常规磁共振 MRI

磁共振成像（MRI）是一种非侵入性成像技术，可产生三维详细的解剖图像。它通常用于疾病检测，诊断和治疗监测。它基于复杂的技术，可以激发并检测在组成活体组织的水中发现的质子旋转轴方向的变化。

人体中有大量的水分子，水分子中有氢质子，氢质子排列不规则且本身作自旋运动。

MRI使用强大的磁铁，产生强大的磁场，迫使体内的质子与该磁场对齐。然后，当射频电流脉冲信号通过患者时，氢质子受到刺激改变能态，并失去平衡，从而抵抗磁场的拉力。当射频场关闭时，氢质子回到初始能态，发射出共振产生的电磁波，MRI传感器能够检测到质子与磁场重新对齐时释放的能量。质子与磁场重新对准所花费的时间以及释放的能量的数量根据环境和分子的化学性质而变化，不同组织会产生不同的电磁波讯号。医师能够根据这些磁性来区分各种类型的组织之间的差异。

图1

T1、T2是用于测量电磁波的物理量，他们可以作为成像的数据。根据T1来成像，就叫"T1加权成像"，临床工作中简称"T1"，T2同理。

T1看解剖结构，白质是白的，灰质是灰的，脑脊液是黑的。
T2看病变，T2信号跟水含量有关，许多病灶的T2信号要强于周围的正常组织，常呈高亮状态，因此从T2序列中可以清楚的看到病灶所处位置、大小。
FLAIR全称是磁共振成像液体衰减反转序列，也称水抑制成像技术，在T2中能抑制脑脊液的高信号（使脑脊液变暗），从而让邻近脑脊液的病灶显示清楚（变亮）。结合下图可得出，Flair序列与T2序列相比，能很好的表现肿瘤部位周遭情况，清晰的表现出浮肿区域。
T1ce序列是在做MR之前打造影剂，亮的地方血供丰富，强化显示说明血流丰富，而肿瘤部位正是血流很快的部位，T1ce序列还能进一步显示肿瘤内情况，鉴别肿瘤与非肿瘤性病变。

图2

MRI信号强度受多种因素的影响，包括质子密度、T1弛豫时间、T2弛豫时间、扩散效应、磁化敏感效应和体内液体的流动等。根据对比度的类型不同，MRI检查方法也包括了常规MRI检查、弥散成像（DWI）、扩散张量成像（DTI）、灌注加权成像（PWI）、血氧水平依赖脑功能成像（BOLD-fMRI）等。

功能性磁共振 fMRI

BOLD-fMRI，描绘了由于任务诱导或自发调节神经代谢而导致的脱氧血红蛋白浓度的变化。
任务诱导/自发调节神经代谢 -> 神经元活动 -> 脑血流、脑血容等变化 -> 血氧水平变化 -> 铁离子浓度变化 -> fMRI信号变化。

血氧水平依赖现象是指，血液中的血红蛋白和氧的不同结合状态有不同的磁性。血红蛋白和氧结合时 (氧合血红蛋白) 表现出抗磁性，而血红蛋白和氧脱离时(脱氧血红蛋白)表现出顺磁性。当局部脱氧血红蛋白下降时，fMRI 图像上就表现为 T2 加权信号的增高，这也是磁共振功能成像技术的神经生理基础

BOLD-fMRI 大致分为三种类型：
任务态fMRI (Task-based fMRI or tfMRI，需要执行专门设计的任务) ，
静息态 fMRI(Resting State fMRI or R-fMRI，无外界刺激和任务) 以及
自然刺激 fMRI (Natural Stimulus fMRI or N-fMRI，刺激为自然视频或音频) 。

扩散张量成像 DTI（Diffusion Tensor Imaging）

发现磁共振信号衰减和扩散现象的关系，采用类似Diffusion的方法，来描述人体中水分子扩散的各向异性。在进行DTI扫描的时候，至少需要在6个方向施加扩散梯度，测量至少6个不同方向的水扩散系数，本征值（特征值）λ1、λ2、λ3及本征向量v1、v2、v3，可以拟合出水扩散的椭球。
扩散张量D：描述三维空间中水分子的扩散位移（3*3对称矩阵） 利用三维椭球可视化扩散张量。

