脑与神经科学3 脑神经影像上

计算断层扫描
磁共振成像

脑神经影像（Neuroimage）与电生理学探索脑电波的思想是一致的，但电生理学是从电场与电势着手的，Neuroimage就是从磁场的角度去探索脑电波的。脑神经造影主要有两种方法，磁共振成像（magnetic resonance imaging，MRI）与正电子发射断层扫描（positron emission tomography，PET），这一部分主要介绍MRI。我们先理解一下image这个概念。这里的image指的是数字图像（digital image），数字图像可以理解成一个矩阵，矩阵的每一个元素对应着一个像素（pixel），每个像素有一个特征表示像素的颜色、灰度等信息。设备质量会影响图像的解析度（resolution），解析度也叫分辨率，指的是一张数字图像的像素有多少，比如1024*768分辨率的图像有786432个像素。

计算断层扫描

计算断层扫描（computed tomography，CT）是医学造影技术中非常常用的一种。它的原理是用x光从不同角度照射需要检查的器官，利用不同组织（因为不同组织密度不同）对x光吸收程度不一样的原理，获得器官沿某个角度投影的灰度图，也可以进一步利用这些投影重构出三维图。这种方法的优点是便捷、缺点是器官会暴露于放射环境，因此不建议一年做很多次。

磁共振成像

磁共振成像（magnetic resonance imaging）的原理从字面上就可以理解，给器官施加外部磁场的作用后，氢原子核和按磁场方向排列，当外部磁场消失后，氢原子就会变回随机排列的状态，这个变化过程中氢原子会以特定频率振动，产生特定频率的电磁波，用共振的原理接收到电磁波后用数字图像技术将波信号变换成图像，因为不同组织氢原子含量不同，所以不同组织可以在图像中被区分开来。磁共振成像需要的设备是核磁共振扫描仪（MRI scanner），它的作用其实就是放大并接收脑神经活动产生的电磁波。这种仪器要放在不会被振动（比如地面震动）影响的地方。空心圆柱隧道的作用是产生磁场并记录信号，从内到外依次由射频线圈（RF coil）、梯度线圈（Gradient coil）、磁铁（magnet）、扫描仪构成。使用时先让患者躺在Patient table上，将患者安置好后医护人员离开房间，操纵设备将患者送入隧道，待扫描结束后将患者送出隧道。检查前需要提示患者隧道内部是比较密闭的空间，让患者提前做好心理准备；并提醒患者核磁共振扫描仪会产生120分贝左右的噪声，持续7-10分钟左右。开始之前为患者提供耳塞，防止持续高分贝噪声对患者耳朵造成伤害。

虽然这个过程是比较辛苦的，但核磁共振扫描仪能够得到非常高分辨率的图像。核磁共振中磁场强度是3T，相当于地磁的6万倍，所以防止核磁共振扫描仪的房间需要能隔绝磁场，并且不能放置任何金属，因此需要提示患者取下身上所有金属设备。同样因为这个原因，如果身体内放置了金属产品，比如金属假牙、心脏支架等也不能接收核磁共振检查。带有微弱磁性或者少量金属产品接受检查会导致磁场分布不均匀，得到非常奇怪的图像。比如含少量金属的发卡：

这个磁场是由磁铁（magnet）产生的，一般并不直接使用磁铁，而是用电磁线圈，这个部分产生的磁场叫主磁场。如果想要用核磁共振扫描仪扫描某个特定的位置，就需要梯度线圈（Gradient coil）来加强某个位置的磁场，让图像的分辨率再高一点。射频线圈（RF coil）的作用是用共振的原理接收脑电波的信号。

CT和MRI都是获得大脑结构图像（structural imaging）的方法，CT的分辨率比MRI差一些，T1 MRI与T2 MRI的区别是二者是黑白颠倒的。

大脑图像分析方法继承于数字图像处理方法。比如Voxel-based morphometry analysis（VBM，基于体素的形态分析）。因为图像是大脑的一个投影，所以每个像素都是对应三维空间中的一个位置的，将pixel置于三维空间，就称其为voxel。这种方法相当于将大脑用一组有限元近似，可以用来对大脑做一些形态分析。比较经典的文章如：Intellectual ability and cortical development in children and adolescents。

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