(完整版)fMRI及DTI的原理及应用简介课件.ppt

1、内 容1.功能磁共振（fMRI)的原理及应用。2.弥散张量成像（DTI)的原理及应用。3.不足及展望。fMRIMRI VS.fMRIMRI studies brain anatomy.fMRI studies brain function广义的功能磁共振成像 弥散加权成像（DWI)灌注加权成像（PWI)磁共振波普成像（MRS)血氧饱和水平依赖成像（BOLD）狭义的功能磁共振成像特指血氧水平依赖成像（blood oxygen level dependent,简称BOLD)血氧水平依赖成像由Ogawa等于1990年首先提出以来，该技术已成为神经科学家探测、认识活动脑内定位的有效方法之一。BOLD-

2、fMRI的优点 无创伤，无示踪剂 无电离辐射性，无需暴露于放射活性物质环境 空间分辨率高(23mm内)及时间分辨率高（1s以内，快速成像时间为30100ms）可将功能成像与解剖细节结合起来，具有比PET、SPECT检测脑功能更多的优势 BOLD-fMRI的原理(1)当局部脑皮质在经特定的任务刺激（如感觉、运动、神经心理测试等）后，局部耗氧量增加，同时局部脑血流量增加比耗氧量增加更明显。前者使血液内氧含量降低，后者使氧含量增加，二者的综合效应是局部血液氧含量增加,也就是氧合脱氧血红蛋白的比例增加。BOLD-fMRI的原理 (2)这两种血红蛋白对磁场影响不同：脱氧血红蛋白属顺磁物质，引起加权像信号

3、减低。氧合血红蛋白是抗磁性物质，可增加加权信号强度。当氧合脱氧血红蛋白的比例增加时，或说脱氧血红蛋白含量减少，其(PT2PRE)T2 缩短效应减弱，表现为延长。在加权像上表现为信号增强，故而神经元活动区的加权像信号即高于非活动区。BOLD-fMRI的原理 (3)总之，根据这两种血红蛋白的磁场性质的不同采用成像的方法来确定局部脑组织血流的改变，继而反映神经电活动的方法就称为血氧水平依赖（BOLD）性测量成像。1.外界刺激使局部脑组织兴奋外界刺激使局部脑组织兴奋2.能量需求增加能量需求增加ATP3.血管扩张血管扩张4.含氧血红蛋白增加含氧血红蛋白增加5.组织的无氧代谢减少氧耗量，增加含氧血红蛋白的

4、含量组织的无氧代谢减少氧耗量，增加含氧血红蛋白的含量脑组织的代谢及血管反应Capillary含氧血红蛋白含氧血红蛋白去氧血红蛋白去氧血红蛋白B Blood lood O Oxygen xygen L Level evel D Dependentependent BOLD的运作及结果的计算、分析1.实验设计实验设计刺激模式刺激模式2.统计分析统计分析相关系数相关系数 2 8 18 28 38 48 58 68 78 88 98 108 118BOLD 的运动刺激模式的运动刺激模式 fMRI 效效 果果 图图fMRI研究及应用举例 fMRI应用领域涉及到脑科学研究的许多领域：如认知科学、神经科学、

5、针灸、药物滥用、fMRI数据分析与临床应用等。现就对fMRI在神经外科中的应用举例。1.BOLD-fMRI有效性的评估 krings等对50例中央区肿瘤患者运动功能fMRI结果与PET、经颅磁刺激（TMS)、直接皮质电刺激（DECS）结果的相差距离进行比较。结果：26例接受PET检查，其中18例 1cm,7例 2cm.10例接受TMS检查，其中7例1cm,3例2cm.49例接受DECS检查，其中31例1cm,14例2cm可见大部分患者的fMRI结果与PET、TMS、DECS结果的相差距离小于1cm Agata等对33例脑肿瘤病人分别行fMRI和皮层电刺激检查，结果98%的fMRI对运动感觉皮层

