《神經(jīng)影像技術(shù)》課件

神經(jīng)影像技術(shù)腦成像技術(shù)的視覺之旅課程概述神經(jīng)影像技術(shù)定義無(wú)創(chuàng)觀察腦結(jié)構(gòu)與功能課程目標(biāo)掌握主要成像原理與臨床應(yīng)用學(xué)習(xí)重點(diǎn)神經(jīng)影像技術(shù)的發(fā)展歷史11895年倫琴發(fā)現(xiàn)X射線21972年CT技術(shù)臨床應(yīng)用31977年MRI技術(shù)問世41990年代功能性MRI發(fā)展52000年后神經(jīng)影像技術(shù)的基本原理物理學(xué)基礎(chǔ)電磁波與原子相互作用不同組織對(duì)能量吸收差異信號(hào)產(chǎn)生與檢測(cè)原理生物學(xué)基礎(chǔ)神經(jīng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)白質(zhì)與灰質(zhì)差異神經(jīng)影像技術(shù)的分類結(jié)構(gòu)成像顯示解剖形態(tài)CTMRIDTI功能成像反映生理活動(dòng)fMRIPETSPECTX射線技術(shù)原理X射線穿透組織不同密度組織吸收差異在感光材料上形成影像應(yīng)用顱骨骨折檢查椎管狹窄診斷適合初篩檢查局限性軟組織分辨率低存在輻射風(fēng)險(xiǎn)計(jì)算機(jī)斷層掃描（CT）工作原理X射線旋轉(zhuǎn)掃描獲取橫斷面信息優(yōu)勢(shì)速度快擅長(zhǎng)顯示骨骼結(jié)構(gòu)清晰局限性CT在神經(jīng)系統(tǒng)疾病診斷中的應(yīng)用腦出血表現(xiàn)為高密度影腦梗塞表現(xiàn)為低密度影顱內(nèi)鈣化敏感顯示鈣化灶磁共振成像（MRI）基礎(chǔ)強(qiáng)磁場(chǎng)氫原子排列射頻脈沖激發(fā)氫原子能量釋放產(chǎn)生信號(hào)信號(hào)處理重建圖像MRI序列類型T1加權(quán)腦脊液暗適合顯示解剖結(jié)構(gòu)T2加權(quán)腦脊液亮適合顯示病變FLAIR抑制腦脊液信號(hào)突出白質(zhì)病變功能性磁共振成像（fMRI）BOLD效應(yīng)血氧水平依賴效應(yīng)神經(jīng)元活動(dòng)增加血流增加氧合血紅蛋白增多磁信號(hào)變化去氧血紅蛋白減少腦區(qū)激活圖顯示功能定位fMRI在腦功能研究中的應(yīng)用認(rèn)知功能研究記憶與決策相關(guān)腦區(qū)情感處理研究杏仁核與情緒調(diào)節(jié)語(yǔ)言功能研究布洛卡區(qū)與韋尼克區(qū)彌散張量成像（DTI）水分子擴(kuò)散檢測(cè)水分子定向運(yùn)動(dòng)各向異性纖維束內(nèi)定向擴(kuò)散纖維束追蹤可視化白質(zhì)神經(jīng)通路連接組研究揭示腦區(qū)間結(jié)構(gòu)連接磁共振波譜（MRS）工作原理檢測(cè)特定代謝物濃度基于化學(xué)位移原理獲取生化信息主要代謝物N-乙酰天門冬氨酸(NAA)肌酸(Cr)膽堿(Cho)肌醇(mI)谷氨酸(Glu)正電子發(fā)射斷層掃描（PET）放射性核素正電子衰變湮滅事件產(chǎn)生伽馬射線探測(cè)器環(huán)接收信號(hào)圖像重建顯示代謝活動(dòng)PET在神經(jīng)退行性疾病中的應(yīng)用阿爾茨海默病顳頂葉葡萄糖代謝降低帕金森病紋狀體多巴胺減少淀粉樣蛋白成像早期診斷關(guān)鍵單光子發(fā)射計(jì)算機(jī)斷層掃描（SPECT）項(xiàng)目SPECTPET輻射源單光子發(fā)射正電子湮滅分辨率較低較高示蹤劑99mTc等18F-FDG等成本相對(duì)較低相對(duì)較高臨床普及度更廣泛有限腦電圖（EEG）1929年發(fā)明時(