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1、功 能 磁 共 振 成 像,姚 力 龙志颖 等,第一章 概述,一、什么是 功能 磁共振成像（fMRI） MRI,fMRI Functional Magnetic Resonance Imaging,功能 磁共振成像（fMRI）: 利用磁共振成像技术显示脑的功能激活影像。 功能神经影像(functional neuroimaging)： fMRI, PET (positron emission tomography), SPECT(single-photon emission computerized tomography ) Optical Imaging,功能 磁共振成像（fMRI）,二、为
2、什么要功能磁共振成像 研究脑功能的三种经典手段： Lesion Study Drug Manipulation Recordings of Electrical Activity (EEG、MEG) 功能磁共振成像： 无创，健康人做被试 高的空间分辨率和时间分辨率 对多种认知实验设计有很好适应性 补偿上述方法的不足,Study Question: 1.What is functional magnetic resonance imaging? 2.What are the limitations of lesion studies of the brain? What are the limi
3、tations of drug studies of the brain? What are the limitations of electrophysiological studies of the brain? How can functional neuroimaging help overcome these limitations?,三、各种功能神经成像技术 正电子断层扫描技术 （positron emission tomography-PET） 脑磁图 （Magnetoencephalography-MEG） 脑电图（EEG）与事件相关电位（ERP） 注意：脑功能研究中的多模态信
4、息的融合,四、磁共振技术的发展历史 基本上可以认为有5个阶段： 1、1920-1940：基本物理概念的建立 2、1946-1950s：核磁共振现象的发现与应用 （非生物上的应用） 3、1970s：磁共振成像-MRI（生物上的成像） 4、 1980s：磁共振成像应用于医学（结构像） 5、1990s：功能磁共振成像-fMRI,1924-1940： 1924- Wolfgang Pauli 发现一个现象： 被激活的原子出现了谱线分离。 基本假设： 原子核在离散的频率上自旋。 1937-Inidor Rabi发现共振： 如果外加变化磁场的频率与原子核自旋一致，原子核就会吸收磁场的能量。 1944- R
5、abi获诺贝尔物理学奖,1946验证了固体的核磁共振（Nuclear Magnetic Resonance NMR）现象;,1952: 获得诺贝尔物理学奖， 固体磁共振现象的发现 1950s: 物质成分的检测(波谱),Felix Bloch （Stanford） Edward Purcell （MIT）,1970s利用NMR原理进行成像（生物体上） Paul Lauterbur：空间梯度的概念（定位） Peter Mansfield: echo-planar imaging-EPI概念,2003: 获得诺贝尔医学奖，对MRI的发明,1980s-MRI仪商品化并广泛应用于临床 1977: 第一台
6、人的MR 扫描仪（0.05T）,Damadians FONAR Co.,By the early 80s, NMR改称MRI 。,1982：GE公司生产了1.5T第一台商业医用MR 扫描仪 1985: FDA批准了临床使用MR 扫描仪,1990s发明功能磁共振成像（ fMRI） 1936: Pauling 指出合氧血红蛋白和脱氧血红蛋白的磁化率不同 1982：Thulorn论证了脱氧血红蛋白的NMR信号衰减速度比合氧血红蛋白快 1986：Fox发现，神经活动伴随区域性脑血流(rCBF)、血体积(rCBV) 、血氧和代谢等变化。 1990: Ogawa报告了大脑皮层微血管中血氧的变化，会引起局部
7、磁场均匀性变化，从而引起NMR信号强度的变化，称血氧水平依赖性（BOLD）。,Study Question: 1. What were the two reasons for the change in terminology from “nuclear magnetic resonance” to “magnetic resonance imaging”?,五、磁共振扫描仪的组成 主磁体 (Static Magnetic Field) 射频系统 (Radiofrequency Coil) 梯度系统 (Gradient Coil) 计算机系统 其他辅助设备,1、主磁体 (Static Magn
