作者：龚启勇
出版社：人民卫生出版社
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精神影像学试读：
前言
在人类社会漫长的发展历史中，对无穷宇宙和人类思想的探索一直是促进人类科学不断向前发展的动力。然而，面对人类大脑这个“心灵”及“精神”的载体和大自然亿万年不断进化的结晶，我们曾始终无法找到客观、有效的方法进行观察和研究。特别是，当这个精密的中枢出现问题而表现出思维、感觉、情绪及行为障碍的时候，人们总是束手无策。而精神问题伴随着人类社会的不断进步和发展，已日趋严重。根据世界卫生组织2010年的数据，在世界疾病负担排行榜前5位的疾病中，有4类疾病是精神疾病，这些疾病的社会负担已经超过肿瘤和心血管疾病。更严重的是，由于对精神障碍的病因和发病机制缺乏认识，导致公众，特别是中国等发展中国家和不发达国家的普通人群，对精神疾病存在较大的误解。因此，对精神障碍的脑机制研究以及找寻客观有效的诊断和评价手段已经迫在眉睫。
医学影像学的迅猛发展为解决一系列临床问题带来契机。从原始社会的开颅探索，再到近现代X线、脑电图、计算机体层成像等先进设备和技术，都无法对人类大脑的正常和异常活动进行活体、无创的客观观察和研究。近30年来，随着正电子发射断层显像、磁共振以及光学技术的发展，我们已经能够观察活体脑的结构和功能状态。特别是功能磁共振技术的出现和发展，使得我们拥有了具有高时间分辨率和空间分辨率的无创研究思维活动的客观手段。采用这些新的影像学技术，人类对精神活动和精神疾病的认识已有了突飞猛进的发展。特别是近期美国和欧洲相继启动了和人类基因组相媲美的脑科学计划，其主要目的就是采用以新型脑影像技术为核心的手段来揭示脑活动的奥秘，找寻与疾病相关的生物学标记，进而为研究一系列重大神经精神疾病新型诊治措施打下理论基础。在此背景下，精神影像学这一新型交叉学科应运而生。
精神影像学是采用以磁共振、正电子发射断层显像及单光子发射计算机断层显像等影像新技术手段来显示正常和异常脑活动状态的影像学分支，是一个医学、心理与脑认知科学、神经科学、理工、化学及计算机等多学科交叉的新型学科领域，其主要目的是以影像学手段来客观、定量地分析人脑活动机制。精神影像学的出现，填补了影像学领域对脑活动和精神疾病研究的空白，为心理学的发展开辟了一条新的途径。本书将着重向读者揭示精神影像学的研究方法，以及在部分心理疾患及常见重大精神疾患研究领域中所获得的发现和新观点。龚启勇 吕粟 黄晓琦 孙学礼2016年2月第一篇 总论
精神影像学（psychoradiology or clinical psychiatric imaging）的研究主要是对人类活体脑结构和功能两方面的研究。这里的结构研究通常是指对脑灰质或白质的体积、厚度、表面积及形态等信息的定量分析。高分辨率的计算机体层成像技术和磁共振结构成像技术都可用于脑结构的研究，然而，由于磁共振成像相对于计算机体层成像能更好地区分灰质、白质和脑脊液等组织，因此，高分辨脑磁共振结构成像是研究脑结构的主要手段。常规3.0T磁共振的空间分辨率可达1mm，更先进的磁共振分辨率可达100µm。常规3.0T磁共振能对伏隔核等微小的核团结构进行显示，在7.0T磁共振人体成像系统上，甚至可以显示灰质皮层不同细胞层面的结构。当然，由于精神疾病的脑结构改变通常很微小，常规的肉眼观察并不能发现，需要借助计算机分析方法进行定量分析，因此，对精神疾病患者脑结构的研究通常采用基于体素的分析方法。对脑功能的研究方法是精神影像学研究的重点，这里的功能是广义的功能，包含血氧合水平、葡萄糖代谢、血流、神经元代谢等多重信息。正电子发射断层显像和单光子发射计算机断层显像虽然最早用于脑功能的定位和定量研究，但由于其具有一定的创伤性，因而在精神疾病的研究中受到一定的限制。光学成像虽然无创，但受光线穿透距离和空间分辨率的影响，其在精神研究中也有一定局限。功能磁共振技术由于具有较高的时间和空间分辨率，以及多参数成像的优越性，使得其在精神疾病的研究中占据重要位置。以下，本书将从成像方法和分析方法两方面入手，介绍各种成像技术和分析方法的基本原理，以及其在精神疾病研究中的价值和局限性。第一章 精神影像检查技术第一节 计算机体层成像一、CT概述
