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1、磁共振功能成像的临床应用 The clinical application of functional MRI,1,1,历史,2,2,1945年由美国斯坦福大学的Bloch和哈佛大学的Purcell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。 1971年纽约州立大学的 Damadian 教授在Science杂志上发表了题为“核磁共振信号可检测疾病”和“癌组织中氢的T1时间延长”等论文。 1973年 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 Er
2、nst 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。,fMRI分类,3,3,基本概念,5,5,弥散（diffusion）： 也称扩散，是描述小分子在组织中微观运动的物理概念，是分子等微观颗粒由高浓度向低浓度弥散的微观移动，即布朗运动，单位为mm2/s。分为三类，即细胞外扩散，细胞内扩散，跨膜扩散。 受限弥散（limited diffusion）： 弥散运动将使溶液系统中的浓度梯度逐渐消失。但是，在生物体中细胞内外或小器官内外却能保持不同的化学环境，这是由细胞膜的屏障作用决定的，也就是说，膜有阻碍分子自由通过的功能，
3、从而使有些分子的跨膜弥散受到限制。受限弥散构成了弥散成像的基础。,6,6,弥散系数（diffusion coefficient，D） 表示分子的弥散程度，是指水分子单位时间内弥散的范围，单位为 mm2/s， D值越大，弥散的速率越大，反之则变小。D值对许多物理和生理因素均十分 敏感，在体内这个复杂的环境中心跳、脉搏、呼吸、血液灌注等自主或不自主运 动都可以引起DWI信号减弱，因而在临床实际应用中常用能够反应整体组织结构特 征的表观扩散系数（ADC）来代替扩散系数D. 表观扩散系数(Apparent Diffusion Coefficient, ADC) 在弥散加权成像上，弥散加权的程度由弥散敏
4、感因子（用b表示）决定，单位为s/mm2。 ADC= Ln(S2-S1)/(b1-b2)，S1、S2是不同为弥散敏感因子（b1、b2）下的信号强度，Ln为自 然对数。ADC值增大，代表水分子弥散增加，而DWI信号降低，反之亦然。,b值代表扩散敏感系数； r代表磁旋比； Gi和Gj分别为i轴和j轴上的磁场梯度强度； 代表梯度场持续时间； 代表两个梯度场间隔时间。,b值越高，扩散的权重越重 b值越高，信号越弱 b值越高，信噪比越差 b值越高，相同TR内可采集的层数越少 出现周围神经的刺激症状也限制了太高的b值。 较小的b值可得到的较高信噪比的图像，但对水分子扩散运动的检测不敏感,因此，b值的选择非
5、常重要， 用小b值进行DWI，在一定程度上反映了局部组织的微循环灌注，但所测得的ADC值稳定性较差，且易受其他生理活动的影响，不能有效反映水分子的弥散运动；用大b值进行DWI，所测得的ADC值受局部组织的微循环灌注影响较小，能较好反映水分子的弥散运动，b=0时产生无弥散加权的T2WI.,原理,11,11,人体中70%是水，通常所说的弥散主要指水分子或含水组织的弥散。在任一常规MR成像序列中加入弥散梯度突出弥散效应即可行弥散加权成像，通过在常规自旋回波成像序列基础上，在180度聚焦射频脉冲前后各加上一个位置对称、极性相反的梯度场，在梯度场的作用下，弥散中的水分子中的横向磁化发生相位位移，这种相位