shí)間漢斯·貝格爾首次記錄人類腦電活動(dòng)0.05-0.5μV信號(hào)幅度微弱電信號(hào)需放大1-100Hz頻率范圍覆蓋主要腦電節(jié)律<1ms時(shí)間分辨率實(shí)時(shí)反映神經(jīng)元群活動(dòng)EEG在癲癇診斷中的應(yīng)用發(fā)作間期EEG棘波與尖波異常慢波確定癲癇灶發(fā)作期EEG節(jié)律性放電癲癇波傳播分類發(fā)作類型長(zhǎng)程監(jiān)測(cè)視頻腦電圖捕捉罕見發(fā)作術(shù)前評(píng)估腦磁圖（MEG）原理檢測(cè)神經(jīng)元產(chǎn)生的微弱磁場(chǎng)超導(dǎo)量子干涉儀極其敏感的磁場(chǎng)探測(cè)器優(yōu)勢(shì)空間定位精確局限性設(shè)備昂貴且維護(hù)復(fù)雜近紅外光譜成像（fNIRS）工作原理利用近紅外光穿透頭皮檢測(cè)血紅蛋白濃度變化反映腦活動(dòng)水平優(yōu)勢(shì)無(wú)創(chuàng)無(wú)輻射便攜式設(shè)備自然環(huán)境下測(cè)量局限性只能探測(cè)表層皮質(zhì)空間分辨率低頭發(fā)干擾信號(hào)質(zhì)量多模態(tài)神經(jīng)影像互補(bǔ)信息結(jié)構(gòu)與功能結(jié)合數(shù)據(jù)融合多源數(shù)據(jù)整合方法聯(lián)合分析提高診斷精確度挑戰(zhàn)配準(zhǔn)與標(biāo)準(zhǔn)化難題神經(jīng)影像數(shù)據(jù)分析方法計(jì)算復(fù)雜度應(yīng)用廣泛度機(jī)器學(xué)習(xí)在神經(jīng)影像中的應(yīng)用監(jiān)督學(xué)習(xí)疾病分類預(yù)后預(yù)測(cè)支持向量機(jī)隨機(jī)森林無(wú)監(jiān)督學(xué)習(xí)模式發(fā)現(xiàn)亞型鑒別聚類分析降維技術(shù)人工智能與神經(jīng)影像數(shù)據(jù)預(yù)處理標(biāo)準(zhǔn)化與降噪深度學(xué)習(xí)多層神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)提取特征輔助診斷自動(dòng)分類與病變檢測(cè)預(yù)后預(yù)測(cè)個(gè)體化治療方案腦連接組學(xué)結(jié)構(gòu)連接組白質(zhì)纖維物理連接基于DTI技術(shù)功能連接組腦區(qū)活動(dòng)時(shí)間同步性基于fMRI技術(shù)網(wǎng)絡(luò)特性小世界屬性模塊化組織靜息態(tài)功能連接靜息態(tài)網(wǎng)絡(luò)大腦休息時(shí)自發(fā)活動(dòng)模式默認(rèn)模式網(wǎng)絡(luò)內(nèi)側(cè)前額葉與頂葉后部注意網(wǎng)絡(luò)前扣帶與背外側(cè)前額葉臨床應(yīng)用精神疾病生物標(biāo)記物神經(jīng)影像在精神疾病研究中的應(yīng)用精神分裂癥前額葉灰質(zhì)減少側(cè)腦室擴(kuò)大抑郁癥前額葉代謝降低杏仁核活動(dòng)增強(qiáng)雙相情感障礙邊緣系統(tǒng)異常前額-皮質(zhì)下連接變化神經(jīng)影像在神經(jīng)系統(tǒng)疾病診斷中的作用多發(fā)性硬化白質(zhì)斑片樣病變時(shí)空分散特點(diǎn)腦腫瘤造影增強(qiáng)特點(diǎn)周圍水腫與占位效應(yīng)神經(jīng)影像在中風(fēng)研究中的應(yīng)用超早期（<6小時(shí)）DWI高信號(hào)識(shí)別缺血核心急性期（6-72小時(shí)）灌注成像評(píng)估缺血半暗帶恢復(fù)期（>72小時(shí)）功能連接變化監(jiān)測(cè)神經(