常規(guī)磁共振 MRI

磁共振成像（MRI）是一種非侵入性成像技術(shù)吨岭，可產(chǎn)生三維詳細(xì)的解剖圖像。它通常用于疾病檢測峦树，診斷和治療監(jiān)測辣辫。它基于復(fù)雜的技術(shù)，可以激發(fā)并檢測在組成活體組織的水中發(fā)現(xiàn)的質(zhì)子旋轉(zhuǎn)軸方向的變化空入。

人體中有大量的水分子络它，水分子中有氫質(zhì)子，氫質(zhì)子排列不規(guī)則且本身作自旋運動歪赢。

MRI使用強大的磁鐵化戳，產(chǎn)生強大的磁場，迫使體內(nèi)的質(zhì)子與該磁場對齊埋凯。然后点楼，當(dāng)射頻電流脈沖信號通過患者時，氫質(zhì)子受到刺激改變能態(tài)白对，并失去平衡掠廓，從而抵抗磁場的拉力。當(dāng)射頻場關(guān)閉時甩恼，氫質(zhì)子回到初始能態(tài)蟀瞧，發(fā)射出共振產(chǎn)生的電磁波，MRI傳感器能夠檢測到質(zhì)子與磁場重新對齊時釋放的能量条摸。質(zhì)子與磁場重新對準(zhǔn)所花費的時間以及釋放的能量的數(shù)量根據(jù)環(huán)境和分子的化學(xué)性質(zhì)而變化悦污，不同組織會產(chǎn)生不同的電磁波訊號。醫(yī)師能夠根據(jù)這些磁性來區(qū)分各種類型的組織之間的差異钉蒲。

圖1

T1切端、T2是用于測量電磁波的物理量，他們可以作為成像的數(shù)據(jù)顷啼。根據(jù)T1來成像踏枣，就叫"T1加權(quán)成像"昌屉，臨床工作中簡稱"T1"，T2同理茵瀑。

T1看解剖結(jié)構(gòu)间驮，白質(zhì)是白的，灰質(zhì)是灰的瘾婿，腦脊液是黑的蜻牢。
T2看病變，T2信號跟水含量有關(guān)偏陪，許多病灶的T2信號要強于周圍的正常組織，常呈高亮狀態(tài)煮嫌，因此從T2序列中可以清楚的看到病灶所處位置笛谦、大小。
FLAIR全稱是磁共振成像液體衰減反轉(zhuǎn)序列昌阿，也稱水抑制成像技術(shù)饥脑，在T2中能抑制腦脊液的高信號（使腦脊液變暗），從而讓鄰近腦脊液的病灶顯示清楚（變亮）懦冰。結(jié)合下圖可得出灶轰，F(xiàn)lair序列與T2序列相比，能很好的表現(xiàn)腫瘤部位周遭情況刷钢，清晰的表現(xiàn)出浮腫區(qū)域笋颤。
T1ce序列是在做MR之前打造影劑，亮的地方血供豐富内地，強化顯示說明血流豐富伴澄，而腫瘤部位正是血流很快的部位，T1ce序列還能進一步顯示腫瘤內(nèi)情況阱缓，鑒別腫瘤與非腫瘤性病變非凌。

圖2

MRI信號強度受多種因素的影響，包括質(zhì)子密度荆针、T1弛豫時間敞嗡、T2弛豫時間、擴散效應(yīng)航背、磁化敏感效應(yīng)和體內(nèi)液體的流動等喉悴。根據(jù)對比度的類型不同，MRI檢查方法也包括了常規(guī)MRI檢查沃粗、彌散成像（DWI）粥惧、擴散張量成像（DTI）、灌注加權(quán)成像（PWI）最盅、血氧水平依賴腦功能成像（BOLD-fMRI）等突雪。

功能性磁共振 fMRI

BOLD-fMRI起惕，描繪了由于任務(wù)誘導(dǎo)或自發(fā)調(diào)節(jié)神經(jīng)代謝而導(dǎo)致的脫氧血紅蛋白濃度的變化。
任務(wù)誘導(dǎo)/自發(fā)調(diào)節(jié)神經(jīng)代謝 -> 神經(jīng)元活動 -> 腦血流咏删、腦血容等變化 -> 血氧水平變化 -> 鐵離子濃度變化 -> fMRI信號變化惹想。