6、位移广泛扩散，相互干扰，导致MR信号衰减，从而形成DWI上的信号。,13,13,1.自由水扩散自由，信号衰减多，呈低信号； 2.结合水扩散受限，信号衰减少，呈高信号。,错误,14,14,无创探测活体组织中水分子扩散的唯一方法 信号来源于组织中的自由水 结合水尽管活动受限，但仍不能产生信号 不同组织对自由水扩散限制程度不同产生DWI对比，是检测组织中自由水限制性扩散的程度 自由水扩散越自由信号丢失多，DWI信号越低 自由水扩散越受限信号丢失少，DWI信号越高,临床应用,15,15,由于脑组织成分均匀，比其他部位发生的运动伪影少，因而DWI首先在脑部应用。弥散成像已用于脑梗塞、脑肿瘤、多发性动脉硬
7、化症以及其他病理变化的研究中。,16,16,1.脑梗塞 脑梗死超急性期（6h），由于急性缺血、缺氧，钠-钾泵功能失调，水分子从细胞外进入细胞内，从而产生细胞毒性水肿，水分子弥散受限，ADC值下降，DWI呈高信号。超急性脑梗死的ADC下降主要与细胞毒性水肿有关，要比反映血管源性水肿的T2WI高信号早得多。血管源性水肿是由于血脑屏障破坏，血浆由血管内漏出进入细胞外间隙引起的。人脑脑梗死显示DWI上异常信号的最早时间11min.,超急性期脑梗死（3h）,17,17,脑梗死超急性期（6h），常规MRI表现正常，而DWI高信号。,急性期脑梗死（24h）,18,18,脑梗死急性期（6h3d），T2呈稍高信
8、号，DWI上梗死信号进一步升高，ADC值下降。,亚急性期（10d）,19,19,亚急性期（3d3周），随着血管源性水肿的加重及细胞裂解，细胞外间隙水分增多，弥散速度加快，直到与脑组织相同（10d左右），ADC值逐渐增加，达到并高于正常值，期间在ADC图上梗死灶可以表现为等信号，出现“假性正常化”。,慢性期（3m）,20,20,慢性期（3周3个月），梗死区发生软化，产生快速弥散，ADC值可逐渐接近脑脊液，在DWI上表现为低信号，ADC图上类似脑脊液的高信号。,脑梗塞的演变过程,21,21,早期梗死：ADC起决定作用，DWI为高信号。 亚急性期：血管源性水肿明显，ADC有所升高，但T2对比度对DW
9、I有很大作用。 后期： T2对DWI的贡献无变化，但ADC明显升高，使DWI的信号下降。,22,22,2.颅内环形强化病变的鉴别诊断 脑脓肿和囊变、坏死为主的胶质瘤和脑转移瘤在临床表现及常规MRI上有时缺乏特征性。二者均可表现为T1低信号，T2高信号，增强后囊壁呈均一或不规则的环状强化，并有不同程度的占位效应均周围水肿，有时难以鉴别。,23,23,脑脓肿脓液具有高度粘滞性，含有大量细菌、炎性细胞、细胞碎屑和蛋白复合物，限制了水分子的随机运动，DWI表现为高信号，ADC值降低。而肿瘤的坏死或囊腔内通常包含坏死肿瘤细胞的碎屑、细胞碎片、炎性细胞等，黏液性成分含量较少，富含浆液性液体，其内水分子扩散
10、运动增加，DWI表现为低信号，ADC图为高信号。,24,24,高英,肺癌脑转移,27,27,值得注意的是，文献中有转移瘤及放射性坏死DWI上呈高信号的个案报道，也有由于脓肿形成、成熟及液化，脑脓肿的DWI信号强度及ADC值明显变化的情况。尽管如此，DWI在鉴别脑脓肿和脑肿瘤囊变坏死仍有具有重要的价值。,28,28,3.颅脑囊性病变的鉴别诊断 颅内表皮样囊肿和蛛网膜囊肿均可发生在鞍区、桥小脑角区、松果体区和脑室内，均可呈脑脊液信号，常规MR检查有时区别困难。,29,29,蛛网膜囊肿,表皮样囊肿,30,30,蛛网膜囊肿,表皮样囊肿,31,31,表皮样囊肿囊腔内为含有上皮碎屑、角蛋白、胆固醇结晶及其
11、他脂质成分的豆渣样油腻液体，粘稠度极高，水分子弥散受限。蛛网膜囊肿是脑脊液被包围在蛛网膜所形成的袋状结构，水分子运动相对自由，DWI呈低信号。,4. 在评价弥漫性轴索损伤中的价值 头部受到切线方向暴力时，脑组织绕中轴发生旋转运动，导致脑白质、灰白质交界区和中线结构等部位的撕裂和轴索损伤，主要累及皮髓质交界区，胼胝体压部，深部灰质及脑干。 其特点为：广泛性白质变性，小灶性出血，神经轴索回缩球，小胶质细胞簇出现，常与其他颅脑损伤合并，死亡率高。,1、DWI和ADC均表现为高信号，提示病变为血管源性水肿，病变可逆。 2、DWI高信号，ADC低信号，提示病变为细胞毒性水肿，恢复困难。 3、DWI、AD
