磁共振應(yīng)用-李煥杰課件

磁共振應(yīng)用李煥杰生物醫(yī)學(xué)工程系磁共振應(yīng)用李煥杰1提綱功能磁共振

血氧水平依賴對(duì)比度（BOLDfMRI）

靜息態(tài)

（Resting-statefMRI,rfMRI）磁共振波譜（MRSpectroscopy,MRS)結(jié)構(gòu)磁共振結(jié)構(gòu)像(T1,T2…)彌散張量成像（DiffusionTensorImaging,DTI）提綱功能磁共振2BOLDfMRI是一種檢測大腦活動(dòng)的技術(shù)，它是檢測發(fā)生神經(jīng)活動(dòng)時(shí)血氧和血流的變化，通過測量血流、血氧和氧消耗的關(guān)系來間接的反映神經(jīng)活動(dòng)。BOLDfMRI是一種檢測大腦活動(dòng)的技術(shù)，它是檢測發(fā)生神3背景1992年，Ogawa在做老鼠實(shí)驗(yàn)時(shí)發(fā)現(xiàn)血氧水平對(duì)比度（BOLD）現(xiàn)象BOLD對(duì)比度示圖（A）大鼠吸入純氧氣體的MRI；（B）大鼠吸入標(biāo)準(zhǔn)空氣的MRI。

氧含量對(duì)弛豫時(shí)間的影響;橫坐標(biāo)表示血液中氧含量的百分比;紅線表示縱向弛豫率;藍(lán)線表示橫向弛豫率。

背景1992年，Ogawa在做老鼠實(shí)驗(yàn)時(shí)發(fā)現(xiàn)血氧水平對(duì)比度（4腦活動(dòng)時(shí)BOLD信號(hào)產(chǎn)生原理腦活動(dòng)時(shí)BOLD信號(hào)產(chǎn)生原理5氧在血液和組織間的交換在當(dāng)神經(jīng)激活之后，供應(yīng)的氧含量遠(yuǎn)大于神經(jīng)活動(dòng)所需要的，導(dǎo)致含氧血紅蛋白所占的比例升高，脫氧血紅蛋白比例降低。在正常生理?xiàng)l件下，毛細(xì)血管內(nèi)的氧合血紅蛋白以一定的速率轉(zhuǎn)化為脫氧血紅蛋白，兩者的比例保持一定水平氧在血液和組織間的交換在當(dāng)神經(jīng)激活之后，供應(yīng)的氧含量遠(yuǎn)大于神6含氧血紅蛋白o(hù)xy-Hb:抗磁性，不影響磁場的均勻性脫氧血紅蛋白deoxy-Hb:順磁性，增加磁場不均勻性，使T2*縮短，磁共振信號(hào)降低含氧血紅蛋白o(hù)xy-Hb:抗磁性，不影響磁場的均勻性7脫氧血紅蛋白增加原因？

不匹配理論:大腦功能活動(dòng)時(shí)，血流（CBF）和血氧消耗（CMRO2）的需求關(guān)系不匹配脫氧血紅蛋白增加原因？

不匹配理論:8TheRoy-Sherringtonprinciple

RoyandSherrington,J.Physiology(1890)CBF、CMRglu

和CMRO2的需求是匹配的CBFCMRO2TheRoy-Sherringtonprinciple9PET(視覺刺激)CBF:50%CMRGlc:51%

Foxetal,PNAS(1986);Science(1988).CBF:50%CMRO2:5%不匹配!!!PET(視覺刺激)CBF:50%10刺激初期，代謝機(jī)制刺激初期，代謝機(jī)制11磁共振研究證實(shí)不匹配現(xiàn)象磁共振研究證實(shí)不匹配現(xiàn)象12BOLD信號(hào)與腦血流、腦氧代謝率和腦血體積的關(guān)系：BOLD信號(hào)與腦血流、腦氧代謝率和腦血體積的關(guān)系：13早期fMRI研究研究領(lǐng)域：初級(jí)神經(jīng)活動(dòng)（視覺、聽覺、運(yùn)動(dòng)等）和高級(jí)認(rèn)知任務(wù)（情感、記憶等）年齡、性別、健康與疾病、高低氧狀態(tài)早期fMRI研究研究領(lǐng)域：初級(jí)神經(jīng)活動(dòng)（視覺、聽覺、運(yùn)動(dòng)等）14認(rèn)知實(shí)驗(yàn)N-back任務(wù)Zou…Gao,JCognSci（2011）認(rèn)知實(shí)驗(yàn)N-back任務(wù)Zou…Gao,JCogn15實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)16神經(jīng)激活后氧合血紅蛋白和脫氧血紅蛋白含量的變化

