FMRI

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FMRI
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人脑是人体最重要的器官之一，对于人脑功能的探求无疑是非常有意义的事情。长久以来，科学家们就注意到这样的事实:即人脑的功能反映在大脑皮层是按空间分区的，在脑内次级结构也是按空间分隔的。


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FMRI - 广义分类

（1）脑血流测定技术，包括注射造影剂、灌注加权和目前的BOLD效应成像。
（2）脑代谢测定技术，包括1H和31P的化学位移成像。
（3）神经纤维示踪技术，包括扩散张量和磁化学转移成像。从时空分辨率、无侵入性和实用性等方面考虑，目前应用最广泛的是BOLD效应的fMRI，也即通常的fMRI。


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FMRI - BOLD原理

FMRI
FMRI
BOLD效应fMRI是基于神经元功能活动对局部氧耗量和脑血流影响程度不匹配所导致的局部磁场性质变化的原理。血红蛋白包括含氧血红蛋白和去氧血红蛋白，两种血红蛋白以磁场有完全不同的影响。氧合血红蛋白是抗磁性物质，对质子弛豫没有影响。去氧血红蛋白属顺磁物质，可产生横向磁化弛豫时间（T2）缩短效应（perferential T2 proton relaxation effect, PT2PRE）。因此，当去氧血红蛋白含量增加时，T2加权像信号减低。当神经无兴奋时，电活动引起脑血流量显著增加，同时氧的消耗量也增加，但增加幅度较低，其综合效应是局部血液氧含量的增加，去氧血红蛋白的含量减低，削弱了PT2PRE， T2加权像信号增强。总之，神经元兴奋能引起局部T2加权像信号增强，反过来就是T2加权像信号能反映局部神经元的活动。这即BOLD效应（ blood oxygenation level dependent）。早期的fMRI是单纯利用神经元活动的血流增强效应，利用注射顺磁造影剂的方法来实现的，后来随成像支柱的发展，才形成的BOLD。


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FMRI - 物理基础

FMRI
FMRI
普通临床用的MRI信号几乎都来自组织液中的质子。图像强度主要取决于质子的密度，但是水分子周围局部环境也对它有很大的影响。质子受到一个射频磁场脉冲的激励后，它的磁化方向不再与MRI磁体的静态磁场方向一致，需要较长的时间(大约从零点几秒到几秒)才能回到原来的方向。在这段时间里，和静态磁场垂直的磁化分量在被扫描的物体周围的天线中产生一个感应信号电压。如果水分子的质子在完全恢复之前再次被激励，则产生一个相对较小的信号。恢复率称为纵向弛豫时间T1，不同组织中质子的T1不同。
　　改变射频脉冲的重复时间(TR)，T1较长和较短的组织间对比会发生显著变化。为了观察MRI信号，质子磁化方向必需偏离主磁场方向，在横断面上生成一个沿轴进动的磁化分量。为使这个信号最大，横断面上的磁化向量产生的相角在围绕物体方向保持恒定，这样才能将每个质子的磁化分量叠加起来。然而，每个质子自旋的磁环境不同使它们以稍微不同的频率进动，使相角分离，从而使信号随时间减小。信号基本上按指数规律衰减的，衰减的速度由时间常数T2(横向弛豫时间)决定。
　　横向净磁场的衰减总是比纵向净磁场的衰减要快。而且，由于体内顺磁粒子(如某些MRI对比剂)的存在或由于物体本身的空间不均匀性引起物体周围的磁场变化都会使相角进一步分散，使信号更快衰减。这个附加的弛豫时间定义为T2’。总的信号衰减由弛豫时间常数T2*决定，它们之间的关系是:
　　1/T2*=1/T2+1/T2’
　　功能磁共振就是利用磁场不均匀性对衰减信号进行测量。因为横向净磁场的衰减非常快，所以可以在非常短的时间内检测到信号，这就提供了很好的时间分辨率。通常使用回波技术对衰减信号进行测量。自旋回波(SpinEcho)技术用于测量T2信号，梯度回波(GradientEcho)技术用于测量T2*信号。

