磁共振弥散张量成像在中枢神经系统的应用研究进展

?综 述?

磁共振弥散张量成像在中枢神经系统的应用研究进展

郭　睿,邓奎品　综述,刘铁军　审校

(广西柳州市人民医院MR科　广西　柳州　545001)

【摘　要】　磁共振弥散张量成像(MR2DTI)是一种新的无创性成像方法,它不同于常规T2加权成像和弥散加权成像(DWI),它可以准确地反映水分子扩散的方向信息,并通过特殊的软件处理,能够实现白质的纤维跟踪与可视化,目前已经成为中枢神经系统临床应用和生命科学研究重要的工具,本文在近年来的文献基础上详述了弥散张量成像的基本原理,并对弥散张量成像在中枢神经系统各个方面的运用现状和研究进展做一综述。

【关键词】　中枢神经系统;磁共振成像

中图分类号:R745;R445.1 文献标识码:A 文章编号:1006-9011(2009)06-0762-04

R esearch progress on m agnetic resonance diffusion tensor im aging(MR2DTI)and its applications in central nervous system

G UO Rui,DENG Kui2pin,LIU Tie2jun

Liu Zhou People’s Hospital o f Guangxi Liuzhou545001,P.R.China

【Abstract】　Magnetic res onance diffusion tens or imaging(MR2DTI)is a relatively new non2invasive imaging technique.Unlike normal T2weighted images(T2WI)and diffusion weighted images(DWI),MR2DTI can not only exactly reflect the directional in formation of the extend of diffusing water m olecules,but als o im plement the fiber tracking and the visualization of white matter by accessible s oftware pro2 cess,which is a relatively im portant im plement in clinical applications of the central nerv ous system and in life sciences.This paper expa2 tiates on the principle of MR2DTI based on literature in recent years,and als o,provides an overview of research progress on MR2DTI and the current applications of MR2DTI in central nerv ous system.

【K ey w ords】　Central nerv ous system;Magnetic res onance imaging

磁共振弥散成像技术是磁共振功能成像的一种,最常用的主要包括弥散加权成像(diffusion weighted imaging,DWI)和弥散张量成像(diffusion tens or imaging,DTI)。MR2DTI由Basser等[1]在1994年首次提出,是MR2DWI的发展和深化,不但是目前唯一可在活体显示脑白质纤维束的无创性成像方法[2],而且可以对水分子的自由热运动的各向异性进行量化,成为国内外中枢神经系统功能研究的最新热点之一。

1　磁共振弥散成像技术的生理基础

弥散是人体生理功能活动中的一种重要物理过程,也是分子的随机运动,即水分子自扩散(布朗运动)。在人体组织内水分子自扩散包括细胞外、细胞内和细胞之间的水分子的运动。这一运动中,水分子在各个方向所受到的弥散阻力相等,称为各向同性弥散,例如脑脊液;而大脑白质区的水分子的弥散表现出显著的各向异性,该区主要由神经纤维构成,包绕神经元轴突的髓鞘和轴突内的细胞结构对水分子的扩散起决定性的影响,垂直于神经纤维长轴走行的弥散受少突胶质细胞(分子结构由脂类和蛋白质构成)形成的髓鞘限制,而平行与神经长轴方向的弥散仅受到轴突内的结构(线粒

作者简介:郭睿(1978-),女,河南省人,毕业于广西医科大学医疗系,医学学士,主治医师,主要从事神经系统及骨关节影像诊断体、内质网等)亚细胞结构的影响,因此,平行于神经纤维长轴方向的弥散明显大于垂直于该方向的弥散[3]。在梯度场下水分子的弥散存在会导致磁矩改变,而细胞外水分子运动对信号的改变起主导作用。在这一基础上,DTI利用弥散张量场中的各向异性扩散的方向信息来追踪神经通路的走行,从而得到脑白质中神经纤维和功能束的走行方向和立体形态。

2　DTI的基本概念及定量参数

目前,MR2DTI研究分为两大方向。一是定量研究,常用的指标包括评价各向同性的平均弥散率(mean diffusivity, M D)、张量迹(trace,T r)以及评价各向异性程度的部分各向异性(fractional anis otropy,FA)、相对各向异性(relative anis otropy, RA)及容积比(v olume ratio,VR)等等。二是纤维束追踪技术(fiber tractography,FT),它主要显示脑白质中神经纤维和功能束的走行方向和立体形态。

2.1　本征向量

MR2DTI的脑白质纤维束的形态和各向异性的定量描述的原始计算基础之一就是本征向量的概念。假设大部分的水分子运动轨迹近似一个椭球体,椭球体的半径称为本征向量,可以用3个主轴方向的数值描述,其中最大半径称为主

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本征向量.由于张量元素具有对称性的特点,因此,理论上只需要测出六个非共面方向上的组织弥散系数,根据Peter 等[4]总结的计算机算法,即可求出张量的各个元素值。

2.2　平均扩散率(mean diffusivity,M D)

反映扩散运动快慢而忽略各向异性,为各个方向扩散大小的平均值,常用表观扩散系数(apparent diffusion coefficient, ADC)与平均扩散系数(average diffusion coefficient,DCavg),实际上前者只代表扩散梯度磁场施加方向上水分子的扩散特点,不能完全、正确地评价不同组织各向异性的特点;后者能更全面反映扩散运动快慢,是扩散张量矩阵的主对角线元素之和的算术平均值,反应的是所有水分子在各个方向上的位移。

2.3　各向异性指标

包括部分各向异性(fractional anis otropy,FA)、相对各向异性(relative anis otropy,RA)及容积比(v olume ratio,VR)等,FA值是指水分子各向异性成分占整个弥散张量的比例,是纵比。各向异性系数越大,组织的各向异性越强,意味着结构排列越规律紧密。与传统参数比较FA值不随坐标系的旋转方向而改变,更稳定的反应弥散的各向异性[5]。RA、VR其意义在于代表了扩散张量各向异性和各向同性之比。

2.4　DTI的基本原理和进展

S tejskal与T anner在1965年最早描述了扩散加权成像(DWI)[6],1992年,Basser等人在此基础上又提出了MR自旋回波弥散张量的计算方法,至少得到6个不同方向的DWI图像,就可以计算出图像中任意一点的扩展张量D。由于DTI 所要处理的数据量非常大,而且涉及到大量的三维目标的跟踪和显示,其发展历程经历由数值计算到图像演示,由二维的伪彩色编码到图的飞跃。特别是三维纤维束示踪成像在显示大脑白质纤维具有其它方法无法替代的优越性[7]。其可以用来追踪纤维束走行,评估组织结构完整性和连通性[8,9]。

由于实现弥散敏感梯度非常容易,它可以植入许多基本的成像序列中,因此,各大MR产商尝试了许多DTI成像序列及其技术。常用成像序列有单次激发平面回波DTI成像技术(single2shot echo2planar diffusion ters or imaging)、多次激发平面回波DTI成像序列技术(multi2shot echo2planar diffusion tens or imaging)、单次激发快速自旋回波技术(single2shot fast spinecho diffusion ens or imaging,ss2FSE DTI)、线性扫描DTI成像技术(line2scan DTI)、快速k空间填充技术、并行采集技术、Q空间成像技术(Q2SPACE imaging,QSI),目前绝大多数DTI成像都采用单次激发平面回波DTI成像技术序列,缺点是居于该序列的DTI序列的磁化率伪影非常严重。该伪影在组织磁化率变化显著的部位特别显著,比如脑干和大脑颞叶靠近岩骨部分以及前额叶[10]。而Q空间成像技术仍然属于在研序列,但其优越性在于能够完全描述水在任意几何形状中的弥散特性,而不用假设微观结构具有椭回形状,同时对各向同性弥散偏重的区域也能很好地显示,具有信号线性度高,空间分辨力高等优势,对其应用前景予以期待。3　DTI在中枢神经系统的临床应用

