功能磁共振成像
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磁共振成像基本知识PPT课件
波谱成像（Spectroscopic Imaging）：通过分析组 织中的化学成分来提供分子层面的信息，有助于肿瘤 和代谢性疾病的诊断。
靶向成像（Targeted Imaging）：通过使用特异性 标记的分子探针，对特定分子或细胞进行成像，为个 性化医疗和精准诊断提供了可能。
04 磁共振成像应用
医学诊断
成本与普及
磁共振成像设备成本较高，限制了其 在基层医疗机构的普及。未来需要降 低设备成本，提高可及性。
磁敏感加权成像（Susceptibility Weighted Imaging, SWI）：利用组织磁敏感性 的差异进行成像，能够显示脑部微出血、铁沉积等病理变化。
分子成像技术
化学交换饱和转移成像（Chemical Exchange Saturation Transfer, CEST）：利用特定频率的射频 脉冲来检测组织中特定化学物质的变化，对肿瘤和炎 症等疾病的诊断具有潜在价值。
。
快速扫描技术
研究更快的扫描序列和算法，缩短 成像时间，提高检查效率，减轻患 者长时间处于扫描腔内的压力。
多模态成像融合
结合磁共振成像与其他影像技术（ 如CT、PET等），实现多模态成像 融合，提供更全面的医学影像信息 。
新应用活动和功能连接，深入 了解神经系统和认知科学领域。
磁共振成像的优势与局限性
高软组织分辨率
MRI对软组织结构有高分辨率，能够清晰显示脑、关节、肌 肉等组织的细微结构。
无骨伪影干扰
MRI不受骨骼的影响，能够清晰显示周围软组织的结构。
磁共振成像的优势与局限性
01
02
03
检查时间长
由于MRI需要采集大量数 据，检查时间相对较长。
金属植入物限制
磁共振成像原理与检查技术(医学影像技术)
骨关节系统疾病诊断
关节病变
磁共振成像能够清晰地显示关节 软骨、肌腱、韧带等结构，对于 诊断关节炎、肌腱炎等关节病变
具有很高的准确性。
骨骼肿瘤
磁共振成像可以发现骨骼肿瘤的存 在，并评估肿瘤的性质、范围和程 度，为制定治疗方案提供依据。
脊柱疾病
对于腰椎间盘突出、颈椎病等脊柱 疾病，磁共振成像能够提供详细的 病变信息，有助于医生制定合适的 治疗方案。
。
04
CATALOGUE
磁共振成像的优缺点
优点
软组织对比度高
磁共振成像能够提供高分辨率 的软组织图像，有利于观察和
诊断各种软组织病变。
无辐射损伤
磁共振成像不涉及X射线或放射 性核素等放射性物质，因此对 患者的身体无辐射损伤。
任意平面成像
磁共振成像可以在任意平面进 行成像，有助于多角度观察病 变，提高诊断的准确性。
液体衰减反转恢复序列（FLAIR）
用于检测脑部病变，特别是对脑白质病变和脑脊液的显示效果较好。
扩散加权成像（DWI）
用于检测组织中的水分子扩散运动，常用于脑部和腹部疾病的诊断。
功能成像序列
1 2
灌注加权成像（PWI）
用于评估组织血流灌注情况，常用于脑缺血的诊 断。
磁敏感加权成像（SWI）
用于检测组织磁敏感性的差异，常用于脑部疾病 的诊断。
脑部肿瘤
神经退行性疾病
利用磁共振成像技术可以清晰地显示 肿瘤的位置、大小和形态，有助于医 生对脑部肿瘤进行诊断和评估。
如阿尔茨海默病、帕金森病等，磁共 振成像技术可以观察到脑部结构和功 能的异常，有助于这些疾病的早期诊 断和病情监测。
脑血管疾病
磁共振血管成像技术可以无创地评估 脑血管状况，发现脑血管狭窄、动脉 瘤等病变，对于诊断和预防脑血管疾 病具有重要意义。
中国脑成像联盟首批临床科研型功能磁共振成像数据采集标准介绍
二、标准化参数的比较与测试
• 信噪比与成像线圈 • 多中心数据一致性验证－任务态fMRI • 多中心参数验证