血氧水平依賴現(xiàn)象是指，血液中的血紅蛋白和氧的不同結(jié)合狀態(tài)有不同的磁性督函。血紅蛋白和氧結(jié)合時 (氧合血紅蛋白) 表現(xiàn)出抗磁性嘀粱，而血紅蛋白和氧脫離時(脫氧血紅蛋白)表現(xiàn)出順磁性。當(dāng)局部脫氧血紅蛋白下降時辰狡，fMRI 圖像上就表現(xiàn)為 T2 加權(quán)信號的增高锋叨，這也是磁共振功能成像技術(shù)的神經(jīng)生理基礎(chǔ)

BOLD-fMRI 大致分為三種類型：
任務(wù)態(tài)fMRI (Task-based fMRI or tfMRI，需要執(zhí)行專門設(shè)計的任務(wù)) 宛篇，
靜息態(tài) fMRI(Resting State fMRI or R-fMRI娃磺，無外界刺激和任務(wù)) 以及
自然刺激 fMRI (Natural Stimulus fMRI or N-fMRI，刺激為自然視頻或音頻) 叫倍。

擴散張量成像 DTI（Diffusion Tensor Imaging）

發(fā)現(xiàn)磁共振信號衰減和擴散現(xiàn)象的關(guān)系偷卧，采用類似Diffusion的方法，來描述人體中水分子擴散的各向異性吆倦。在進行DTI掃描的時候听诸，至少需要在6個方向施加擴散梯度，測量至少6個不同方向的水?dāng)U散系數(shù)蚕泽，本征值（特征值）λ1晌梨、λ2、λ3及本征向量v1赛糟、v2派任、v3，可以擬合出水?dāng)U散的橢球璧南。
擴散張量D：描述三維空間中水分子的擴散位移（3*3對稱矩陣） 利用三維橢球可視化擴散張量掌逛。

圖3

FA（fractional anisotropy, FA）各向異性分?jǐn)?shù)是DTI掃描得到的一個非常重要的參數(shù)。它的定義是擴散張量的各向異性成分與整個擴散張量之比司倚，定量測量單個體素的各向異性值豆混。

一般情況下，F(xiàn)A值是在0~1的范圍动知，也就是0＜FA＜1皿伺。
對于各向同性的情況下，F(xiàn)A=0盒粮。
對于極端情況下鸵鸥，只向一個方向擴散運動，則FA=1。
完成DTI掃描后妒穴，系統(tǒng)根據(jù)計算和后處理宋税，會生成一個各向異性分?jǐn)?shù)圖，也就是FA map讼油。這種圖一般可以用偽彩色來表示杰赛。

不同參數(shù)圖如下圖所示

圖4

腦白質(zhì)纖維束追蹤 Tractography Fiber Tracking

臨床中做DTI的一個主要作用是進行纖維束追蹤及顯示神經(jīng)纖維束。

圖5

完成DTI掃描后矮台，系統(tǒng)后處理得到彩色的FA圖乏屯，這種圖像一般用紅、綠瘦赫、藍三種顏色表示辰晕。
在進行纖維束追蹤的時候：
紅色：代表左右走形的纖維束；
綠色：代表前后走形的纖維束耸彪；
藍色：代表頭足走形的纖維束伞芹。

根據(jù)FA值和一些算法可以進行纖維束追蹤及顯示。纖維束追蹤的方法很多蝉娜，主要有確定性跟蹤算法Deterministic tractography和概率跟蹤算法Probabilistic tractography。

實際應(yīng)用

磁共振機器導(dǎo)出的DTI圖像噪聲大扎唾，不可直接使用
DWI為磁共振機器掃描后導(dǎo)出的原始圖像
由DWI計算得到DTI和FA影像
錐體束 --- 運動功能 錐體束經(jīng)過內(nèi)囊后肢和大腦腳前3/5向下傳導(dǎo)
視放束 --- 視覺傳導(dǎo)
弓狀束 --- 語言傳導(dǎo)