3.1　脑白质发育和老龄化

幼儿脑白质按从下到上、从后到前、从中央到外周的规律进行髓鞘化。这种生长发育变化可以在常规T1WI和T2WI 序列上得以部分的体现。儿童生长到2岁左右脑常规序列信号强度与成人基本相似,但脑白质仍在发育,常规MR序列无法反映这种变化。利用DTI通过测量单位体素内的组织各向异性,可以显示儿童脑发育是连续而长期的,一直持续到成年,这种各向异性的变化反映了白质的髓鞘化过程。不仅如此,DTI亦可用于老龄化的评估,组织的ADC值与年龄呈负相关,随年龄的增长而逐渐下降,以胼胝体膝部和半卵圆中心最为明显[11]。额叶白质老化的过程较顶叶快,男女两性的老化程度差异不明显。了解脑白质的正常生理性老化过程,结合老年性改变可以评估老年期病变的严重程度。

3.2　脑梗死

因为正常白质组织排列紧密,各向异性较灰质高,且白质对缺血又较灰质敏感,水分子沿白质纤维束走行方向扩散最快,一旦脑白质发生缺血,水分子扩散障碍也就表现得更加显著,其各向异性的改变也最显著,DTI可以准确评价脑梗死不同时期时脑灰质、白质内水分子弥散各向异性改变特点,对病灶的演变提供多参数的定量分析;并且可通过重建的三维纤维束示踪成像,显示出脑梗死动态实像病灶远端神经纤维束走向的改变及其完整性,也可显示梗死灶与纤维束的关系,并且通过DTI对梗死区域纤维束的成像,可以对白质纤维束的损害情况和临床症状的相互关系及患者功能变化等进行评价。并且目前三维纤维束示踪技术可较清楚显示纤维束的受压变形、部分或完全中断等,结合功能磁共振用于检测大脑皮层功能分区间神经纤维束联络的变化,这对区分灰、白质病变的具体解剖部位,显示病变与白质纤维束的关系,白质纤维束损害程度对身体相应部位的功能障碍关系,以及判断临床的治疗效果、恢复、预后等都有较大的帮助,能进一步提高对梗死患者功能改变的认识[12,13]。

3.3　脑白质病变

临床中常见的多发性硬化(MS)是一种选择性损伤中枢神经系统白质的疾病,其病理变化复杂,主要包括髓鞘脱失及再生,轴索损伤、胶质增生、炎性改变及水肿等变化。常规MRI对于发现病灶及观察病灶形态变化的工作是能胜任的,并成为MS及其它白质疾病诊断和监测治疗的重要方法,但是,这些传递的表观信息却形成临床和影像之间的矛盾[14]。DTI可以探测到常规MRI不能提示的微观变化,包括组织结构的完整性,水分子运动的方向性,以及各种复杂病理变化导致颅内水分子弥散屏障的形态改变和通透性异常。把MRI对脑白质基本的研究带入了微观平台,DTI必将称为其治疗和监测的重要工具。

3.4　阿尔茨海默病(alzheimer disease,AD)

AD是一种常见类型的脑变性性疾病,占全部痴呆的60%～70%。临床表现为渐进性痴呆、记忆力下降,伴多种

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精神障碍和行为异常,病变部位主要累及双侧大脑额叶及海马,表现为神经纤维的炎症反应、神经原纤维缠结及老年斑形成、神经元萎缩、变性。过去一直认为AD是灰质发生的异常改变,虽然现在已认识到AD的部分白质也发生损伤和丢失,但AD病的白质损伤机制是否继发于灰质的改变还不清楚,有实验表明,AD病患者因A日蛋白沉积、少突胶质细胞反应性增生、神经原纤维缠结、神经细胞丢失,使白质纤维束中断和丢失而脑的功能连接部分丧失与痴呆有密切关系。在这方面国内外都进行了相关研究,S tephen[15]等经过大量的AD病例与正常人的年龄匹配对照研究,得出AD患者的白质纤维束与正常人比较,有明显减少。并且白质纤维的减少具有区域分布性,如脐眠体、扣带回、上纵束的纤维连接完整性较正常人明显减低,而锥体束并没有明显变化,如枕叶和内囊处的DTI弥散系数和各向异性与对照组没有明显区别。3.5　精神疾病

近年来脑功能影像学及组织化学研究提示:精神分裂症不是大脑局灶病变所致,其病理基础更可能是范围广泛且弥散的细微水平的损害导致不同脑组织间的功能联络障碍。而DTI可以显示脑白质的微细变化,提示了精神分裂症患者胼胝体各向异性分数降低,可以提示胼胝体在个体发育过程中发生病变,难于执行两半球对应皮层功能的联系,影响了功能不对称和语言能力的有效发展,探讨该疾病的病理基础。而有关重性抑郁症患者可能存在白质区域神经功能的异常,DTI技术有助于发现影响认知改变的脑微细结构和功能异常的结论见诸于诸文献[16]。

3.6　癫痫

海马结构位于颞叶内侧基底节部,是边缘系统的重要组成部分。大量试验和临床研究发现,海马硬化与癫痫发作密切相关。不仅如此,越来越多的研究表明当颞叶癫痫发作时,患侧海马的异常放电除引起局部神经元和临近区域的异常外,还由一侧的杏仁核和海马经穹隆联合和前连接到达对侧,从而形成镜影病灶,引起对侧海马神经元的死亡和减少[17]。总之,DTI技术能够最大程度的反应海马区域出现病灶的病理学改变,并且对于其它关联脑组织周围存在的异常也有相关反应,成为癫痫疾病诊断及病程、预后评估的有效方法。

3.7　颅内肿瘤

Weihsmann等[17]指出在DTI成像的基础上应用三维纤维示踪,可以显示感兴趣区白质束的三维空间结构,清楚地显示肿瘤与白质纤维的关系,确定主要白质束与肿瘤间的距离,还可用于脑外科手术的导航。国内相关研究时有见诸文献。何光武等[18]根据FA图、DEC图、DTI图,将15例颅内肿瘤所引起的大脑白质纤维的异常改变分为2个类型:破坏+浸润、破坏+移位。破坏+浸润型主要见于高度恶性的肿瘤,病灶周围水肿明显,可见病灶侧相邻纤维束明显受到破坏,于周围水肿区可见到白质纤维的浸润性改变;破坏+移位型主要见于低度恶性肿瘤,这是因为当肿瘤恶性程度较低时,其周围水肿往往不明显,因此,除病灶所在部位大脑白质纤维有破坏外,其周围的白质纤维呈移位改变。了解肿瘤对周围脑白质纤维束尤其是重要功能的纤维束(如锥体束)的影响,对判定手术切除范围有着重要的意义,并可预测术后患者神经功能状态。

3.8　小儿脑病

因为DTI序列检查可以显示白质纤维束的走行,对研究脑的发育,白质纤维的髓鞘化过程,先天性与获得性脑白质病等提供了新的应用前景,发育期小儿脑与成人相比,其水分较多,髓鞘化的轴索较少,随着髓鞘形成,白质各向异性增高,DTI序列通过各向异性测量值的改变及白质束示踪等可用于观察正常脑的成熟与髓鞘化过程,对于理解发育落后及评估患儿的预后均可能有用,虽然还需要进一步的随访及研究,但该序列作为判定发育迟缓患儿白质损伤或功能障碍的一个敏感指标,将提供另一种客观与定量评价,更适合于筛查更多的脑发育异常患儿。