计算机体层成像（computer tomography，CT）的发展经历了传统CT、单层螺旋CT和多层螺旋CT三个主要阶段。1969年戈弗雷·纽博尔德·豪恩斯弗尔德（Godfrey N.Hounsfield）成功设计出CT机，1972年头部CT正式用于临床；1976年，出现了体部CT；1979年，阿伦·马克利奥德·柯麦科（Allan M.Cormack）和戈弗雷·纽博尔德·豪恩斯弗尔德（Godfrey N.Hounsfield）因发明了计算机X线断层摄影术，共同分享诺贝尔生理学或医学奖。1989年，螺旋CT问世；20世纪90年代后，发展为多层螺旋CT（图1-1-1）。图1-1-1 多层螺旋CT（一）CT成像的基本原理
CT不同于普通X线成像，它是用X线束对人体层面进行扫描，取得信息，经计算机处理而获得重建图像，是数字成像而不是模拟成像，它开创了数字成像的先河。CT所显示的断层解剖成像，其密度分辨率（density resolution）明显优于X线图像，使X线成像不能显示的解剖结构及其病变得以显影，从而显著扩大了人体的检查范围，提高了病变检出率和诊断的准确率。
CT的工作原理是由高电压作用于X线管，发出的X线束从多个方向对人体选定的层面进行扫描，由探测器接收穿透该层面后的残余X线，将其收集并通过光电转换器转变为电信号，再经模拟／数字转换器（analog／digital converter）转为数字，输入计算机处理，得到该层面各单位容积的X线吸收值即CT值，排列成数字矩阵，经过数字／模拟转换器（digital／analog converter）后再形成模拟信号，输至显示器得到该层的横断图像（图1-1-2）。CT系统主要由扫描部分（探测器、X线球管及机架）、计算机及图像显示部分组成。图1-1-2 CT的采集过程（二）CT的相关概念
1.像素和体素
图像处理时，数字矩阵中的每个数字转为由黑到白不等灰度的小方块，即像素（pixel），它是构成一幅图像的基本单元。同样大的图像，像素越高，图像空间分辨率越好。扫描选定的层面分成若干个体积相同的立方体，称之为体素（voxel），它是在像素的基础上包含了层面的厚度。像素是二维的单位，而体素是三维的单位（图1-1-3）。图1-1-3 像素和体素的示意图
2.CT值
CT图像的CT值反映组织对X射线的吸收值（衰减系数：u）。CT值计算公式为：CT值=常数×（u-u）／u水被检物质水式1-1
常数值为1000，单位为Hounsfield unit（Hu）。组织密度高，对X线的吸收值大，CT值大；组织密度低，对X线的吸收值小，CT值小。一般来说，水的CT值为0，空气最低：-1000Hu，骨皮质最高：+1000Hu。
3.矩阵
按照横行纵列排成的栅格状矩形阵列叫矩阵（matrix）。将人体断面各点CT值的像素以矩阵排列，构成图像，一般以256×256或512×512大小的矩阵显示。矩阵大，像素数量多，图像分辨率高；反之，矩阵小，像素数量少，图像分辨率低。
4.密度分辨率、空间分辨率和时间分辨率
密度分辨率（density resolution）是指在低对比度情况下，区分最小密度差的能力。空间分辨率（spatial resolution）是指高对比度情况下，图像可鉴别物体大小、微细结构的能力。时间分辨率（time resolution）是指影像设备在单位时间内采集图像的帧数。在多层螺旋CT心脏成像时，时间分辨率的高低决定了CT机在临床应用的适应性和范围。
5.窗口技术
为了提高组织结构细节的显示水平，使CT值差别小的组织能被分辨出来，引入了窗口技术，即窗宽（window width）与窗位（window level）。窗宽是指图像上16个灰阶所包括的CT值范围。窗宽越大，图像越光滑、图像灰度层次多，组织对比度减少，细节显示差，适用于分辨率差别较大的组织，如肺。相反，则适用于分辨率差别较小的组织。窗位是指窗宽上下限的平均数。要观察某一组织的细微结构，最好以该组织的CT值为窗位。二、CT的检查方法
CT的检查方法一般包括平扫（plain scan）及增强扫描（contrast enhanced scan）。（一）CT平扫
CT平扫是不注入对比剂的常规检查，CT检查一般均先作平扫，它能提供病变的初步定位，适用于各部位疾病的检查。（二）增强扫描