jīng)可塑性慢性期腦萎縮程度預(yù)測(cè)長(zhǎng)期預(yù)后神經(jīng)影像在神經(jīng)外科手術(shù)規(guī)劃中的應(yīng)用病變定位精確確定腫瘤邊界功能區(qū)定位保護(hù)運(yùn)動(dòng)語(yǔ)言區(qū)手術(shù)路徑規(guī)劃避開重要血管神經(jīng)術(shù)中導(dǎo)航實(shí)時(shí)指導(dǎo)手術(shù)過程神經(jīng)影像在藥物研發(fā)中的應(yīng)用靶點(diǎn)識(shí)別特定受體分布早期測(cè)試血腦屏障通透性療效評(píng)估功能恢復(fù)程度人群分層預(yù)測(cè)藥物響應(yīng)神經(jīng)影像在認(rèn)知科學(xué)研究中的應(yīng)用記憶研究海馬體與記憶編碼前額葉與工作記憶杏仁核與情緒記憶注意力研究前扣帶回與監(jiān)控沖突頂葉與空間注意額葉與注意資源分配神經(jīng)影像在情感研究中的應(yīng)用高級(jí)認(rèn)知調(diào)控前額葉皮質(zhì)情緒評(píng)價(jià)前扣帶皮質(zhì)情緒體驗(yàn)杏仁核與腦島神經(jīng)影像在語(yǔ)言研究中的應(yīng)用語(yǔ)言理解韋尼克區(qū)激活語(yǔ)言表達(dá)布洛卡區(qū)活動(dòng)增強(qiáng)雙語(yǔ)研究語(yǔ)言控制網(wǎng)絡(luò)差異神經(jīng)影像在決策研究中的應(yīng)用獎(jiǎng)勵(lì)系統(tǒng)伏隔核激活多巴胺釋放增加預(yù)期與實(shí)際獎(jiǎng)勵(lì)差異風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估前腦島激活杏仁核參與不確定性程度編碼沖動(dòng)控制前額葉抑制作用控制短期誘惑延遲滿足能力神經(jīng)影像在發(fā)展研究中的應(yīng)用灰質(zhì)體積白質(zhì)體積神經(jīng)影像在睡眠研究中的應(yīng)用1清醒高頻低幅α波前額葉活躍2淺睡眠θ波增多丘腦活動(dòng)減弱3深睡眠低頻高幅δ波皮質(zhì)廣泛同步4快速眼動(dòng)睡眠類似清醒腦電波邊緣系統(tǒng)活躍神經(jīng)影像在意識(shí)研究中的應(yīng)用清醒意識(shí)額頂網(wǎng)絡(luò)完整連接微小意識(shí)狀態(tài)部分網(wǎng)絡(luò)保留植物狀態(tài)全腦功能連接中斷昏迷狀態(tài)腦干網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)損傷神經(jīng)影像在疼痛研究中的應(yīng)用感覺區(qū)初級(jí)軀體感覺皮質(zhì)疼痛強(qiáng)度編碼情感區(qū)前扣帶皮質(zhì)疼痛情緒體驗(yàn)認(rèn)知區(qū)前額葉皮質(zhì)疼痛調(diào)控神經(jīng)影像在成癮研究中的應(yīng)用獎(jiǎng)賞回路腹側(cè)被蓋區(qū)多巴胺神經(jīng)元伏隔核與前額葉投射藥物直接激活快感中樞戒斷機(jī)制扣帶回前部異常活動(dòng)邊緣系統(tǒng)調(diào)控失衡前額葉控制功能減弱神經(jīng)影像在神經(jīng)康復(fù)中的應(yīng)用損傷評(píng)估結(jié)構(gòu)影像確定病變范圍功能測(cè)繪識(shí)別剩余功能區(qū)康復(fù)監(jiān)測(cè)追蹤大腦重組過程預(yù)后評(píng)估預(yù)測(cè)恢復(fù)潛力神經(jīng)影像在腦機(jī)接口研究中的應(yīng)用腦信號(hào)采集EEG或植入電極信號(hào)處理濾波與特征提取模式解碼機(jī)器學(xué)習(xí)算法設(shè)備控制假肢或計(jì)算機(jī)操作神經(jīng)影像倫理問題隱私保護