3.9　脊髓疾病

首先将弥散加权成像技术成功应用于脊髓的是Clark,自此,DTI技术在人体脊髓中的运用有了一些初步的经验。虽然DTI序列对于疾病的显示较敏感,但目前相关研究不多,主要的原因是由于脊髓及其周围的解剖结构造成的,因为脊髓的横断面积小,周围为骨结构,DTI序列成像图像质量存在过多影响因素。但是目前单次激发快速自旋回波的临床脊髓扫描的运用,有效的降低运动及磁敏感伪影,目前在临床中广泛推广。利用轴位DTI成像对正常人颈髓的研究发现越向下的颈髓FA值越低。脊髓压迫和水肿显示为纤维束中断和占位效应,并有FA值的减低。脊髓挫伤和出血导致纤维束的中断,脊髓肿瘤显示纤维束的侵润和截断。脊髓空洞显示局部形成纤维的缺失,这些研究为DTI技术在脊髓中的应用提供了内容和前景。

4　DTI的展望

MR2DTI作为一种非侵入性的研究大脑内部结构的重要工具,其临床意义已得到广泛的关注和积极的认可。虽然由于DTI受数据采集、数据处理以及受试者是否配合等多种因素的影响依然有不足之处,但是在神经系统疾病的临床诊断和病理研究上具有广阔的应用前景,随着DTI脑功能的研究逐步进入系统化,微观化,临床应用的整合将实用化,应用化,预示着人类对脑功能的认识与临床实践将达到一个更高的水平。

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(收稿日期:2009-02-03　修回日期:2009-04-21)

(本文编辑:郭道芳)

　(上接754页)

手术及病理:手术探查肝右叶,肿块约2.5cm×2.0cm大小,呈灰黄色,其外缘可触及约为0.8cm×0.5cm钙化灶,遂切除病灶送病理。肉眼所见一直径约为3cm的灰黄色结节,多处取材制片,显微镜下(图3),可见结节区肝组织小叶内中央静脉和肝窦严重淤血扩张,部分融合形成“血池”,肝细胞索呈单层排列,无异形性,部分区域肝细胞因淤血显著萎缩,结节周围的肝组织不同程度水肿变性,脂肪变性,结合肉眼,病理的特点,病理诊断:肝紫癜。

讨论:肝紫癜(peliosis hepatis)是一种罕见的良性病变,在微观上表现为肝内窦状腔隙扩张填充血液;宏观上肉眼表现为紫红色或者灰暗色,命名由此而来。目前肝紫癜的发病机制不明,大多数人认为是由于肝脏血液流出道在窦状隙水平发生阻塞,导致肝小叶中心静脉的扩大。引起肝紫癜有许多原因,主要包括某些药品的毒性作用(如硫唑嘌呤)、某些毒素(如聚氯乙烯)、慢性消耗性疾病(如结核)或者获得性免疫缺乏综合征继发感染等。

大多肝紫癜患者无任何临床症状,有时需尸检才能发现[1],部分肝紫癜患者可以出现肝肿大,腹水,门脉高压,甚至肝功能衰竭。肝紫癜根据病变范围可分为弥漫性或者局限性,其中局限性肝紫癜病变大小一般为1mm至数厘米,其影像学的表现缺乏特异性[2]。K im等人研究8例局限性肝紫癜的CT强化方式表现为:①向中心性强化(4/8);②持续低强化(2/8);③持续性强化(2/8);且认为①和②可能是由于扩大的肝窦内充满淤血所致,③是由于扩大的肝窦内充满的是新鲜血液所致[3]。

本例患者虽无临床症状,但转氨酶升高,有肝细胞受损表现,与文献报道一致。CT增强表现为向中心性强化,这是由于扩大的肝窦内血液流速慢,对比剂流入缓慢所致;由于肝窦内血液流速缓慢,尤其是肝窦周边的血液流动更慢,此时血小板易粘附肝窦内膜,同时由于凝血因子的堆积和激活,易导致血栓形成,若血栓不能及时溶解吸收,进一步发展为纤维化,甚至形成钙化斑块,本例病灶周边的钙化灶可能与此原因有关。由于肝紫癜影像学的表现缺乏特异性,其主要依靠病理与肝内其它局限性病灶(如FNH、小血管瘤、肝腺瘤)进行鉴别。

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(收稿日期:2009-02-26　修回日期:2009-05-30)

(本文编辑:郭道芳)

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FMRI脑功能磁共振成像的原理及应用进展

ＦＭＲＩ脑功能磁共振成像的原理及应用进展 功能磁共振是在磁共振原理的基础上根据人脑功能区被信号激活时血红蛋白和脱氧血红蛋白两者之间比例发生改变，随之产生局部磁共振信号的改变而进行工作的。凭借其具有较高的空间、时间分辨率，无辐射损伤以及可在活体上重复进行检测等优点已广泛应用于脑功能的研究。 1 磁功能磁共振概述 磁共振功能成像(function magnetic resonance imaging，FMRI)是目前脑功能研究中的一个热点。20世纪90年代后，BOLD（blood oxygenation level dependent）磁共振功能成像已广泛应用于脑功能的研究。其优点是就有较高的空间、时间分辨率，无辐射损伤以及可以在活体上重复进行检测。理论上讲，凡以反映器官功能状态成像为目标的磁功能成像技术都应称之为功能磁共振成像。目前，临床上已较为普遍使用的功能成像技术有：各种弥散加权磁共振成像技术（diffusion-weighted imaging，DWI），各种灌注加权磁共振成像技术（perfusion weighted imaging，PWI），磁共振波谱和波谱成像技术（blood oxygenation level dependent，BOLD）。观察脑神经元活动和神经通路的成像技术时，这种成像技术应叫做脑功能磁共振成像（FMRI），它一般包括水平依赖成像；脑代谢测定技术成像；神经纤维示踪技术如弥散张量和磁化转移成像。 1.1 FMRI的基本原理：FMRI的方法很多，主要包括注射照影剂、灌注加权、弥散加权及血氧水平依赖（blood oxygenation level dependent，BOLD）法，目前应用最广泛的方法为BOLD法：血红蛋白包括含氧血红蛋白和去氧血红蛋白[1]，两种血红蛋白对磁场有完全不同的影响，氧合血红蛋白是抗磁性物质，对质子弛豫没有影响，去氧血红蛋白是顺磁性物质，其铁离子有4个不成对电子，可产生横向磁化磁豫缩短效应（preferential T2 proton relaxation effect，PT2PRE）。因此，当去氧血红蛋白含量增加时，T2加权像信号减低。当神经元活动增强时，脑功能区皮质的血流显著增加，去氧血红蛋白的含量降低，削弱了PT2PRE，导致T2加权像信号增强，即T2加权像信号能反映局部神经元活动，这就是所谓血氧水平依赖BOLD[2]效应，它是FMRI基础[3]。 梯度回波成像（gradient recall echo，GRE）是FMRI的常规脉冲序列，它对磁化效应引起的T2效应非常敏感，梯度回波脉冲序列使用单次激发小翻转角射频脉冲和极性翻转的f编码梯度场，在采集信号过程中，由于梯度场引起的去相位就会完全被再聚集，而回波信号则取决于组织的T2。在信号采集过程中，GRE 与SE序列相似。都是通过多次反复采集回波信号完成全部的相位编码和数据采集。ＧRＥ扫描对流空现象，扩散现象以及对功能成像非常重要的Ｔ２效应等诸