信噪比与成像线圈
• 不同成像线圈比较 • BOLD图像信噪比 • DTI图像信噪比
不同成像线圈比较
MR 750
Prisma
BOLD图像信噪比
Noise
信 噪 比 测 量 示 意 图
Noise
123 - 155 mm 136.96± 5.03 mm
磁共振多模态标准化扫描参数
• T1(3D)扫描参数 • BOLD扫描参数 • DTI扫描参数 • 场图(field map)扫描参数 • T2(3D)扫描参数
T1(3D)高分辨率结构像
T1(3D)扫描参数
Scanner Sequence FOV (mm2) SliceThickness (mm) Gap (mm) SliceNum. TR (ms) TE (ms)
TR (ms) TE (ms) Phase partial Fourier Matrix PhaseDir. iPAT/Aset b0 Num. b (s/mm2) b Num. BandWidth VoxelSize (mm3)
Coil TA
Prisma
8000 64 6/8
2/24 10 64 2030 Hz/px 64CH/20CH 10m18s
Coil Scans
TA
Prisma
MR 750
2368 Hz/px 250 KHz
64CH/20CH 8CH/32CH
8m6s
8m
Ingenia
Trio Tim
224 × 224
3.5
0.7
33
Interleaved
功能磁共振成像原理简介
趣闻：为了更好地推广 fMRI 技术，医疗卫生机构逐渐删去 “核”（字母“N”）以免除病人对“核放射”的恐惧。
4 fMRI设备的构成
目前在市场上购买一套fMRI设备需要多少人民币？
设备构成：
（1）主磁体 (Static Magnetic Field)——磁化 （2）射频系统 (Radiofrequency Coil)——共振，激发与 接收信号 （3）梯度系统 (Gradient Coil)——定位 （4）计算机系统 （ 5 ）其他辅助设备（空调、液氮及水冷却系统、激光照相 机、生理指标监视器等）
5.2 宏观效应
射频脉冲激发后的效应是使宏观磁化矢量发生偏转。
射频脉冲的强度和持续时间决定射频脉冲激发后的效应。
低能量
中等能量(90º 脉冲)
高能量(180º 脉冲)
6 驰豫与驰豫时间
“出来混，迟早要还的！”
横向弛豫: 横向磁化矢量减少,直至到0状态的过程。 纵向弛豫: 纵向磁化矢量开始恢复，直至恢复到平衡状态的 过程。
掌握一个基本概念：磁场感应强度（B ）——主磁体的主 要指标
北师大目前拥有的fMRI仪器主磁体的磁场感应强度是3T。
单位T读作“特斯拉”。
磁场的其他单位： 高斯（gauss, G）： 1高斯为距离5安培电流的直导线1厘米 处检测到的磁场强度。
特斯拉（Tesla,T）： 的微观与宏观效应
能态的跃迁
通过外来射频给低能的氢质 子能量，氢质子获得能量进 入高能状态，即核磁共振。 射频取消，氢质子回到低能 状态。
5.1 微观效应
磁共振现象是靠射频线圈发射无线电波（射频脉冲）激发 人体内的氢质子来引发的，这种射频脉冲的频率必须与氢 质子进动频率相同，低能的质子获能进入高能状态。
磁共振功能成像DTI（2）
磁共振功能成像DTI（2）介绍又一个磁共振功能成像，DTI，是当前唯一能有效观察和追踪脑白质纤维束的非侵入性检查方法。
在神经外科临床上已成熟应用。
作者：薛伟来源：1影1世界编辑：stari磁共振扩散张量成像技术（临床应用）11、大脑发育中的应用我们知道，出生后大脑仍继续发育、髓鞘化，2岁左右基本完成，遵循从下到上，从后到前，从中央到周围的规律进行髓鞘化。
利用DTI技术，可以定量分析不同部位脑组织的各向异性程度，显示大脑的发育过程。