图3

FA（fractional anisotropy, FA）各向异性分数是DTI扫描得到的一个非常重要的参数。它的定义是扩散张量的各向异性成分与整个扩散张量之比，定量测量单个体素的各向异性值。

一般情况下，FA值是在0~1的范围，也就是0＜FA＜1。
对于各向同性的情况下，FA=0。
对于极端情况下，只向一个方向扩散运动，则FA=1。
完成DTI扫描后，系统根据计算和后处理，会生成一个各向异性分数图，也就是FA map。这种图一般可以用伪彩色来表示。

不同参数图如下图所示

图4

脑白质纤维束追踪 Tractography Fiber Tracking

临床中做DTI的一个主要作用是进行纤维束追踪及显示神经纤维束。

图5

完成DTI扫描后，系统后处理得到彩色的FA图，这种图像一般用红、绿、蓝三种颜色表示。
在进行纤维束追踪的时候：
红色：代表左右走形的纤维束；
绿色：代表前后走形的纤维束；
蓝色：代表头足走形的纤维束。

根据FA值和一些算法可以进行纤维束追踪及显示。纤维束追踪的方法很多，主要有确定性跟踪算法Deterministic tractography和概率跟踪算法Probabilistic tractography。

实际应用

磁共振机器导出的DTI图像噪声大，不可直接使用
DWI为磁共振机器扫描后导出的原始图像
由DWI计算得到DTI和FA影像
锥体束 --- 运动功能 锥体束经过内囊后肢和大脑脚前3/5向下传导
视放束 --- 视觉传导
弓状束 --- 语言传导

临床方面，神经外科用的是比较多的，主要是为了观察纤维束，为术前制定手术方案及术后评估脑功能提供帮助。

图6

以往对纤维束的显示主要运用DTI技术，然而该技术不能显示交叉、分叉的纤维与肿瘤周围水肿区域的纤维。纤维走向型扩散成像模型主要包括利用更大的b值和更多的扩散梯度方向（典型的是64个方向）进行采样的高角度分辨率扩散成像（HARDI）和基于概率密度函数的多B值、多方向Q采样成像的扩散频谱成像（DSI），该类成像模型克服了DTI的局限性，能够显示纤维束交叉、分叉等更复杂的结构，获取更加真实、丰富的纤维束走向和连接信息。

Diffusion MRI Analysis with 3D Slicer

扩散加权成像(DWI)

DWI扫描获得了12 个扩散敏感梯度方向 (S1-S12) 和 2 个非扩散敏感梯度 (S0)

图7

DWI to DTI

图8

教程数据集DiffusionMRI_tutorialData是由41个梯度方向和一个基线获取的大脑扩散加权磁共振扫描。
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

图9

• 2. From DWI images to Tensors
     扩散加权成像 (DWI) 数据集由使用 41 个不同的扩散敏感梯度方向获取的 41 个体积和一个没有扩散加权获取的基线图像组成。
     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

图10

图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

图12

图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.

图14

图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

图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.

图17

图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.

图19

图20

图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

图22

图23

图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’

图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.

图26

图27

名词介绍

Session/run: 一次磁共振采集
Volume: 一个3D全脑数据
TR (repetition time): 采集一个3D全脑的时间，一般为2s
TE (echo time): 回波时间，影响不同组织的对比度
Slice: 一个2D切片
Thickness: 层厚
Slice number: 层数
FOV (Field of View): 视野
Voxel: 一个立体的像素点

Slice order: 采集顺序
Sequential ascending: 1 2 3 4 5 6…
Interleaved ascending隔层采集，
start with odd: 1 3 5… 2 4 6… Interleaved ascending, start with even: 2 4 6… 1 3 5…