磁共振弥散张量成像对脊髓损伤的临床应用价值

磁共振弥散张量成像对脊髓损伤的临床 应用价值 （作者:___________单位: ___________邮编: ___________） 作者：陈蕾，刘国利，王大维，陈延杰 【摘要】目的：探讨磁共振弥散张量成像(diffusion tensor imaging, DTI)对脊髓损伤的临床应用价值。方法：选择42例健康志愿者作为对照组和54例脊髓型颈椎病作为病例组进行颈椎常规磁共振成像(MRI)及DTI，分别测量各组表观弥散系数(apparent diffusion coefficient, ADC)、部分各项异性(fractional anisotropy, FA)值，并显示其弥散张量纤维束(diffusion tensor tracking, DTT)。结果：对照组的平均ADC值为(830.34±215.86)×106 mm2/s，平均FA值为(536.03±40.00)×103。脊髓慢性损伤患者平均ADC值为(1107.60±47.55)×106 mm2/s，较对照组升高，有统计学意义(P0.01)，平均FA值为(425.91±59.48)×103，较对照组下降，有统计学意义(P0.01)。结论：DTI较常规MRI成像能更早显示脊髓的损伤，ADC值、FA值及DTT 图是检测早期脊髓损伤微观结构的敏感指标。 【关键词】磁共振;弥散张量成像;脊髓损伤

Clinical application of magnetic resonance diffusion tensor imaging for spinal cord injury diagnosisCHEN Lei1, LIU Guo li2, WANG Da wei2, CHEN Yan jie2(1. Interventional Radiology Department,Longgang Central Hospital of Shenzhen, Shenzhen 518116;2.Department of Radiology, Changchun Communicable Disease Hospital, Changchun 130123, China)[ABSTRACT] Objective: To investigate the clinical application of magnetic resonance (MR) diffusion tensor imaging for spinal cord injury diagnosis. Methods: Conventional cervical magnetic resonance imaging (MRI) scanning and MR diffusion tensor imaging were performed on 54 patients with cervical spondylotic myelopathy and 42 cases of healthy volunteers as a healthy control group. Apparent diffusion coefficient (ADC) and fractional anisotropy (FA) were measured, diffusion tensor tracking (DTT) was showed in each group. Results: The average ADC value is(830.34±215.86)×106 mm2/s, the average FA value is (536.03±40.00) ×103 in control group; in contrast the average ADC value is(1 107.60±47.55)×106 mm2/s,higher than the control group with statistical significant difference(P0.01), and the average FA value is (425.91 ±59.48)×103 , lower than the control group with statistical significant difference(P0.01). Conclusion: MR diffusion tensor imaging can show the injury in the spinal cord at earlier stage. ADC value, FA

功能性磁共振成像的应用和发展前景_final

功能性磁共振成像的应用和发展前景 王君1*刘嘉1，2 1认知神经科学与学习国家重点实验室，北京师范大学，100875 2中国科学院研究生院，北京，100049 摘要：功能性磁共振成像（functional Magnetic Resonance Imaging ，fMRI）是当代 医学影像技术应用于脑神经科学研究最为迅速的领域之一。本文首先简要介绍功能 性磁共振成像的基本原理，然后着重叙述该技术在临床和基础研究中的应用和发展 前景。 关键词：功能性磁共振成像脑神经科学临床应用基础研究 Applications of fMRI in Clinical Medicine and Brain Neuroscience Jun Wang1*, Jia Liu1，2 1State Key Lab of Cognitive Neuroscience and Learning，Beijing Normal University, Beijing, 100875 2Graduate University of Chinese Academy of Sciences，Beijing，Beijing, 100049 Abstract: Now functional Magnetic Resonance Imaging (fMRI) has been more rapidly applied in clinical medicine and brain neuroscience than some other modern medical imaging techniques. This paper first briefly introduces the principle of fMRI, and then its some applications in clinical medicine and brain function research are described in details together with its some recent developments. Key words: fMRI Brain Neuroscience Clinical application Basic Research 20世纪90年代以来，在传统磁共振成像（Magnetic Resonance Image， MRI） 技术的基础上发展的功能磁共振成像（functional Magnetic Resonance Image , fMRI） 技术已广泛应用于脑功能的临床和基础研究。fMRI结合了功能、解剖和影像三方面 的因素，为临床磁共振诊断从单一形态学研究到与功能相结合的系统研究提供了强 有力的技术支持。该技术具有无创伤性、无放射性、可重复性、较高的时间和空间 分辨率、可准确定位脑功能区等特点，为脑神经科学提供了广阔的应用前景。 1.fMRI的基本原理 1990年, Ogawa等人根据脑功能活动区氧合血红蛋白（HbO2）含量的增加导 致磁共振信号增强的原理得到了关于人脑的功能性磁共振图像[1]，即血氧水平依赖 的脑功能成像(Blood Oxygen Level Dependent fMRI, BOLD fMRI) 。由于血液动力学

磁共振功能成像

磁共振功能成像（functional magnetic resonance imaging;FMRI）是一种安全的影像学检查手段，在完全无创伤的条件下可对人脑进行功能分析，其时间及空间分辨率较高，一次成像可同时获得解剖与功能影像，而且对人体无辐射损伤，在这一点上优于ECT和PET成像。目前，FMRI已广泛地用于人脑正常生理功能和脑肿瘤的术前评价，对手术计划的制定及最大程度地减小术后功能损伤有极大帮助。 1MR脑功能成像的原理与技术 神经元活动与细胞能量代谢密切相关，磁共振功能成像并不能直接检测神经元活动，而是通过MR信号的测定来反映血氧饱和度及血流量，从而间接反映脑的能量消耗，因此，在一定程度上能够反映神经元的活动情况，达到功能成像的目的。血氧水平依赖（blood oxygen level dependent;BOLD）技术是FMRI的基础，神经元活动增强时，脑功能区皮层的血流量和氧交换增加，但与代谢耗氧量的增加不成比例，超过细胞代谢所需的氧供应量，其结果可导致功能活动区血管结构中氧合血红蛋白增加，脱氧血红蛋白相对减少。脱氧血红蛋白是顺磁性物质，其铁离子有4个不成对电子，磁矩较大，有明显的T2缩短效应，即PT2PRE（preferential t2 proton relaxation effect）。因此，脱氧血红蛋白的直接作用是引起T2加权像信号减低，FMRI对其在血管结构中的浓度变化极为敏感，当浓度增加时可引起局部信号减低，减低时则可使磁化率诱导的象素内失相位作用减低，引起自旋相干性增大，从而导致T2*和T2弛豫时间延长，信号升高，使脑功能成像时功能活动区的皮层表现为高信号。 磁场强度的高低对脱氧血红蛋白引起的磁化率改变敏感性不同，磁场强度越高对磁化率变化的敏感性越大，超高磁场MRI仪对磁化率变化最为敏感。但由于技术上的限制，临床上一般采用1T～2T的磁共振仪进行脑功能成像，其结果也较为满意。FMRI一般采用梯度回波和回波平面T2加权成像，常用的梯度回波序列有：梯度破坏稳态再聚焦采集（spoiled gradient recalled acquisition in the steady-state;GRASS）序列和快速小角度激发（fast low angle shot;FLASH）序列，扫描参数为：TR/TE=40～120/40～60ms，翻转角30～40度，矩阵256×64～128，视野200～400mm，根据机型及获得的扫描层数不同，扫描参数有一定的差别；回波平面成像技术（echo-planar imaging;EPI）是一种超快速MR成像方法，是目前采用的主要技术，可以结合GRE序列和SE序列得到不同对比度的T1、T2加权像。目前，脑功能成像多采用单次激发梯度回波—回波平面成像（gradient-echo echo-planar imaging）序列，扫描参数因场强和机型不同而不同，常用参数为TR/TE=1000-3500/40～70ms，翻转角90度。

