2 功能像成像原理

目录

1. 血液动力学反应

2. BOLD（血氧水平依赖）功能磁共振成像

（1）磁共振扫描仪构造

（2）内部原理

（3）如何定位不同的区域

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（转载请注明来自Ressan博客）

1. 血液动力学反应

来自神经元活动的MR信号的变化称为血液动力学反应(HDR)，详解如下。

2. BOLD（血氧水平依赖）功能磁共振成像

个体受到视觉、听觉等感觉刺激后，神经元兴奋，相应的大脑功能区变得活跃，活跃区的局部脑血流量（CBF）和耗氧量增加，且前者增加量大于后者，这就导致活跃区的静脉血浓度上升、脱氧血红蛋白（deoxygenated hemoglobin (dHb) ）含量低于相邻的静息态脑区。而脱氧血红蛋白具有顺磁性，会干扰磁共振信号（Magnetic resonance (MR)），缩短T2。既然活跃区的脱氧血红蛋白减少，那么其缩短T2的作用就相应减弱。结果就是，活跃区的T2变长，在T2加权或T2F加权的功能磁共振成像图上表现为信号增强。

接下来说一说MR、T2是啥

（1）磁共振扫描仪构造

磁共振成像（MRI），全称核磁共振成像，即 Nuclear Magnetic Resonance Imaging。据说“核”字因为看起来比较骇人，所以被去掉了……

我把磁共振扫描仪看作一个超强力磁铁，不过这个磁铁并不是一大块板砖似的粗暴构造。它主要包括四个部分：主磁体（primary magnet）、梯度磁体（Gradient magnets）、 射频线圈(Radio frequncy(RF) coils)和电脑系统。

1. 主磁体：货真价实的万磁王！体型大磁力强
2. 梯度磁体：线圈做的，通电产生磁场，初中学的右手螺旋定律回忆起来了吗？此外，“梯度”是指它制造的磁场的强度被设计成呈梯度变化，具体为什么要这样设计会在后面讲到。
3. 射频线圈：如其名，用于发射射频信号（Radio Frequency signal）。这种频率的波处于波谱最左端，波长达10^4（人眼看不到咯）
4. 电脑系统：研究人员可通过操作电脑系统给被试呈现相关刺激

MRI磁场强度一般为1.5T－3T（T是Tesla简写，磁场强度单位），而地磁场仅50－60μT（也就是0.00005－0.00006T）。MRI磁力之强可想而知。

注意事项：千万不能带金属制品进扫描室！后果如下

http://www.360doc.com/content/18/1229/22/190411_805366979.shtml

（2）内部原理

人体的60%都是H2O，体内的氢原子数量不可胜数。氢原子由一个质子和一个绕质子运转的电子组成（此处我们只关心质子），质子带正电，在特定的轨道上不停运转（没错！它是在转动的！并不是老老实实地待在最中心），所以每一个小质子就形成了一个小磁场（拿出右手比一个螺旋法则）。在自然状态下，这些氢原子自由转动，磁力相互抵消。

1. 首先，在外部施加一个强磁场B0，这些氢原子就会像士兵听到号令一样刷刷站齐，大多数氢原子（低能质子）跟磁场保持同一方向，少数调皮的氢原子（高能质子）跟磁场方向相反。此时，将所有质子产生的磁场合并得到总的磁场方向，是与外部施加的主磁场方向一致的，此为“纵向磁化”（无法被检测到）。
2. 然后，发射频率为f【已知主磁场为B0，根据lamour方程（共振频率=γ × 磁场强度）算出共振频率f】的射频脉冲至质子附近，会产生这样的效果：首先，低能态质子吸收能量“翻转”成高能态，使得人体内质子一半与B0同向、另一半反向，两半质子产生的磁力相互抵消，纵向磁化量为0；然后，正弦波将不同相位的质子“推”至同相位状态，此为“共振”（Resonance）。这时，将所有质子的磁矩相加，得到一个与B0方向成90°角的净磁场（Net magnetization）（知道它是横向的就行），此为“横向磁化”（运动的磁场产生电流，能被线圈检测到）。
3. 接下来，撤掉射频信号。同样有两个关键事件：首先，同相位的质子，由于都带有正电荷，会相互排斥并分离，失去横磁化，这一过程是T2，又称“自旋弛豫”（能量在质子之间转移）；然后，之前被质子吸收的能量以热量形式消散到周围组织中，实现真正的能量转移，质子回到基线状态，再次形成纵向磁化，这一过程就是T1，又称“自旋－点阵弛豫”。

