fMRI基本原理读书笔记
第一章MRI的基础原理（补充）
一、自由感应衰减FID
1、失相位的原因
⑴、外磁场的不均匀性
⑵、自旋间的相互作用
2、自由感应衰减FID（Free Induction Decay）
⑴、理想接收信号：正弦函数（旋转的横向磁化矢量）
⑵、实际接收信号：衰减正弦函数（螺旋状的横向磁化矢量）
二、TR和TE
1、基本概念：TR（Time of Repetition，脉冲重复时间）
两个连续的90度射频脉冲的间隔时间
2、基本概念
⑴、基本概念：TE（Time of Echo，回波时间）
90度射频脉冲到回波采集的间隔时间
⑵、理想情况：如果能够在关闭90度射频脉冲的同时，进行信号检测
?则检测到的FID信号最大
⑶、实际情况：需要等待一段时间，才能进行信号检测
三、饱和
1、基本概念：饱和：当90度射频脉冲，刚刚将纵向磁化矢量偏转到XY平面时
?系统处于饱和状态
2、基本概念：部分饱和：经过一段时间，部分T1弛豫恢复
?系统处于部分饱和状态
四、自旋回波
1、重聚脉冲
⑴、作用：复相位
⑵、关键：90度射频脉冲激发后，τ时刻后失相位
180度重聚脉冲激发后，τ时刻后复相位
2、自旋回波（Spin Echo，SE）
⑴、作用：利用重聚脉冲，去除外磁场的不均匀性所导致的失相位
⑵、关键：TE＝2×τ
五、空间编码
1、Gz梯度
⑴、基本概念：Gz＝层面选择梯度
⑵、打开时刻：90度射频脉冲激发时
2、Gx梯度
⑴、基本概念：Gx＝频率编码梯度
⑵、打开时刻：回波采集时
3、Gy梯度
⑴、基本概念：Gy＝相位编码梯度
⑵、打开时刻：90度射频脉冲~180度射频脉冲之间
⑶、理想过程：Step1：打开Gy梯度?各行质子以不同频率的进动
Step2：关闭Gy梯度?各行质子之间，永久性的相位移
Step3：打开Gx梯度?各列质子以不同频率的进动
Step4：归纳【各行各列的质子，具有不同的频率和相位】⑷、实际过程：每一次相位编码，都需要一个TR周期
第二章BOLD成像原理
第一节基本概念
一、BOLD成像概述
1、基本概念
⑴、概念：fMRI（Functional Magnetic Resonance Imaging，磁共振功能成像）
⑵、概念：BOLD（Blood Oxygenation Level Dependent，血氧水平依赖）
⑶、关系：BOLD成像＝狭义的fMRI
2、BOLD成像的基本步骤【归纳性的结论】
⑴、接受某种外界刺激，或者执行某项任务（视觉/触觉刺激，手指运动）
⑵、功能区的神经元细胞?电生理活动和新陈代谢增加
?血流量增加（功能区的激活）
⑶、氧合血红蛋白相对含量的增加，脱氧血红蛋白相对含量的减少
⑷、功能区的水质子磁共振信号的增强
二、生理基础和物理基础
1、 核心公式
⑴、公式：)2cos()(sin )/()1(22200?θωχπωr r Y b out -?=?
⑵、解释：=?out ω在外磁场中，血管外任意一点的磁场强度的差值
血管中存在脱氧血红蛋白，血管中不存在脱氧血红蛋白
⑶、解释：=?0χ血管中全是脱氧血红蛋白时，血管内外的磁化率的差值
⑷、解释：1－Y ＝脱氧血红蛋白的比例
⑸、解释：=0ω外磁场强度
⑹、解释：rb ＝血管半径，r ＝感兴趣点到血管中心轴的垂直距离
⑺、解释：θ＝外磁场与血管中心轴的夹角
2、 基本性质
⑴、性质：氧合血红蛋白是抗磁性物质，脱氧血红蛋白是顺磁性物质
⑵、性质：脱氧血红蛋白?可作为内源性对比强度剂
3、 生理基础★★
⑴、在肺泡中，氧气和血红蛋白结合成氧合血红蛋白?随动脉循环到达并灌注脑组织 ⑵、由于：脑组织中的氧分压＜动脉血中的氧分压
?氧合血红蛋白分解为：游离氧＋脱氧血红蛋白
⑶、游离氧参＋葡萄糖?有氧代谢?脑组织活动需要的能量
⑷、脱氧血红蛋白作为内源性对比增强剂，是BOLD 成像的生理基础
?随静脉循环流出大脑
4、 物理基础★★
脱氧血红蛋白的相对含量减少?周围环境的磁场强度减少
?失相位减少?磁共振信号增强
三、新陈代谢和血流动力学
1、基本概念
⑴、概念：脑血流（Cerebral Blood Flow，CBF）
每100g脑组织每分钟的血流量（单位：ml/100g·min）
⑵、概念：脑血容量（Cerebral Blood V olume，CBV）
每100g脑组织的含血量（单位：ml/100g）
⑶、概念：脑氧代谢率（Cerebral Metabolic Rate of Oxygen，CMRO）
2、基本性质
⑴、性质：CBF增加?脱氧血红蛋白的相对含量减少?磁共振信号增加
⑵、性质：CBV增加?脱氧血红蛋白的绝对含量增加?磁共振信号减少
⑶、性质：CMRO增加?脱氧血红蛋白的相对含量增加?磁共振信号减少
3、基本性质
⑴、性质：新陈代谢
脑组织活动增加?电生理活动增加?能量消耗增加?
