脑功能成像 functional magnetic resonance imaging

医学影像诊断学

Department of Radiology WMC

脑功能成像 functional magnetic resonance imaging



脑功能成像（ fMRI ）

• 磁共振波谱分析（ MRS magnetic resonance spectrum ）

• 弥散加权成像（ DWI diffusion weight imaging ）

• 磁共振灌注成像（ PWI perfusion weight imaging ）

• 脑活动功能成像（ functional imaging of the brain ）– 血氧水平依赖性成像（ BOLD blood oxygen level

depend ）



MRS

• MRS 是利用核磁共振现象和化学位移作用进行特定原子核及其化合物定量分析的方法。• MRS 主要是物理和化学分析方面的研究。为目前唯一无损伤检测活体器官和组织代谢、生化、化合物定量分析的技术。• 即使是同一种原子核（如 1H ），当它在不同的化合物中，由于它在化合物中所处化学环境不同， Larmor 频率就不同，在 MRS 上产生共振峰位置也不同，这种现象为化学位移。



MRS



1HMRS 的临床应用 • 1H-MRS 是敏感性最高的检测方法。它可检测与脂肪代谢、氨基酸代谢以及神经递质有关的化合物，如肌酸（ Cr ）、胆碱（ Cho ）、肌醇（ ml ）、 γ— 氨基丁酸（ GABA ）、谷氨酰胺 (Glu+Gln) 、乳酸（ Lac ）和 N- 乙酰门冬氨酸（ NAA ）等。• 临床 1H-MRS 不需增加磁共振硬件设备，且

MRI 和 MRS 一次检查中完成，不需重新定位和更换线圈。



1HMRS 常用化合物化学位移• ml 3.56• Cr 3.03 • Cho 3.22 • Glx 3.77 2.05-2.45 • NAA 2.0 • Lip 0.9-1.44 • AA0.9• Lac 1.33



1HMRS



1HMRS



NAA • NAA 波谱位于 2. 0 ppm 处，是公认的反应神经元功能的内标物，反映神经元的功能状况。• NAA 与蛋白质和脂肪合成、维持细胞内阳离子浓度以及 K+、 Na+、 Ca2+ 等阳离子通过细胞及神经膜的兴奋性有密切关系。• NAA 浓度降低可能是由于神经元的破坏减少或线粒体功能失调所致，还可能由于神经元细胞膜的破坏，

NAA 被暴露于使之降解的酶，因水解增加所致。• NAA 浓度降低与神经元或轴突的缺失有明显的相关性。



Cho

• Cho 的波谱位于 3. 2 ppm 处。包括胆碱、磷酸甘油胆碱、磷酸胆碱和磷脂酰胆碱，反映脑内总的胆碱量，这些物质主要存在于细胞膜上，是细胞膜磷酯代谢的一个组成成分。其浓度的改变反映细胞膜合成和降解的变化。• Cho 浓度的增高与细胞膜的降解增加引起可溶

性 Cho 浓度的增高相关。 • 多发硬化、肾上腺性脑白质营养不良、感染疾病如 AIDS 病中 Cho 升高提示活动性脱髓鞘。



Cr

• Cr 的波谱位于 3. 02 ppm 处，包括肌酸与磷酸肌酸，其作为高能磷酸化的储备以及 ATP 和ADP 的缓冲剂可能对维持脑细胞中的能量依赖系统发挥作用。

• 由于 Cr 在同一个体脑内不同代谢条件下均保持相对稳定，故 Cr 常作为波谱研究的内参照。可见，以 Cr 为参照的 NAA/ Cr 和 Cho/ Cr 比值在一定程度上反映了 NAA 和 Cho 浓度的变化。



Cr/PCr

• Cr/PCr ：化学位移为 3.0 和 3.94ppm 的共振信号代表磷酸肌酸（ PCr ）和Cr 。 PCr 为细胸能量代谢的主要储能形式， 1H 波谱可分析细胞能量代谢改变，多数情况下 Cr/PCr含量相对稳定。



