acquired without fat suppression. Chemical shift artefact obscures the visualisation of the articular cartilage.
fMRI实验应考虑的问题
• 生理波动干扰的抑制： 利用BOLD：刺激以适当重复频率使 血流和血氧变化最大；任务和控制中 重复频率的选择应尽可能避开显著的 生理波动的干扰。
• 用表面线圈减少生理噪音 • 用圆极化线圈提高信躁比
2020/11/26
fMRI的研究领域
• 主要的感觉和运动皮层的功能图 • 相对血流变化的定量测量 • 大脑的高级功能(语言、运动和视觉等） • 小脑功能 • 激活脑区葡萄糖代谢的测量 • 脏器的功能 • 功能性疾病和肿瘤的诊断
根据MR信号有化学位移的原理，测量脑内有 关2020区/11/26域中各种化合物分子的谱
MRS(in vivo NMRS)
• 名称：活体原位测量核磁共振波谱 • 产生原因：MRI不能给出足够的信息
说明正常组织与病理组织之间细胞代 谢的区别 • MRS与MRI相结合能测出神经活动分 子水平的信息
2020/11/26
将发射正电子(β+)的核素标记的化合物注入人 体,在体外测量正电子湮灭射线而获得此标记 化合物在脑内分布的断层图像。
2020/11/26
脑功能成像方式(三)
光学成像技术
• NIRS(Near Infrared Spectroscopy) 近 红外谱技术 利用脑对近红外光传输的影响来成像
• OCT(Optical Coherence Tomography) 光 学相干层析成像技术 利用光学相干原理进行脑组织的层析成像
• 脱氧血红蛋白 - 顺磁性 • 氧合血红蛋白 – 逆磁性
• 刺激开始时的氧消耗大，氧合血红蛋白和脱 氧血红蛋白的浓度比减小，局部磁化率增强 (T2*变小)，持续大约1-2秒钟。
• 神经组织受到刺激引起血液以弹丸的方式很 快增加，自旋相干增强（T2*变大）
• 在T2*加权图像上出现局部信号增强。 • 在响应曲线中有一段先负后正的过程。
肿瘤组织内功能活动区的显示，提示肿瘤 的发展将破坏残余的功能区，对病情的发 展评价有一定的帮助。
2020/11/26
（3）肿瘤放疗
在放疗中，富氧细胞被优先杀死。因此， 临床上通常用人工的方法增强放疗时的 肿瘤组织的氧饱和度，如：吸入100% 的纯氧 吸入卡普金气体（Carbogen），即5% 的二氧化碳和95%的氧气的混合气体 静脉注射乙酰唑胺（利尿剂）ACZ，它 可以改变脑血流（CBF）
2020/11/26
B, The image was acquired with fat suppression. The articular cartilage is clearly visualised.
二局部饱和技术
• 对某一区域的全部组织在RF脉冲激 发前预先施加非选择性预饱和脉冲 ，使其纵向磁化全部饱和。随后进 行目标区的激发及数据采集，被饱 和区无法产生信号。
2020/11/26
off on off t
2020/11/26
表1.1 世界上流行的fMRI分析软件包
软件
提供者
Web地址
运行要求
AFNI
SPM
Stimulate
MEDx
FMRI Analysis Package
2020/11/26
R.W.Cox, MCW
K.Friston, UCL,
J.P.Strupp, UMN Sensor
BOLD机制
• 1990年由Ogawa等人所发现和命名。 • 大脑皮层的微血管中的血氧变化时，
会引起局部磁场均匀性变化，从而引 起MR信号强度的变化，称为血氧水平 依赖性(BOLD : Blood Oxygenation Level Dependent contrast)。
2020/11/26
• BOLD是含氧和脱氧血红蛋白的磁化率差 异、神经活动引起的血流有变化、血氧浓 度及代谢率有变化的综合机制。
解剖定位，位 向 限 于 切 向 复，价格贵
置精度差 源，价格贵
2020/11/26
• MRI是一种无损获取人脑和其他器官 的高分辨力结构像的方法。
• MRI应用于脑功能的研究主要是测量 与脑激活相关的血氧和血液动力学变 化引起的MR信号强度的改变，而不 是测量它们的解剖学结构的变化。
2020/11/26
2020/11/26
frequency
220 Hz 1.5 T
Fat Saturation
RF pulse
