实时功能磁共振成像及其应用

实时功能磁共振成像通过技术手段将数据分析所需的时间缩短到可与数据采集时间相比拟的程度,从而能在实验进程中将大脑皮层活动情况即刻反馈给受试者,构成一个闭合的神经反馈回路.近年来随着数据采集技术与图像重建算法的改进以及计算机运算能力的提高,实时功能磁共振成像技术日趋成熟并在诸多方面得到应用.凭借实时功能磁共振成像提供的神经反馈,受试者能够自主调节相关脑区的激活水平,与被调节脑区相关的认知过程或行为也会随之变化,这为认知神经科学提供了一种新的研究范式.实时功能磁共振成像还可以用作具备优良空间分辨率和全脑覆盖性的脑机接口,通过对大脑皮层激活模式的分析对脑状态进行判断和分类,从而实现仅依赖大脑活动的交互方式.另外,实时功能磁共振成像在临床上的潜在应用也得到了广泛关注,它为神经系统或精神类疾病的治疗与康复提供了新的途径,患者有望通过神经反馈调控异常的大脑激活状况从而缓解相应症状.本文旨在对实时功能磁共振成像的概念、关键技术及相关应用进行详细的介绍,并对其面临的问题和发展的前景进行讨论.     

磁共振成像造影剂的研究进展

磁共振成像是20世纪80年代发展起来的一项先进医学影像诊断技术,目前已广泛用于临床诊断,其中30％以上的成像诊断用磁共振成像造影剂,介绍了磁共振成像造影剂的定义和分类,以及顺磁性影剂的一些研究进展,详细讨论了水溶性顺磁性造影剂的非离子化、靶向性和大分子化3个发展方向,提出了磁共振成像造影剂今后研究与开发中应注意的一些问题和发展趋势。     

大脑也有“扫描仪”

最近,澳大利亚科学家使用一种大脑扫描成像的新技术,了解到人的大脑是怎样工作的,它可以知道一个人是不是在撒谎甚至是否有种族偏见。大脑扫描技术可以被用于医疗卫生事业,也可能会被滥用到广告、教育和其他领域,目前对于解读人的大脑存在着道德上的争议。大脑扫描成像研究将给未来的教育带来巨大的影响。但是,扩大大脑研究的使用范围也会带来对滥用这项技术的道德质疑,无论是用于教育还是广告目的。大多数的大脑研究都有医学性目的,例如提高对癫痫病、帕金森症、精神分裂症、痴呆、注意力短缺症、创伤后压力症和其他病症的了解和治疗。但是…     

P300电位中p3b成分的脑电同步功能磁共振研究

采用脑电同步功能磁共振成像技术研究P300事件相关电位中与P3b成分相关的BOLD信号及其脑源定位. 11个受试者在1.5T功能磁共振扫描仪中进行一项Landot圆环作业, 测试过程中每隔4 s采用回波平面成像法对全脑进行一次扫描, 扫描时间为2 s, 扫描间歇2 s, 同时采用与功能磁共振扫描仪兼容的64导脑电采集系统记录受试者脑电信号, 并使用磁共振伪迹清除软件对信号去伪迹得到连续EEG波形. 另外, 设计了P300匹配滤波器检查每次靶刺激出现后的脑电信号段, 筛查出能够诱发产生P300波的靶刺激, 分析这些靶刺激发生前后的磁共振扫描图像序列, 建立磁共振统计参数图并进行校正, 最后完成多参数比较. 其中通过Random effects group方法发现双侧下顶叶和右上顶叶显著激活(P<0.001, 未校正). 研究表明以上区域是记忆比较P300任务中P3b成分的脑激活源, 它们参与这一任务的目标判断过程.     

磁共振弹性图中压电陶瓷驱动的横波成像

磁共振弹性图成像(magnetic resonance elastography, MRE)是一种测量生物组织弹性模量的非侵害性技术. MRE技术除了需要磁共振成像(magnetic resonance imaging, MRI)系统以外, 一个不可缺少的硬件是激发组织内部产生横波的机械振动器. 本研究开发一种新型的和磁共振成像系统电磁兼容的机械振动器. 该振动器由压电陶瓷驱动. 振动器和琼脂糖制成的仿体一同放入头线圈中, 送入磁共振成像系统的磁体腔中, 振动器和波动成像序列同步工作, 对横波进行磁共振成像. 波动成像序列由FLASH (fast low angle shot)序列修改而成, 是一种对运动敏感的相位对比度序列. 在实验过程中考察了仿体硬度、振动器频率、运动敏感梯度参数以及病床振动对波动图像的影响.     