8、etic Field) 分类 按磁场产生方式： 永磁体 （钕 铁 硼） 常导磁体 超导磁体,1.5T 超导磁体,0.35T 永磁磁体,OpenMark 3000,按磁体的外形：,封闭式磁体,特殊外形磁体,开放式磁体,按主磁场的场强分类 超高场（4.0-7.0T） 高场（1.5-3.0T） 中场（0.5-1.4T） 低场（0.2-0.4T） （MRI图像信噪比与主磁场场强成正比）,主磁场的两个重要指标： 磁场强度与磁场的均匀性,磁场的单位： 高斯（gauss, G）： 1高斯为距离5安培电流的直导线1厘米处检测到的磁场强度 特斯拉（Tesla,T）： 1 T = 10000G,地球的磁场强度分布
9、图,Gauss (1777-1855)： 德国著名数学家，于1832年首次测量了地球的磁场。,Study Questions: How does an MRI scanner generate the main magnetic field? What two criteria are important for the main magnetic field? Why are superconducting electromagnets necessary for MRI?,2、射频系统 (Radiofrequency Coil),射频线圈的作用 （如同无线电波的天线） 激发人体产生共振 （
10、广播电台的发射天线） 采集MR信号 （收音机的天线）,体线圈 激发并采集MRI信号 表面线圈 采集MRI信号，激发采用体线圈进行,接收线圈与MRI图像SNR密切相关 接收线圈离身体越近，所接收到的信号越强 线圈内体积越小，所接收到的噪声越低,射频线圈的几个重要概念 激发（excitation） 接收（reception） 表面线圈（surface coil） 体线圈（volume coil） 相阵线圈（phased array）,Study Questions: What is the difference between a surface coil and a volume coil? W
11、hat is the phased array?,3、梯度系统 (Gradient Coil),梯度磁场是一种人为加入的，随空间位置线性变化的不均匀场，分别加在空间的三个方向。加入梯度场的目的是使空间不同位置经受的磁场不同，因此标识了空间的不同点，即对成像对象进行了空间编码。,作用： 空间定位 产生信号 梯度线圈性能的提高 磁共振成像速度加快,梯度磁场的产生,Z轴方向梯度磁场的产 生,X、Y、Z轴上梯度磁场的产生,梯度线圈性能指标 梯度场强 25 60mT/m 切换率 120 200mT/m.s,Study Questions: What are the three main componen
12、ts of an MRI scanner? What are the function of the three main components,匀场线圈（shimming coil） 用于补偿静磁场的不均匀性,单位：ppm ( part per million) 20厘米球体内 例如：0.1ppm，1.5T， 0.00000015T的偏离,4、计算机系统,数据的重构、分析和显示。 对硬件的一系列指示。 （pulse sequence）,5、其他辅助设备,空调 液氦及水冷却系统 激光照相机 生理指标监视器,小 结,六、磁共振仪的安全性 静磁场对人生理上的作用 强磁场中的铁磁物质 梯度磁场的作用
13、 射频场的作用 （specific absorption rate-SAR) 幽闭症 噪声,Study Questions: What happens to metal brought within the static magnetic field? Consider both large external objects (e.g., oxygen canisters) and small internal devices (e.g., aneurysm clips). What effects do the changing gradient fields have upon the h
14、uman body? How can these effects be minimized? What is SAR? Why is it important for fMRI? Why is it important to avoid looping wires or necklaces near the head coil?,七、本课程内容 第一章 概述 （1周） 第二章 磁共振成像原理 （4周） 21 MRI信号产生的基本原理 22 MRI信号成像的基本原理 23 脉冲序列 24 快速扫描,第三章：功能磁共振成像（3周） 31 脑血流与BOLD效应 32 功能磁共振成像的时空特性 33 脑fMRI实验的一些典型结果 第四章：功能磁共振成像的数据处理（4周） 4. 1 实验设计应考虑的问题 4. 2 数据的预处理 4. 3 数据处理中的统计方法 4. 4 数据处理的方法综述,实验（3周） 培训 实验 数据分析,八、本课程的安排 课堂讲授 课堂讨论 思考题 实验,