葡萄糖代谢增加?氧气消耗增加?CBF增加
⑵、性质：血流动力学
刺激开始?CMRO立即增加?CBF滞后增加，但幅度要大得多⑶、概念：正BOLD效应、负BOLD效应
四、静态平均和动态平均
1、水分子的自由扩散
⑴、性质：水分子的自由扩散是随机过程
⑵、推论：每个水分子的扩散路径不同?扩展过程所经过磁场的相位积累不同
?失相位?磁共振信号减弱
⑶、性质：在回波时间内，水分子扩散的自由程，大致等于小血管半径
2、静态平均和动态平均
⑴、静态平均：在回波时间内，大血管外的每个水分子，扩散范围的磁场分布大致均匀
?没有相位积累?失相位与水分子扩散无关
⑵、动态平均：在回波时间内，小血管外的每个水分子，扩散范围的磁场分布变化迅速
?具有相位积累?失相位与水分子扩散有关
第二节自旋回波和梯度回波
1、自旋回波（Spin Echo，SE）
关键：90度射频脉冲＋180度射频重聚脉冲
2、梯度回波（Gradient Echo，GRE）
⑴、利用α射频脉冲代替90度射频脉冲?纵向弛豫恢复加快?TR减少
⑵、利用翻转梯度代替180度射频脉冲?交换跑道代替反向跑?TE减少
⑶、反向梯度?加速散相；正向梯度?相位重聚
第三节 BOLD 效应（2013/5/22）
一、血管内的BOLD 效应
1、 血管外的磁场强度
⑴、公式：)2cos()(sin )/()1(22200?θωχπωr r Y b out -?=?
⑵、解释：=?out ω脱氧血红蛋白引起的，血管外的磁场强度的变化
2、 血管内的磁场强度
⑴、公式：}3/1)({cos )1(2200--?=?θωχπωY in
⑵、解释：=?out ω脱氧血红蛋白引起的，血管内的磁场强度的变化
3、 磁场均匀性
⑴、概念：磁场均匀性（Magnetic Field Uniformity ）
⑵、定理：脱氧血红蛋白的相对含量减少?磁场均匀性增加
?失相位减少?磁共振信号增加
二、血管外的BOLD 效应
1、 横向弛豫时间 ⑴、定义：'
22*2111T T T += ⑵、解释：T2 ＝局部的、随机的、时间相关的磁场变化?不可恢复
⑶、解释：T2’ ＝外磁场的不均匀性?利用SE 恢复
⑷、性质：T2*增加?磁共振信号增加【尚未证明】
2、 血管外水分子的横向弛豫时间
⑴、大血管：vl b Y T })1({/100*2ωχα-?=
⑵、小血管：p b Y T vs 200*2})1({/1ωχη-?=
⑶、解释：==ηα常数
⑷、解释：=vl b 大血管的血容量，=vs b 小血管的血容量
⑸、解释：=p 起功能作用的小血管数，占全部小血管数的比例
3、 CBF 和CBV
⑴、基本性质：CBF 增加?脱氧血红蛋白的相对含量减少?T2*增加?磁共振信号增加 ⑵、基本性质：CBV 增加?脱氧血红蛋白的绝对含量增加?T2*减少?磁共振信号减少 ⑶、综合效应：磁共振信号增加?图像变亮
三、BOLD效应的清除
1、BOLD效应的保留和清除
⑴、小血管外的BOLD效应（保留）
⑵、大血管外的BOLD效应（清除）
⑶、血管内的BOLD效应（清除）
2、清除原因
⑴、大血管外的BOLD效应：不能准确定位神经元【解剖结构距离较远】
⑵、小血管外的BOLD效应：不能准确定位神经元【非激活区的CBF和CBV也会增加】
3、清除方法
⑴、利用SE中的180度射频脉冲?清除大血管外的BOLD效应【磁场均匀】
⑵、利用GRE中的翻转梯度?清除血管内的BOLD效应【相位积累】
第三章数据处理
1、基本概念
⑴、概念：SPM（Statistical Parametric mapping，统计参数图）
⑵、概念：AFNI（Analysis of Functional Neuroimage，脑功能成像分析）
2、数据预处理
⑴、头动校正：同一被试同一成像方法【刚性变换、仿射变换】
⑵、图像融合：同一被试不同成像方法【图像分割（灰质、白质、脑脊液）?具有可比性】
⑶、图像标准化：不同被试同一成像方法【仿射变换、局部非线性变换?同一化到标准脑】
⑷、空间平滑：低通滤波器?模糊图像、降低噪声
3、模型声明和参数估计
⑴、广义线性模型
⑵、设计矩阵
⑶、最小二乘法参数估计