6、的地位和皮质电刺激的结果一致，表明fMRI可以准确的显示肿瘤与功能区的关系。Roberts等人对17例脑肿瘤病人进行研究，证实90%以上fMRI结果与术中体感诱发电位和皮层电刺激结果一致，表明fMRI可显示肿瘤与功能区的关系，并可为手术计划的制定提供依据。2.fMRI在神外中的应用举例 黄穗乔等对48 例位于中央沟附近的脑肿瘤患者接受常规和功能磁共振检查，其中转移瘤10例，胶质瘤11例，脑膜瘤6例，动静脉畸形2例，蛛网膜囊肿2例。功能成像方法采用在手静止和开合运动中，行快速梯度平面回波连续成像。结果 除2例患者头运动较明显外，其余患者都显示了手运动功能皮层活化兴奋区，并测得了功能皮层区与肿瘤的

7、最短距离。功能皮层活化区表现出3种不同类型，包括：病灶内或边缘散在的活化小斑点；功能皮层活化区受挤压、移位；功能皮层活化区形态、位置正常。左顶叶脑膜瘤功能磁共振成像右额顶蛛网膜囊肿的功能磁共振成像讨论 肿瘤是否可切除，取决于肿瘤与功能区的关系：1.当功能区与肿瘤的最短距离超过2cm时，手术一般不会导致运动障碍，2.当距离在1-2cm之间时，有33%的患者会出现术后运动障碍，3.当距离在1cm之内时，有50%的患者会出现术后不同程度的运动障碍。在本研究中，得出了运动皮层兴奋出现的三种形式，第一种表示功能区被肿瘤不同程度破坏，残存功能区与肿瘤组织密不可分，要想完全切除肿瘤而不损害功能很难，第二种，

8、功能区在距肿瘤2cm范围内,手术中需注意肿瘤切除范围,避免功能区损伤,第三种,功能区距肿瘤2cm以上,手术对功能区的影响较小。张磊等利用功能磁共振成像技术显示顽固性癫痫患者脑内致痫灶周围重要功能脑区的位置，避免手术损伤及术后功能障碍。方法：对4例顽固性癫痫患者于手术前分别进行了运动、语言及视觉的磁共振脑功能成像扫描。结果：4例患者经不同刺激任务的功能成像扫描及数据处理后，均成功地显示了各自相应的运动、语言、视觉功能活动区的范围及程度，为致痫灶与其周围不同脑功能区的关系提供了直观、准确的信息。女性，21岁。左侧额、顶叶交界处局限性脑萎缩，局部脑沟轻度增宽。由于左侧额、顶叶萎缩可能致左侧中央前回初

9、级运动区功能重组而发生代偿性的激活范围及强度增加图中的运动、视觉功能区激活为左侧病灶手术可切除范围提供了直观的依据。女性，22岁。左侧顶叶内局限性脑软化灶形成。3，4分别为左手及右手精细运动脑内激活图，可见对侧半球初级运动区为主的激活。左侧顶叶内软化灶与初级运动区的关系显示清晰。女性，23岁。外伤后左侧额叶内脑软化。，因患者脑内病灶位于额上回，以观察运动前区及辅助运动区激活为主。4为语言任务刺激时左侧颞叶语言区激活，在病灶周围无语言激活区。可提示本例手术范围限制在病灶的额上回内将不会引起运动及语言功能障碍。男性，14岁。右侧海马硬化。1，2，3，4均为脑内语言任务激活区。3，4为左侧颞叶及海马

10、区激活情况。右侧海马未见激活。本例为左侧语言优势半球，可提示右侧海马切除不会影响语言功能 上述4例患者均根据术前脑内重要功能区的定位结果进行了病灶切除术，术中顺利，术后均未发生神经功能障碍的并发症。脑的运动、语言、视觉功能区分布于脑内不同部位，由于病变的产生及发展，正常的脑功能区可以发生功能重组(plasticity)。即引起固有功能区的位置、大小发生改变，因此，术前功能区重新确定对于接受手术治疗的患者是必要的。我们认为fMRI检查不仅可对不同部位致痫灶周围的脑区进行相应的功能定位与评价，同时还可以明确语言优势半球及相应侧别的海马功能，可取代目前所用的IAT（颈动脉内异戊巴比妥测试）为神经外科

