腦與神經科學3 腦神經影像上

• 計算斷層掃描
• 磁共振成像

腦神經影像（Neuroimage）與電生理學探索腦電波的思想是一致的，但電生理學是從電場與電勢著手的，Neuroimage就是從磁場的角度去探索腦電波的。腦神經造影主要有兩種方法，磁共振成像（magnetic resonance imaging，MRI）與正電子發射斷層掃描（positron emission tomography，PET），這一部分主要介紹MRI。我們先理解一下image這個概念。這里的image指的是數字圖像（digital image），數字圖像可以理解成一個矩陣，矩陣的每一個元素對應著一個像素（pixel），每個像素有一個特征表示像素的顏色、灰度等信息。設備質量會影響圖像的解析度（resolution），解析度也叫分辨率，指的是一張數字圖像的像素有多少，比如1024*768分辨率的圖像有786432個像素。

計算斷層掃描

計算斷層掃描（computed tomography，CT）是醫學造影技術中非常常用的一種。它的原理是用x光從不同角度照射需要檢查的器官，利用不同組織（因為不同組織密度不同）對x光吸收程度不一樣的原理，獲得器官沿某個角度投影的灰度圖，也可以進一步利用這些投影重構出三維圖。這種方法的優點是便捷、缺點是器官會暴露于放射環境，因此不建議一年做很多次。

磁共振成像

磁共振成像（magnetic resonance imaging）的原理從字面上就可以理解，給器官施加外部磁場的作用后，氫原子核和按磁場方向排列，當外部磁場消失后，氫原子就會變回隨機排列的狀態，這個變化過程中氫原子會以特定頻率振動，產生特定頻率的電磁波，用共振的原理接收到電磁波后用數字圖像技術將波信號變換成圖像，因為不同組織氫原子含量不同，所以不同組織可以在圖像中被區分開來。磁共振成像需要的設備是核磁共振掃描儀（MRI scanner），它的作用其實就是放大并接收腦神經活動產生的電磁波。這種儀器要放在不會被振動（比如地面震動）影響的地方。空心圓柱隧道的作用是產生磁場并記錄信號，從內到外依次由射頻線圈（RF coil）、梯度線圈（Gradient coil）、磁鐵（magnet）、掃描儀構成。使用時先讓患者躺在Patient table上，將患者安置好后醫護人員離開房間，操縱設備將患者送入隧道，待掃描結束后將患者送出隧道。檢查前需要提示患者隧道內部是比較密閉的空間，讓患者提前做好心理準備；并提醒患者核磁共振掃描儀會產生120分貝左右的噪聲，持續7-10分鐘左右。開始之前為患者提供耳塞，防止持續高分貝噪聲對患者耳朵造成傷害。

雖然這個過程是比較辛苦的，但核磁共振掃描儀能夠得到非常高分辨率的圖像。核磁共振中磁場強度是3T，相當于地磁的6萬倍，所以防止核磁共振掃描儀的房間需要能隔絕磁場，并且不能放置任何金屬，因此需要提示患者取下身上所有金屬設備。同樣因為這個原因，如果身體內放置了金屬產品，比如金屬假牙、心臟支架等也不能接收核磁共振檢查。帶有微弱磁性或者少量金屬產品接受檢查會導致磁場分布不均勻，得到非常奇怪的圖像。比如含少量金屬的發卡：

這個磁場是由磁鐵（magnet）產生的，一般并不直接使用磁鐵，而是用電磁線圈，這個部分產生的磁場叫主磁場。如果想要用核磁共振掃描儀掃描某個特定的位置，就需要梯度線圈（Gradient coil）來加強某個位置的磁場，讓圖像的分辨率再高一點。射頻線圈（RF coil）的作用是用共振的原理接收腦電波的信號。

CT和MRI都是獲得大腦結構圖像（structural imaging）的方法，CT的分辨率比MRI差一些，T1 MRI與T2 MRI的區別是二者是黑白顛倒的。

大腦圖像分析方法繼承于數字圖像處理方法。比如Voxel-based morphometry analysis（VBM，基于體素的形態分析）。因為圖像是大腦的一個投影，所以每個像素都是對應三維空間中的一個位置的，將pixel置于三維空間，就稱其為voxel。這種方法相當于將大腦用一組有限元近似，可以用來對大腦做一些形態分析。比較經典的文章如：Intellectual ability and cortical development in children and adolescents。

總結

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