正常成人大脑内囊磁共振弥散张量成像研究

弥散张量成像（ｄｉｆｆｕｓｉｏｎｔｅｎｓｏｒｉｍａｇｉｎｇ，ＤＴＩ）是一新的具有无创伤性优点的磁共振成像方法，不仅能够定量分析大脑的微细结构，还可定量分析病变组织和正常组织的弥散特征，从而为疾病的诊断和鉴别诊断提供更多的信息；而且可以利用ＤＴＩ所获的数据，进行大脑白质纤维的成像。内囊是大脑组织的重要结构，其内主要含有联系大脑皮质和皮质下中枢的上行和下行的投射纤维。在活体显示大脑内囊的形状和结构，我们利用 ＤＴＩ技术对此进行了初步研究。现报道如下：１资料与方法 １．１研究对象：１０例正常志愿者，男５例，女５例。年龄２５～６５岁，平均４０．９岁。志愿者均无任何脑部疾病、外伤和手术史。１．２ 机器和扫描参数：采用ＧＥ公司ＳｉｇｎａＶＨ／ｉ３ＴＭＲ扫描 仪。应用标准头部正交线圈，让志愿者头部固定，耳内塞一适当大小的棉球，以减少噪音对志愿者的影响。志愿者首先进行常规的Ｔ１ＷＩ、Ｔ２ＷＩ、ＦＬＡＩＲ扫描。常规ＭＲＩ扫描大脑内未见明显异常信号后，进行ＤＴＩ成像扫描，ＤＴＩ扫描采用单次激发ＳＥ ＥＰＩ序列，扫描参数为ＴＲ／ＴＥ９９９９／８９．２ｍｓ，矩阵１２８×１２８，ＦＯＶ２４０ｍｍ×２４０ｍｍ，１次采集，ｂ＝１０００ｓ／ｍｍ２ ，弥散敏感梯度方向 数１３个，层厚５ｍｍ、层间距０ｍｍ。 １．３图像后处理：将１０名志愿者扫描所得ＤＴＩ的数据输入个 人计算机，应用日本东京大学附属医院放射科影像计算和分析实验室所研制的软件：Ｖｏｌｕｍｅ－ｏｎｅ１．５６和ｄｉｆｆｕｓｉｏｎＴＥＮＳＯＲ Ｖｉｓｕａｌｉｚｅｒ１．５（ｄＴＶ）进行后处理，在ｚ－轴方向进行插值计算，使 每个体素呈立方形（大小约０．９ｍｍ×０．９ｍｍ×０．９ｍｍ）。通过运算可以获得各向异性分数图（ｆｒａｃｔｉｏｎａｌａｎｉｓｏｔｒｏｐｙＦＡ）和彩色 ＦＡ图，在彩色ＦＡ图中红色代表左右走行的纤维束，绿色代表 前后走行的纤维束，蓝色则代表上下走行的纤维束。 首先在ＦＡ图和彩色ＦＡ图像上观察内囊的结构和形态，然后在ＦＡ图和彩色ＦＡ图像的基础上，根据蒋文华等［１］神经解剖学关于大脑白质纤维束的解剖描述，用 “种子点（ｓｅｅｄ）”标记所要显示的内囊结构，计算机自动追踪纤维束，获得内囊的白质纤维束图像。 ２结果 １０例志愿者均成功进行了ＤＴＩ扫描，可以清晰显示大脑 内囊的结构。内囊是投射纤维在大脑的集中部分，在内囊平面以上，纤维呈四向放射与皮质相联，称为辐射冠，辐射冠呈扇形联结内囊和皮层下结构。通过内囊的纤维束很多，走行方向不一致，在ＦＡ图（见图１），为内囊的ＦＡ图，可见内囊呈高信号，呈“＜”状。内囊前后肢之间差别不大，前肢显示较短，但彩色ＦＡ图（见图２）则明显不同，则显示内囊前后肢颜色不同，前肢显示为绿色，后肢则为蓝色。弥散张量纤维束图的矢状面，更直观的显示内囊的白质纤维束形态（见图３）。 ３讨论 磁共振弥散成像的概念最早于８０年代中期提出［２］，其方法 为应用双极磁场梯度脉冲（ｂｉｐｏｌａｒｍａｇｎｅｔｉｃｆｉｅｌｄｇｒａｄｉｅｎｔｐｕｌｓ－ｅｓ），将编码的分子弥散效应增加到磁共振信号上。 随后，磁共振弥散加权成像（ｄｉｆｆｕｓｉｏｎｗｅｉｇｈｔｅｄｉｍａｇｉｎｇ，ＤＷＩ）被应用，该技术在３个不同的方向ｘ、ｙ、ｚ轴施加弥散梯度，可以获得水分子空 【摘要】目的：利用磁共振弥散张量成像技术，研究正常成人大脑内囊的形状和结构。方法：分别对１０例正常志愿者（男５例，女５例。年龄２４～６５岁，平均４０．９岁）进行弥散张量成像，将所得数据输入个人计算机，应用日本东京大学附属医院放射科影像计算和分析实验室所研制的软件：Ｖｏｌｕｍｅ－ｏｎｅ１．５６和ｄｉｆｆｕｓｉｏｎＴＥＮＳＯＲＶｉｓｕａｌｉｚｅｒ１．５（ｄＴＶ）进行大脑内囊成像。结果：本研究成功的在活体进行了大脑内囊的弥散张量成像，在ＦＡ、 彩色ＦＡ图和弥散张量纤维束图上分别显示了内囊的形状和结构。结论：弥散张量成像可以显示正常人大脑内囊的结构，为大脑白质纤维束的研究开辟了一新的广阔领域。 【关键词】内囊；弥散张量成像；弥散张量纤维束成像文章编号：１００９－５５１９（２００６）０８－１１１３－０３ 中图分类号：Ｒ４４５ 文献标识码：Ａ Ｓｔｕｄｙｏｆｎｏｒｍａｌａｄｕｌｔｃｅｒｅｂｒａｌｉｎｔｅｒｎａｌｃａｐｓｕｌｅｂｙｄｉｆｆｕｓｉｏｎｔｅｎｓｏｒｉｍａｇｉｎｇ ＨＥＧｕａｎｇ－ｗｕ，ＸＩＡＮＧＨｕａ，ＨＥＪｉａｎｇ－ｂｏ，ｅｔａｌ． （ＤｅｐａｒｔｍｅｎｔｏｆＲａｄｉｏｌｏｇｙ，ＢａｏｓｈａｎＢｒａｎｃｈｏｆＳｈａｎｇｈａｉＦｉｒｓｔＰｅｏｐｌｅ’ｓＨｏｓｐｉｔａｌ，Ｓｈａｎｇｈａｉ２００９４０，Ｃｈｉｎａ） 【Ａｂｓｔｒａｃｔ】Ｏｂｊｅｃｔｉｖｅ：Ｔｏａｎａｌｙｓｅｔｈｅｓｈａｐｅ，ｆｉｂｅｒｓｔｒｕｃｔｕｒｅｏｆｎｏｒｍａｌａｄｕｌｔｃｅｒｅｂｒａｌｉｎｔｅｒｎａｌｃａｐｓｕｌｅｉｎｌｉｖｉｎｇｈｕｍａｎｓｂｙｄｉｆｆｕｓｉｏｎ ｔｅｎｓｏｒｉｍａｇｉｎｇ．Ｍｅｔｈｏｄｓ：１０ｈｅａｌｔｈｙａｄｕｌｔｖｏｌｕｎｔｅｅｒｓ（５ｍｅｎ，５ｗｏｍｅｎ，ａｇｅｄ２４～ ６５ｙｅａｒｓ，ｍｅａｎａｇｅ４０．９ｙｅａｒｓ）ｗｅｒｅｅｘａｍｉｎｅｄｂｙＭＲｄｉｆｆｕ－ｓｉｏｎｔｅｎｓｏｒｉｍａｇｉｎｇ．ＡｌｌｄａｔａｗｅｒｅｔｒａｎｓｆｅｒｒｅｄｔｏａｐｅｒｓｏｎａｌｃｏｍｐｕｔｅｒａｎｄｗｅｒｅｐｒｏｃｅｓｓｅｄｗｉｔｈｄＴＶ（ＴｏｋｙｏＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙＪａｐａｎ）．Ｒｅｓｕｌｔｓ：Ｔｈｅｉｎｔｅｒｎａｌｃａｐｓｕｌｅｏｆａｌｌｖｏｌｕｎｔｅｅｒｓｗａｓｏｂｓｅｒｖｅｄ．Ｔｈｅｓｈａｐｅａｎｄｓｔｒｕｃｔｕｒｅｏｆｉｎｔｅｒｎａｌｃａｐｓｕｌｅｗｅｒｅｓｈｏｗｅｄｏｎｔｈｅｆｒａｃｔｉｏｎａｌａｎｉｓｏｔｒｏｐｙｍａｐ，ｃｏｌｏｒｆｒａｃｔｉｏｎａｌａｎｉｓｏｔｒｏｐｙｍａｐａｎｄｄｉｆｆｕｓｉｏｎｔｅｎｓｏｒｔｒａｃｋｉｎｇｍａｐ．Ｃｏｎｃｌｕｓｉｏｎ：Ｄｉｆｆｕｓｉｏｎｔｅｎｓｏｒｉｍａｇｉｎｇｉｓｕｓｅｆｕｌｆｏｒｓｈｏｗｉｎｇｔｈｅｎｏｒｍａｌａｄｕｌｔｃｅｒｅｂｒａｌｉｎｔｅｒｎａｌｃａｐｓｕｌｅａｎｄｏｐｅｎｓａｎｅｗｆｉｅｌｄｆｏｒｒｅｓｅａｒｃｈｉｎｇｃｅｒｅｂｒａｌｗｈｉｔｅｍａｔｔｅｒｆｉｂｅｒｉｎｖｉｖｏ． 【Ｋｅｙｗｏｒｄｓ】Ｉｎｔｅｒｎａｌｃａｐｓｕｌｅ；Ｄｉｆｆｕｓｉｏｎｔｅｎｓｏｒｉｍａｇｉｎｇ；Ｄｉｆｆｕｓｉｏｎｔｅｎｓｏｒｔｒａｃｋｉｎｇ正常成人大脑内囊磁共振弥散张量成像研究 何光武１，项 华１，何江波１，成中意１，徐建荪１，汪守中１，沈天真２，陈星荣２ （１．上海市第一人民医院宝山分院放射科，上海２００９４０；２．复旦大学附属华山医院，上海２０００４０） 作者简介：何光武（１９６５—），男，山东省莱芜市人，副主任医师，学士。研究方向：中枢神经系统影像学。

