脑成像基础知识

TR（time of repetition,TR）又称重复时间。MRI的信号很弱，为提高MR的信噪比，要求重复使用同一种脉冲序列，这个重复激发的间隔时间即称TR。

弛豫（relaxation，经常被误写为“驰豫”）是指在核磁共振和磁共振成像中磁化矢量由非平衡态到平衡态的过程。在统计力学和热力学中，弛豫时间表示系统由不稳定定态趋于某稳定定态所需要的时间。在协同学中，弛豫时间可以表征快变量的影响程度，弛豫时间短表明快变量容易消去。这个系统可以是具体或抽象的，比如弹性形变消失的时间可称为弛豫时间，又比如光电效应从光照射到射出电子的时间段也称为弛豫时间，政策实施到产生效果也可称为弛豫时间。

弛豫时间有两种即T1和T2。

T1

T1为自旋一晶格或纵向驰豫时间，纵向磁化强度恢复的时间常数T1称为纵向弛豫时间（又称自旋-晶格弛豫时间）。

T2

T2为自旋一自旋或横向弛豫时间，横向磁化强度消失的时间常数T2称为横向弛豫时间（又称自旋-自旋弛豫时间）。

T2*

在理想的状态下，在同一磁场下，给定的化学环境中，所有的核以同一频率进动。但是在实际系统中，各个核的化学环境有细微的不同。

1/T2* = 1/T2 + 1/T (inhomo) = 1/T2 + γΔB0

不像T2，T2*受磁不均匀性的影响，T2*总是比T2短。

T1总是比T2长吗？

一般来说，2T1 ≥ T2 ≥ T2*。在大部分情况下，T1比T2长。

常见弛豫时间值

fMRI脑成像原理及其应用领域

功能磁共振成像(fMRI)技术是二十世纪九十年代发展起来的一种新的脑功能研究手段，它对脑功能的成像原理是建立在脑部血氧水平依赖性(BOLD)的基础之上的。fMRI-BOLD是基于神经元兴奋区血氧水平变化而显影的一种成像技术，通过大量在人和动物身上的研究，其原理主要是通过观察在显示组织水分方面明显且可逆转的弛豫时间(T2)的增加来定位脑部激活

的区域。在脑激活期间，fMRI信号的增加能够反映静脉内脱氧血红蛋白浓度的下降，而脱氧血红蛋白浓度又受局部脑血流量(cerebral blood flow,CBF)，脑血流容积(cerebral blood volmue，CBV)，脑部耗氧量代谢率(cerebralMetabolic rate of oxygen consumption，CMR02)的相互作用的影响。

当神经元的活动增强时，脑功能区皮层的血流量和氧交换量增加，但与代谢耗氧量的增加不成比例，超过细胞代谢所需的氧供应量，其结果可导致功能活动区血管结构中氧合血红蛋白增加，脱氧血红蛋白的相对减少。脱氧血红蛋白是顺磁性物质，其铁离子有四个不成对的电子，磁矩较大，有明显的T2缩短效应。因此，脱氧血红蛋白的直接作用是减少T2加权像的信号减低，fMRI对其在血管结构中的浓度变化极为敏感，当浓度增加时可以引起局部信号的减低，减低时则可使磁化率诱导的像素内相位作用减低，引起自旋相干性增大，从而导致T*2和T2驰豫时间的延长，信号升高，使脑功能成像时功能活动区的皮层表现为高信号。神经元活动与细胞能量代谢密切相关，磁共振功能成像并不是直接检测神经元活动，而是通过磁共振信号的测定来反映血氧饱和度及血流量，从而间接反映脑的能量消耗。因此，在一定程度上能够反映神经元的活动情况，达到功能成像的目的。

由于fMRI-BOLD无需注射任何放射性的核素，具有空间分辨率高及无创伤性，同时可以观察多个脑区的活动，探讨各个脑功能区域之间的关系等特点，作为一种较理想的研究脑部功能变化的可行性手段，在现代脑功能研究领域具有很大的发展潜力，已成为世界脑科学研究领域的热点之一。

fMRI的优点在于能在数秒钟内多次成像，并使受试者处于各种测试状态下，连续测定MRI 的变化。感知觉、学习、记忆、情感及思维过程甚至药物刺激等因素均能导致局部神经元功能兴奋，而局部神经元兴奋导致局部血流量增加和氧分压升高，使MRI信号随脑功能变化的过程而变化，由此将功能过程与结构关联起来成像，在神经科学和高级脑功能研究中已得到应用，显示出巨大的优越性。

功能磁共振成像fMRI技术基本原理

功能磁共振成像简称fMRI，是使用磁共振成像技术来观察活体功能代谢活动的实验技术方法。上世纪九十年代初，由于BOLD技术的开创而逐渐兴起，起初被广泛用于神经科学研究领域，尤其在认知心理学和神经生物学研究方面取得很好的成绩。实际上，广义的功能磁共