臨床方面召川，神經(jīng)外科用的是比較多的，主要是為了觀察纖維束胸遇，為術(shù)前制定手術(shù)方案及術(shù)后評估腦功能提供幫助荧呐。

圖6

以往對纖維束的顯示主要運用DTI技術(shù)，然而該技術(shù)不能顯示交叉纸镊、分叉的纖維與腫瘤周圍水腫區(qū)域的纖維倍阐。纖維走向型擴散成像模型主要包括利用更大的b值和更多的擴散梯度方向（典型的是64個方向）進行采樣的高角度分辨率擴散成像（HARDI）和基于概率密度函數(shù)的多B值、多方向Q采樣成像的擴散頻譜成像（DSI）逗威，該類成像模型克服了DTI的局限性峰搪，能夠顯示纖維束交叉、分叉等更復(fù)雜的結(jié)構(gòu)凯旭，獲取更加真實概耻、豐富的纖維束走向和連接信息。

Diffusion MRI Analysis with 3D Slicer

擴散加權(quán)成像(DWI)

DWI掃描獲得了12 個擴散敏感梯度方向 (S1-S12) 和 2 個非擴散敏感梯度 (S0)

圖7

DWI to DTI

圖8

教程數(shù)據(jù)集DiffusionMRI_tutorialData是由41個梯度方向和一個基線獲取的大腦擴散加權(quán)磁共振掃描罐呼。
https://www.slicer.org/w/img_auth.php/e/e6/Dti_tutorial_data.zip

• 1. Install SlicerDMRI
     Modules -> Diffusion menu -> Install Slicer Diffusion Tools -> Open Extension Manager menu
     -> SlicerDMRI in Extension Manager -> install SlicerDMRI -> install UKFTractography -> Restart 3D Slicer to finish installation -> Related modules appear in the Diffusion menu

圖9

• 2. From DWI images to Tensors
     擴散加權(quán)成像 (DWI) 數(shù)據(jù)集由使用 41 個不同的擴散敏感梯度方向獲取的 41 個體積和一個沒有擴散加權(quán)獲取的基線圖像組成鞠柄。
     locate the file dwi.nrrd in the dataset folder -> Drag and drop the file dwi.nrrd onto the viewer -> load the dataset to Slicer -> 3D Slicer displays DWI volume of the brain -> Modules menu and select the module Volumes -> baseline image corresponds to the DWI Component #0. Select the DWI Component #10, which
     corresponds to the 10th diffusion sensitizing gradient -> Manual W/L slider for image contrast adjustment -> link icon and the fit image to window icon -> layout menu and select the Red slice only layout -> Axial anatomical slice in the Viewer

圖10

圖11

• 3. Creating a brain mask
     Modules menu select Diffusion -> Process -> Diffusion Brain Masking -> Input DWI volume ‘dwi’ -> Output Baseline Volume ‘Create new Volume as...’, and name it ‘baseline’ -> Output Diffusion Brain Mask
     ‘Create new LabelMapVolume as...’, and name it ‘brain_mask’ and click on Apply -> 3D Slicer displays the
     edited brain mask -> Change the label layer to None to make the mask invisible

圖12

圖13

• 4. Estimating the tensor
     Modules menu, then select Diffusion -> Process -> Diffusion Tensor Estimation -> Input DWI volume to ‘dwi’ -> Input Brain Mask to ‘brain_mask’ -> Output DTI Volume ‘Create DiffusionTensorVolume as ...’, and name it ‘dti’ -> Output Baseline Volume to ‘baseline’ -> Under ‘Advanced Settings’, set Fitting Methods to ‘WLS’ (Weighted Least Squares) and Click on Apply -> pin icon, click on the double arrow and select the dti in the B field, set the F and L to none.

圖14

圖15

Slicer displays the DTI volume in color by orientation mode:
Red: right-left 右-左
Green: anterior-posterior 前-后
Blue: inferior-superior 上-下

• 5. Exploring the DWI Dataset
     Slicer layout menu and select the Yellow slice only layout

圖16

• 6. Trace
     Modules menu, then select Diffusion -> Quantify -> Diffusion Tensor Scalar Maps -> select the Operation ‘Trace’ -> set Input DTI Volume to ‘dti’ -> select Output Volume ‘Create new Volume as...’ and name it ‘trace’ -> click on Apply to calculate the trace map of the tensor volume -> Set L as none -> The trace image appears in the yellow viewer -> Adjust window level by right-dragging up and down -> pin icon and then
     select the ‘>>’ icon to display this table and Select the volume ‘trace’ in the Background viewer, Select the volume ‘dti’ in the Foreground viewer, Set the opacity of the dti volume to 0.40 -> Position mouse within the region of the Corpus Callosum and observe the trace values in the Data Probe. Note how the Trace values are fairly uniform in both white and gray matter.

