人脑功能的磁共振成像

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1、人脑功能的磁共振成像1993年底，我所在的国家重点实验室引进了核磁共振显微成像装置，老师安排我参与仪器的验收和应用功能开发。由于是国内最早的同类装置，大家都非常重视。南京大学，同济医科大学等单位都有专家想开展神经科学方面的研究。特别是唐孝威院士，在武汉住了很长时间，专门指导这方面的工作。我当时是博士生，跟随这些老师一起，在人脑功能和胚胎发育磁共振成像方面做了一些预研工作，写成《人脑功能的磁共振成像》，在《物理》1995年第2期上（作者还有李丽云老师）。后来由于回到石油领域，我没有再追踪这方面的工作。但是，在过去的15年里，脑功能成像有了很大进步，甚至可能产生新的

2、诺贝尔奖。端午节把此文找到，贴于此纪念。知道不会有人感兴趣。人脑功能的磁共振成像（原文载：《物理》1995年第2期） 关键词磁共振成像，梯度回波，磁化率，脑功能利用高场磁共振成像(magneticresonanceimaging，MRI)研究脑功能，最早见于AT&TBell实验室SeijiOgawa等人发表的论文[1]。他们的工作是1988年完成的。以此为开端，在不到五年的时间里，美国麻省总医院的M.S.Cohen博士就充满信心地说：有理由相信，MRI将发展成为思维阅读器[2]。美国政府把二十世纪90年代确定为“脑的十年”，国际脑研究组织也要求其成员机构积极参与

3、，以使“脑的十年”成为全世界加强神经科学研究的行动[3]，寄希望于脑科学取得重大突破。脑的功能及其发生机制无疑是脑科学中最重要的课题，因此功能性MRI的提出和研究必然会受到广泛重视。1基本原理Ogawa的早期实验是检测血液中带氧作用对小白鼠脑部磁共振成像的影响。处于麻醉状态的白鼠，当它呼吸100％氧气时，用梯度回波法得到的头部冠面磁共振像只具有解剖学意义上的结构特征，图像对比度较差；但当它呼吸20％氧气时，同一位置的图像发生明显变化，对比度大大增强，一些黑色线条勾画出脑组织的各种边界，与光学显微镜相对应，这些突出的线条正是血管所处的位置。而且，随着吸呼的气体中含

4、氧量从50％逐步变化到20％，图像的对比度也出现相应的渐变。为了弄清这种机制，把管装的带氧血与脱氧血各自放在盐水槽中，分别用自旋回波和梯度回波方法进行成像。实验表明，当试管轴向垂直于主磁场时，带氧血与脱氧血的自旋回波成像相同，而梯度回波成像则有较大差异，脱氧血的信号范围明显增大。当试管轴向平行于主磁场时，这种差异消失，所有的像都一样。这种现象归结为血液中顺磁性的脱氧血红蛋白与逆磁性的带氧血红蛋白磁化率的差异。两种磁化率不同的介质，边界上会出现磁场的不均匀性，自旋回波成像，由于用180°脉冲重聚横向磁化矢量，看不到这种不均匀性，所以图像相同；而梯度回波成像，通过反

5、转梯度重聚横向磁化矢量，产生回波，对局部磁场的非均匀性相当灵敏.进一步的分析表明[4,5]，脱氧血中，红细胞内外产生一定的磁场不均匀性，使血液的横向弛豫时间T2减短。在360MHz谱仪上，测得脱氧血中质子的T2是4ms，而带氧血则是50ms。脱氧血的平均磁化率与周围组织有明显差别，因此场的变化可以延伸到血管边界以外.若脱氧程度是50%，则为0.05×10-4，r=2a处大约是士0.08ppm。在梯度回波成像中，回波时间TE期间，这个额外场将使信号产生的相位差，从而直接影响成像的信号强度。因此，起到了图像对比剂的作用，或者说血液脱氧程度能够产生灵敏的图像对比度。与

6、血液脱氧程度(或带氧程度)有关的脑部活动都可以由此而得以观测，这正是迄今利用MRI研究脑功能的基本出发点。 2实验方法成像数据的采集包括产生回波和空间定位两个基本过程。空间定位是通过施加梯度场，对空间坐标进行相应的编码来完成的。产生回波的最常用方法是自旋回波法和梯度回波法。前者用180o脉冲重聚横向磁化矢量，对磁场局部非均匀性不灵敏；后者通过梯度反转使横向磁化矢量重聚，产生回波。其特点是只有正向梯度引起的散相才能被反转梯度重聚，因此磁场的局部非均匀性影响将被保留下来，磁化率能够起对比剂作用。一般认为，脑的反应速度是数十个毫秒，因此正确地反映人脑的瞬时信息需要成像

7、具有足够高的时间分辨率。EPI(echo-planarimaging)能够满足这种要求[6]。它以一次激发，产生多个回波，完成整幅图像数据的采集，其取数总时间最短可达30ms。相应地，EPI的信号采集方式、梯度设置方式以及数据处理方式等，与常规方法都完全不同，因而需要建立新的硬件系统。脑功能MRI提出之初大多是用EPI方法进行实验。但是，由于这种方法对仪器硬件及处理过程的特殊要求不易实现，研究者不多。近两年来，许多研究者用常规医疗诊断MRI仪器和方法同样得到了功能性MRI，使该领域的研究迅猛发展。利用梯度回波成像脉冲序列，也可以进行快速成像.将90o激发脉冲改为

8、小角度激发脉冲，重复时间