功能性磁共振成像的基础知识（总结篇）

功能磁共振成像（fMRI）是一种强大的神经成像技术，通过揭示大脑活动时血流和代谢变化来揭示神经功能。MRI的核心原理是氢原子质子在强磁场中的磁化和自旋行为，拉莫尔频率随磁场强度提升而上升，这为空间编码提供了基础。

空间编码的艺术

• 频率编码: 强度的电磁脉冲和线性梯度共同作用，质子的信号频率映射到x轴，这是构建三维图像的关键步骤。


• 相位编码: 增加垂直梯度（Gy）使得信号的相位差异指示y轴坐标，结合层面选择实验，提供全方位的空间分辨率。


• 层面选择: 通过保持Gz梯度开启，结合相位和读取梯度，确保图像的精确性和完整性。

梯度、磁场强度和拉莫尔频率的精确控制是fMRI技术的核心要素。RF脉冲的精准选择性激发是针对特定层面的，同时，T1、T2时间常数和T2*信号衰减在形态和病变检测中发挥关键作用。梯度回波序列，特别是T2*加权图像，对功能成像尤为重要，因为神经元激活会导致BOLD效应，即血氧水平依赖性信号变化。

克服挑战与创新

回波平面成像（EPI）技术通过单次激发或连续采集，巧妙地解决了实验时间问题。然而，它对磁场均匀性的敏感性要求高，T2*加权且具有高速度，是fMRI的常见选择。EPI的k空间填充顺序反转可能导致伪影，但技术的进步在不断优化这些问题。

MRI参数与技术进步

• SAR (比吸收率): RF功率的安全管理至关重要，尤其是头部，最大比吸收率限制为3.2 W/kg。EPI技术在SAR控制上相对较低，而RARE则较高。磁场强度增加会相应提升SAR。


• CBF (脑血流量) 和 CBV (脑血容量): 这些参数揭示了神经活动与血液供应的关系，CBF增加与神经活动相关，而CBV则反映含血量。ASL和DSC MRI是测量这些参数的不同方法。


• BOLD效应与fMRI: fMRI的基石是BOLD效应，通过生理模型解释神经激活时的血流变化，涉及CMRO2（局部脑氧代谢率）、CBF和CBV的交互作用。

选择合适的TE（回波时间）对T2*对比度和BOLD效应至关重要，通常推荐在3T扫描中使用TE=30ms，而在1.5T扫描中选择TE=50ms。7T高场强扫描提供了亚毫米级别的结构分辨率，但对比度和空间分辨率要求更高。理解这些基础原理有助于深入解析复杂的神经功能。

参考资料：Attwell & Iadecola (2002), Buxton (2012), 以及其他诸多研究文献。