圖17

圖18

• 7. Fractional Anisotropy
     Set Input DTI Volume to ‘dti’ -> Select Output Scalar Volume ‘Create new Volume as ...’ and name it ‘fa’ -> In ‘Scalar Measurement’, select ‘Fractional Anisotropy’ -> Click on Apply to calculate the Fractional Anisotropy map of the tensor volume -> Set L as none -> The FA image appears in the yellow viewer -> Position mouse over the pin icon and click the ‘>>’ icon to display this table. Set the background volume to ‘fa’ and be sure
     the foreground volume is still set to ‘dti’ with opacity at 0.40 -> Change to Conventional view.

圖19

圖20

圖21

• 8. Visualizing the tensor data
     Modules menu and select the module Volumes -> pin icon and select the ‘<<‘ icon to display the axial slice toolbar. Set the Foreground to ‘fa’ and the Background to ‘dti’, with the Foreground opacity set to 1.00 -> Set the Active Volume to ‘dti’ and the Scalar Mode to ‘ColorOrientation’ -> Scroll down the module panel and in
     the Glyphs on Slices Display section: Check off the option for Red, Yellow, and Green Slice Visibility, Set the Color by Scalar parameter to ‘ColorOrientation’, Set the Glyph Type to ‘Ellipsoids’ -> Glyphs on Slices Display section: Check off the option for Red, Yellow, and Green Slice Visibility, Set the Color by Scalar parameter to ‘ColorOrientation’, Set the Glyph Type to ‘Ellipsoids’ -> Position your mouse over the
     pin icon select the eye icon to display the axial, coronal, and sagittal slices in the 3D viewer -> Slicer displays the anatomical slices in the 3D viewer

圖22

圖23

圖24

• 9. Diffusion MRI tractography
     Deselect the option for Red,Yellow, and Green Slice Visibility, and deselect the eye icon -> Click L to reset the 3D view to left -> Position mouse over the pin icon and change the Foreground to ‘None’ and the
     background to ‘fa’

圖25

• 10. From tensors to tracts
      Select the module Editor -> Select the Yellow slice only layout -> Select the DrawEffect tool -> Outline the contour of the Corpus Callosum with the DrawEffect tool and press enter. Repeat this step with 3 adjacent sagittal slices -> Modules and then select Diffusion -> Tractography->Tractography Seeding -> Change to Conventional view -> Set the Input DTI Volume to ‘dti’, Set Output Fiber Bundle to ‘corpusCallosum’ by renaming the default parameter ‘Fiber Bundle’, Set the Input Fiducials, Model or Label Map to ‘fa-label’->Click on the Modules and then select Diffusion -> Tractography->Tractography Seeding -> Change to Conventional view -> Set the Input DTI Volume to ‘dti’, Set Output Fiber Bundle to ‘corpusCallosum’ by renaming the default parameter ‘Fiber Bundle’, Set the Input Fiducials, Model or Label Map to ‘fa-label -> Select the default Tractography Seeding parameters: Threshold Type: FractionalAnistropy, Seeding Threshold:0.30, Stopping Threshold: 0.25, Click Update to generate tractography -> The tracts generated in the corpus callosum area appear in the 3D viewer.

圖26

圖27

名詞介紹

Session/run: 一次磁共振采集
Volume: 一個3D全腦數(shù)據(jù)
TR (repetition time): 采集一個3D全腦的時間，一般為2s
TE (echo time): 回波時間嫉柴，影響不同組織的對比度
Slice: 一個2D切片
Thickness: 層厚
Slice number: 層數(shù)
FOV (Field of View): 視野
Voxel: 一個立體的像素點

Slice order: 采集順序
Sequential ascending: 1 2 3 4 5 6…
Interleaved ascending隔層采集厌杜，
start with odd: 1 3 5… 2 4 6… Interleaved ascending, start with even: 2 4 6… 1 3 5…