CT增强扫描是指在血管内注射对比剂后再行扫描的检查方法，目的是提高病变组织同正常组织的密度差，显示病灶内血供状况，通过病变的不同强化方式，确定病变的性质。根据注射对比剂后扫描方法的不同，可分为常规增强扫描、动态增强扫描、延迟增强扫描、双期或多期增强扫描等方式。
1.常规增强扫描
注射对比剂后60～70秒，对比剂充分进入组织及病灶中后，进行扫描。
2.动态增强扫描
对于某一层面或病灶的感兴趣区（region of interest，ROI），在注射对比剂后进行连续不间断的重复扫描，以观察ROI注射对比剂密度随时间改变的动态情况。
3.延迟增强扫描
一次大剂量注射对比剂后5分钟或更长时间重复扫描，以期提高脏器小病灶的检出率和定性准确率。
4.多期增强扫描
静脉注射对比剂后，对不同的脏器进行动脉、静脉期扫描，必要时进行延迟期多时段扫描。肝动脉期扫描启动的时间一般为开始注射对比剂后20～30秒，静脉期为60～70秒，延迟期一般在开始注射对比剂后5分钟。（三）其他CT扫描
1.薄层扫描
薄层扫描（thin slice scan）是指扫描层厚小于或等于5mm的扫描。其优点是减少了部分容积效应，能更好地显示病变的细节，一般用于检查较小的病灶或组织器官，需要进行三维重组等后处理，扫描层厚越薄，重建图像的质量越高。
2.高分辨CT扫描
高分辨CT扫描（high resolution CT，HRCT）是采用薄层扫描、高空间分辨率的算法重建及特殊的过滤处理，取得有良好空间分辨率的CT图像。它对显示小病灶及细微结构优于常规CT扫描。常用于肺部弥漫性间质性或结节性病变，垂体、内耳和肾上腺等检查。
3.灌注成像
经静脉团注对比剂后，在对比剂首次通过受检组织的过程中对选定层面进行快速扫描，而后利用软件测定组织密度的变化，从而获得血流动力学的变化图像。三、CT检查在精神影像学中的价值与局限性（一）精神分裂症
精神分裂症的发病原因和发病机制至今未明，它不是单纯的功能性疾病，精神分裂症病人多有脑结构的异常，已被越来越多的研究所［1］证实。CT检查可以直接观察到生理或者病理状态下的颅内情况，提供定位与定性诊断，比以往采用气脑和脑血管造影诊断技术有了质的飞跃，为探查疾病的器质性基础提供了精确的手段，是深入研究精神分裂症患者脑内结构变化的较好手段。
本病最显著、始终如一的大脑形态异常就是脑室系统扩大，脑沟增宽，并且这些异常表现在疾病的首发或初发阶段就已经存在。麦克唐纳（Macdonald）和贝斯特（Best）对精神分裂症病人组和健康人组的室脑比（ventricle-brain rate，VBR）、脑沟、脑体积比、第三脑室、外侧裂、大脑纵裂宽度等指标进行测量，结果显示精神分裂症患者的脑沟明显扩大，脑室却没有明显异常。亚科诺（Iacono）等人通过研究发现精神分裂症患者第三脑室扩大明显，侧脑室或皮层脑沟扩［2］大不显著。而普费弗鲍曼（Pfefferbaum）等人发现精神分裂症患者具有微小的脑室扩大和相当大的脑沟增宽，同时指出大脑结构异［3］常是广泛的。国内学者该项研究结果与前述相比存在些许变化，认为本病脑形态异常主要表现为第三脑室、侧脑室扩大，脑沟、脑裂［4，5］增宽等。众所周知侧脑室和第三脑室周围是视丘和边缘系统，且邻近生物胺或富于肽类的传导束，而胼胝体具有联系传递大脑两半球信息的功能。脑室扩大多表现为认知能力的损害，脑白质和皮层萎缩，与精神分裂症病人感情淡漠、思维贫乏、自我封闭、对外界漠不关心等表现有关。因此脑室扩大可能就是精神分裂症的一个器质性易感因素。
脑萎缩也是精神分裂症的一个重要表现。不同CT扫描方法对脑萎缩的诊断并没有明显差别。精神分裂症患者的脑萎缩，既有皮层的萎缩，又有髓质的萎缩，或者二者兼而有之。马拉（Malla）等发现早期发病的精神分裂症患者比晚期发病的显示出更明显的脑萎缩［6］
。马德森（Madsen）等人发现，精神分裂症患者的大脑皮层均［7］有着不同程度的萎缩。有学者研究发现，病程长短对脑萎缩有一［8］定影响，认为病程越长，脑萎缩发生率越高。此外，有关研究显示，分裂症发病的病理生理机制与神经发育障碍有关，分裂症患者在大脑完成发育之前的新皮质形成期就在神经细胞从大脑深部向皮层迁［9］移过程中出现了紊乱，导致心理整合功能异常。