-MRI成像技术(1)

第七讲-MRI成像技术（1） 1 MRI成像系统简介 ●1.1M R I影像设备发展概况 ●磁共振成像技术是在磁共振波谱学的基础上发展起来的。磁共振成像自出现以来曾被 称为：核磁共振成像、自旋体层成像、核磁共振体层成像、核磁共振C T等。 ●1945年由美国加州斯坦福大学的布洛克（B l o c h）和麻省哈佛大学的普塞尔（P u r c e l l） 教授同时发现了磁共振的物理现象，即处在某一静磁场中的原子核受到相应频率的电磁波作用时，在它们的核能级之间发生共振跃迁现象。因此两位教授共同获得1952年诺贝尔物理学奖。 ●F o r p e r s o n a l u s e o n l y i n s t u d y a n d r e s e a r c h;n o t f o r c o m m e r c i a l u s e ● ●磁共振的物理现象被发现以后，很快形成一门新兴的医学影像学科—磁共振波谱学。 ●1971年纽约州立大学的达曼迪恩（Damadian）教授在《科学》杂志上发表了题为“核 磁共振（NMR）信号可检测疾病”和“癌组织中氢的T1时间延长”等论文， ●1973年曼斯菲德(Mansfields)研制出脉冲梯度法选择成像断层。 ●1974年英国科学家研制成功组织内磁共振光谱仪。 ●1975年恩斯托（Ernst）研制出相位编码成像方法。 ●1976年，得到了第一张人体MR图像（活体手指）。 ●1977年磁共振成像技术进入体层摄影实验阶段。 ●几十年期间，有关磁共振的研究曾在三个领域（物理、化学、生理学或医学）内获得了 六次诺贝尔奖。(2003年10月6日，瑞典卡罗林斯卡医学院宣布，2003年诺贝尔生理学或医学奖授予美国化学家保罗·劳特布尔（Paul C. Lauterbur）和英国物理学家彼得·曼斯菲尔德（Peter Mansfield），以表彰他们在医学诊断和研究领域内所使用的核磁共振成像技术领域的突破性成就。) 雷蒙德·达马蒂安的“用于癌组织检测的设备和方法” 幻灯片7 1.2 MRI影像设备功能 现代磁共振成像系统大体结构都很相似，基本上由四个系统组成：即磁体系统、梯度磁场系统、射频系统和计算机系统。 ●1．磁体系统 ●磁体系统是磁共振成像系统最重要、成本最高的部件，是磁共振系统中最强大的磁场， 平时我们评论磁共振设备的大小就是指静磁场的场强数值，单位用特斯拉（Tesla，简称T,垂直于磁场方向的1米长的导线，通过1安培的电流，受到磁场的作用力为1牛顿时，通电导线所在处的磁感应强度就是1特斯拉。）或高斯（Gauss）表示，1T=1万高斯。 ●临床上磁共振成像要求磁场强度在0.05～3T范围内。一般将≤0.3T称为低场，0.3T～ 1.0T称为中场，＞1.0T称为高场。磁场强度越高，信噪比越高，图像质量越好。但磁 场强度过高也带来一些不利的因素。 ●为了获得不同场强的磁体，生产厂商制造出了不同类型的磁体，常见的磁体有永久磁 体、常导磁体和超导磁体。

