脑功能成像的基本原理

1 核磁共振原理 FMRI是在一般核磁共振成像(MRI)的基础上发展起来的,核磁共振是自旋的原子核在磁场中与电磁波相互作用的一种物理现象,下面首先来介绍一下MRI的理论基

1 核磁共振原理

       FMRI是在一般核磁共振成像(MRI)的基础上发展起来的,核磁共振是自旋的原子核在磁场中与电磁波相互作用的一种物理现象,下面首先来介绍一下MRI的理论基础。
 MRI的理论基础:原子核是由质子和中子组成的,质子带有正电荷,中子虽不显电有质量,所以它们都具有磁矩,质子的磁矩为M,中子具有质子三分之一的磁矩。当质子或中子成对存在时,成对的磁矩会彼此对消,所以除质子和中子都为偶数的原子核外,质子和中子都为奇数,或者其一为奇数的原子核具有磁矩,如1H、11B、13C、17O、19F、31P, 等具有磁矩。氢原子核只有一个自旋质子,最单纯又在人体内含量最丰富,能提供最强的磁共振信号,所以MRI一般选择氢原子核来成像。下面就介绍氢质子的MRI。
        根据量子力学理论,当具有磁矩的氢质子处于外磁场中时,相互作用的能级会发生分裂,各能级间有一定的能级差△E,处于低能级的质子稳定,占大多数。当用频率为v=△E/h的射频脉冲激发时,会发生共振吸收,处于高能级的质子数增多。当射频脉冲消失后,质子会从高能级向低能级跃迁,辐射出与射频脉冲相同频率的电磁波。通过检测这些信号我们可以获得物体内部的信息。
        按经典力学的观点,无外磁场时自旋质子的趋向是随机的,总体没有磁矩。当存在外磁场B0时,自旋质子的趋向将沿B0取向,存在平行B0和反平行B0的两种情况,大多数平行B0,因为这种情况下能量低,少数反平行B0处于高能态,这两种取向存在一个能级差△E=2μB(μ为核磁矩)。具有磁矩的质子处在外磁场中时,就会象离轴旋转的陀螺一样在自旋的同时还会绕B0进动,磁矩与B0有一夹角,进动频率 脑功能成像的基本原理   ( 脑功能成像的基本原理是质子进动的角频率; 脑功能成像的基本原理是旋磁比;B0是外磁场强度)。假设B0方向为Z方向,这样M有两个分量Mxy,和Mz,因为Mxy,的相位是随机的,所以磁矩的总体水平分量是0;而平行B0的质子比反平行的多,所以总磁矩方向平行B0,设为M0。若按着拉莫进动频率向样品辐射电磁波,将引起质子的同相进动,称为相干,此时M0在水平方向的分量不再为0,净磁化矢量偏离z方向,同时平行B0的质子跃迁到反平行B0的增多,z向的分量会越来越小,而水平方向的分量越来越大,净磁化矢量偏离B0的角度也越大。净磁化矢量偏离B。的角度与辐射脉冲的强度、持续时间有关,使净磁化矢量偏离Z轴90。的脉冲称90。脉冲,偏离1800的称1800脉冲,如图1所示。磁矩的水平分量在磁场中旋转时会感应产生电磁信号,如图2所示。在接受线圈中感应出随时间变化的电压V(t),对这个信号进行傅立叶变换,可知频谱宽度与T2近似反比关系,频谱越宽,T2越长。
       射频场消失后,质子的磁矩在B。的作用下开始重新排列,质子的相干性逐渐消失,如图三所示。同时跃迁回平行B。的数目增多,横向分量逐渐减小,导致辐射信号振幅下降,这个衰减的正弦信号称为自由感应信号Mxy,如图3 所示。呈指数规律很快衰减到0 时间常数为T2,  Mz缓慢的增长到初值,时间常数为T1,这个过程称为核磁弛豫。
核磁松弛
       T2的弛豫机制是能量可逆性的转移到其他正在共振的质子上。磁场的不均性会加速分相,静磁场总是不能完全均匀,把在实验中测到的有效值偏离T2记为T2*,如果磁场的磁场的非均匀性引起的横向磁化强度衰减的时间常数为T2',则:由这个式子可以看出T2’对测量值的影响很大,所以磁场的均匀性是非常重要的;T1的弛豫机制是能量不可逆行的散在周围组织“晶格”中,化为热量或诱发分子运动。不同的物质其化学环境不同,将造成两个时间常数的差异,人体各组织都有其特有的T1和T2,这种组织间弛预时间的差异是MRI成像的基础,MRI利用人体某一点信号的Tl或T2来确定该点为何组织,从而区别各种组织成像:通过测量T1成的像为T1加权的图象,通过测量T2*成的像为T2*加权图象。由(5)的式子可知T2*与质子周围的磁场均匀程度有关,大脑兴奋区的激活引起磁化率的改变,改变了磁场的均匀程度,也就改变了此处信号的T2*,通过这一点来鉴定兴奋区域;T1的测量精度随着方法的改进和仪器性能的提高,测量误差缩小到296,甚至更低,所得图象分辨率高,所以一般T2*加权的脑功能成像首先通过T1加权得到的高分辨率的结构图象,然后再把低分辨率的T2*加权的功能性图象叠加在同层的结构图上。