除了脑室扩大（主要是侧脑室、第三脑室），脑沟、脑裂增宽，脑叶萎缩外，精神分裂症患者还有灰白质体积减小、额颞叶CT值改变等表现。目前，对精神分裂症患者脑形态的CT研究方兴未艾，这将有利于对本病的早期诊断、治疗，甚至对本病的早期干预均有重要的临床意义。同时，精神分裂症患者脑部CT形态研究，可为今后该病的病因学研究提供重要影像学依据。（二）情感障碍
有关情感障碍CT改变的研究不多。研究发现抑郁症病人CT改变主要为侧脑室扩大、第三脑室扩大、脑皮层萎缩和小脑萎缩等，未发现与家族史、临床类型和治疗时间等相关。CT值作为较好反映选定区域的一个量化指标，可以降低形态学研究中可能存在的主观判断的［4］误差。近年来国内孙士友等应用脑CT定量分析精神分裂症和双相情感性障碍病人的脑室和脑沟改变。结果显示，双相情感性精神疾病和精神分裂症病人前角指数、第三脑室最大宽度、乳突间比值和脑萎缩均无显著性差异（P＞0.05），认为精神分裂症和双相情感性精神疾病这些所谓的功能性疾病可能和非特异性脑室、脑沟结构异常相关。还有学者研究发现焦虑症、抑郁症患者额叶CT值比正常人显著降低，增强扫描后强化程度低，说明焦虑与抑郁患者可能存在额叶器质性或功能性改变，提示大脑额叶病变在焦虑症、抑郁症的发生、发［10］展过程中不可忽略。这种现象可能和该脑区的神经细胞数量减少、体积减小、血流灌注及代谢降低等因素有关。此外，近年来对情感性精神疾病患者脑结构异常的报道普遍认为此类患者脑结构异常与［11，12］病程无关，而与住院次数有一定关系。田树时等发现情感障碍患者脑CT异常与病程、病前性格、家族史、治疗过程等关系不大，而与住院次数明显相关，住院5次以上的患者脑CT异常率明显高［13］于住院5次以下者。
运用颅脑CT检查来帮助诊断初发患者，还可以与抑郁症的器质性疾病相鉴别，并能对抑郁症患者治疗前后颅脑CT值改变进行对比分析，从而判断疗效，作为有效的预后指标，可为精神疾病治疗提供重要的价值。（三）痴呆
对于脑的高级认知功能来说，认知障碍很大程度上取决于病变部［14］位。痴呆临床上常见类型为阿尔茨海默病（Alzheimer disease，AD）和血管性痴呆（vascular dementia，VD）。一般认为VD可以通过早期积极有效的治疗达到缓解病情的目的，而AD迄今为止尚无有效的治疗方法。多篇文献证实AD病人存在明显的大脑萎缩、脑室系统扩大、颞叶萎缩、VBR增大等改变，与其认知功能损害
［15，16］相关。CT检查对脑积水所致的痴呆和血管性痴呆意义较大，其中血管性痴呆包括大面积梗死所致痴呆以及皮层下血管硬化所致痴呆，均可以通过CT检查其颅内改变获得满意结果。脑积水所致痴呆临床表现为颅内压增高或正常颅压性脑积水征：进行性痴呆、起步困难和小便失禁。有关学者研究发现VD患者CT多表现为半卵圆中心、基底核区、小脑、脑干多发性低密度灶和脑萎缩，患者有多发性区域性脑功能能量代谢改变和血流灌注不足，影响了皮层中枢之间、皮层［17］与皮层下白质传导纤维，引起认知功能障碍。许多研究认为病［18，19］灶容积与痴呆的严重程度密切相关。有学者通过对185例痴呆病人进行CT测量，结果显示和智能障碍发生率有关的指标只有梗死灶容积，梗死灶容积在30ml者84.62%有智能障碍，即使是20ml以下的小病灶智能障碍发生率也达42%。此外，许多学者研究证实主要决定认知障碍的因素不单是脑梗死灶，在病人已有明确的脑萎缩，并且存在脑室周围白质稀疏的基础上，发生脑梗死时较容易导致智能下［20］降。勒布（Loeb）等指出，导致痴呆发生的脑梗死容积不得少于50ml，甚至超过100ml才会发生痴呆。当脑梗死容积在50ml以下时，［18］脑萎缩的存在及其严重程度对痴呆的发生发展有重要影响。