12、C表现各异，病变为各种不同时期的出血，预后较差。,弥漫性轴索损伤：细胞毒性水肿，恢复困难,35,35,扩散张量成像 Diffusion Tensor Imaging（DTI）,基本概念,36,36,均质介质中水分子的运动是无序随机运动，即向各个方向运动的几率是相同，即具有各向同性（isotropy） 在人体组织中，水分子的运动由于受到组织细胞结构的影响，在各个方向弥散程度是不同的，具有方向依赖性，即具有各向异性(anisotropy),原理,37,37,在神经纤维组织，水分子因受髓鞘、轴索排列方式等影响，表现为沿纤维走行方向的扩散比与其垂直方向更容易。且在脑内不同组织的神经纤维上各向异性不同，
13、如胼胝体、椎体束、内囊前肢、半卵圆中心的各向异性依次降低，可以利用水分子弥散的各向异性来追踪纤维的走行。,临床应用,38,38,白质纤维束示踪成像（fiber tractography）,39,39,显示白质纤维和肿瘤的相互关系，利于指导外科手术，这是DTI技术最有临床价值和应用的前景。,40,40,灌注加权成像 Perfusion Weighted Imaging（PWI）,基本概念,41,41,脑血流量(cerebral blood flow, CBF)：指在单位时间内流经一定量组织血管结构的血流量。 脑血容量（cerebral blood volume，CBV）：指存在于一定量组织血管结
14、构内的血容量。CBV=CBF*MTT：CBV降低=低灌注 ，升高=高灌注。 平均通过时间(mean transit time, MTT)：指血液流经血管结构时,包括动脉、毛细血管、静脉窦、静脉，所经过的路径不同，其通过时间也不同，因此用平均通过时间表示，主要反映的是对比剂通过兴趣区脑组织的平均时间。 峰值时间（Transit time to the peak，TTP）：指从对比剂开始出现到对比剂达峰值的时间。 rCBF、rCBV、rMTT、rTTP,原理,42,42,注入顺磁性造影剂如Gd-DTPA，血管腔内的磁敏感性增加，在局部产生梯度场，导致磁场不均匀，进而引起邻近氢质子共振频率改变，使质
15、子自旋失相位，T2值缩短，从而使得T2WI信号强度降低。血脑屏障（blood brain barrier，BBB）存在时，Gd-DTPA不能通过毛细血管进入组织间隙，不影响组织的T1时间，因此不产生T1增强效应。采用快速成像序列，获得对比剂首次通过受检组织前、通过中和通过后一段时间内的一系列动态图像，从而评价组织的血流灌注情况。,应用,43,43,1.短暂性脑缺血发作（transient ischemic attacks，TIA） 指症状持续时间24h的局灶性脑缺血事件，无任何脑梗死的证据。正常成年人的当CBF降低到1020 ml/（100 gmin）或皮层CBF降低到正常的40 %、白质CB
16、F降低到正常的35%时，就引起脑组织的缺血反应。约50%的TIA患者在发病12h内的PWI上存在异常灌注区，主要为TTP或MTT延长。灌注成像技术能发现早期脑缺血区及其血液动力学改变，能在脑缺血后30min即清楚显示缺血区。,44,44,2.急性缺血性脑梗死（ acute ischemic cerebral infarction） PWI的各个参数均可用于急性缺血性梗死的判断，但其意义有一定的区别。CBV图上的异常低灌注区多代表梗死核心，即最终梗死区；CBF图可提供CBV图不能反映的血流动力学改变；CBF图上的异常低灌注区代表缺血组织；MTT图和TTP图对组织的低灌注最敏感，可最大范围显示低灌注组织。急性脑缺血时，PWI参数图上异常范围大小顺序为：MTTCBFCBV.,发病后20h,发病后20h,CT平扫低密度区面积与各参数图低灌注区一致，1周后复查病灶不变，说明低密度区代表因血流灌注减少所致的难以恢复的缺血脑组织。,发病后2h,发病后2h,CBF下降,CBV正常,说明缺血脑组织仍有自身调节（autoregu