Functional Magnetic Resonance Imaging's Research Progress in the Motion Control

近30年来,医学影像学技术飞速发展,特别是功能磁共振成像(functional magnetic resonance imaging,fMRI)等新技术的涌现,将神经机制的活体研究进一步深入化,也为运动控制研究提供了一条新的途径.fMRI以其高分辨成像技术适时反应脑神经活动时的功能变化,藉以了解在生命状态下大脑不同区域的主要功能和疾病时的功能改变.运动的中枢控制机制不仅在神经科学基础研究中,在神经病学临床实践中也有重要的意义.文章对功能磁共振的原理以及其在运动控制研究中的应用进行综述.     

大脑3D透视图涵盖所有基因组

不久前,美国科学家绘制了一个交互式综合"大脑图谱",并已上传到网上(网址为http://human.brain-map.org),以便帮助世界各地的科研人员开展神经学研究人类染色体组里有超过2万个基因,大约84%活跃在人类大脑中。为了绘制这一图谱,科学家对3位男性死者捐赠的大脑切成小块后逐一进行扫描,记录下2万个基因的活跃水平。他们的下一个目标是扫描一位女性的大脑,看看其与男性大脑有什么不同这一由美国西雅图艾伦脑科学研究所绘制的大脑图谱,旨在希望其他研究人员把他们通过大脑扫描和遗传研究获得的发现与之进行比较,以     

察看生命的呼吸

核磁共振扫描提供的活患者身体内部结构的图像已经使医学发生了革命性变化=但诸如肺等身体的某些部分尚不能足够清晰地透视以便医生鉴别疾病和计划治疗方案．这就是人们不断追求新型磁共振成像术(MRI)的道理．该成像技术能提供高分辨率肺扫描图．并展示了提供更好的脑、结肠及其他器官图像的潜力.     

彼得·曼斯菲尔德(1933-2017)

<正>彼得·曼斯菲尔德发明了革命性的医疗技术——磁共振成像技术(MRI)。英国著名物理学家彼得·曼斯菲尔德在1972年的发现推动了磁共振成像技术(MRI)的发展,造福了数以百万计的人。曼斯菲尔德是一位受过传统训练的物理学家,他意识到可以利用核磁共振(NMR)技术获得活体组织的横截面影像。他开发的安全、无侵袭技术可以对组织切片的软组织和器官清晰成像,革新了医疗诊断,改变了人脑的研究。仰赖这项工     

功能性磁共振成像方法与应用

以磁化率为对比剂的核磁共振快扫描梯度回波成像方法能够观测人脑功能活动的区域和过程，结合定位波谱技术可以定量分析人脑活动过程中化学物质的变化，为脑科学基础研究和脑疾病临床诊断提供了新的工具．本文详细介绍功能性磁共振成像的原理和实验方法，评述应用潜力，并建议用这一最新科技手段研究和发展中医学．     

英国开展世界最大规模生物医学影像研究

正一场规模空前的医学影像研究即将在英国拉开帷幕,这能够让研究人员更好地了解英国民众的身体内部状况。近日,位于斯托克波特市的非营利生物数据库——英国生物样本库宣称:在未来六到八年将对10万人进行身体器官扫描。通过磁共振成像技术(MRI)和其他标准技术扫描产生影像,并与其他数据(如健康和生活方式的数据)结合起来,能让研究人员更好地了解和诊断多种病症,如癌症、老年痴呆、关节炎、骨质疏松症和冠心病等。     

锰离子增强磁共振成像在大鼠嗅球神经传导及早期确定脑缺血中心研究中的应用

以二价锰离子(Mn²⁺)为示踪剂的磁共振成像是近年来发展起来的可在体、动态地追踪神经传导通路和研究大脑功能的一种脑成像新技术. 利用这项技术对静息状态下Mn²⁺在大鼠嗅球层状结构间的传递过程以及大鼠急性脑缺血模型中的钙离子(Ca²⁺)超载过程进行了研究, 得到了大鼠嗅球高空间分辨率的层状结构图像, 并测得静息状态下Mn²⁺在嗅球层状结构间的表观传递速率大约为0.2 mm/h. 急性大鼠脑缺血研究结果表明, 缺血早期存在Mn²⁺沉积区域的面积(代表缺血过程中存在Ca²⁺超载的区域)仅为扩散加权图像中的高信号区域面积的(55±15)%, 提示以Mn²⁺为示踪剂的磁共振成像比常用的扩散加权成像能更为准确地早期确定缺血中心区域.     

编后记

1986年诺贝尔物理奖获得者G·宾尼格先生的文章《原子结构的成像》精要地展示了他在原子结构成像理论与观察实验研究中的成果,内容涉及扫描隧道显微技术(STM)的性质、工作原理,关于STM在几个方面的技术问题及其瞻望等。读者可了解原子结构成像研究领域最新成果之概观。     

人类大脑新发现

人的大脑具有最令人叹为观止的复杂结构。但是，随着大脑成像技术、基因遗传学和干细胞研究等领域的进步，专家们已经开始揭开它的一些奥秘。下面就是有关人类大脑的9个问题和神经科学的最新发现。     