11、手术方式的制定提供帮助，也可作为一个脑内病灶切除能否产生脑功能缺矢，提供一个极好的指导意义。实现活体观察组织结构的完整性和连通性，实现活体观察组织结构的完整性和连通性，利于对各种疾病的引起的白质纤维束的损利于对各种疾病的引起的白质纤维束的损害程度及范围的判断。害程度及范围的判断。可用于显示脑白质内神经传导束的走行方可用于显示脑白质内神经传导束的走行方向，实现对人的中枢神经纤维精细成像。向，实现对人的中枢神经纤维精细成像。是目前唯一可在活体显示脑白质纤维束的是目前唯一可在活体显示脑白质纤维束的无创成像方法。无创成像方法。DTI成像的基本原理 均质介质中水分子的运动是无序随机运动，即向各个方向运动

12、的几率是相同，即具有各向同性（各向同性（isotropyisotropy）两个概念要描述水分子的空间弥散情况，引入了张量的概念，脑白质中每一个体素的各向异性扩散过程就可以用张量D D表示。需要用一个二维矩阵表示：均质介质中可以水分子的自由运动为各向同性，即在各个方向上的弥散强度大小一致，弥散张量D描述为球形，沿磁共振的三个主坐标的特征值为 1=2=3二阶张量具有对称性对称性，DxyDyx Dxz=Dzx Dyz=Dzy因此只要计算因此只要计算6个变量个变量方法：至少在6个不同非共线方向上施加敏感梯度，另外再采集一幅具有同样参数而未施加敏感梯度的图像。从弥散加权像和非弥散加权像的信号强度衰减差异

13、中可以得到6幅表观弥散系数图（ADC），得到一个六元一次方程组，最后利用这些图可以求得每个体素的有效弥散张量D 理论上6次就可以，但是由于噪声的存在，方向越多，三维空间分布越均匀则数据越准确，目前最多可以在128个不同方向进行成像。1212个方向个方向4242个方向个方向162162个方向个方向642642个方向个方向 在梯度场强下水分子的弥散存在会导致磁矩改变，而细胞外水分子运动对信号的改变起主导作用。在这一基础上，DTI利用弥散张量场中的各向异性扩散的方向信息来追踪神经通路的走行，从而得到脑白质中神经纤维和功能束的走行方向和立体形态。目前DTI的研究方向分为两大类 定量研究常用的指标包括描

14、述各向同性的平均弥散率（MD)，以及描述各向异性程度的部分各向异性（FA)、相对各向异性（RA)等。纤维束追踪技术常用于显示脑白质中神经系统纤维和功能束的走行方向和立体形态。DTI的量化参数的量化参数 第一类是平均扩散率第一类是平均扩散率 指MR成像体素内各个方向扩散幅度的平均值，代表了某一体素内水分子扩散的大小或程度，通常所用的指标就是平均弥散系数（average diffusion coefficient，ADC），反应了水分子单位时间内扩散运动的范围，单位是mm2/s，其值越大，说明水分子扩散其值越大，说明水分子扩散能力越强能力越强正常的ADC图第二类是反映各向异性的参数第二类是反映各向

15、异性的参数 1.部分各向异性指数（fractional anisotropy，FA）分析各向异性最常用的参数，指弥散的各向异性部分与弥散张量总值的比值，反应了各向异性成分占整个弥散张量的比例，取值在01之间，0代表了最大各向同性的弥散，比如在完全均质介质中的水分子弥散，1代表了假想下最大各向异性的弥散 脑白质中脑白质中FA值与髓鞘的完整性、纤维的致密值与髓鞘的完整性、纤维的致密性及平行性呈正相关性及平行性呈正相关 水分子垂直于神经纤水分子垂直于神经纤维走向的弥散运动困难维走向的弥散运动困难水分子平行于神经纤水分子平行于神经纤维走向的弥散运动容易维走向的弥散运动容易在FA图上，脑白质为高信号，表