RF pulse
signal fat sat pulse
echo from water only
additional time required for saturation pulse
2020/11/26
码
的编码技术
2020/11/26
fMRI与其它成像技术比较
信号基础
高分 时间
EEG
MEG PET/SPECT fMRI
脑 神 经 活 动 脑 神 经 活 动 血流变化/代谢 血氧水平依赖
(细胞外全脑 (细胞外神经 物质的功能,药 性与结构和代
电流之和) 电流引起的有 物的药效和功 谢谱测量
取向的弱磁 能
• 利用频率差异在信号激发前，预先发射 具有高度频率选择性的饱和脉冲使一种 或几种单一频率的信号被饱和，只留下 感兴趣组织的纵向磁化。
• 利用此技术可获得纯水或纯脂肪激发的 图像，使不需要的组织全部被饱和。
2020/11/26
Fat Sat
fat water
fat selective bandwidth
2020/11/26
fMRI实验步骤
• 实验设计 • 设计脉冲序列 • 图像采集与重建 • 图像后处理
2020/11/26
fMRI实验步骤：实验设计
根据一定的认知任务设计对被试的刺激 方案，即在一段时间内（十几分钟到几 十分钟）对人脑的各个层面进行连续重 复的成像，在这段时间内，被试处于交 替的“静息”状态（control or “off”）和 “任务”状态（task or “on”）。
http://wwwmrips.cc.nih.gov/MEDx.htmlmrip
s.cc.nih.gov/MEDx.html http://mri.med.yale.edu/individual/
pawel/fMRIpackage.html
SUN,SGI
Unix Commercia
l Matlab SUN,SGI
2020/11/26
fMR 应用
• 1.神经病学 • 2.情感 • 3.精神病学 • 4.小儿科
• 5.药理研究 • 6.手术计划 • 7.阅读困难
2020/11/26
fMRI在肿瘤中的应用
（1）肿瘤诊断与定位 （2）肿瘤手术计划 （3）肿瘤放疗
2020/11/26
（1）肿瘤诊断与定位
BOLD应用于肿瘤探测。病理生化研究 表明，肿瘤组织的代谢异于正常组织： （1）有氧酵解的速度高于正常细胞 （2）摄取的氧比正常组织少
2020/11/26
脑功能成像方式(四)
以NMR为基础发展的成像技术 • fMRI(Function Magnetic Resonance Imaging)功能
磁共振成像技术
根据MR信号与血流中含氧量有关的原理，测 量脑活动时脑内各处血流含氧量的变化反映相 应的神经细胞活动的变化
• MRS(Magnetic Resonance Spectroscopy) 磁共 振波谱技术
2020/11/26
fMRI实验步骤： 设计脉冲序列
通常要先对选定的各个层面进行T1 加权成像以得到高空间分辨力的结 构像，然后用快速成像序列(GE-EPI 等)对各层面进行T2*加权成像，即功 能像。
2020/11/26
fMRI实验步骤：图像后处理
用统计方法处理时间序列数据，检 测大脑哪些区域在“任务”状态时 被激活了。
Spatial Saturation
saturation band within the FOV
2020/11/26
三 化学位移水—脂反相位饱和 成像技术
• 水中氢质子与脂肪中氢质子存在化学位 移3.5ppm。周期性出现同相和反相。
• 反相时，两者信号相减，信号幅度低者 消失或下降。水脂交界处及含水和脂肪 的组织的信号下降明显。
MRI与MRS比较
MRI
MRS
基本原理 核磁共振波谱学 核磁共振波谱学
表达方式 解剖图像，显示所测样 信号幅度与共振频率
品中核自旋的空间分 （或磁场强度）的函数
布
关系曲线，记录整个样
品或样品中某一感兴趣
区域（VOI）的 NMR 信
号
实验方法 采用梯度场进行空间 在均匀磁场中采集信
位置的相位和频率编 号，不能使用识别位置
• 常用于垂直于层面的流动信号的饱 和。如腹部横断面成像。
2020/11/26
RF pulse
RF pulse
signal saturation pulse
additional time required for single saturation pulse
2020/11/26
no echo
System, Inc.