经过上述分析，可以清楚看到，T2就是“横向磁化”的丧失过程！但是，又有一个问题，除了水，人体的脂肪也蕴含着大量的氢原子，脂肪与水中的质子对射频脉冲的反应存在差异，我们如何区分这两种去横磁化过程呢？

1. 脂肪是固态，水是能自由流动的液体。相比脂肪，水更倾向于长时间持有能量。我们猜想，是否存在一段时间阈限，在该阈值前，脂肪重构纵磁化（即完成一次T1），而水仍然处于横向磁化状态？如果存在这样的时间点，那么，我们就可以分离脂肪的干扰，单独检测水的T2！
2. 实验证明，确实存在！
3. 施加脉冲信号使得脂肪和水先纵向磁化再横向磁化{{-->撤掉脉冲-->（等待）-->脂肪经历T2、T1恢复纵向磁化这一基线状态；同时，水由于能保持能量，仍处于横向磁化-->}（Long TE）（打开接收线圈检测信号）-->}（Long TR）水经历T2、T1恢复纵向磁化。
4. T2加权成像，T2随着Long TE增强，T1随着Long TR减弱。

注：①{……}（Long TE）指Long TE包括的事件；{……}（Long TR）指Long TR包括的事件；

②由于磁场B0不能做到绝对同质，真实情境下的spins dephase比T2更快。T2* = T2 relaxation + filed inhomogeneities

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上述分析中有几处新概念：

TR：Repetition Time，重复时间，即重复发射射频信号的时间间隔，具体对应的起点和终点见上述分析步骤3

TE：Echo Time，回波时间，即发射射频信号到采集回波信号所花时间，起点终点举例同上

WI：Weighted Image，加权成像，即突出某类参数，同时减少其它参数的干扰。（换句话说，参与成像的参数并不是平等的，那些“VIP会员”会得到更多的关注！）通过调节TR和TE来实现加权。

T2WI：T2加权成像，即突出组织的T2差别。包含一个由Long TR和Long TE构成的脉冲序列

T1WI：T1加权成像，即突出组织的T1差别。包含一个由Short TR和Short TE构成的脉冲序列。

注：得到Short TR/TE的方法与上述过程有所不同，具体过程为：快速施加脉冲信号，使脂肪氢原子中的质子重构纵磁化，再快速施加脉冲信号，此过程为Short TR；撤掉射频信号，打开线圈采集回波信号，此过程为Short TE。原理是：在第二个Pulse处，脂肪氢原子中的质子再度横磁化，产生强可测信号，而水中质子由于能量过强，大多反转成高能态，产生的净磁场方向下偏，造成横磁化减弱，从而导致可测到的信号变弱了。（毕竟我们能测到的只是横磁化产生的电流，而不是质子持有能量的多少）

（3）如何定位不同的区域

梯度磁场由三套分磁体组成：x轴向磁体、y轴向磁体、z轴向磁体，通过它们，我们可以对任何组织进行3D空间定位。

再次用到上面提到的lamour方程：磁场越强，共振频率越大。

Z轴：产生从脚到头的磁力梯度（e.g. 0.8T－１.2T），用来选出体内特定的一层组织。在z轴处，我们加入了RF信号。

Y轴：产生从下到上的磁力梯度（e.g. 0.8T－１.2T），相位编码梯度定位。打开后很快关闭，根据lamour方程，切面组织的质子沿Y轴方向产生相位偏移（phase shift），从而可以在Y轴方向定位质子们。接下来，选定某一特定相位的质子。

X轴：产生从右到左的磁力梯度（e.g. 0.8T－１.2T），频率编码梯度定位。打开后很快关闭，根据lamour方程，特定相位的质子沿X轴方向产生频率偏移（frequncy shift），从而可以在X轴方向定位质子们。

经过上述Z-->Y-->X变换，每个信号都有了一个独特的相位和频率，可以在3D空间里进行定位。每一个体素（相当于一个非常小的区域里的质子集合）都被指定一个与其信号强度相对应的灰度。白色是强信号，黑色无信号。

一般来说，标准的FMRI是512*512的size，精确到原子！所以FMRI具有极高的空间分辨率！

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注：本人新手一名，学习了来自bilibili《核磁共振基本原理和简史》、《Introduction to MRI Physics介绍核磁共振原理》（直接在B站搜名字就可以找到）和来自优酷的FMRI原理等视频，此为学习笔记，感谢B站和各网站上大佬们的分享！