随着多排容积CT的不断发展，CT血流灌注成像（CT perfusion imaging，CTPI）能在三维空间中有效反映目标区域内血流灌注量的改变，获得生理功能信息，为痴呆症的功能诊断提供依据。作为一种能反映脑微循环信息的功能成像，头颅CTPI能显示常规CT、磁共振成像（magnetic resonance imaging，MRI）所不能显示的微循环及生理代谢改变。利用团注对比剂和连续快速同层扫描技术，CTPI能较准确地反映组织血管变化程度和血流灌注的情况，可在形态学发生改［21］变之前探测到生理功能的异常，且一次CTPI检查可同时观察脑血流量（cerebral blood flow，CBF）、脑血容量（cerebral blood volume，CBV）、对比剂平均通过时间（mean transit time，MTT）和对比剂最大峰值时间（time to peak，TTP）等多个灌注参数的变化。CBF指单位时间内流经一定体积脑组织血管结构内的血流量，受血管大小和毛细血管开放数量的影响；CBV指ROI内包括毛细血管、动静脉及大血管在内的全部血管床的容积；MTT是血流从脑组织动脉流入到从静脉流出所经历的平均时间；TTP是从开始注射对比剂到浓度达到最高值的时间，反映血流到达ROI的快慢程度，而不是组织本身的灌注特点。CTPI检查速度快，可获得解剖学图像及观察血流动力学状态，随着CT硬件设备及软件的发展，CTPI将得到更为广泛的应用。唐震等人通过低剂量CTPI诊断痴呆的研究发现，痴呆组的双侧额叶、颞叶、基底核及海马的CBV和CBF明显低于正常对照组，且其［22］MTT、TTP值明显大于对照组（P均＜0.05）（图1-1-4）。图1-1-4 痴呆患者的CTPI各脑区血流动力学状态(海马层面)A.AD患者CBV伪彩图，双侧颞叶、海马区域CBV值较低，呈蓝色；B.AD患者CBF伪彩图，双侧颞叶、海马区域CBV值较低，颜色深；C.VD患者CBV伪彩图，双侧颞叶、海马区域CBV值较低，呈蓝色；D.VD患者CBF伪彩图，双侧颞叶、海马区域CBV值较低，颜色位于右边标尺的下端，明显较深；E.AD患者MTT伪影图，双侧颞叶、海马区域呈黄绿色，其MTT呈红色值大，表明AD患者的平均通过时间延长；F.AD患者TTP伪彩图，双侧颞叶、海马区域呈黄绿色偏蓝，表明AD患者的达峰时间较慢
CTPI技术在观察脑组织的血流动力学方面有独特优势，可间接反映脑组织的生理代谢状态，并为早期诊断痴呆提供依据，从功能影像学方面进一步表明了痴呆症患者的脑神经元低氧灌注、低代谢状态及血管因素是其重要发病因素。（四）其他精神疾病
通过CT和脑电图对暴力倾向者研究发现，暴力倾向严重者出现颞叶结构异常（颞叶缩小或颞角扩大）。而酒精依赖病人脑部CT显示，其脑室扩大脑萎缩，尤其皮层和脑干萎缩明显。另外，脑萎缩与酒精摄入量和饮酒时间相关，认知功能损害与丘脑区域CT密度降低和第三脑室／脑比率扩大有关。四、CT在精神影像学中的应用现状和前景
通常CT与其他功能性影像学检查如单光子发射计算机断层显像（single photon emission computed tomography，SPECT）和正电子发射断层显像（positron computed tomography，PET）联合应用。例如，CT在SPECT／CT和PET／CT中既提供了解剖结构方面的信息，又可以对功能性图像衰减校正。应用SPECT／CT对AD病人作前瞻性研究发现头颅CT显示AD病人脑萎缩、脑室和颞角扩大等征象，同时SPECT结果提示全脑弥散性血流减少，认为两项检查结合使用可以［23］提高AD诊断准确性。近年来随着结构成像效果更好的MRI广泛应用，单独的CT成像在精神领域的应用逐渐减少。此外，CT检查辐射剂量较大也是其制约因素。（贾志云）参考文献
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1946年，核磁共振（nuclear magnetic resonance，NMR）现象由美国物理学家菲力克斯·布洛赫（Felix Bloch）和爱德华·珀塞尔［1，2］（Edward Purcell）独立发现。核磁共振指磁场中物质的原子核受到一定频率射频（radiofrequency，RF）脉冲序列激励后，低能［3］态的原子核吸收能量后能级发生共振跃迁，它是MRI的物理基础。吸收能量后的原子核在弛豫过程中会释放能量，产生磁共振信号，如果利用线性梯度磁场对组织信号做空间定位并采用接收线圈检测磁共振信号再通过图像重建得到磁共振图像。