P. Skudlarski Yale Univ.
http://www.biophysics.mcw.edu/br i-mri/bri-mri.html
http://www.fil.ion.ucl.ac.uk/spm
Unix, Linux
Matlab
http://www.cmrr.drad.umn.edu/sti mulate
• 不需用对人体有害的外源性对比剂，而直 接测量人脑激活时的血液动力学变化。
2020/11/26
BOLD基本原理
• 当人接受某种感觉、运动刺激或认知任务时 ，人脑（尤其是大脑皮层）的局部神经活动 增强，代谢率增大，引起局部血管扩张(血管 体积和血流速度变化都可能引起血流容积的 变化)。血管扩张直接导致脑血流增多，带入 更多的氧气，尽管与此同时血体积也增大， 氧的消耗也上升，但总的效果还是局部氧浓 度增大，脱氧血红蛋白与氧合血红蛋白浓度 比下降。
• SPECT(Single Photon Emission Computerized Tomography) 单光子发射计算机断层显像技术
将发射γ射线的核素标记化合物注入人体,在体 外测量γ射线而获得此标记化合物在脑内分布 的断层图像。
• PET(Positron Emission Computerized Tomography) 正电子发射断层显像技术
场)
1cm
3mm
5mm
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
1mm
10ms
1ms
秒/分
100ms
优点 无创，普及， 无创，最佳的 整体成像，能探 功 能 磁 共 振 成
常规操作比较 时间空间分辨 测整体活动三 像，三维空间和
明确，价格便 结合，临床使 维空间时间分 时间分辨率号
宜
用容易
布
缺陷 长时间操作和 深度限制，取 放射性，很难重 伪影多，价格贵
MR 功能成像技术
脑功能成像方式(一)
测量脑活动时的电磁信号研究脑功能的 动态过程
• EEG(Electro-physiological imaging) 脑电成像技术
• MEG(Magnetic-physiological imaging) 脑磁成像技术
2020/11/26
脑功能成像方式(二)
同位素成像技术
肿瘤组织可以分为里面乏氧部分和外面 富氧部分，因此通过对血氧水平敏感的 脉冲序列扫描，结合统计处理的方法， 有可能把正常组织和病变组织分开来。
2020/11/26
（2）肿瘤手术计划
显示肿瘤边缘功能活动区，帮助确定是否 进行立体定向治疗或精确治疗范围；
残余脑功能区的解剖学定位，避免损伤功 能区；
2020/11/26
2020/11/26
第一节 饱和成像技术
MR成像为了更好地区分目标区域，可采 用一些特殊方法使某些组织信号减小。
• 局部饱和技术 • 化学位移频率选择饱和技术 • 化学位移水—脂反相位饱和成像技术 • 磁化传递饱和技术 • 幅度选择饱和技术
2020/11/26
一 化学位移频率选择饱和技术
• 此技术常用于肝脏脂肪浸润的检查。
1 0.9 0.8 0.7 0.6 ML 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1
0
2020/11/26
FAT SAT
tim e (m sec)
Water Fat
Fat Sat examples
2020/11/26
A. The image was acquired without fat suppression. Chemical shift artefact obscures the visualisation of the articular cartilage.
fMRI实验应考虑的问题
• 生理波动干扰的抑制： 利用BOLD：刺激以适当重复频率使 血流和血氧变化最大；任务和控制中 重复频率的选择应尽可能避开显著的 生理波动的干扰。
• 用表面线圈减少生理噪音 • 用圆极化线圈提高信躁比
2020/11/26
fMRI的研究领域
• 主要的感觉和运动皮层的功能图 • 相对血流变化的定量测量 • 大脑的高级功能(语言、运动和视觉等） • 小脑功能 • 激活脑区葡萄糖代谢的测量 • 脏器的功能 • 功能性疾病和肿瘤的诊断
根据MR信号有化学位移的原理，测量脑内有 关2020区/11/26域中各种化合物分子的谱
MRS(in vivo NMRS)
• 名称：活体原位测量核磁共振波谱 • 产生原因：MRI不能给出足够的信息
说明正常组织与病理组织之间细胞代 谢的区别 • MRS与MRI相结合能测出神经活动分 子水平的信息
2020/11/26
将发射正电子(β+)的核素标记的化合物注入人 体,在体外测量正电子湮灭射线而获得此标记 化合物在脑内分布的断层图像。
2020/11/26
脑功能成像方式(三)
光学成像技术
• NIRS(Near Infrared Spectroscopy) 近 红外谱技术 利用脑对近红外光传输的影响来成像
• OCT(Optical Coherence Tomography) 光 学相干层析成像技术 利用光学相干原理进行脑组织的层析成像