在新生儿和婴幼儿的大脑白质ADC值比成人大而空间各向异性比成人小，随着大脑发育成熟，由于整体水份的减少和髓鞘化的进程，许多区域的ADC值降低、而FA值增加，并且一些区域的改变要明显早于传统MRI的T1WI和T2WI的信号改变，被认为是前髓鞘化的表现。
DTI显示不同年龄儿童胼胝体的纤维束发育情况许多发育迟缓的儿童，尽管MRI平扫未见明显异常，但在DTI图像上存在多处白质纤维通路FA值下降而平均ADC增加的区域，为这一类疾病的诊断提供了影像学依据。
1脑肿瘤应用DTI可以定量分析肿瘤组织特点以鉴别肿瘤的级别，鉴别正常的白质纤维、水肿及肿瘤区域；显示神经纤维束与脑肿瘤的关系，使临床外科医生可以在术前、术中更清楚掌握肿瘤和白质纤维的情况，使手术方案更加可靠安全，并评估预后，这是DTI技术最有临床价值和应用的前景。
有学者利用FA图和彩色张量图将肿瘤和白质纤维的关系分为4种模式。
模式I：患侧纤维的FA值相对于对侧正常或轻微降低（降低<25％）同时纤维的位置或/和方向发生改变。
模式I，为肿瘤挤压周围纤维移位，提示肿瘤为良性或侵袭性不强的恶性肿瘤模式II：患侧纤维FA值相对于对侧明显降低（>25％），同时纤维位置和方向正常。
模式II提示瘤周发生水肿，但不排除有肿瘤侵入。
模式III：患侧纤维FA值相对于对侧明显减低，同时纤维的走向发生改变。
模式III提示瘤周纤维被肿瘤侵入模式IV：患侧纤维显示各向同性或近似同性，无法看出走行方向。
磁共振临床应用及进展课堂PPT
❖ NAA主要存在于神经元内，所以被称为神 经元的“内标物”，它的含量多少反映 神经元的功能状况。
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46
❖ 肌酐/磷酸肌酐（Cr/PCr）：化学位移为3.0和 3.94ppm的共振信号代表磷酸肌酐(PCr)和肌酐 (Cr)。除ATP外PCr为细胞能量代谢的主要储能 形式。
❖ 胆碱（Cho）：3.2ppm的共振信号主要源于细
4.
4
3、流空效应
❖ 定义：射频脉冲所激发的质 子在接收线圈获取MR信号时， 已流出成像层面；而此时成 像层面内原部位的质子为流 入的非激发质子，故不能产 生MRI信号，呈无信号黑影。
❖ 流空效应：不用对比剂使血 管成像
5.
5
4、MR对比增强效应
❖ 定义：顺磁性对比剂可以缩短周围质子 的弛豫时间。
❖ PdWI: MR图像主要反映的是组织间质 子密度值差别
2.
2
❖同一组织或病变在不 同的成像序列具有不 同的信号强度。
❖T1WI
– T1值长，信号低（黑） – T1值短，信号高（白）
❖ T2WI
– T2值长，信号高（白） – T2值短，信号低（黑）
3.
T1WI
3
T2WI
2、多方位成像
轴位、矢状位、冠状位、 任何倾斜位
❖ 急性脑梗死缺血半暗带和梗死核心评估； ❖ 肿瘤的组织学评价、分级； ❖ 对脑肿瘤治疗后效果的评估； ❖ 肿瘤复发和放疗坏死的鉴别。
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37
临床应用
1. 脑梗死
MR灌注成像对脑梗死的诊断，MTT对 缺血最敏感 ，rCBV和rCBF对早期脑梗死的 诊断特异性较高。
急性脑梗塞时，MR灌注成像lh之内即 可探测到，通常，CBV多无变化，但CBF下 降，MTT延长。
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❖ 肌酐/磷酸肌酐（Cr/PCr）：化学位移为3.0和 3.94ppm的共振信号代表磷酸肌酐(PCr)和肌酐 (Cr)。除ATP外PCr为细胞能量代谢的主要储能 形式。
❖ 胆碱（Cho）：3.2ppm的共振信号主要源于细
4.
