【fMRI Note】Module 5 Basic MR Physics

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PS 原課程網址為Coursera <Principles of fMRI 1>

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Module 5 MR物理基礎:

核磁共振成像（MagneticnResonance Imaging，MRI）是一種多功能的成像方式，既可以用來研究大腦結構，也可以用來研究大腦的功能。我們可以通過不同的大腦圖像來強調不同組織特性的對比（即可以分辨不同的大腦組織），而這些圖像都是用MR scanner來獲取的。

那麼MR scanner到底是什麼呢？

同學們注意了：簡單來說，MRnscanner就是一個帶有很強的磁場（1.5-7.0 Tesla）的電磁體。為了讓同學們理解這個磁場到底有多強，我來給大家舉個栗子。我們知道地球的磁場是0.00005 Tesla，所以只是3 Tesla就已經是地球磁場的60000倍了。

圖1 MR scanner

MRI技術是建立在一些核心的物理學基礎上的。為了理解這些物理學基礎，我們首先要先學習單個原子核及其對MR信號的影響，在MRI中，我們一般關注的是氫原子（它只有一個質子，而且它在血液中數量龐大，產生的信號較強）。

質子可看作是一個一直在自轉的帶正電球體，它們會產生一個沿著旋轉軸的凈磁矩。如下圖

圖2 質子的旋轉

在MR中，我們測量的是一個volume裡面所有的原子核的凈磁化強度M，這個M還可以看成是一個矢量，它有兩個成分：與磁場平行的縱向成分（z軸）、與磁場垂直的橫向成分（x-y平面）。

圖3 x-y-z坐標繫上的矢量

在MRI過程中，原子核的磁矩會經歷3種狀態（如果加上弛豫過程就是4種）：

1. n在沒有任何外界磁場的干擾下，原子核的磁矩的朝向是隨機的，不存在凈磁化強度，如下圖

圖4 隨機朝向的磁矩

2. n當它們置於強大的磁場內時，原子核會隨磁場的方向排列，此時會在磁場方向產生一個縱向的凈磁化強度，如下圖

圖5 隨磁場方向排列的磁矩

還要注意的一點是，此時原子核以由拉莫頻率（Larmornfrequency）決定的一個統一頻率旋進（precess），但它們各自是處於隨機的相位的，如下圖

圖6 頻率相同但相位隨機的正在旋進的原子核

3. n在強磁場中加入一個射頻脈衝（RF pulse），導致縱向磁場減弱，並建立起一個新的橫向磁場，結果就是原子核被迫移到同一個相位，並向x-y平面傾斜（tip），如下圖：

圖7 被RF脈衝傾斜的原子核

由於RF脈衝會在原來的系統中加入新的磁場，打破了原有系統的平衡。在RF脈衝結束後，系統會開始回到其原來的平衡狀態，該過程被稱為「弛豫」（Relaxation）。

在弛豫過程中，橫向磁化強度開始衰減（橫向弛豫），縱向磁化強度增長至原來的大小（縱向弛豫）。在這個過程中，信號就產生了，並被接收器線圈測量到。

縱向弛豫是凈磁化強度隨著原子核自轉回到其原來狀態而在縱向(z軸)上呈指數增長，其增長到原磁化強度的63%所需的時間稱為時間常數T1，如下圖：

圖8 縱向弛豫

橫向弛豫是因為原子核移相而導致的在x-y平面上的凈磁化強度呈指數衰減，其磁化強度從100%衰減到37%所需的時間稱為時間常數T2，如下圖：

圖9 橫向弛豫

通過改變我們激發原子核的間隔時間TR和激發後到我們開始收集數據的時間TE，就可以控制哪些組織的特徵得到強調。

測量到的信號大約是

舉個例子。如果我們選擇了一個長TR和一個短TE，那指數就大約是1，信號就跟M0成比例，得到的質子密度圖就如下圖中的左上角部分。如果我們選擇一個長TR和長TE，就會得到所謂的T2加權圖像，此時第二個指數就很重要，第一個指數就沒什麼用處了。如果我們選擇一個短TR和短TE，就會得到所謂的T1加權圖像。正是因為這些圖像關注不同的組織特性，所以它們才顯得很不一樣。

圖10 不同的TR和TE所構建的圖像

MRI的目標是構建一幅圖像或者是一個與空間定位對應的數字矩陣，這幅圖像描述了樣本的原子核的一些特性的空間分布，這可能是原子核的密度或者它們所屬的組織的弛豫時間。

在fMRI中我們還有另一個對比，叫做T2*，它是T2和主磁場相互作用產生的結果。因為T2*很重要，所以在這裡稍微再講一下T2*。

因為脫氧血紅蛋白會抑制MR信號，因此脫氧血紅蛋白濃度提高就會導致fMRI信號的減弱，我們把這種信號的減弱稱為T2*衰減，它是由於脫氧血紅蛋白導致主磁場的紊亂而加快的信號衰減。實際上BOLD fMRI測量的就是在富含氧合血紅蛋白與富含脫氧血紅蛋白的血液之間其T2*信號的差異。而掃描器可以設置成消除或者強化這些磁場的紊亂，後者就是BOLD fMRI的基礎。

講到這裡又不得不說一下T2和T2*的區別。簡單來說，因為不可避免的整體磁場的不均勻和氫原子核與周圍其他原子核自旋的交互作用，使得氫原子核的移相更快，從而導致了信號的衰減加速，這樣的信號衰減就是T2*衰減。換句話說，T2*衰減就是沒有對氫原子核的移相進行任何矯正的一種信號衰減。而T2衰減是比T2*衰減更慢的信號衰減，T2是一種要對磁場的不均勻進行矯正才能獲得的一種信號。

根據主要對T1、T2或T2*敏感度不同，我們可以構建出不同的圖像。因為T1和T2會因組織不同而有所差異，它們可以表示出CSF與灰質和白質之間的邊界。而T2*對血流和氧合作用比較敏感，它可用於對大腦功能的成像。所以T2*在接下來的課程中會扮演很重要的角色。

好啦~這節課的內容大概就這些，大家如果有什麼疑問歡迎在評論區提出來一起交流。