振成像（也有人成为FMRI），不单指BOLD技术而言，还包括多种其它可以用来探察活体功能代谢情况的磁共振成像技术，包括：CBF、CBV、MRS、DWI、DTI 等。这些技术各自有着不同的特点，在不同的研究领域有着各自相对的优势。

BOLD—血氧水平依赖技术，是通过脑血管内去氧血红蛋白的含量变化对脑皮质局部功能活动变化进行磁共振成像的一种脑功能影像学检查手段,去氧血红蛋白的磁敏感性是BOLD 的成像基础。这项磁共振成像技术最早出现在1990-1992年,它是一种无创性检查,且具有较高的信号敏感性和空间特异性。BOLD 技术的主要原理是：神经元活动增强时,脑功能区皮层的血流量和氧交换增加,但与代谢耗氧量的增加不成比例,超过细胞代谢所需的氧供应量,其结果可导致功能活动区血管结构（静脉和毛细血管）中氧合血红蛋白增加,脱氧血红蛋白相对减少。脱氧血红蛋白是顺磁性物质,有明显的T2 缩短效应，其直接作用是引

起T2(T2*)加权像信号减低。当其浓度增加时可引起局部信号减低, 浓度减低时则其作用减小而导致信号升高,使脑功能成像时功能活动区的皮层表现为相对高信号。

BOLD 信号的变化本质上反映的是脑静脉和毛细血管中脱氧血红蛋白浓度的变化，但脱氧血红蛋白浓度变化的实际值是难以具体测定的。脱氧血红蛋白浓度变化也不是脑神经活动的直接反映，它是脑神经活动引起的血流改变（CBF、CBV）和氧代谢改变综合作用的间接结果。所以BOLD 信号的本质来源成分复杂（以CBF为主），干扰因素较多。此外，由

于BOLD 信号主要反映脱氧血红蛋白浓度的变化，故其灵敏度依赖磁共振场强大小而不同。

CBF/CBV—脑血流量/血容量灌注技术，磁共振灌注成像是用来反映组织微循环的分布及其血流灌注情况，评估局部组织的活力和功能的磁共振检查技术，依据技术原理不同可分为：①对比剂首过灌注成像：又称为磁敏感性对比剂动态首过团注示踪法。其基本原理是：当顺磁性对比剂（如钆）通过团注瞬间首过毛细血管床时，可导致成像组织的T1、T2(T2*)值缩短，以T2(T2*)值缩短明显。此时利用超快速成像方法，如进行扫描成像来观察组织微循环的T1、T2(T2*)值的变化，从而得到信号强度—时间曲线，以及计算相对脑血容量(rCBV)、相对脑血流量（rCBF）等，临床用于脑梗死的早期诊断，心脏、肝脏和肾脏功能灌注及肿瘤良恶性鉴别诊断等方面；科研上也可进行脑功能成像研究，但时间分辨率

较BOLD 差，且要使用外源对比剂，难于结合复杂刺激任务。

②动脉血质子自旋标记（ASL）：该方法是通过采用反转脉冲预先标记动脉血中质子，当其进入成像层面时因被标记而得以检测，或者对成像层面施加饱和脉冲，通过检测流入的未饱和质子来获得灌注信息，如血流量图、通过时间以及估计饱和程度，目前应用不广泛。

③广义上，血氧水平依赖对比增强BOLD 也属于该技术范畴。MRS—磁共振波谱技术，是利用磁共振化学位移现象来测定组成物质的分子成分的检测技术，是目前唯一可以测得活体组织代谢物的化学成分和含量的检查方法。目前临床上以H1、P31 多用（还有更多化学标记物处于研究阶段），可根据其测得的波谱特点反映各种代谢物的含量比例，以反映疾病的分子水平改变，从而表示功能代谢的结果。

DWI—扩散加权成像技术，DWI 是基于水分子扩散能力差异转化为图像的灰度信号或其他参数值。在常规MRI 的SE 序列中加入一对大小和方向均相同的梯度场的梯度脉冲,置于常规SE 序列中的180°脉冲的两侧。第一个梯度脉冲引起所有质子自旋,从而引起相位变化,而后一个梯度脉冲使其相位重聚,但此时相位分散不能完全重聚,而导致信号下降，从信号变化的差异反应水分子的扩散能力差异。在活体中,扩散是多种因素的综合作用, 因此用表观扩散系数(ADC )来描述每个体素内水分子的综合微观运动。DWI 最早用于脑缺血的急性期及超急性期的诊断及与其他疾病的鉴别诊断, 显示出明显的优势,后来逐步用于其他疾病如3脑肿瘤性病变、肿瘤、感染及脱髓鞘性疾病。现已经应用于全身各系统的肿瘤性病变、肿瘤、感染疾病,在肿瘤鉴别诊断及确定其范围显示明显优于传统方法。DTI-扩散张