磁共振功能成像BOLD-fMRI原理

小川诚二(Seiji Ogawa)教授于1990年首次在大鼠上实现了功能磁共振成像

fMRI的对比度产生机制

• fMRI的信号来源仍然为氢质子，MRI解剖图像对解剖结构的差别非常敏感，fMRI功能图像对神经元活动所伴随的生理变化敏感

fMRI的生理学基础

脑的血液动力学：

• 大脑由许多特定的功能区所组成，脑的多样性构造也反应在血流分布上，对鼠脑的研究表明不同大脑区域的供血量相差近18倍
• 毛细血管中血流随着邻近区域代谢需要的变化而变化，这是fMRI的生理学基础

血红蛋白及其磁性：

• 脱氧血红蛋白dHb具有顺磁特性
• 氧合血红蛋白HbO2具有逆磁特性
• 红细胞中的脱氧血红蛋白和氧合血红蛋白的含量多少回使血流与周围额组织出现不同的磁敏感性

BOLD效应：

• 氧合血红蛋白的逆磁特性与组织接近，不影响其弛豫过程或NMR信号
• 脱氧血红蛋白的顺磁特性影响周围的磁场特性，出现非均匀性磁场，加速质子的散相，T2*，NMR信号的缺失
• 实际上，BOLD方法中信号的幅度是增加的，这是因为神经元活动时，氧的供应量超过代谢所需的耗氧量，即氧合血红蛋白的增加量大于脱氧血红蛋白的产生量，顺磁性物质的相对减少，质子的散相也减少，T2*延长，T2*加权像上的信号强度有所增加
• 大脑皮层的微血管中的血氧变化时，会引起局部磁场均匀性变化，从而引起NMR信号强度变化，称为血氧水平依赖性BOLD

大鼠脑冠状面图像: 随着血流量的增加，图像对比度降低(高信号)

 

 

参考文献:

Ogawa S, Lee T M, Kay A R, et al. Brain magnetic resonance imaging with contrast dependent on blood oxygenation[J]. proceedings of the National Academy of Sciences, 1990, 87(24): 9868-9872.