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3、流空效应
❖ 定义：射频脉冲所激发的质 子在接收线圈获取MR信号时， 已流出成像层面；而此时成 像层面内原部位的质子为流 入的非激发质子，故不能产 生MRI信号，呈无信号黑影。
❖ 流空效应：不用对比剂使血 管成像
5.
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4、MR对比增强效应
❖ 定义：顺磁性对比剂可以缩短周围质子 的弛豫时间。
❖ PdWI: MR图像主要反映的是组织间质 子密度值差别
2.
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❖同一组织或病变在不 同的成像序列具有不 同的信号强度。
❖T1WI
– T1值长，信号低（黑） – T1值短，信号高（白）
❖ T2WI
– T2值长，信号高（白） – T2值短，信号低（黑）
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T1WI
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T2WI
2、多方位成像
轴位、矢状位、冠状位、 任何倾斜位
❖ 急性脑梗死缺血半暗带和梗死核心评估； ❖ 肿瘤的组织学评价、分级； ❖ 对脑肿瘤治疗后效果的评估； ❖ 肿瘤复发和放疗坏死的鉴别。
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临床应用
1. 脑梗死
MR灌注成像对脑梗死的诊断，MTT对 缺血最敏感 ，rCBV和rCBF对早期脑梗死的 诊断特异性较高。
急性脑梗塞时，MR灌注成像lh之内即 可探测到，通常，CBV多无变化，但CBF下 降，MTT延长。
多核磁共振成像作用
多核磁共振成像作用核磁共振成像（MRI）是一种非侵入性的医学成像技术，它利用磁场和射频脉冲来检测人体内的氢原子核，并生成反映组织结构和生理功能的图像。
而多核磁共振成像则是在常规的单核磁共振成像基础上，引入多个不同类型的原子核作为探针，从而实现对生物体系更深入、更全面的研究。
本文将重点探讨多核磁共振成像在医学领域的作用。
一、多核磁共振成像的基本原理多核磁共振成像基于不同原子核的磁矩和射频响应特性的差异，通过设计和应用一系列特定的脉冲序列和射频场，实现对多个原子核的同时检测和成像。
这些原子核可以是氢（1H）、碳（12C）、氮（14N）、磷（31P）等，它们在生物体内具有不同的丰度和分布，从而能够提供关于生物体系结构和功能的丰富信息。
二、多核磁共振成像在医学领域的应用1. 分子结构和化学环境的测定：多核磁共振成像能够提供分子内部的原子间距、键合状态以及分子构型等信息，有助于深入理解生物分子的结构和功能。
这对于药物设计和开发、疾病机制研究等方面具有重要意义。
2. 代谢过程的监测：利用多核磁共振成像技术可以追踪生物体内的代谢过程，例如葡萄糖代谢、脂肪代谢等。
这对于肿瘤诊断、神经科学以及营养学等领域的研究具有重要价值。
3. 药物作用机制的研究：多核磁共振成像可以用于研究药物在生物体内的分布、结合位点以及作用机制。
这对于新药研发和药物疗效评估具有重要意义。
4. 疾病诊断和预后评估：多核磁共振成像技术可以用于检测和诊断多种疾病，例如肿瘤、心血管疾病、神经系统疾病等。
此外，通过监测患者的代谢变化和生理功能，还可以对疾病的预后进行评估。
5. 医学教育和培训：多核磁共振成像技术可以为医学教育和培训提供直观的图像资料，帮助学生和医生更好地理解人体结构和疾病机制。
三、多核磁共振成像的挑战与前景虽然多核磁共振成像技术在医学领域具有广泛的应用前景，但目前仍面临一些挑战，例如信号采集的灵敏度、分辨率以及检测时间等方面的问题。