2 FMRI功能性核磁共振成像

       人们早就知道血红蛋白的两种不同形式—氧合血红蛋白、脱氧血红蛋白的磁特性不同[2, 3],氧合血红蛋白是逆磁性的,脱氧血红蛋白是顺磁性的。因为脱氧血红蛋白的原血红素的铁是高自旋的二价铁状态,它的外层有六个电子,其中四个不成对的电子有非常大的磁矩,因此脱氧血红蛋白显示顺磁特性,其磁化率是的数量级:氧合血红蛋白被氧化,每个铁原子与氧分子有一个化合键,不成对电子部分地到达氧分子,原血红素的铁呈低自旋状态,氧合血红蛋白没有磁矩,是逆磁性的。
       众所周知顺磁性物质影响物质的磁化率,所以血液中的顺磁性的物质浓度的变化能影响MRI信号的T2*,从而改变信号强度。1991年,Belliveau等就曾用向人体内注射顺磁性物质的方法产生一幅Tl加权的MRI功能性脑图象,发现光刺激时,初级视觉皮层的血流容量增加。在1990年,Ogawa观察到大脑中的血管随着血氧浓度的降低而MR图象变化的现象,他意识到这是由于氧合血红蛋白与脱氧血红蛋白在磁场中的行为不同造成的。Turner用EPI观察到动物呼吸氮气时脱氧血红蛋白的时间过程 ,Kwong等人也观察到在人屏气(保持吸气或呼气)时人脑内相似的变化过程。1992年,Kwong让参观他的实验室的Turner作为被试,当给于光刺激时Kwong注意到当闪光出现时MRI信号增强,而停止时信号强度恢复正常,通过深入的研究Kwong把这些信号变化与实时的血红蛋白的脱氧和氧化联系起来,Kwong, Turner、他们的合作者和哈佛医科学校,就用这个发现产生了第一个不用对比剂和注射同位素的大脑皮层活动的动力学图。urner说脱氧血红蛋白是身体自身存在的对比剂,原因是当大脑受到视觉刺激,运动感知或认知活动时,神经兴奋水平增强,局部脑血流量(rCBF),血流容积(rCBV ) ,和血氧消耗(rCMRO2)均增加,但增加比例不同,Turner的这种观点可由1986年,FOX和他的同事们用PET做视觉和感觉皮层的实验来证实,刺激导致CBF的大量增加,但氧耗量只有很少的增加,葡萄糖使用的增加与CBF持平,这表明因神经原的激活的额外的代谢需要主要由糖原酵解作用来提供,氧供应大于氧耗,这样导致激活功能区的静脉血氧浓度升高。血红蛋白在氧浓高的地方容易与氧结合,这样脱氧血红蛋白的浓度就会降低,氧合血红蛋白的浓度升高,而血液的磁特性强烈的依靠血红蛋白是否与氧结合,所以脱氧血红蛋白的浓度变化形成一个微观磁场梯度,这个微观磁场梯度降低了组织—血液磁化率的差异,或者降低了包含血红蛋白的红细胞与周围血浆的磁化率的差别,从而降低了磁场的均匀性,这样就降低自旋相干损失,使T2变长,所以对T2*加权像信号增强。1990年,Ogawa首现报道了这种T2*更长!2I犷血管内由于脱板血红蛋白形成的磁场梯度的效应,称之为BOLD,这是fMRI的基础。因为回波信号能同时提供T1和T2的信息,对T1加权的信号来说信号也有变化,T1加权是利用血流敏感进行脑功能成像的,认为大脑的其他生理变化对MR信号的影响极弱,T1变化偏重于反映动脉供血的变化,并认为血流变化主要影响MR信号的幅度;但功能成像最常用的是T2*加权的成像方法。所以在此出对T1加权的信号增强原理不再做介绍。