脑神经活动光学显微成像技术

大脑包含数亿至数千亿的神经元以及更为复杂的神经突触连接网络,是生物体中最复杂的器官.脑科学是21世纪以来最重要的前沿新兴学科之一,它的兴起标志着人类在认识自我、探索智慧和意识的本质中进入了一个新时代.在活体中对大脑神经活动进行长时间、大视野、高时空分辨率的观测,是解析大脑功能的关键.光学显微成像技术以其时空分辨率高,光学探针的特异性和多样性等优势,成为了脑神经活动研究的重要工具.针对大脑的高度散射、高速神经信号传递、超大神经元规模、精细突触连接结构等特性以及自由活动动物的脑神经活动观测需求,本文将从超深、超快、大视场、超分辨、微型化5个发展方向,概述包括多光子、红外二区、光声、光片、结构光以及自适应光学在内的多种光学显微成像技术在脑神经活动显微观测领域的发展进展及前沿动态,并展望脑神经活动光学显微成像技术的未来发展方向与前景.     

气象卫星最小的“千里眼”是怎样炼成的?——风云四号A星多通道扫描成像辐射计红外探测器芯片研制回顾

风云四号(FY-4)是中国新一代静止轨道(GEO)定量遥感气象卫星。多通道扫描成像辐射计作为FY-4上的主要载荷之一,被赞誉为风云四号的"千里眼"。它是迄今为止中国静止轨道卫星最先进的扫描辐射计,这与多通道扫描成像辐射计的核心部件——红外探测器研制水平的大幅提升是密不可分的。与现在正在运行的风云二号(FY-2)相比,风云四号的红外探测器实现了跨越式的发展:红外通道的数量从4个增加到了8个;探测器的波长已经延伸到了13.8μm;芯片的光敏元数量更是从单元发展到多元线列;每个光敏元尺寸只有56μm×56μm,是迄今为止中国研制的气象卫星中红外探测器光敏元尺寸最小的。这使得风云四号扫描成像辐射计红外探测器的研制遇到了许多前所未有的问题和困难,比如中短波光伏(PV)探测器的光敏面限制问题、水汽光导(PC)探测器的有效视场偏窄问题和长波光导探测器的高性能、高要求问题。本文介绍了中国气象卫星中最小的"千里眼"——风云四号多通道扫描成像辐射计碲镉汞红外探测器芯片的研制过程和关键技术。     

磁共振成像在精神病研究中的应用

著名物理学家杨振宁教授曾经说过,在高能物理这样所谓纯基础研究中,有许多技术也可在经济建设中发挥重要作用。《磁共振成像在精神病研究中的应用》一文所介绍的磁共振成像技术,便是一例。虽然该文仅着重介绍这项技术在精神病研究中的应用,但是由此也可以看出它广阔的应用前景。     

影像学家族新成员——磁共振(MRI)

磁共振成像(MRI)是影像学家族中的一个最新成员。它可以提供人体任意部位、任意方向的断层图像,没有电离辐射损害,空气和骨骼不会对图像造成伪影,可以说是影像诊断技术某些领域中的“大哥大”。但因其价格昂贵,成像原理复杂,即使从事多年放射专业的人亦较难理解。 简单地说,完成磁共振成像有三个步骤:1.把人体放入磁场,使人体磁化;2.发射合适频率的无线电波,使人体内磁化的氢质子产生共振;3.关闭无线电波,人体发出信号并被采集,重建图像。     

大脑9大谜

人类大脑拥有世间万物最为复杂的结构,令人惊叹。科学家正利用大脑成像技术、遗传学和干细胞研究等现代科技手段揭开大脑的诸多未解之谜。本文介绍大脑神经科学热门研究课题的一些最新发现.     

针孔SPECT成像完全三维图像重建的研究

依托自行研制的一台高分辨率小动物单光子发射型计算机体层成像系统(Micro- SPECT), 开发针孔SPECT成像的完全三维图像重建技术. 该研究包括: 针孔SPECT成像的投影算子推导及其在Radon空间的采样特性分析; 有效的系统几何参数校正方法; 适用于圆轨道和螺旋轨道扫描的三维图像重建算法及定量补偿方法的实现. 为验证开发的完全三维图像重建技术, 进行了相应的计算机模拟成像、模具成像及小鼠成像实验, 并对结果进行了讨论. 计算机模拟和模具及小鼠成像实验显示: 跟基于解析求逆理论的近似图像重建算法FDK相比, 基于统计理论的三维迭代图像重建算法结合有效的系统响应补偿方法, 能够显著地改善重建图像质量和提高系统成像分辨率; 螺旋轨道扫描的针孔SPECT成像技术可以有效地克服常规圆轨道扫描成像的局限性, 扩大成像系统的轴向视野, 提供相对完备的锥形束投影采样空间, 实现高分辨率的全身小动物SPECT成像. 实验结果表明我们开发的完全三维图像重建方法与技术是切实有效的, 达到了预期的目的, 可以较容易地推广应用于多针孔SPECT成像的三维图像重建.