第十章 fMRI与SWI及其处理分析技术磁共振成像（Magnetic Resonance Imaging，MRI）具有多参数、多方位成像的特点，它提供的高分辨率、高对比度解剖图像早已被人们所接受现在MRI技术仍以惊人的速度发展着，其应用范围正在不断拓展，新的应用领域也在不断涌现功能磁共振成像(functional Magnetic Resonance Imaging，fMRI)及磁敏感加权成像（Susceptibility Weighted Imaging，SWI）就是近年来出现的磁共振成像新技术本章主要就功能磁共振成像及磁敏感加权成像的基本原理、临床应用和相关处理与分析技术做简要介绍第一节 fMRI及SWI的原理及特点 一、fMRI的原理与特点功能磁共振成像是上世纪90年代以来在磁共振成像技术的基础上迅速发展起来的能够反映大脑功能活动的一种磁共振成像方法，它的突出特点是可以利用超快速成像技术，反映出大脑在受到刺激或发生病变时脑功能的变化它突破了过去仅从生理学或病理生理学角度对人脑实施研究和评价的状态，打开了从语言、记忆和认知等领域对大脑进行探索的大门传统的MRI与fMRI之间的主要区别是它们所测量的磁共振信号有所不同。
MRI是利用组织水分子中的氢原子核处于磁场中发生的核磁共振现象，对组织结构进行成像，而fMRI是通过血流的变化间接测量大脑在受到刺激或发生病变时功能的变化根据所测量的脑功能信号的不同，磁共振功能成像主要有以下几种：①血氧水平依赖功能磁共振成像（Blood Oxygen Level Dependent FMRI，BOLD fMRI），即狭义的脑功能成像，它主要是通过测量区域中氧合血流的变化（或血液动力学的变化），实现对不同脑功能区域的定位，如不特别指明，BOLD成像常称为fMRI成像；②灌注功能磁共振成像（Perfusion fMRI），又称为灌注加权成像(Perfusion Weighted Imaging，PWI)，这种成像方法主要用于测量局部脑血流和血容积；③弥散加权功能磁共振成像（Diffusion Weighted fMRI），亦称为弥散加权成像（Diffusion Weighted Imaging，DWI），它主要用于测量水分子的随机运动；基于DWI的磁共振弥散张量成像（Diffusion Tensor Imaging，DTI）利用水分子的弥散各向异性进行成像，可追踪脑白质纤维束支；④磁共振波谱成像（Magnetic Resonance Spectroscopy，MRS），该方法用于测量脑的新陈代谢状态以及参与新陈代谢中的某些物质(如磷和氧)的含量。
BOLD技术是fMRI的理论基础对人类来说，大脑只占人的体重的大约2%，大脑的氧消耗却占全身消耗量的大约20%当大脑在执行一些特殊任务或受到某种刺激时，某个脑区的神经元的活动就会增强增强的脑活动导致局部脑血流量的增加，从而使得更多的氧通过血流传送到增强活动的神经区域，使该区域里的氧供应远远超出了神经元新陈代谢所需的氧量，导致了血流中氧供应和氧消耗之间的失衡，结果造成了功能活动区血管结构中氧合血红蛋白(Oxy-Hemoglobin，OHb)的增加，而脱氧血红蛋白(Deoxy-Hemoglobin，DHb)的相对减少脱氧血红蛋白是一种顺磁行物质，其铁离子有四个不成对电子，磁距较大，有明显的T2*缩短效应，因此在某一脑区脱氧血红蛋白的浓度相对减少将会造成该区域T2*信号的相对延长，使得该区域中的MR信号强度增强，在脑功能成像时功能活动区的皮层表现为高信号，利用EPI快速成像序列就可以把它检测出来MR灌注加权成像的目的是检测血流通过毛细血管网的情况，它可提供常规MRI及磁共振血管成像(Magnetic Resonance Angiography，MRA)所不能获取的血液动力学方面的信息及有关神经活动和脑血管状态的诊断信息。