1HMRS• Lac：为糖酵解终产物，在糖酵解过程加强时 Lac 增高，如肿瘤中， Lac 增高反映肿瘤组织无氧代谢增加和出现坏死。• Lip：在星形细胞瘤与脑膜瘤中这些化合物升高，也可反映坏死过程中磷脂形成过多。• ml ： ml 升高在 Alzheimer 病具有较高特异性。



1HMRS 代谢物图



脑的 MRS



脑的 MRS



31P-MRS

许多含磷化合物参与细胞能量代谢与生物膜有关的磷脂代谢。 31P-MRS广泛用于研究组织能量代谢和生化改变。磷酸单脂（ PME ， 6.8ppm ）、磷酸二指（ PDE ， 2.9ppm ）、磷酸肌酸（ PCr ，0ppm ）、无机磷（ Pi ， 4.8ppm ）和三磷酸腺苷中的 α-ATP(7.6ppm) 、 β-ATP(-16.3ppm) 、 γ-ATP(-2.6ppm) 磷原子。目前脑的 31P-MRS 均可检测上述 7 种化合物。主要用于研究脑组织的能量代谢、脑磷脂代谢和pH值的测量。



• 弥散加权成像 (DWI) 是利用成像平面内水分子扩散系数的变化来产生图像对比的。扩散现象反映水分子的随机运动，即布朗运动。• 弥散减低时， DWI表现为高信号。• 弥散增加时， DWI表现为低信号。• ADC图

弥散加权成像



DWI 、 ADC图



DTI

• DTI 可以显示白质纤维束走行 ,反映白质纤维束的病理状态及其与邻近肿瘤的解剖关系。•各向异性分数 (fractional anisotropy ,FA) 图及 FA值，临床常用 FA值来定量分析各向异性的程度。在 FA图中 ,脑白质各向异性最高 ,表现为高信号 ;相反 ,脑脊液各向异性最低 ,表现为低信号。



FA图



胼胝体的神经束图



磁共振灌注成像（ PWI perfusion weight imaging ）

• 概念：将组织毛细血管水平的血流灌注情况通过磁共振成像方式显示出来，从MRI角度评估局部组织活力及功能。

• 方法：– 对比剂团注示踪法– 动脉血流自旋标记法



磁共振灌注成像（ PWI perfusion weight imaging ）

• 概念：将组织毛细血管水平的血流灌注情况通过磁共振成像方式显示出来，从MRI角度评估局部组织活力及功能。

• 方法：– 对比剂团注示踪法– 动脉血流自旋标记法



对比剂团注示踪法• 利用顺磁性造影剂（ Gd-DTPA ）产生的“质子—电子—电子偶极质子效应”，使成像组织

的 T1 、 T2值缩短，尤以 T2值缩短为主；同时应用超快速成像方法来获得成像的分辨率，观察组织的 T1 、 T2*值变化率，进一步计算组织血流灌注。• 通过时间—信号强度曲线计算造影剂的通过时间（ MTT ）、局部脑血流量（ CBF ）及局部脑血容量（ CBV ）、峰值时间（ TTP ）。



对比剂团注示踪法的临床应用• 用于脑梗塞及肝脏病变的早期诊断、肾功能灌注。• 心脏的灌注分析。



磁共振灌注成像的图像












PWI 的临床应用• 脑血管病• 颅内肿瘤• 感染• 在其他部位的应用



血氧水平依赖性成像（ BOLD blood oxygen level depend ）

• 定义：通过刺激周围神经，激活相应皮层中枢，使中枢区域的血流量增加，进而引起血氧浓度及磁化率的改变，并在磁敏感对比MR图像上显示相应的中枢范围。 BOLD 成像即狭义的脑功能成像。



血氧水平依赖性成像• 原理：

– 氧合血红蛋白（ Oxy-Hb ）为抗磁性物质，去氧血红蛋白（ deoxy-Hb ）为顺磁性物质，具有短 T2效应。– 随着脑皮层中枢的激活，其局部的血流量增加，但氧消耗量增加增加不明显，因而局部

Oxy-Hb 相对含量增加，而 deoxy-Hb 相对含量下降，因而局部磁化率减少， T* 加权图像上可显示被激活中枢与周围中枢区的对比。



fMRI 的应用



fMRI 的应用



fMRI 的应用



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