FMRI基础知识
fMRI数据分析处理原理及方法
fMRI数据分析处理原理及方法一、功能图像数据的性质功能磁共振数据包括解剖（结构）像和功能像两类。
解剖像采用高分辨的T1、T2及FSPGR三维成像方式。
功能像的处理是fMRI数据处理的关键。
因为脑皮层活动瞬息变化，相应要求足够快的成像序列对某一个刺激任务造成的皮层活动进行记录，并且要有对脑血氧代谢的产物——脱氧血红蛋白产生的T2*缩短效应敏感，EPI(Echo planar Imaging)、FLASH(Fast Low Angle Shot)等序列可以满足这两个条件，现在大都采用EPI序列采集fMRI功能像。
EPI于频率编码上采用一系列反向梯度，通过一次激发产生建成一幅MR图像的所有信号，基于小角度激发的GRE-EPI(Gradient echo- Echo planar Imaging)技术，在很短的TR时间内得到一系列（数幅至数十幅）图像。
每次采集得到的图像组成一个脑体积(V olume)，相应要求在fMRI实验组块(Epoch/block Paradigm)设计时，每个组块的时间必须为TR时间的整数倍。
实际的血流动力相应是一个缓慢的过程，任务激发后信号经过一个小的下降期开始上升，4-8秒达到高峰然后缓慢下降，11-14秒恢复。
在事件相关设计(Event-related Paradigm)时，如果不考虑两（次）任务间的相互作用，需要保证间隔时间大于一次响应时间。
但也有研究显示短的刺激间隔时间对统计结果并无多大影响。
（见图1）。
EPI序列以极快的采集速度，在一个数分钟的实验(Session)中，产生数百至数千幅图像，几十个不同时间的脑体积成为EPI图像的时间序列(Time-series Image)。
快速以牺牲图像的分辨率为代价，典型的EPI图像采集矩阵为64×64，提高采集矩阵会延长采样时间并且导致更严重的图像几何变形。
除此之外，EPI 序列图像对外在磁场环境的影响十分敏感，微弱的BOLD信号会伴有大量的干扰成分。
fmri 格兰杰因果提取时间序列
fMRI是一种功能性磁共振成像技术，可以用于探测人脑的功能活动。
而格兰杰因果分析（Granger causality analysis）则是一种常用的时间序列分析方法，可以用于判断两个时间序列之间的因果关系。
在fMRI数据处理中，格兰杰因果提取时间序列的过程通常包括以下几个步骤：
1. 预处理：对原始fMRI数据进行去噪、去趋势、空间标准化等处理，以减少干扰和增加数据的可比性。
2. 定义感兴趣区域（ROI）：选择感兴趣的脑区域，并生成该区域的BOLD（血氧水平依赖）信号时间序列。
3. 计算格兰杰因果：利用格兰杰因果分析方法，计算ROI内两个时间序列之间的因果关系。
其中，因果关系一般用因果性指标（如格兰杰因果因子）来表示。
4. 统计分析：通过随机分析（如置换检验）来评估因果关系的显著性，以确定哪些脑区间存在因果关系。
需要注意的是，格兰杰因果分析虽然可以提取时间序列之间
的因果关系，但也有一些限制。
例如，该方法并不能确定因果关系的方向，即它无法区分时间序列A是否因果于时间序列B或反之亦然。
此外，格兰杰因果分析也无法处理被动因素（如身体刺激）所引起的时间序列变化。
总之，格兰杰因果分析是一种常用的fMRI数据分析技术，可以用于提取时间序列之间的因果关系。
在使用该方法时，需要根据实际情况谨慎选择数据处理方法，以确保分析结果的可靠性和有效性。
fmri技术的原理及应用
fmri技术的原理及应用1. 引言功能性磁共振成像（functional magnetic resonance imaging，以下简称fmri）是一种非侵入性的神经影像学方法，用于研究大脑在特定任务中的功能活动。
本文将介绍fmri技术的原理以及其在神经科学研究和临床应用中的重要性。
2. 原理fmri基于血液供应和代谢的相关性，通过测量血液中氧气含量变化来推断大脑活动的区域和程度。
具体而言，fmri利用磁共振成像（magnetic resonance imaging，MRI）技术，测量血氧水平依赖（blood oxygenation level dependent，BOLD）信号来间接反映神经元的活动。
当神经元活跃时，细胞对氧气的需求增加，导致血液流动增加，血液中含氧量增加。
这种激活效应通过fmri技术可被探测到，并转化为图像显示。
3. 应用领域fmri技术在神经科学研究和临床应用中具有广泛的应用价值。
以下是一些主要的应用领域：• 3.1 认知神经科学fmri可以帮助研究者了解不同认知过程中的大脑活动模式。
通过比较在特定任务下不同个体或者不同条件下的fmri图像，研究者可以揭示大脑的功能连接及其变化，进一步研究记忆、学习、决策等认知过程。
• 3.2 精神疾病研究fmri技术在研究精神疾病中的应用发挥着重要作用。
例如，研究者可以通过比较患者与健康对照组的fmri数据，来发现精神疾病患者的大脑活动模式的差异，有助于理解疾病的发生机制，并为临床诊断和治疗提供参考。