磁共振功能成像

一、更优秀的图像质量，探测小病灶能力增强 3.0T磁共振首先会带来图像信噪比的提升，从而获得更加清晰锐利的磁共振影像，对临床疾病的诊断与治疗具有重要意义。同时，随着图像分辨率的提高，也意味着能够显示更加微小的病变，从而对疾病的早期发现做出贡献。 二、更快速的成像速度，承载更大的病人量 3.0T磁共振配备西门子Tim 4G和Dot技术的MAGNETOM skyra，可以帮助实现每日超过30%的工作量增加。如果结合并行采集技术，采集速度将会有更大的提升。这使得一些在1.5T磁共振上难以实现的扫描成为可能（如腹部多期动态增强扫描）。同时，扫描速度的提升也意味着可以承受更大的病人量。 三、更强大的设备性能，为临床与科研助力 3.0T磁共振系统具有更强大的磁场稳定性，更高效的数据传输能力，更高的梯度磁场，更快的磁场切换率，集合多通道线圈采集技术，可以提供更丰富的临床与科研检查项目。 四、神经系统成像的巨大优势 由于信噪比和扫描速度的增加，使得磁共振在神经系统成像上的优势被更加放大。除了常规扫描序列图像质量与信噪比的提升，更稳定的磁场均匀度使得在弥散加权成像（DWI）中，可以设置更高的b值，同时获得更高质量的图像。此外，也使更多的神经系统成像技术在临床与科研中成为可能，如： 1.弥散张量成像（DTI）：可以获得活体状态下的脑白质纤维束走行影像，揭示脑肿瘤等病灶与脑白质纤维走行的关系，也可以用于神经外科手术的术前定位，增加手术的成功率与后期预后效果。 2.脑灌注成像（PWI）：通过静脉快速团注造影剂，超快速采集血液流通数据，绘制时间信号强度曲线，分析脑组织的灌注情况，可正确判断早期脑缺血的程度及可逆性。还可用于脑血管病（烟雾病）、脑肿瘤的辅助诊断。 3.磁共振头波谱成像（CSI）：由于正常与病变脑组织在代谢过程中的产物不同，利用化学位移成像技术，分析组织代谢产物峰值，预测病变的良恶性。亦在前列腺及乳腺的临床检查及科研中应用。 4.磁敏感成像（SWI）：清晰显示颅内微静脉、微出血及微钙化，用于脑血管畸形、微血管病变等疾病的协助诊断。 5.脑组织血氧水平依赖成像（BOLD）：磁共振功能成像（FMRI）可以揭露大脑皮质与代谢之间的关系，使脑功能成像的许多研究成为可能，在这方面的研究目前3.0T占有绝对优势。 五、真正的腹部多期动态增强扫描

磁共振成像概述

磁共振成像概述 磁共振成像( Magnetic Resonance Imaging )是利用人体内氢原子核在强磁场内共振产生影像的一种医学检查和诊断的方法。 ?MRI是什么？ –——无线电波成像 ?MRI的特点？ –——是软组织分辨率最高的影像检查手段 ?MRI的适应症？ –——可适用全身检查 ?功能MRI是什么？ –——可提供活体的结构、代谢信息 磁共振信号＝无线电波 依据质子拉莫尔频率，其波长位于短波或超短波。 如：0.5T 拉莫尔频率为21.3MHz, 波长为14.08m（短波） 1.5T 拉莫尔频率为63.9MHz, 波长为4.69m（超短波） 磁共振成像的定义： 磁共振成像（magnetic resonance imaging，MRI）是利用射频（radio frequency，RF）电磁波对置于磁场中的含有自旋不为零的原子核的物质进行激发，发生核磁共振（nuclear magnetic resonance，NMR），用感应线圈采集磁共振信号，按一定数学方法进行处理而建立的一种数字图像。 核磁共振的含义：

核—磁共振现象涉及原子核（特别是氢原子核） 磁—磁共振过程发生在强大静磁场的巨大磁体内在静磁场上叠加射频场按时做激励诱发共振叠加梯度磁场进行空间标记并控制成像 共振—借助宏观世界自然现象解释微观世界的物理学原理（如音叉振动），核子间能量吸收与释放可产生共振（磁场中） 共振现象的三个基本条件 (1) 必须有一个主动振动的频率 (2)主动振动频率与被动振动的物体固有频率必须相同 (3) 主动振动物体具有一定强度并与被振动物体保持一定距离 磁共振具备三种磁场才能完成：即静磁场，梯度磁场，射频脉冲磁场。磁共振现象： 处于恒定磁场中的氢原子核，在特定频率（拉摩尔Larmor ）的射频脉冲( RF ) 影响下交替吸收、释放能量的过程。 什么是核磁共振现象？ 位于静磁场中的人体组织受到射频场的作用产生磁共振信号并利用梯度场进行空间编码实现对信号的定位，通过计算机的重建处理，从而得到图像。 1.人体磁共振的基本成像过程：人体未进入静磁场，体内氢质子群 磁矩自然无规律排列； 2. 进入静磁场，所有自旋的氢质子重新排列定向，磁矩指向N 或S 极； 3. 通过射频线圈与静磁场垂直方向施加射频脉冲，受检部位氢质子

MR弥散张量成像技术及其临床应用

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功能磁共振成像

功能磁共振成像(fMRI) 功能磁共振成像技术简述 功能性磁共振成像（fMRI）是一种新兴的神经影像学方式，其原理是利用磁振造影来测量神经元活动所引发之血液动力的改变。由于fMRI的非侵入性、没有辐射暴露问题与其较为广泛的应用，从1990年代开始就在脑部功能定位领域占有一席之地。目前主要是运用在研究人及动物的脑或脊髓。 相关技术发展 自从1890年代开始，人们就知道血流与血氧的改变（两者合称为血液动力学）与神经元的活化有着密不可分的关系。神经细胞活化时会消耗氧气，而氧气要借由神经细胞附近的微血管以红血球中的血红素运送过来。因此，当脑神经活化时，其附近的血流会增加来补充消耗掉的氧气。从神经活化到引发血液动力学的改变，通常会有1-5秒的延迟，然后在4-5秒达到的高峰，再回到基线（通常伴随着些微的下冲）。这使得不仅神经活化区域的脑血流会改变，局部血液中的去氧与带氧血红素的浓度，以及脑血容积都会随之改变。 血氧浓度相依对比（Blood oxygen-level dependent, BOLD）首先由贝尔实验室小川诚二等人于1990年所提出[2]，小川博士与其同事很早就了解BOLD对于应用MRI于脑部功能性造影的重要性，但是第一个成功的fMRI研究则是由John W. Belliveau 与其同事于1991年透过静脉内造影剂（Gd）所提出。接着由邝健民等人于1992年发表在人身上的应用。同年，小川博士于4月底提出了他的结果且于7月发表于PNAS。在接下来的几年，小川博士发表了BOLD的生物物理学模型于生物物理学期刊。Bandettini博士也于1993年发表论文示范功能性活化地图的 量化测量。由于神经元本身并没有储存所需的葡萄糖与氧气，

dtidwi]dti(弥散张量成像)简介及原理

[DTI/DWI]DTI(弥散张量成像)简介及原理 磁共振弥散张量成像技术是利用水分子的弥散各向异性进行成像,可用于脑白质纤维研究,常用扫描技术包括单次激发平面回波成像(EPI),线阵扫描弥散成像, 导航自旋回波弥散加权成像(LSDI),半傅立叶探测单发射快速自旋回波成像等.每种成像技术各有其优缺点,EPI扫描时间短,图像信噪比高,但存在化学位移伪影、磁敏感性伪影、几何变形;LSDI精确度高,几乎无伪影及变形,但扫描时间过长;导航自旋回波弥散加权成像运动伪影少,但扫描时间长;半傅立叶探测单发射快速自旋回波成像扫描时间短,但图像模糊.综合比较,单次激发平面回波成像是用于临床研究较适宜的方法. (引自%26lt;%26lt;医学影像学杂志%26gt;%26gt;2006年04期王海燕, 赵斌, 于富华) 1827 Robert Brown 首次发现弥散现象 1950 Hanh 从理论上提出用自旋回波测量水分子弥散过程的方法 1985 Taylor 和Bushel 首次实现磁共振弥散成像 1986 Denis LeBihan 首次将磁共振弥散成像应用于活体 1990 Michael Moseley 发现弥散成像在早期脑缺血诊断中的价值 1996 首次实现人脑弥散张量成像 1999首次实现人脊髓弥散张量成像 一、弥散张量成像的基本原理 弥散张量成像(DTI)是利用弥散加权成像技术改进和发展的一项新技术，弥散张量不是平面过程，以三维立体角度分解，量化了弥散各向异性的信号数据，使组织微结构更加精细显示，弥散需要用张量显示，扫描应用多个梯度场方向，现用6-55个方向。 DTI：弥散具有方向依靠性，分子向各个方向弥散的距离不相等，则成为各向异性(anistrophic)。而DWI则为水分子弥散的方向相一致，即相同性。 弥散张量成像的原理：在完全均质的溶质中，分子向各方向的运动是相等的，此种弥散方式为各向同性(isotrophic)，其向量分布轨迹成一球形，而另一种弥散是在非均一状态中，分子向各方向运动具有方向依靠性，分子向各方向弥散的距离不相等，称为各向异性（anisotrophic）,其向量分布轨迹成一椭圆形。如在大脑白质分子的弥散表现为各向异性，分子沿白质纤维通道方向的弥散速度快于垂直方向。 张量是一个工程物理学的名称，张量是一个数学结构，是一个椭圆形结构，有三维空间，各