血液動(dòng)力學(xué)響應(yīng)曲線。（A）為塊狀型設(shè)計(jì)響應(yīng)曲線；（B）為事件相關(guān)型設(shè)計(jì)響應(yīng)曲線。神經(jīng)激活后氧合血紅蛋白和脫氧血紅蛋白含量的變化17磁共振應(yīng)用-李煥杰課件18靜息態(tài)功能磁共振（rfMRI）什么是靜息態(tài)？無任務(wù)（睜眼或者閉眼）放松休息不要胡思亂想保持清醒靜息態(tài)磁共振采集5-10分鐘fMRI圖像分析低頻波動(dòng)（0.01-0.08Hz）靜息態(tài)功能磁共振（rfMRI）什么是靜息態(tài)？19早期rfMRI研究體素信號(hào)時(shí)間序列低頻信號(hào)代表大腦的自發(fā)活動(dòng)早期rfMRI研究體素信號(hào)時(shí)間序列低頻信號(hào)代表大腦的自發(fā)活動(dòng)20腦網(wǎng)絡(luò)默認(rèn)網(wǎng)絡(luò)（defaultmodenetwork,DMN）:休息時(shí)開啟，執(zhí)行任務(wù)時(shí)關(guān)閉ZhangandRaichle,2010.Nat.Rev.Neurol.腦網(wǎng)絡(luò)默認(rèn)網(wǎng)絡(luò)（defaultmodenetwork,21腦連接腦連接22磁共振波譜（MRS）不是圖像域信號(hào)，而是頻率域信號(hào)不同物質(zhì)所處的化學(xué)環(huán)境不同，產(chǎn)生不同的化學(xué)位移，導(dǎo)致各物質(zhì)頻率產(chǎn)生略微差異，因此可在頻率域上得出物質(zhì)信息磁共振波譜（MRS）不是圖像域信號(hào)，而是頻率域信號(hào)23波譜脈沖三個(gè)RF脈沖都是選層脈沖，單體素采集，體素大小2x2x2cm3采集FID信號(hào)，頻率域信息波譜脈沖三個(gè)RF脈沖都是選層脈沖，單體素采集，體素大小2x224特點(diǎn)對(duì)場的均勻度要求很高，ω=γ(B0+△B)單體素成像，區(qū)域越小，場均勻度越好；全腦的場均勻度較低信噪比低，需多次平均提高信噪比時(shí)間分辨率低，約在分鐘量級(jí)，T=2s(TR)x200(平均次數(shù))依賴高場磁共振，B0越高，信噪比越高，但B0越高，場均勻性越差，目前常用的磁場強(qiáng)度為3T可以觀測到分子層面物質(zhì)信息，有利于深入了解腦能量代謝機(jī)制有利于疾病（如腫瘤）的臨床診斷和評(píng)估特點(diǎn)對(duì)場的均勻度要求很高，ω=γ(B0+△B)25應(yīng)用：乳酸研究應(yīng)用：乳酸研究2610Hz視覺刺激時(shí)，乳酸的變化Mangiaetal,JCBFM(2007)10Hz視覺刺激時(shí)，乳酸的變化Mangia27不同頻率視覺刺激時(shí)，乳酸的變化

刺激頻率:4,8,16Hz

刺激時(shí)間:4minLinetal.,PNAS(2010)不同頻率視覺刺激時(shí)，乳酸的變化

刺激頻率:4,8,162831P-MRS(磷譜)Zhuetal.,NeuroImage2012可以測量ATP，PCr等能量代謝物質(zhì)31P-MRS(磷譜)Zhuetal.,NeuroI29二維波譜MRS時(shí)間分辨率和空間分辨率都較低Velanetal.,JMRI2007二維波譜MRS時(shí)間分辨率和空間分辨率都較低Velanet30波譜圖像MRSIMaudsleyetal.,MRM2009單個(gè)被試采集時(shí)間：15min88個(gè)被試的平均圖像波譜圖像MRSIMaudsleyetal.,MRM31結(jié)構(gòu)磁共振結(jié)構(gòu)像T1,T2,…彌散張量成像（DTI）結(jié)構(gòu)磁共振結(jié)構(gòu)像32結(jié)構(gòu)像：VBM分析研究：腦灰質(zhì)密度差異應(yīng)用：阿爾茨海默癥診斷、年齡、特殊人群等結(jié)構(gòu)像：VBM分析研究：腦灰質(zhì)密度差異33DTI中樞神經(jīng)纖維精細(xì)成像，可顯示腦白質(zhì)內(nèi)神經(jīng)傳導(dǎo)束的走向，研究不同組織中水分子擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)的差異。各向同性：均勻介質(zhì)中，水分子是隨機(jī)運(yùn)動(dòng)的，不受限制，各個(gè)方向運(yùn)動(dòng)的幾率相同（如腦脊液CSF）。各向異性：在人體組織中，水分子的運(yùn)動(dòng)受到組織細(xì)胞結(jié)構(gòu)的影響，各個(gè)方向彌散程度不同，具有方向依賴性。DTI中樞神經(jīng)纖維精細(xì)成像，可顯示腦白質(zhì)內(nèi)神經(jīng)傳導(dǎo)束的走向，34表述參數(shù)擴(kuò)散張量D(矢量，有方向)表觀擴(kuò)散系數(shù)ADC（標(biāo)量，無方向）反映水分子的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)能力，單位時(shí)間內(nèi)水分子的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)范圍，ADC越高，表示水分子擴(kuò)散能力越強(qiáng)，單位mm2/s。部分各向異性指數(shù)FA（標(biāo)量，無方向）是水分子各向異性成分占整個(gè)彌散張量的比例，它的變化范圍從0～1。0代表彌散不受限制，比如腦脊液的FA值接近0；對(duì)于非常規(guī)則的具有方向性的組織，其FA值大于0，例如大腦白質(zhì)纖維FA值接近1。表述參數(shù)擴(kuò)散張量D(矢量，有方向)35腦組織水分子擴(kuò)散特點(diǎn)CSFGrayMatterWhiteM