• 3.3 神经反馈训练fmri技术还可以应用于神经反馈训练，通过让个体观察自身大脑活动的实时变化，在训练过程中调节注意力和自我调节能力。
这种技术可以被用于焦虑症、注意力缺陷多动障碍等疾病的治疗。
• 3.4 意识状态评估在一些疑似昏迷或意识障碍的患者中，fmri技术可以帮助评估其意识状态。
通过分析患者的fmri数据，研究者可以了解患者的脑活动是否存在与自发意识相关的特征，以辅助临床决策。
北师大fMRI【第一章-概述】
小 结其他辅助设备源自主磁体梯度系统射频系统 计算机系统
六、磁共振仪的安全性
静磁场对人生理上的作用
强磁场中的铁磁物质
梯度磁场的作用
射频场的作用 幽闭症
（specific absorption rate-SAR)
噪声
Study Questions:
Why is it important to avoid looping wires or necklaces near the head coil?
七、本课程内容
第一章 概述 （1周） 第二章 磁共振成像原理 （4周）
2．1 2．2 2．3 2．4 MRI信号产生的基本原理 MRI信号成像的基本原理 脉冲序列 快速扫描
对多种认知实验设计有很好适应性
补偿上述方法的不足
Study Question: 1.What is functional magnetic resonance imaging? 2.What are the limitations of lesion studies of the brain? What are the limitations of drug studies of the brain? What are the limitations of electrophysiological studies of the brain? How can functional neuroimaging help overcome these limitations?
2、射频系统 (Radiofrequency Coil)
FMRI基础知识
FMRI基础知识介绍FMRI成像及数据分析基本知识医学影像学发展简史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 Email：tian@ 2004年9月 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 ) 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。
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。
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。
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。
fMRI
发展背景
fMRI的特点 • 空间分辨率高 • 无创 • 简便 • 易于重复研究
发展背景－fMRI的理论基础及假设
•
•
在神经元活动区 域，激活的神经 元的耗氧量增加。 在神经元活动区 域，血管扩张， 局部脑的血流及 血容量增加。
发展背景－fMRI的理论基础及假设
• 激活的神经元所消 耗的含氧血红蛋白 的量小于局部脑血 流增加所提供的含 氧血红蛋白量，所 以导致局部含氧血 红蛋白的比例增加。
f MRI
GE MR Modality Ning Jing
f MRI
FMRI与fMRI
FMRI与fMRI
常规的MRI主要为 临床提供解剖学图 像，如T1,T2,PD等。
FMRI与fMRI
•FMRI一般是指广义功能磁共振成 像，可以提供除常规解剖图像以外 的功能图像。 •主要包括： –MRS提供代谢方面的图像 –DWI、DTI提供水份子运动方面 的图像 –PWI提供毛细血管生成状态方 面的图像 –……
8Hz
双手握拳运动
双侧运动区明显激活
时间－信号强度曲线
右手触觉刺激（毛刷刷手指）
左侧中央后回激活
时间-信号强度曲线
纯音刺激
正常人 双侧颞上回激活
后天性聋哑人 激活程度较弱
数字计算
右利手组
左利手利手左侧明显; 左利手右侧明显
That’s all Thank you
TE time
发展背景
fMRI的理论基础 fMRI的理论基础
1. 2. 3. 在神经元活动区域，激活的神经元的耗氧量增加。 在神经元活动区域，血管扩张，局部脑的血流及血容量增加。 激活的神经元所消耗的含氧血红蛋白的量小于局部脑血流增加 所提供的含氧血红蛋白量，所以导致局部含氧血红蛋白的比例 增加。 含氧血红蛋白和去氧血红蛋白的磁化率是有差异的。（含氧血 红蛋白是弱逆磁性，去氧血红蛋白是弱顺磁性）
DTI和fMRI的基础知识
Activation Imaging using BOLD
z Resting state verses active state
e.g. Finger tapping, remembering some numbers.