未来随着技术的不断进步和应用研究的深入，多核磁共振成像有望在生物医学领域发挥更加重要的作用。
磁共振成像剖析
CT与MRI影像的基本区别
MRI
CT
软组织对比度
高
稍低
钙化
不敏感
敏感
任意方位成像
能
不能
骨伪影影响
无
有
X 线辐射
无
有
功能代谢分析
较高
较低
血流流动效应
有
无
病变敏感程度
高
稍低
磁共振硬、软件的改进与发展:
硬件方面：磁体小型化、低磁场设备、专用型MR扫描仪。 开放式MR机：常规成像和介入操作兼容。
线圈：全相控阵列线圈、相控阵列线圈 与检查床 一体化。
软件方面：
①超高速、时时重建、超高分辨率显示、将图像显示 分辨率提高至微秒水平。②一次屏气即可完成图像采 集并快速重建。③依次扫描完成采集原始数据后，即 可在工作站进行图像后处理（包括图像分割、图像融 合和MR内窥镜等）。
④另外，对于不同扫描序列图像叠加成联合的图像 （如MR胰胆管成像与MR门脉血管成像相结合）。⑤在 图像获取方面，MRI具有多参数和多层面成像的特点， 可用二维或三维获取任意方向、任意层面的影象，通 过工作站也可作导航内窥镜技术，如MR仿真内窥镜。
T1时间～即纵向磁化恢复至平衡态的63%时所 经历的时间。
它是纵向磁化恢复快慢的一个量度，T1长则纵向磁 化恢复慢，MR信号低；T1短则纵向磁化恢复快，MR信 号高。不同组织T1时间不同，释放所吸收的射频能量 的速度各不相同。在纵向弛豫期间，自旋核子释放出 所吸收的射频能量至周围环境（晶格）中，因此纵向 弛豫也称为自旋-晶格弛豫。
弛豫～ 是指系统从非平衡态恢复至其平衡 态的一个动态过程。在MRI中弛豫包括纵向磁 化Mz的恢复及横向磁化Mxy的衰减。
纵向弛豫～ 是指射频终止后，纵向磁化逐渐 恢复至平衡态的过程。纵向磁化Mz的弛豫速 率呈指数曲线形式： Mz＝M（1－e-t/T1）
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自发活动与任务态脑激活的关系
发现：2个脑区在同一任务状态下被激活，在该任务时，这 两个脑区的相关性增加；而其他脑区之间的相关性会降低； 测到的BOLD信号与人类行为相关 假设：如果自发活动可以解释测到的BOLD信号，自发活 动就会与人类行为相关 证据： 右侧运动区的自发活动可以解释动手实验中左侧运动区激 活与动手力量的关系 DLPFC的功能连接可以解释个体智商的差异
Friston et al., 2011
GCM
线性多变量自回归模型进行 定量预测 无需先验解剖假设 用于探索性分析 受血液动力学特性的影响
Schippers et al., 2010
第一章 影像诊断学总论
General Introduction of Diagnostic Imaging
第十节 功能磁共振成像
BOLD成像原理
脱氧血红蛋白为顺磁性，可缩短T2，造成MR信号强度降低 组织中脱氧血红蛋白的含量降低，磁共振信号强度上升 当神经细胞活动增强时，随即引发局部脑血流的上升 神经细胞激活时所导致的脑血流的增加幅度大于氧气消耗量的
Roebroeck et al., Neuroimage 2005
Dynamic causal modelling (DCM)
Friston et al., Neuroimage 2003
PPI
研究两个远隔脑区活动的相关性 是否因心理状态不同而不同 既心理状态与功能连接有无交互 作用
Harvey et al., 2011
基于ICA的功能连接分析
Xuan et al., Plos One 2012
Wang et al., Neuroimage 2013
基于ICA的功能连接分析
Zhang et al., Sleep 2013
Song et al., Plos One 2013
脑功能网络分析
Bullmore and Sporns, 2009
脑功能网络分析
Wang et al., Brain 2010
Liu et al., Brain 2008