NMR现象发现后逐步形成了核磁共振波谱学（NMR spectroscopy），其最开始被应用于生物化学、药物分析，也在橡胶、石油等工业领域发挥重要作用。随后，NMR现象逐步进入生物医学领域。1967年，贾斯珀·约翰（Jasper John）等利用活体动物进行试验成功的检测出动物体内分布的氢、磷等的NMR信号，开创了生物组织化学分析的新纪元。1970年，纽约州立大学的雷蒙德·达马［4］蒂安（Raymond Damadian）发现正常组织与肿瘤组织的NMR信号明显不同，还发现了受激组织的偏转磁矩恢复至稳定状态过程中会［5］发出两类不同信号。1973年保罗·劳特伯（Paul Lauterbur）采用叠加可控的、弱的线性梯度场的方法进行选择性激励得到所需断层的［6］图像。彼得·曼斯菲尔德（Peter Mansfield）进一步改进了梯度场的使用方法并于1977年提出回波平面成像法（echo planar imaging，［7］EPI）。
MRI于20世纪80年代开始应用于临床医学影像诊断，经过几十年的发展，MRI设备在软硬件方面均得到巨大发展。MRI的磁指主磁场和射频磁场，共振指的是原子核吸收能量后发生的能级跃迁。磁共振信号产生需要三个基本条件，一是可产生共振跃迁的原子核，二是恒［8］定的主磁场，三是产生一定频率电磁波的射频磁场。MRI不仅可多参数、多核种成像，而且可提供形态、病理、生化等机体信息，因此MRI技术近年来得到迅速的发展。一般分为磁共振结构成像和功能磁共振成像。（二）磁共振结构成像原理
1.物理基础
自旋是产生磁共振现象的基础，它是物质的原子核绕自身轴旋转。因原子核具有质量和大小，因此可用自旋角动量描述原子核的自旋。据电磁理论知，自旋的原子核会产生环形电流，效果类似于一个小磁体因而具有磁矩，磁矩与自旋角动量关系是：µ=γ L式1-2
式中µ为对应的磁矩；γ叫做旋磁比，为原子核的固有特征值，如131H的γ为42.5MHz／T，P的γ为17.24MHz／T；L是原子核自旋角动量。
2.磁场作用
MRI中外加主磁场恒定为B。依据经典电磁理论知，物质处于主0磁场中就会被磁化，即在磁场方向产生磁性，其磁化强度与原子核的自旋磁矩和外层电子分布有关。而依据量子物理原理，在外磁场作用下使原来的能级分裂成2I+1个能级称为塞曼分裂（I是核自旋量子数）。磁矩与主磁场相互作用能称为位能，如式1-3所示：式1-3
式中E是位能，h是普朗克常量，I取值为I，I-1，…，-I+1，-I。z
相邻能级间能量差为：式1-4
主磁场中的质子除了自旋，它的自旋轴同时以一定夹角绕主磁场运动，其运动轨迹沿旋转轴顶点呈一圆锥形，这种运动方式叫做进动或旋进。进动频率与主磁场场强有关，表示为：ω=γ B0式1-5
式中ω为进动频率也叫拉莫尔频率，所以式1-5也叫拉莫尔方程。
设定坐标系虽然外磁场能使场中物质磁化，但由于主磁场中绝大多数质子与磁场方向平行或者反平行，磁矩互相抵消，仅有处于低能级数目略多于高能级的一小部分质子的磁矩得以保持，虽然这些保持的磁矩与磁场方向有一定夹角，但在垂直磁场方向的横向的分量Mxy因各磁矩的相位不同而互相抵消，故总体表现为只在磁场方向有磁化矢量M=M（图1-2-1）。z0图1-2-1 磁化强度矢量的形成A.磁矩合成矢量及其方向；B.净磁化强度矢量M0
M与主磁场方向平行且不是振荡磁场，所以无法单独检测出z来。若采用与拉莫尔频率相同的RF脉冲B，使主磁场中的质子吸收RFRF能量跃迁到高能级并且在RF磁场作用下趋于同步同相的运动，在横向x-y平面会形成横向磁化矢量M。B垂直于z轴，在x-y平面内xyRF以拉莫尔频率绕x轴旋转。B的频率ν与能级间能量差应满足：RF式1-6
可知，射频磁场的圆周频率ω等于磁矩的拉莫尔频率ω，即：RFω=2π ν=γ B=ωRF0式1-7
净磁化矢量在B和B的双重作用下，进动的轨迹为螺旋形，并RF0且慢慢偏离z轴（图1-2-2）。RF脉冲发射使净磁化矢量绕射频磁场方向旋进的角度称为翻转角，翻转角为X度，则该脉冲叫做X度RF脉冲。图1-2-2 磁化强度矢量的翻转角A.α角脉冲使磁矩产生α角的偏离；B.π／2脉冲；C.π脉冲
当B撤销后，质子迅速由激发态向平衡态恢复，称为自旋弛豫，RF分为独立、同时的纵向弛豫和横向弛豫（图1-2-3）。纵向弛豫也叫T1弛豫，吸收RF能量后跃迁到高能级的质子要释放能量回到低能级，重新产生纵向磁化矢量，弛豫时间与场强和组织分子大小有关。横向弛豫也叫T弛豫，是不同质子的进动失去相位一致性，但没有能量交2换过程，弛豫时间和组织分子大小有关，与场强无关。两个弛豫过程是同步、独立的。图1-2-3 纵向弛豫与横向弛豫A.纵向分量M的变化曲线；B.横向分量M的变化曲线zxy