2
Activation Imaging using BOLD
z Resting state verses active state
Image Image
e.g. Finger tapping, remembering some numbers.
z Whole brain scanned in ~3 seconds using a high speed imaging technique (EPI). z Perform analysis to detect regions which show a signal increase in response to the stimulus.
Stats 233 Statistical Methods for Biomedical Data fMRI & DTI (Diffusion Tensor Imaging)
Hemoglobin – a molecule to breathe with
Beta Globin
Sickle Cell Mutation
Oxyhaemoglobin
Deoxyhaemoglobin
Slide 14
Oxyhaemoglobin
Deoxyhaemoglobin
Stat 233, UCLA, Ivo Dinov
fmri的原理和应用
fMRI的原理和应用原理功能磁共振成像（fMRI）是一种用于测量脑活动的非侵入性成像技术。
它基于磁共振成像（MRI）原理，利用血氧水平依赖（BOLD）效应来检测大脑不同区域的活动水平。
fMRI的原理可以简述如下： 1. 磁场对齐：fMRI使用强大的磁场使大脑内的氢原子核磁矩朝向于外磁场方向进行对齐。
2. 加权成像：通过施加梯度磁场和无需加权条件下的脉冲磁场来生成成像。
3. 血氧水平依赖效应：当某个脑区域活动增加时，该区域的血液供应也会增加，导致更多的氧气从动脉血流中释放出来和被局部脑组织使用。
4. 信号检测：fMRI利用这种血氧水平依赖效应来检测大脑活动的变化，并生成相应的活动图像。
应用fMRI技术在医学和神经科学中具有广泛的应用，以下是一些常见的应用领域：1. 功能定位通过fMRI技术，可以精确定位大脑的不同功能区域。
例如，可以通过对特定任务（如视觉刺激、语言任务等）的激活情况进行监测，来确定大脑中负责执行这些任务的特定区域。
这对于手术治疗中的神经导航非常重要。
2. 认知研究fMRI被广泛应用于认知科学研究中，以揭示不同认知过程在大脑中的相关脑区。
通过对不同认知任务（如记忆、决策、注意力等）激活的分析，可以深入了解这些认知过程背后的神经机制。
3. 精神疾病研究fMRI技术在精神疾病研究中也有广泛的应用。
通过与正常人群进行对比，可以揭示某些精神疾病（如抑郁症、精神分裂症等）与特定脑区的异常活动之间的关联。
这对于疾病的早期诊断和治疗提供了重要的线索。
4. 脑机接口fMRI技术也可以用于脑机接口（BMI）研究。
通过解码fMRI信号，可以让用户直接与计算机或机器人进行交互，实现大脑与外部设备的无线连接。
这对于残疾人群体的康复和功能恢复具有重要意义。
5. 药理研究fMRI可以用于药物疗效评估和新药开发。
通过监测特定药物对脑区活动的影响，可以评估药物的疗效和副作用。
这有助于加速药物研发过程，提高药物治疗效果。
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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
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
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
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。
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。
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
横向驰豫与纵向弛豫 T1、T2弛豫
T1、T2弛豫过程
6
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。
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。
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
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。
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)。
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）
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
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
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
Email：tian@
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
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）。
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横向驰豫与纵向弛豫
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
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。
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
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