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功能磁共振图像在听觉中的初步研究

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软件简介

  近年来,血氧水平依赖性磁共振脑功能成像(Blood oxygenation level-dependent functional magnetic resonance imaging, BOLD-fMRI)技术得到极快的发展,除了与扫描硬件、扫描技术的进步有关外,更得力于以图形图像等计算机科学为核心的相关学科的支持;图像数据的后处理技术成为fMRI中的关键环节。
本文实验采集了被试在收到声音刺激时fMRI的脑部图像,简单介绍了fMRI数据处理与分析的原理及方法。这些步骤的实现均靠软件根据不同算法完成。专业软件多种多样,但方法和步骤都基本相同。国际较为通用的功能影像软件有综合的处理分析软件,如英国伦敦大学神经影像科学系Wellcome实验室的SPM(Statistical Parametric Mapping)系列软件以及MCW AFNI(Medical College of Wisconsin Analysis of Functional Neuroimages)软件等,本文利用基于matlab上的spm12来完成功能磁共振听觉图像的处理, 通过对fMRI 数据做时间层校正、头动校正、配准、分割、空间标准化以及平滑处理等预处理,一般线性模型建模以及统计分析,我们验证了当听觉受到刺激的时候,大脑颞叶区域会产生响应。
关键词:听觉; 血氧水平依赖性磁共振脑功能成像; SPM

目录
摘要
ABSTRACT
第1章绪论 1
1.1 研究背景介绍 1
1.2 研究目的及意义 1
第2章MRI原理介绍的 3
2.1MRI成像基本原理 3
2.2脑功能核磁共振成像 5
第3章听觉机制概述 7
3.1听觉神经解剖系统 7
3.2听觉产生原理 8
第4章数据分析方法 11
4.1SPM软件 11
4.1.1SPM软件背景及介绍 11
4.1.2功能图像数据的性质 11
4.2.SPM预处理功能目的 13
第5章数据处理及分析 15
5.1实验数据 15
5.2数据分析 15
5.2.1数据预处理与分析 15
5.2.2基于GLM模型及统计分析 19
5.3结论 21
第6章总结 25
参考文献 27
致谢 29

第1章绪论
1.1 研究背景介绍
近年,随着磁共振技术及脑神经学的发展,人们对神经系统的研究已经开始不仅仅局限于解剖定位, 更多是通过磁共振这种无创的检查方法加深脑功能方面的研究,1990年代一种新的技术诞—功能磁共振成像(functional magnetic resonance imaging, fMRI)诞生,它主要是基于被检器官或组织的功能发生改变而获取信息。
功能磁共振成像为研究人体的基本功能开辟了新的道路,自从的20世纪90年代初,首次引入fMRI后,它慢慢的已经演变成为研究人体的神经功能的一种重要工具,最基本的fMRI技术是血氧水平依赖(blood oxyen level dependent, BOLD)fMRI(BOLD-fMRI), 利用人体 自身内部血氧浓度变化作为造影剂,能够提供足够高的时间和空间分辨率的图像。这对于正电子发射断层图(positron emission tomography, PET)等传统脑成像方法来说是难以实现的。
BOLD效应的发现最先是由Ogawa等于1990年提出的,他们发现当含氧血红蛋白含量减少是,磁共振信号降低,还观察到信号的降低不只是发生在血液里,而且发生在血管内外,于是提出这种效应是由血液的磁场性质变化引起的,这与注入造影剂引起磁场性质变化的机制类似的。此后很多的研究者在实验和理论上做了大量的工作,总结出了BOLD-fMRI成像的基础:神经元活动改变了局部去氧—氧合血红蛋白的相对含量,增加局部脑血流量,同时也增加耗氧量,但脑血流量的增加多余耗氧量,综合起来局部血液氧含量增加,即氧合血红蛋白浓度增强,去氧血红蛋白的浓度降低。去氧血红蛋白属顺磁性物质,在血管周边及内部产生磁场梯度,缩短横向磁化T2,降低MR信号;显然当氧合一去氧血红蛋白的比例增加时或者说去氧血红蛋白含量减少时,T2缩短效应减弱,表现为MR信号增强。
1.2 研究目的及意义
随着医学成像技术的不断发展,尤其是fMRI等先进的技术日趋成熟,功能影像为探讨脑功能的研究提供了物质基础,已经成为当下研究的一个热点,它可以得到人在受各种刺激情况下,大脑是如何工作, 为解释大脑的工作原理来做充分的准备,并借此来了解脑功能。大脑受到刺激时的工作区域。

第2章MRI原理介绍的
磁共振是一种生物磁自旋成像技术,的被应用于临床医学的研究中,它是利用原子核自旋运动的特点,外加一个恒定的磁场,的由射频脉冲激励后用射频线圈检测产生的信号,再经过计算机处理转换后在屏幕上显示图像。的的的的的的的的的的
2.1MRI成像基本原理
许多元素的原子核,如的1H、的19F 和的31P 等进行自旋运动,的高速旋转产生角动量。的由于原子核的质子带有正电荷,质子自旋就会产生一个小磁场,称为磁矩。呈电中性的中子自旋也产生磁矩,这是由于中子内部电荷量的不均匀分布造成的。的因此当原子核中质子个数或者中子的个数为奇数时,该原子核存在净自旋。的产生磁共振的必要条件就是具有净自旋的原子核。通常情况下,原子核自旋轴的排列是无规律的,当原子核置于静磁场中,的原来是随机取向的双极磁体受磁场力的作用,核自旋的空间取向从无序向有序过渡,与磁场作同一取向。以质子为例,它只能有两种基本状态:取向“的平行的”和“反向平行”,分别对应于低能和高能状态。的然而自旋并不完全与磁场趋向一致,而是倾斜一个角度θ。自旋的核同时也以自旋轴和外加磁场的向量方向的夹角绕外加磁场向量旋进,这种旋进称为拉莫尔旋进,就像旋转的陀螺在地球的重力下的转动。的自旋系统的磁化矢量由零逐渐增长,当系统达到平衡时,磁化强度达到稳定值。进动频率的ω0与磁场强度 B0的成正比,也与原子核类型有关,它们之间的关系满足拉莫尔关系:ω0=γ B0,γ称为磁旋比,是核素的基本物理常数,1H 的γ =的42.6MHz/ T,。由于1H 在人体中浓度大,因此1H 最适合到核磁共振图像。的的的的的的的的的

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