3.磁共振图像的空间定位
从MR信号中提取出MRI的成像参数后，需要对体素的空间位置编码，即将采集的信号与空间体素一一对应。体素的空间位置编码是用磁场值来标定受检体共振核的空间位置，其理论基础是决定自旋角动量在磁场中旋进频率，拉莫尔公式ω=γ B。由拉莫尔公式知，梯0度磁场的作用是使沿梯度方向的自旋质子处于不同的磁场强度中，因而具有与质子所处位置相关的共振频率。磁共振图像重建最常用方法是二维傅里叶变换（two-dimension fourier transform，2DFT）和三维［9］傅里叶变换（three-dimension fourier transform，3DFT）。在2DFT中，采用梯度成像方法，首先采用梯度磁场在z方向作层面选择，接着采用梯度磁场对所选层面沿y方向作相位编码，最后采用梯度磁场对所选层面沿x方向作频率编码并在此期间读出信号。
空间位置编码中首先采用层面选择梯度磁场B标定层面位置z，z使组织内质子的共振频率与z轴方向的位置成线性相关，此时发射特定频率的RF脉冲，则只有对应于那个频率的平面内的质子发生共振（图1-2-4）。需注意的是，在实际情况中一个RF脉冲激发的层面厚度与层面选择梯度大小和RF脉冲的带宽有关，当带宽一定，梯度越大激发的层面越薄；梯度大小一定，带宽越窄，激发的层面越薄。图1-2-4 层面选择梯度磁场
通过一定频率的RF脉冲在z方向选取出了一个层面，但仍需对这一层面上的x、y方向编码（图1-2-5）。因为所选层面中的所有自旋核的核磁矩于激励脉冲结束瞬间处于同一相位，此时在y方向施加线性梯度磁场B，由于不同y轴位置的自旋核所处磁场强度线性变化，核y磁矩的进动频率沿y轴线性变化，经一定时间后，核磁矩的相位将与y轴位置线性相关。因此B也叫相位编码梯度磁场，其作用使某一层面y内质子沿y轴产生与位置相关的进动频率，最终使得相位与y轴位置一一对应。B撤销后，自旋质子间在y方向存在一个因相位编码梯度磁y场形成的相位差，此时在x方向施加一个线性梯度磁场B，使自旋质x子沿x轴具有不同共振频率，从而产生具有不同相位（每一初相位对应同一y坐标上的自旋核）不同频率（每一频率对应同一x坐标上的自旋核）信号。B使沿x轴的空间位置信号被编码而具有频率特征因此x叫做频率编码梯度磁场。激发质子的信号在B作用期间读出，读出时x间一般是5～30ms。图1-2-5 相位编码和频率编码A.射频脉冲与选层梯度配合激励后磁化强度矢量偏转到水平方向；B.相位编码梯度在y方向不同位置产生不同的相位；C.信号读出时频率编码梯度在x方向不同位置产生不同频率的信号
虽然x、y方向的梯度磁场可以定位所选层面的每一个体素，但实际中MR每次只识别一种相位，即每个读出时间内只能获得选择层面内沿x轴的一行体素的MR信号（同一y坐标，相位相同，频率沿x呈线性变化），为完成多行数据采集，必须重复多次相位编码及测量，可得到每行每列体素的信号强度。
MR信号采集后就是图像重建（imaging reconstruction），其根本目的是从成像体素的NMR信号求解出其相对应图像的像素值。图像重建的方法主要有投影重建法和傅里叶变换法。二、MRI功能成像的基本原理（一）MRI功能成像介绍
功能磁共振成像（functional magnetic resonance imaging，fMRI）或称为磁共振脑功能定位图（functional brain mapping）是20世纪90年代以来发展的一项新成像技术。NMR指示剂稀释（造影剂注射）法的出现并成功应用以及血液中去氧血红蛋白可作为脑中固有对比剂理论的确立是促使fMRI产生的两个直接因素。罗森和贝利维奥等人于1990年左右应用二乙三胺五乙酸钆（Gd-diethylene triamine pentaacetic acid，Gd-DTPA）造影剂团剂进行示踪研究，经过对比顺磁性造影剂与MRI图像特征后指出，运动等功能性神经活动造成的脑血容量（cerebral blood volume，CBV）变化可用来定位脑功能区［10］［11］。1989年，美国学者小川（Ogawa）等提出血氧合水平依赖（blood oxygen level dependent，BOLD）这一名词，并在高场强下首次展示了完整鼠脑的氧合敏感性对比度。1991年，美国贝尔实验室、麻省总医院等几个小组利用感觉激发并成功在人脑初级感觉皮层中捕捉到信号强度的变化。
