磁共振應(yīng)用_李煥杰

1、磁共振應(yīng)用磁共振應(yīng)用李煥杰李煥杰生物醫(yī)學(xué)工程生物醫(yī)學(xué)工程系系提綱提綱功能磁共振功能磁共振 血血氧水平依賴對(duì)比度（氧水平依賴對(duì)比度（BOLD fMRI） 靜息態(tài)靜息態(tài) （Resting-state fMRI, rfMRI）磁共振波譜（磁共振波譜（MR Spectroscopy, MRS)結(jié)構(gòu)磁共振結(jié)構(gòu)磁共振 結(jié)構(gòu)像結(jié)構(gòu)像 (T1, T2) 彌散彌散張量成像張量成像（Diffusion Tensor Imaging, DTI）BOLD fMRI 是一種檢測(cè)大腦活動(dòng)的技術(shù)，它是檢測(cè)發(fā)生神經(jīng)是一種檢測(cè)大腦活動(dòng)的技術(shù)，它是檢測(cè)發(fā)生神經(jīng)活動(dòng)時(shí)活動(dòng)時(shí)血氧血氧和和血流血流的變化，通過(guò)測(cè)量血流、血氧的變化，通過(guò)

2、測(cè)量血流、血氧和氧消耗的關(guān)系來(lái)和氧消耗的關(guān)系來(lái)間接間接的反映神經(jīng)活動(dòng)。的反映神經(jīng)活動(dòng)。背景背景1992年，年，Ogawa在做老鼠實(shí)驗(yàn)時(shí)發(fā)現(xiàn)在做老鼠實(shí)驗(yàn)時(shí)發(fā)現(xiàn)血血氧水平對(duì)比度（氧水平對(duì)比度（BOLD）現(xiàn)象現(xiàn)象BOLD對(duì)比度示圖對(duì)比度示圖（A）大鼠吸入純氧氣體的）大鼠吸入純氧氣體的MRI；（B）大鼠吸入標(biāo)準(zhǔn)空氣的）大鼠吸入標(biāo)準(zhǔn)空氣的MRI。 氧含量對(duì)弛豫時(shí)間的氧含量對(duì)弛豫時(shí)間的影響影響;橫坐標(biāo)橫坐標(biāo)表示血液中氧含量的表示血液中氧含量的百分比百分比;紅紅線表示縱向弛豫線表示縱向弛豫率率; 藍(lán)藍(lán)線表示橫向弛豫率。線表示橫向弛豫率。 腦活動(dòng)時(shí)腦活動(dòng)時(shí)BOLD 信號(hào)產(chǎn)生原理信號(hào)產(chǎn)生原理氧在血液和組織間的交

3、換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。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蛋白，兩者的比例保持一定水平含氧血紅蛋白含氧血紅蛋白o(hù)xy-Hb: 抗磁性，不影響磁場(chǎng)的均勻性抗磁性，不影響磁場(chǎng)的均勻性脫氧血紅蛋白脫氧血紅蛋白deoxy-Hb: 順磁性順磁性，增加磁場(chǎng)不均勻性，

4、使，增加磁場(chǎng)不均勻性，使T2*縮短，磁共振信號(hào)降低縮短，磁共振信號(hào)降低脫氧血紅蛋白增加原因？脫氧血紅蛋白增加原因？不匹配不匹配理論理論:大腦功能活動(dòng)時(shí)，血流（大腦功能活動(dòng)時(shí)，血流（CBF）和血氧）和血氧消耗（消耗（CMRO2）的需求關(guān)系不匹配的需求關(guān)系不匹配The Roy-Sherrington principle Roy and Sherrington, J. Physiology (1890)CBF、CMRglu 和和 CMRO2的需求是匹配的的需求是匹配的CBFCMRO2PET (視覺刺激視覺刺激) CBF: 50%CMRGlc: 51 % Fox et al, PNAS (1986);

5、 Science (1988).CBF: 50%CMRO2: 5%不匹配不匹配!刺激初期，代謝機(jī)制刺激初期，代謝機(jī)制磁共振研究證實(shí)不匹配現(xiàn)象磁共振研究證實(shí)不匹配現(xiàn)象BOLD信號(hào)與腦血流、腦氧代謝率和腦信號(hào)與腦血流、腦氧代謝率和腦血體積的關(guān)系：血體積的關(guān)系： 1121111% BOLD% CMRO% CBV% CBFM 早期早期fMRI研究研究研究領(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）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)年齡、性別、健康與疾病、高低氧狀態(tài)認(rèn)知認(rèn)知實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)N-back任務(wù)任務(wù)Z

6、ou Gao, J Cogn Sci （2011）實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)神經(jīng)激活后氧合血紅蛋白和脫神經(jīng)激活后氧合血紅蛋白和脫氧血紅蛋白含量的變化氧血紅蛋白含量的變化 血液動(dòng)力學(xué)血液動(dòng)力學(xué)響應(yīng)曲線。響應(yīng)曲線。（A）為塊狀型設(shè)計(jì)響應(yīng)曲線；）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。）為事件相關(guān)型設(shè)計(jì)響應(yīng)曲線。靜息態(tài)功能磁共振（靜息態(tài)功能磁共振（rfMRI）什么是靜息態(tài)？什么是靜息態(tài)？ 無(wú)任務(wù)（睜眼或者閉眼）無(wú)任務(wù)（睜眼或者閉眼） 放松休息放松休息 不要胡思亂想不要胡思亂想 保持清醒保持清醒靜息靜息態(tài)磁共振態(tài)磁共振 采集采集5-10分鐘分鐘fMRI圖像圖像 分析低頻波動(dòng)（分析低頻波動(dòng)（0.01