脑功能磁共振成像及其应用进展

脑功能磁共振成像及其应用进展 聂生东1,聂斌2 (1.上海第二医科大学计算机教研室,上海 200025; 2.泰山医学院) 功能磁共振成像是近10余年来在传统的磁共振成像技术的基础上迅速发展起来的一种新的成像技术。与传统的磁共振成像技术不同的是，功能磁共振成像得到的是人脑在执行某项任务或受到某种刺激时的功能映射图，而不是人脑的解剖图像。它能够确定人脑在执行某项任务或受到某种刺激时大脑的哪些区域被激活。目前，功能磁共振成像技术在国外已经得到了广泛的应用，其应用领域涉及到脑科学研究的各个领域，如认知科学、心理学、神经科学、药物滥用以及临床应用等。国内在这一方面的研究和应用还刚刚开始。本文对近年来功能磁共振成像及其在国内外的应用进行了综述。 一、功能磁共振成像的原理及特点 功能磁共振成像（functional magnetic resonance imaging,fMRI）的突出特点是可以利用超快速的成像技术，反映出大脑在受到刺激或发生病变时脑功能的变化。它突破了过去仅从生理学或病理生理学角度对人脑实施研究和评价的状态，打开了从语言、记忆和认知等领域对大脑进行探索的大门。 传统的磁共振成像（MRI）与功能磁共振成像（fMRI）之间的主要区别是它们所测量的磁共振信号有所不同[1-3,6]。MRI是利用组织水分子中的氢原子核处于磁场中发生的核磁共振现象，对组织结构进行成像，而fMRI所测量的是在受到刺激或发生病变时大脑功能的变化。根据所测量的脑功能信号的不同，磁共振功能成像主要有以下四种工作方式：①血氧水平依赖功能磁共振成像（blood-oxygen-level-dependent fMRI，BOLD-fMRI）,它主要是通过测量区域中氧合血流的变化（或血流动力学的变化），实现对不同脑功能区域的定位；②灌注功能磁共振成像（perfusion fMRI）,又称为灌注加权成像(perfusion weighted imaging，PWI)。这种成像方法主要用于测量局部脑血流和血容积；③弥散加权功能磁共振成像（diffusion-weighted fMRI）,这种方法主要用于测量水分子的随机运动；④磁共振波谱成像（MRI spectroscopy）,该方法用于测量脑的新陈代谢状态以及参加到新陈代谢中的某些物质(如磷和氧)的含量。目前，临床上和脑科学研究中一般都是用第一种方式，文献中出现的fMRI，如果不做特别说明，一般都是指BOLD-fMRI，简称为fMRI。以下只给出其工作原理。 BOLD技术是fMRI的理论基础。当大脑在执行一些特殊任务或受到某种刺激时，某个脑区的神经元的活动就会增强。增强的脑活动导致局部脑血流量的增加，从而使得更多的氧通过血流传送到增强活动的神经区域，使该区域里的氧供应远远超出了神经元新陈代谢所需的氧量，导致了血流中氧供应和氧消耗之间的失衡，结果造成了功能活动区血管结构中氧合血红蛋白(oxyhemoglobin)的增加，而脱氧血红蛋白(deoxyhemoglobin)的相对减少[3-7]。脱氧血红蛋白是一种顺磁性物质，其铁离子有四个不成对电子，磁距较大，有明显的T2*缩短效应，因此在某一脑区脱氧血红蛋白的浓度相对减少将会造成该区域T2*信号的相对延长，使得该区域中的MR信号强度增强，在脑功能成像时功能活动区的皮层表现为高信号，利用EPI快速成像序列就可以把它检测出来。 目前，在临床和脑科学研究中进行脑功能成像的手段主要有：单光子发射计

功能磁共振成像fMRI工作原理

功能磁共振成像技术(functional mangetic resonance imaging, FMRI) 磁共振成像对软组织结构有非常好的对比和分辨率，可以不用外源性造影剂就能无损伤地对人脑中神经元活动增加的区域成像。 实验原理：基于血氧水平依赖（blood oxygenation level dependent, BOLD）的对比原理。脱氧血红蛋白是顺磁性的，而氧合血红蛋白与组织类似，是反磁性的，并且脑中局部脱氧血红蛋白浓度的改变能够导致MRI图像强度的变化。 在神经元活动时，局部毛细血管和静脉中的脱氧血红蛋白浓度降低，从而导致T2*（NMR信号衰减时间常数）和T2（横向弛豫时间）增加。这种增强表现为T2*和T2加权的MR图像强度增强。 实验设计：当被试休息时或进行特定的作业或呈现于特定的刺激时，连续地获得T2*和T2加权像。用统计学方法对图像进行分析，确定有意义的脑区，这些区域在进行作业或者呈现刺激时与休息时的信号比较，有明显的变化。 应用范围：各种神经加工过程的研究，包括初级感觉和运动皮层的活动，以及认知功能（注意、语言、学习和记忆等）的研究。 基本原理： 1.MRI物理原理 通过梯度磁场获得图像。单次激发方法对一个切片成像大约需要30-100ms，对监视脑激活期间脑中连续的动态变化很理想。 2.BOLD的生物物理学原理 氧化的血是反磁性的，类似于脑组织。脱氧血红蛋白是顺磁性的，它的出现导致含有这些分子的区室和其他没有这些分子的区室时间很大的磁化率差异。 在脑中，血红蛋白位于血管内，它对水质子的影响依赖于质子相对于血管的位置，一条血管出现在一个特定的体素（voxe, 图像的单位体积成分）中，这个体素内的磁场就会不均一，动态的平均是水分子的弥散运动造成的，静态平均是在不同香味的自旋引起的，相位是由进动频率的差异产生的。 BLOD场的不均匀性对MR造成影响，有大血管和小血管引起的血管内和血管外效应。当血液占据体素体积的大部分时，导致TE内的血液信号和组织信号之间的不连贯，是体素信号降低，这是fMRI的类型2血液效应。当场强非常高的情况下（7T），基于BOLD fMRI的T2 才可能主要与毛细血管有关。 3.生理学原理 神经活动时脑血流量CBF大量增加，超过了氧利用率CMRO2 的小量增加，结果是兴奋的神经元活动发生时CMRO2 /CBF降低，导致R2*(=1/T2*)，因此，对T2*敏感的图像中信号强度增加。