fMRI是根据MRI对组织磁化高度敏感的特点来研究人脑功能尤其是大脑功能区划分的无创性检测技术，更重要的是它突破了过去仅从生理学或病理生理学角度对人脑实施研究和评估的困境，还使得人们可以从语言、触觉甚至情感等领域对清醒人脑进行观察，标志着MRI已从仅提供解剖学信息的阶段发展到反映人脑活动信息的新阶段。利用fMRI还可以对疾病治疗后的功能恢复、功能性重建进行深入研究，并且可以定性定量地检测药物治疗的疗效，为临床诊断、治疗及评估预后提供可靠的依据。近年来，fMRI技术在帕金森综合征、癫痫、多发性硬化、动脉粥样硬化、肝癌等重大疾病的诊疗中得到越来越广泛的应用。
狭义而言，fMRI单指血氧合水平依赖（BOLD）成像，也叫BOLD-fMRI。广义而言fMRI还包括磁共振波谱（magnetic resonance spectroscopy，MRS）、弥散加权成像（diffusion weighted imaging，DWI）、弥散张量成像（diffusion tensor imaging，DTI）、灌注加权成像（perfusion weighted imaging，PWI）及磁共振磁敏感加权成像（susceptibility weighted imaging，SWI）。这里主要指BOLD-fMRI。（二）MRI功能成像原理
MRI功能成像与MRI结构成像的信号源均是氢质子受激产生，且采用同一个梯度磁场系统进行空间定位。不同的是，MRI功能图像不是采用组织的质子密度、弛豫时间等形成图像对比度，而是利用与大脑神经元活动过程相关的脑血流容积、血液氧合水平等较微弱的能量代谢过程来形成图像对比度。BOLD-fMRI依据脱氧血红蛋白分子具有导致快速失相位的磁敏感性，与氧合血红蛋白相比，脱氧血红蛋白显示更低信号，而氧合血红蛋白呈较高信号，即如果某一个区域有较多的氧合血，与周围含有氧合血较少的区域相比，在T加权像（T 22weighted image，TWI）上该区域的信号强度就会增加。人体受到刺2激后，局部脑组织产生兴奋，动脉血（含氧合血红蛋白）流入兴奋脑区，脑组织局部氧含量增加，造成了局部逆磁性物质的增加，而周围组织因没有神经活动，氧含量不增加，局部主要为顺磁性物质，这样就构成了信号对比。通过图像后处理，即可算出脑内活动区域部位与范围。
偶极-偶极弛豫和局部磁化率效应是顺磁性物质对MRI信号或者图像产生影响的两条主要途径。偶极-偶极弛豫来自顺磁性物质中的非成对电子与附近自旋质子的直接双极耦合使得T和T变短。大多数12组织的本征T比T长，但在顺磁性离子作用下，T缩短比T快得多。1212局部磁化率效应导致磁场不均匀，由拉莫尔公式知非均匀场中的运动质子具有不同的共振频率，质子容易丧失进动相位的相干性，从而严重影响质子的横向弛豫时间，故可以采用T或者TWI的序列对顺磁22性物质的这种弛豫效应进行测量。
据测定，氧合血红蛋白（oxygenated hemoglobin，HbO）为反2磁性，氧离血红蛋白（deoxygenated hemoglobin，dHb）为顺磁性，完全氧离的红细胞磁化率比完全氧合的红细胞大0.2ppm。HbO的磁2特性与组织接近，因而HbO浓度变化不会影响组织的弛豫过程，但2是dHb的顺磁性却能在其周围的水质子间建立小的局部磁场，使组织毛细血管内外磁场变得非均匀。这种不均匀磁场既可加快质子失相过程又可缩短T，从而使得NMR信号减小，因而将dHb作为fMRI的固有2对比剂来得到功能磁共振图像。dHb中铁的4个非成对电子均被包裹在dHb分子内部，故dHb的偶极-偶极弛豫效应其对T的影响并不大。1血红蛋白脱氧逐渐成为顺磁性，同时在毛细血管内外建立起上述不均匀磁场。因此血氧合水平的变化可以通过T或者TWI序列测定。由22于纵向弛豫与场的非均匀性无关，上述血氧水平的变化就不能用T加1权像（Tweighted image，TWI）的脉冲序列测量。11
大脑皮层功能区因刺激产生反应性活动，该激活区域内局部组织的代谢加剧，使得血氧合水平降低，其结果应是横向弛豫过程的T缩2
试读结束[说明：试读内容隐藏了图片]