7、-0.08Hz）早期早期rfMRI研究研究體體素信號(hào)時(shí)間序列素信號(hào)時(shí)間序列低頻信號(hào)代表大腦的自發(fā)活動(dòng)低頻信號(hào)代表大腦的自發(fā)活動(dòng)腦網(wǎng)絡(luò)腦網(wǎng)絡(luò)默認(rèn)網(wǎng)絡(luò)（默認(rèn)網(wǎng)絡(luò)（default mode network, DMN）:休息時(shí)開啟，執(zhí)行任務(wù)時(shí)關(guān)閉休息時(shí)開啟，執(zhí)行任務(wù)時(shí)關(guān)閉Zhang and Raichle, 2010. Nat. Rev. Neurol.腦連接腦連接磁共振波譜（磁共振波譜（MRS）不是圖像域信號(hào)，而是頻率域信號(hào)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

8、此可在頻率域上得出物質(zhì)信息差異，因此可在頻率域上得出物質(zhì)信息波譜脈沖波譜脈沖三個(gè)三個(gè)RF脈沖都是選層脈沖，單體素采集，體素大小脈沖都是選層脈沖，單體素采集，體素大小2x2x2cm3采集采集FID信號(hào)，頻率域信息信號(hào)，頻率域信息特點(diǎn)特點(diǎn)對(duì)場(chǎng)的均勻度要求很高，對(duì)場(chǎng)的均勻度要求很高，=(B0+B)單體素單體素成像，區(qū)域越小，場(chǎng)均勻度越好；全腦的場(chǎng)均勻度較低成像，區(qū)域越小，場(chǎng)均勻度越好；全腦的場(chǎng)均勻度較低信噪比低，需多次平均提高信噪比信噪比低，需多次平均提高信噪比時(shí)間分辨率低，約在分鐘量級(jí)，時(shí)間分辨率低，約在分鐘量級(jí)，T=2s(TR) x 200(平均次數(shù)平均次數(shù))依賴高場(chǎng)磁共振，依賴高場(chǎng)磁共振，B0

9、越高，信噪比越高，但越高，信噪比越高，但B0越高，場(chǎng)均勻性越差，越高，場(chǎng)均勻性越差，目前常用的磁場(chǎng)強(qiáng)度為目前常用的磁場(chǎng)強(qiáng)度為3T可以觀測(cè)到分子層面物質(zhì)信息，有利于深入了解腦能量代謝機(jī)制可以觀測(cè)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)估有利于疾?。ㄈ缒[瘤）的臨床診斷和評(píng)估應(yīng)用：乳酸研究應(yīng)用：乳酸研究10Hz視覺刺激時(shí)，乳酸的變化視覺刺激時(shí)，乳酸的變化 Mangia et al, JCBFM (2007)不同頻率視覺刺激時(shí)，乳酸的變化不同頻率視覺刺激時(shí)，乳酸的變化31P-MRS (磷磷譜譜)Zhu et al., NeuroImage 2012可以測(cè)量可以

10、測(cè)量ATP，PCr等能量代謝物質(zhì)等能量代謝物質(zhì)時(shí)間分辨率和空間分辨率都較低時(shí)間分辨率和空間分辨率都較低Velan et al., JMRI 2007波譜圖像波譜圖像MRSI Maudsley et al., MRM 2009單個(gè)被試單個(gè)被試采集時(shí)間：采集時(shí)間：15 min88個(gè)被試的平均圖像個(gè)被試的平均圖像結(jié)構(gòu)磁共振結(jié)構(gòu)磁共振結(jié)構(gòu)像結(jié)構(gòu)像 T1, T2, 彌散張量成像（彌散張量成像（DTI）結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)像：像：VBM分析分析研究：腦灰質(zhì)密度差異研究：腦灰質(zhì)密度差異應(yīng)用：阿爾茨海默癥診斷、年齡、特殊人群等應(yīng)用：阿爾茨海默癥診斷、年齡、特殊人群等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

11、向，研究不中樞神經(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。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。各個(gè)方向彌散程度不同，具有方向依賴性。表述參數(shù)表述參數(shù)擴(kuò)散張量擴(kuò)散張量D (矢量，有方向矢量，有方向)表觀擴(kuò)散系數(shù)表觀擴(kuò)散系數(shù)AD

12、C （標(biāo)量，無(wú)方向）（標(biāo)量，無(wú)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，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，表越高，表示水分子擴(kuò)散能力越強(qiáng)，單位示水分子擴(kuò)散能力越強(qiáng)，單位mm2/s。部分部分各向異性指數(shù)各向異性指數(shù)FA（標(biāo)量，無(wú)方向（標(biāo)量，無(wú)方向） 是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01。0代表彌散代表彌散不受限制，比如腦脊液的不受限制，比如腦脊液的 FA 值接近值接近 0；對(duì)于非常規(guī)則的具有方向性的組織，其；對(duì)于非常規(guī)則的具有方向性的組織，其FA值大于值大于0，例如大腦白質(zhì)纖維，例如大腦白質(zhì)纖維 FA 值接近值接近 1。腦組織水分子擴(kuò)散特