16、现出比较高的各向异性，纤维排列最大程度趋于一致时,FA值也就越接近1，例如胼胝体，而脑灰质与脑脊液因趋向各向同性表现为低信号 胼胝体内囊后肢内囊前肢外囊半卵园中心2、相对各向异性（relative anisotropy，RA）和容积比（volume ratio，VR）RA为各向异性和各向同性成分的比例。VR等于椭球体的体积与半径为平均扩散率的球体体积之比。两者的取值范围亦在01之间，RA的意义与FA相似，越接近1说明水分子的各向异性程度越高。而VR越接近1说明水分子的弥散越趋于各向同性。VR 图DTIDTI的彩色弥散张量图的彩色弥散张量图 根据体素弥散的最大本根据体素弥散的最大本征向量的方向决

17、定白质征向量的方向决定白质纤维走行的原理，通过纤维走行的原理，通过将将X X、Y Y、Z Z轴方向的主要轴方向的主要本征向量分别配以红、本征向量分别配以红、绿、篮三种颜色绿、篮三种颜色 左右方向红色前后方向绿色上下方向蓝色白质纤维束示踪成像白质纤维束示踪成像（fiber tractography）就是利用最大本征向量1对应纤维束传导方向将大脑中神经纤维束轨迹描出来，实现活体查看和研究中枢以及周围神经系统的神经通路的连接和连续性。其方法：从一个设置的种子位置开始追踪，直至遇到体素的FA值小于0.2 胼胼胝胝体体内囊内囊扣带回扣带回冠辐射冠辐射皮质脊髓束皮质脊髓束辐射冠扣带回下纵束DTIDTI在神

18、经外科中的应用在神经外科中的应用DTI在脑肿瘤中的应用 定量分析肿瘤组织特点以鉴别肿瘤的级别，定量分析肿瘤组织特点以鉴别肿瘤的级别，鉴别正常的白质纤维、水肿及肿瘤区域。鉴别正常的白质纤维、水肿及肿瘤区域。测量瘤周的水肿的平均测量瘤周的水肿的平均ADC值和值和FA值以分值以分析鉴别转移瘤和胶质瘤，但目前这些研究析鉴别转移瘤和胶质瘤，但目前这些研究的结果尚没有取得完全一致的结果尚没有取得完全一致 显示白质纤维和肿瘤的相互关系，利于指显示白质纤维和肿瘤的相互关系，利于指导外科手术，这是导外科手术，这是DTI技术最有临床价值和技术最有临床价值和应用的前景。应用的前景。模式模式I：患侧纤维的FA值相对于

19、对侧正常或轻微降低（降低25），同时纤维位置和方向正常。模式模式III：患侧纤维FA值相对于对侧明显减低，同时纤维的走向发生改变模式模式IV：患侧纤维显示各向同性或近似同性，无法看出走行方向。模式1为肿瘤挤压周围纤维移位，提示肿瘤为良性或侵袭性不强的恶性肿瘤。模式2提示瘤周发生水肿，但不排除有肿瘤侵入。模式3提示瘤周纤维被肿瘤侵入。模式4提示肿瘤破坏瘤周纤维，仅限于恶性肿瘤，但可以是高级别或低级别肿瘤。模式模式I I和和 模式模式IVIV模式模式IIII和模式和模式IIIIII这样的分类对于临床术前决定手术方案是十分有价值的。使临床外科医生可以在术前、术中更清楚掌握肿瘤和白质纤维的情况，使手术