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FMRI - 成像技术

FMRI
fmri简介
神经元活动引起局部力流增加，是短暂的，普通的MRI成像速度慢，难以用来研究神经电活动引起的这种变化，所以需要快速成像支柱。目前快速成像技术主要包括快速小角度激发（fast low angle shot, FLASH）成像和快速回波平面成像（echo planar imaging, EPI）。但FLASH成像仍属几秒钟，虽然可通过减少重复扫描来提高时间分辨率，但会明显降氏空间分辨率。EPI技术是把经典成像中的多次扫描简化成一次扫描，使成像速度明显提高。EPI技术需要梯度场快速转换，对硬件要求较高，而且梯度场转换产生的噪声也较大。人们对之进行改造，发展出一种新的EPI技术：Spirals。与传统EPI区别在于其数据采集从数据空间中心开始，然后以旋转方式逐渐向外扩展，但它无法是行傅立叶转换，增加了图像重建的复杂性。
比较它们：EPI和Spirals时间分辨率高，但空间分辨率较低；FLASH正好相反，应根据需要进行选择。

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FMRI - 主要应用

FMRI
fmri设备睁眼说瞎话
fMRI的方法是非介入性的，所以应用此方法既可以对单一受试者进行多项研究，也可以对经科学分组的群体进行横向研究。和其他非手术脑功能定位技术(如PET、EEG、MEG及近红外光谱仪成像)相比fMRI具有非常好的空间分辨率和时间分辨率。这些特性为对人脑进行多种新颖的认知神经科学的实验提供了有利条件，并可进行脑病理的研究，具有相当大的临床意义。
　　1.纵向研究在神经的适应性、潜伏期和记忆存储机制方面尚存在一些基本问题没有解决，使人们有兴趣注意观察与学习和记忆有关的大脑皮层组织的变化，以及在儿童发育阶段，在脑损伤的恢复阶段脑区的变化。关于人脑功能映射(HumanBrainMapping)的一个有趣的实验是扣指(Finger-Tapping)实验。选择多名受试者，令受试者用拇指和其余四指按规定的顺序交替对扣，同时用fMRI成像，观察大脑皮层M1区的变化情况。受试者有生手和练习过之分，扣指顺序也可随机改变。该实验成功反映学习过程及大脑对动作支配情况。
　　今后的研究还将涉及与中风、脑外伤后功能恢复有关的皮层活动变化;肢体切除术或周围神经破坏后皮层重新组织的情况;以及Alzheimer病人或老年人皮层活动的选择性缺失等。
　　2.横向研究应用fMRI对执行一组相同任务的受试群组的皮层活动模式进行比较目前还不多，但类似的工作不难开展。迄今为止较成功的研究有:癫痫病人和正常人的语言偏向的研究;先天耳聋者和正常听力人群的参与阅读英语和美国手语的大脑区域的比较。今后可能的研究方向包括认知的交叉文化的研究(从与阅读不同文字符号有关的皮层区域开始)、非语言推理的速度和皮层活动的定位及区域大小之间的关系。将fMRI数据标准化至一个共同的立体空间(比如Talairach空间)的能力允许把显著性的活动投入共同的标准空间中加以分析和比较。

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FMRI - 主要进展

FMRI
功能性核磁共振(fmri)
（1）视觉皮层定位研究中的应用。
（2）视觉感知研究
（3）中文识别的中枢定位研究
（4）各种脑疾病的fMRI研究。如AD、卒中、EP、药物成瘾等。
（5）针灸的研究。
（6） 学习和记忆研究


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FMRI - 相关词条

心电脑图，大脑扫描仪，核磁共振，生物技术，大脑皮层

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FMRI - 参考资料

1.生物科技,世界医疗器械

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