常用动态对比增强磁敏感加权灌注的方法，它将顺磁性对比剂如钆-二乙烯五胺乙酸(Gd-DTPA)经静脉注射后，以很快的速率对单一层面进行重复成像通过扫描获得的感兴趣区的信号时间曲线可估计出局部脑血容积(Regional Cerebral Blood Volume，RCBV)、局部脑血流速度(Regional Cerebral Blood Flow，RCBF)和平均通过时间(Mean Transit Time，MTT)，将获得部分的血液动力学参数与健侧相比较，可有效地反映灌注不足、侧支循环、再灌注及过度灌注的情况灌注成像可敏感地诊断出脑梗死灌注加权成像还可用于检测与癫痫有关的血管及血容量的改变，评价脑的原发与转移性肿瘤，判断肿瘤的良恶性程度，鉴别是复发还是放疗后组织坏死由于超快速成像序列的开发和应用，PWI多采用平面回波成像（Echo Planar Imaging，EPI）完成根据所结合序列的不同，采用的EPI又分为SE-EPI 和GE-EPIMR弥散加权成像是一种能提供与常规SE序列完全不同的成像对比，其原理是在常规SE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。
在梯度场作用下水分子弥散时其中的质子横向磁化发生相位分散，不能完全重聚，导致信号衰减，故形成了DWI上的异常信号根据Fick定律，真正的弥散是由于浓度梯度导致的分子净运动，在MR成像中，浓度差异造成的分子运动和压力梯度、热效应以及离子的相互作用引起的分子运动无法区分，因而只用表观弥散系数(Apparent Diffusion Coefficient，ADC) 来表示机体中所测到的弥散由于采用常规SE序列的DWI 序列成像时间长，受检者轻微的运动都会产生较明显的运动伪影，而使DWI 图像模糊，不能用于常规临床检查高性能梯度的发展，可以采用SE-EPI T2加权行DWI，可明显减少成像时间、降低运动伪影，增加因分子运动而使信号强度变化的敏感性在急性期脑梗塞时早期诊断意义重大，也可定性评价脑部良恶性肿瘤另外其它许多序列也应用于弥散成像研究，如稳态自由进动、快速FLASH序列等磁共振弥散加权成像基于弥散成像，结合平面回波技术，施加多方向梯度磁场，产生对比图像磁共振弥散成像基于人体组织的弥散特点成像，根据弥散的差异产生对比由于基于平面回波技术，因此弥散张量图像容易产生畸变和伪影，且噪声对图像质量影响较大。
目前DTI主要用于脑、心脏、脊髓细微结构的研究，尤其是脑白质纤维的观察追踪、脑发育、脑认知功能以及脑部手术术前计划制定与术后效果评价弥散现象是物质的运动方式之一，是分子等微观颗粒由高浓度向低浓度随机的微观运动，即布朗（Browian）运动DTI是利用水分子的弥散运动特性进行成像的MRI 可以通过氢质子的磁化来标记分子而不干扰它的弥散过程，是一种理想的研究分子弥散的方法在体外均质流体中，水分子的弥散运动完全是随机的，即向各个方向运动概率几乎相同，称为弥散的各向同性（Isotropic）在活体组织中，水分子的弥散不表现为各向同性，例如水分子在有髓神经纤维垂直于轴突的方向比沿着轴突的方向所受弥散限制更大这种具有方向依赖性的弥散称为弥散的各向异性(Anisotropy)，其空间物理状态用数学模式表达即为弥散椭圆体DTI成像技术基于水分子的微观运动，能反应组织中水分子无序弥散运动快慢，水分子所在的组织不同，即所处的微环境不同，其扩散能力也不同通过弥散梯度的施加使组织产生了弥散对比MRS成像的基本原理与MRI相同，但MRI是根据磁共振信号的空间位置形成分布图，而MRS是将一个空间内许多信号通过不同的峰值曲线显示出来，即得到不同部位的代谢物曲线。