3 回波平面成像

       上面介绍了FMRI技术的物理学基础和功能性脑成像的生理学基础,下面我们再来介绍一下成像的具体过程。对于具体的断层成像,经历过早期的点成像技术、线成像技术、直到现在的面成像技术,成像速度越来越快。就具体的成像过程来说,不同的脉冲序列成像速度也不同,典型的脉冲序列有:部分饱和序列、反向恢复序列、自旋回波序列、梯度回波序列等。较早期的成像时间过长限制了它在许多方面的应用,提高成像速度是改进技术的重点之一,提高成像速度经历过减少采集次数、减少矩阵数目、半傅立叶转换技术、非对称视野、梯度回波技术,直到现在使用的回波平面成像(EPI)。EPI最早是在1977年Mansfield提出来的,他建议用一高强度的、迅速振荡的磁场梯度,高速度的采集硬件和适合的处理软件,可以由一次脉冲后的自由激发衰减信号重建整个层面的图象。但是一直受到计算机技术的限制而无法实现,最近几年随着计算机的发展EPI才得以实现。EPI使用选择性脉冲激发整个层面,用波动梯度场“聚焦”,产生一系列回波一次获得重建图象所要的全部数据。其成像仅需30-100ms,可以称瞬间成像。
         因为EPI工是以自旋回波技术或梯度回波技术为基础的,由核磁共振的知识我们知道,射频脉冲或质子的辐射脉冲频率都与外磁场的强度有关,我们可以通过梯度磁场使各点的磁场强度不同,从而使各点辐射的频率不同,通过各点的信号来记录各点的信息。首先用一个比外磁场B。小的多的z向梯度叠在B。上,产生一个纵向梯度,使用一个900“软”脉冲进行选择性地激发选定的平面,然后读取自由激发衰减信号。但是由于技术的原因磁场不可能完全均匀,磁场强的地方使质子进动加快,磁场弱的地方使质子进动减慢,引起额外的分相,使Mxy,更快地衰减到0,不能反映物体固有的T2,回波信号能克服这不良效应。自旋回波是在900激发脉冲之后加一1800脉冲,使所有质子的进动都反向,进动快的落后了,而进动慢的超前了,这样创门会再次聚拢产生共振信号,称为回波信号(从开始到产生回波用的时间为TE)。反复使用1800辐射脉冲,和同极性平衡梯度,周期性自旋散相和聚相,从而产生自旋回波列。回波能消去外磁场非均匀效应引起的相位分散,但它不能消去氢质子自旋彼此之间的相位分散,也不能消去由纵向弛豫引起分散效应,所以每一个回波都比前一个弱,由包络可以测出物体固有的T2。梯度回波是反复使用正负交替梯度产生回波,正的梯度引起自旋进动相位增加,负的梯度引起相位减小,实现自旋重聚,形成回波列:EPI是梯度回波的一种特殊形式,需要长的回波时间,利用振荡的梯度场产生一系列回波。
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