子网络分析
常用效应连接分析方法
Psychophysiological interactions (PPI)
Friston et al., Neuroimage 1997
Structural equation modeling (SEM) Granger causality mapping (GCM)
特点：简单、敏感、易解释 缺点：必须定义种子区、不能同时研究多个系统
、提取的波形并非独立变量
种子区功能连接分析
种子区功能连接分析
种子区功能连接分析
基于ICA的功能连接分析
优点：
不需要定义种子区 获得统计上独立的组份 每个组分对应于一个空间图（噪声、神经网络）
不足：
结果与主观确定的组分数有关 组分的生物学意义需要根据人为定义的标准确定 解释复杂
自发BOLD相关与解剖连接关系
猴动眼系统
Vincent et al., 2007
ReHo技术
ReHo：Zang et al., 2004 假设：脑活动以团块形式出现，而不是 单个体素 指标：KCC评价一个体素与其相邻体 素的时间序列的相似性 生理学意义：？ 观察发现：默认网络内的ReHo值最高
Raichle et al., 2001 Wang et al., 2009
Small-world network high clustering coefficients (Cp) short path length (Lp)
全脑网络分析 子网络分析
小世界网络属性
聚类系数（Cp）: 局部效率 最短路径长度（Lp）:并行处理能
力或全局效率 Gamma：标准化Cp Lambda: 标准化 Lp 节点中心性 (BC): 网络重要性
SEM
选择ROI 选择关系图 探索ROI之间的相互作用 不足：忽略重要脑区时会导致错 误结果
Zhuang et al., 2008
DCM
输入是已知的而不是随机的 研究输入对脑活动及脑连接的影响 验证具体假设，不适合探索性分析 假设人脑是一个非线性、动态系统 双线性模型 Bayesian inference
为什么要研究BOLD信号的自发性波动？
能量代谢：人脑占体重的2%，耗氧量为20%；任务诱导 的代谢增加不足5%；绝大多数能量用于静息状态下的神经 元活动
经验观察：在静息状态下，左侧与右侧感觉运动区的自 发BOLD信号存在显著相关性，这种相关性也存在于运动 前区及SMA
8
静息态fMRI信号与噪声
噪声来源：机械运动、生理波动（心跳、呼吸、脑脊液搏 动）、设备稳定性…… 去除噪声 提高采样率以减小心跳和呼吸等高频活动 同步记录生理波动 独立成分分析（ICA）技术 去除全脑均值、脑脊液及脑白质信号
增加幅度 激活脑区最终表现为局部氧合水平升高，去氧血红蛋白浓度降
低，在磁共振图像上呈现亮信号
第十节 功能磁共振成像
BOLD成像原理
基于组块任务的fMRI
组块设计 fMRI
基于组块任务的fMRI
Fox and Raichle, 2007
事件相关fMRI
事件相关 fMRI
静息态fMRI技术
研究内容：BOLD信号的自发性波动，在基于任务的fMRI 实验中被当作噪声
ALFF技术
A. 时间序列的信号强度 B. 带通滤波 (0.01–0.08 Hz) C. 快速傅利叶变换的到功率谱 D. ALFF：功率谱的方根 E. 0.01–0.08 Hz频段的平均ALFF F. 标准化的 ALFF
区功能连接分析
研究内容与方法：选定体素与其它体素时间序列 的相关性
静息态fMRI研究方法
局部脑活动分析
ReHo和ALFF
功能连接分析
单ROI和多ROI
脑功能网络分析
全脑网络分析和子网络分析
自发活动的起源
闭上双眼，保持不动，不要睡觉，不要思考具体问题 来自不受约束的行为或精神活动？
存在于不同静息状态、任务状态、睡眠状态、麻醉状态 存在于不同脑功能系统 任务诱导的激活有别于但叠加到自发活动 想象所致的脑活动模式有别于自发活动 自发活动与人类行为相关