该曲线的形成主要基于化学位移和J-耦合这两种物理现象化学位移是指同一原子核在不同分子中，由于原子核周围电子云的结构、分布和运动状态不同，对原子核产生不同的屏蔽作用，从而引起原子核局部磁场的变化，导致在同一均匀磁场中不同化合物中的同一原子核的共振频率不同J-耦合是由于原子核之间存在共价键的自旋磁矩相互作用形成自旋耦合所致，自旋耦合的强度与共价键的多少有关J-耦合越强，共振峰上的各分裂峰之间距离则越宽MRS是目前唯一能够无创性检测活体组织能量代谢、生化改变及化合物定量分析的一种新技术，其中以1 HMRS 在临床上的应用最多现常用的空间定位方法有:深部分辨表面线圈波谱分析法（Depth Resolved Surface coil Spectroscopy，DRESS）、点分辨表面线圈波谱分析法（Point Resolved Echo Spin Spectroscopy，PRESS）、空间分辨波谱分析法（Spatially Resolved Spectroscopy，SPARS）以及激励回波探测法（Stimulated Echo Acquisition Mode，STEAM）STEAM和PRESS是最常用的脉冲序列，用三维层面选择射频脉冲来激发三维立体空间。
STEAM序列的优点是既可使用长TE，也可使用短T E，使用短TE不仅可大大缩短扫描时间STEAM序列对运动更为敏感，而PRESS序列对运动不敏感目前，在临床和脑科学研究中进行脑功能成像的手段主要有：单光子发射计算机断层成像（SPECT），正电子发射断层成像（PET），和功能磁共振成像（fMRI）与其他脑功能成像手段相比，fMRI具有以下特点：①fMRI的空间分辨率和时间分辨率要比PET和SPECT高的多，这意味着fMRI能够对瞬间的认知事件和大脑的微细结构进行成像，并能够提供比较清晰的图像；②与PET和SPECT不同，fMRI技术对人体无辐射性伤害，它利用脱氧血红蛋白作为内生的造影剂，在成像过程中不需要注射放射性同位素，可对同一患者进行重复成像；③利用fMRI，可以对发生在同一个体的不同的精神状态（如躁狂、压抑和欣喜等）进行比较时，易于作统计推断，而利用PET和SPECT扫描通常要对一组个体在不同的精神状态之间做统计推断这样，fMRI在理解个体脑功能方面具有重要的应用；④与其他功能成像仪器比，fMRI的扫描费用较低基于以上特点，fMRI技术在临床和脑科学研究中得到了广泛的应用 二、SWI的原理与特点 磁敏感加权成像(Susceptibility Weighted Imaging，SWI)是利用不同组织间磁化率的差异产生图像对比。
静脉中的去氧血红蛋白是顺磁性物质，而含有氧和血红蛋白的动脉以及绝大部分脑实质均属于抗磁性物质，在特定的磁共振序列(如重T2*梯度回波序列)下，它们之间磁化率的差异将导致明显的信号差异，使得静脉成为区别于其他组织的明显低信号另外，由于磁化率不同，静脉和其他脑组织在主磁场下形成局部磁场的不同会引起频率的偏移并最终导致失相，这在相位图上可以得到反映因此，相位图能增强静脉和其他组织的信号对比除了静脉，SWI还对含铁血黄素、铁等顺磁性物质拥有高度的敏感性，它能显示肿瘤内的小出血灶、外伤和卒中后常规磁共振成像不易发现的脑改变等近年来，SWI在临床上的应用越来越广泛和深入，尤其是在检测出血和与静脉有关的病变方面，SWI具有独特的优势 (一)磁敏感性简介 生物组织在外加磁场作用下产生特定感应磁场，该感应磁场依赖于外磁场强度和组织分子的磁敏感性磁敏感性可以用磁化率来度量，反映物质在外磁场作用下的磁化程度，是反映组织特征的变量血红蛋白的氧合和脱氧转换是血氧水平依赖成像的基础，脱氧血红蛋白有4个不成对电子呈顺磁性，氧合血红蛋白和非血红素铁(常以铁蛋白形式存在)呈抗磁性虽然钙化的磁敏感效应比铁弱，但是通常也呈抗磁性。
(二)静脉成像的基本原理 在梯度回波序列中，组织信号强度公式为： (10.1) 又因为磁敏感性的不同将使静脉的T2* 时间比动脉或脑实质小，因此静脉血信号将明显比动脉或脑实质低 另外，静脉内容积磁化率将会引起血管内质。