(hù)大腦數(shù)據(jù)極其敏感可能泄露精神狀態(tài)需特殊安全保障偶然發(fā)現(xiàn)研究中意外發(fā)現(xiàn)病變是否告知受試者處理流程規(guī)范化知情同意充分理解檢查目的結(jié)果解釋與處理二次研究授權(quán)神經(jīng)影像數(shù)據(jù)共享1數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化統(tǒng)一采集參數(shù)2數(shù)據(jù)預(yù)處理去除個(gè)人信息3數(shù)據(jù)上傳安全傳輸協(xié)議4數(shù)據(jù)訪問權(quán)限管理機(jī)制神經(jīng)影像質(zhì)量控制圖像偽影類型運(yùn)動(dòng)偽影金屬偽影化學(xué)位移磁敏感偽影射頻干擾數(shù)據(jù)預(yù)處理步驟運(yùn)動(dòng)校正去噪處理空間標(biāo)準(zhǔn)化平滑過濾強(qiáng)度歸一化神經(jīng)影像報(bào)告規(guī)范結(jié)構(gòu)化報(bào)告標(biāo)準(zhǔn)化模板提高效率精確描述位置尺寸信號(hào)特點(diǎn)對(duì)比分析與既往檢查比較明確結(jié)論鑒別診斷與建議神經(jīng)影像設(shè)備選擇與維護(hù)設(shè)備優(yōu)勢(shì)磁場(chǎng)強(qiáng)度/解析度維護(hù)重點(diǎn)1.5TMRI成本低中等冷卻系統(tǒng)3.0TMRI信噪比高高射頻校準(zhǔn)7.0TMRI研究專用超高磁場(chǎng)均勻性256排CT速度快亞毫米探測(cè)器校準(zhǔn)神經(jīng)影像安全問題MRI安全強(qiáng)磁場(chǎng)危險(xiǎn)物體篩查輻射防護(hù)CT檢查劑量?jī)?yōu)化造影劑風(fēng)險(xiǎn)腎功能評(píng)估與過敏預(yù)防人員培訓(xùn)定期安全教育與演練神經(jīng)影像造影劑釓類造影劑碘類造影劑超順磁氧化鐵放射性示蹤劑其他特殊造影劑神經(jīng)影像新技術(shù)展望分子影像技術(shù)組織特異性精確靶向病變分子水平顯示代謝過程細(xì)胞功能反映生物活性神經(jīng)影像與基因組學(xué)結(jié)合影像基因組學(xué)連接基因與腦表型多組學(xué)整合構(gòu)建疾病網(wǎng)絡(luò)模型個(gè)體化醫(yī)療基于基因定制治療疾病風(fēng)險(xiǎn)預(yù)測(cè)早期干預(yù)策略神經(jīng)影像在法醫(yī)學(xué)中的應(yīng)用死后影像學(xué)無(wú)創(chuàng)尸檢方法保留證據(jù)完整性檢測(cè)隱匿性創(chuàng)傷年齡估計(jì)大腦發(fā)育特征骨齡評(píng)估身份識(shí)別輔助傷情評(píng)估創(chuàng)傷形成機(jī)制傷后存活時(shí)間估計(jì)死因判定依據(jù)神經(jīng)影像在動(dòng)物研究中的應(yīng)用小動(dòng)物成像微型MRI設(shè)備靈長(zhǎng)類研究認(rèn)知進(jìn)化模型轉(zhuǎn)化醫(yī)學(xué)疾病動(dòng)物模型驗(yàn)證神經(jīng)影像技術(shù)人才培養(yǎng)物理基礎(chǔ)磁共振原理神經(jīng)解剖腦結(jié)構(gòu)圖譜2計(jì)算技能數(shù)據(jù)分析方法臨床應(yīng)用診斷經(jīng)驗(yàn)積累神經(jīng)影像產(chǎn)業(yè)發(fā)展1200億全球市場(chǎng)規(guī)模年增長(zhǎng)率8.5%165億中國(guó)市場(chǎng)規(guī)?？焖僭鲩L(zhǎng)中4500+相關(guān)企業(yè)數(shù)量設(shè)備與軟件生產(chǎn)商