20、方案更加可靠安全目前已有学者报道了DTI在神经外科肿瘤切除术中的有效性，认为利用DTI指导手术可以提高手术全切率，降低术后的功能障碍 郭文龙等将18例丘脑肿瘤患者作为DTI组，术前在MRI平扫加增强的基础行DTI检查，并结合纤维束示踪技术，重建锥体束，根据肿瘤与锥体束的三维空间关系设计手术入路。25例未行DTI检查的丘脑肿瘤患者作为对照组。两组均在神经导航下显微手术切除肿瘤，比较两组患者肿瘤全切率及术后致残率的差异。结果：DTI组肿瘤全切除12例（66.7%，12/18），部分切除4例，活检2例；术后神经功能改善10例（55.5%，10/18），无明显变化6例，恶化2例。对照组肿瘤全切除8例（

21、32.0%，8/25），部分切除10例，活检7例；术后神经功能改善7例（28.0%，7/25），无明显变化6例，恶化10例，死亡2例。DTI组肿瘤全切率及术后神经功能改善率均明显高于对照组（P0.05）术前DTI示椎体束完整，位于肿瘤后侧方，且与肿瘤有一定间隔术后DTI示锥体束完整28，M，星形细胞瘤，未累及锥体束，术前双侧上下肢肌力均V级，KSP评分90，术后肌力 仍为V级，KPS评分提高到100F，27，星形细胞瘤，紧邻锥体束并推压锥体束，术前左侧上下肢肌力III级，KPS评分60，术后肌力V级，KSP提高为100M，22岁，多形性胶质母细胞瘤，侵犯并破坏锥体束，术前左侧上下肢肌力III级

22、，KPS评分60，术后肌力仍为III级，KSP评分60有了DTI后，选择手术入路不再单纯 地依靠经验，而是依据锥体束与肿瘤的位置关系选择手术入路 锥体束位于肿瘤外侧方者，尽量选择前入路或后入路。位于后方者，尽量选择前入路或侧方入路。位于前方者，尽量选择后入路或侧方入路。这样可最大程度地避开锥体束，避免因手术入路而导致锥体束损伤。DTI在癫痫中的应用 DTI在癫痫中的应用以定量研究为主，能发现磁共振早期无法发现的病变，可用于对癫痫的定侧诊断和对癫痫继发白质损伤的认识。原发全面性癫痫(idiopathic generalized epilepsy，IGE)患者的脑部常规磁共振成像常难以发现异常显示

23、。白卓杰等以30例IGE患者为研究对象，30例健康成人为对照组。用15 Tesla MR扫描仪行DTI数据采集。分别计算平均弥散系数(MD)图及部分各向异性(FA)图，采用SPM2软件对2组受试者的MD和FA图进行随机效应分析的两样本t检验，观察患者与正常人相比校正后的MD值及FA值有显著性改变(P001)的脑区。结果：正常人相比，IGE患者双侧丘脑、颞叶、岛叶、枕叶及中脑等脑区MD值降低。内侧前额叶MD值升高。双侧丘脑及双侧扣带回后部FA值升高。双侧内侧前额叶、双侧颞叶等区域FA值降低。IGE患者MD值改变的组分析结果图IGE患者FA值改变的组分析结果图讨论：DTI可显示脑白质纤维束的特点，

24、揭示白质纤维束超微结构的改变。当髓鞘或神经元损伤时，由于水分子在各方向上的弥散自由度均增加，FA值会降低。在病理情况下，对这些参数值的变化进行定量分析，可反映组织病变的病理生理学信息。本研究采用DTI技术，发现与正常人比较，IGE患者脑内存在广泛的微观结构异常改变区域，从微观组织结构变化的角度反映了IGE患者的脑组织病理生理学改变信息，有助于进一步了解其发生机制，可为临床诊治提供一定信息。内侧颞叶癫痫 海马硬化是内侧颞叶癫痫(mesial temporal lobe epilepsy，mTLE)最常见的病理改变为，表现为海马神经元丢失和反应性的胶质细胞增生。DTI研究发现：mTLE发作问期患侧

25、海马MD值显著高于对侧海马和正常人，而患侧海马FA值低于对侧海马和正常人。原因主要为发作问期海马结构细胞外间隙扩大，神经元密集度减低，树突减少，细胞结构丢失，使MD值升高。意义 DTI是目前在活体上定量测量水分子弥散运动与成像的惟一方法，在mTLE患者定侧诊断方面有重要价值，能够反映海马硬化的病理学改变，是海马硬化术前诊断的有效方法。MD值升高、FA值减低可作为海马硬化术前诊断的有效指标之一。BOLD-fMRI和DTI的联合应用 杨卫东等15例额叶后部一中央前回病灶患者，病变直径153 cm，采用增强核磁共振成像(MRI)、BOLDfMRI、DTI和计算机结合完成图像融合，直观显示病灶、运动皮

26、层和皮质脊髓束结构，明确它们之间的相邻关系，设计手术入路和立体定向下病灶切除的策略。结果：15例患者的融合影像显示运动皮层区和皮质脊髓束位于病灶的后外侧，均受压、变形和移位，其中4例肿瘤边缘与上述重要神经组织结构紧密接触。病变镜下全切12例，次全切除3例(胶质瘤)。病理学诊断为脑膜瘤6例，星形细胞瘤级者3例，星形细胞瘤级者2例，脑脓肿2例，海绵状血管瘤2例。术后无并发症发。右额中上回后部凸面脑膜瘤患者，男，42岁。A：增强MRI显示右额后紧贴中央前同脑膜瘤。B：fMRI和DTI图像融合，红色为双侧手运动区，彩棕色为双侧皮质脊髓束，黄色为脑膜瘤。cF：3D增强MRl、fMRI和DTI图像融合，右

27、侧运动区与病变相邻，功能区受压后移，右侧皮质脊髓柬受病变压迫外侧移位功能区肿瘤术前DTI,1A,1B肿瘤向内侧推挤皮质下白质纤维束,使其变薄,变疏,1C-1G红色标记处为手运动区的位置,出现功能重组,被肿瘤推向中央,顶的方向,部分功能向对侧半球及其他脑区转移。1例左顶叶转移瘤患者图像，A：患侧较健侧信号强度减弱，分散于病灶周围B：患侧锥体束明显残缺，前移，C：锥体束移位与功能区移位一致。1例右额叶胶质瘤患者图像，A：患侧运动区功能信号强度减弱，并分散于病灶周围B：患侧锥体束比健侧明显残缺，内移，C,D:患侧锥体束与功能激活区均向内侧移位。孙胜玉等利用BOLD-fMRI、DTI结合神经导航进行图

28、像融合，在20例视觉功能区附近病变患者术前设计手术入路，术中定位视觉功能区，指导手术，合理保护功能区，切除病变。结果：15例镜下全切除，5例大部切除。术后复查MRI及DTI视皮层及视辐射保护完好。前景展望 BOLD-fMRI及DTI技术可以确定脑的重要功能区及相应皮质下白质纤维束与颅内病变之间的关系，可发现一些疾病的早期改变，了解主要功能区与传导通路的损伤程度。脑肿瘤、癫痫等的术前计划的制订及指导手术。目前最有前景的研究领域还在于将DTI技术和血氧水平依赖功能fMRI的联合应用于神经科学的研究方面，为神经科学的研究开辟了更广阔的前景。不足：Bold-fMRI及DTI均采用EPI序列成像，该序列

29、有着对磁场不均匀性和运动敏感性等，故取得的图像可能有磁敏感性伪影和几何变形。Bold-fMRI不能直接显示神经元的活动，不能显示皮层下的功能活动，易受运动伪影影响而出现假阴性和假阳性等结果。“证实”问题，即如何在活体证实DTI所追踪的白质纤维走行的精确度与人体是否符合就是当前研究的一个关键。DTI在成像过程中，由于可存在多群交叉或吻接的纤维束，不可能只有水分子单一的优势弥散方向，因而示踪结果并不一定能代表纤维束真实的走行方向 DTI结果具有操作者因素，例如兴趣区的大小、位置、FA阈值、采用的算法以及对神经解剖学知识的熟悉程度均影响示踪成像结果的准确性硬件设施提高 3.0T 序列优化成像方法改进图象后处理的算法提高成像的精度