Name: 高分辨率结构磁共振人类皮质下的成像在体内与死亡 (视频) | JoVE Journal
Uploaded: 2015-12-30T13:00:00.000+00:00
Duration: 8 min 16 s
Description: 了解高分辨率结构磁共振成像技术，用于解析人类大脑皮层下结构，特别是外侧膝状体核的分层特征。该方法显著缩短扫描时间，适用于活体与离体脑研究，为临床神经影像学提供高效解决方案。

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作者感谢以下资助来源：加拿大自然科学与工程研究委员会（NSERC）、多萝西·皮茨研究基金（NG）以及尼基和索尔·伊顿研究基金。作者感谢凯文·德西蒙、阿曼·戈亚尔在磁共振成像采集与分析方面的专业知识。

1. 受试者与尸检脑组织准备
注意：所有图像均使用配备32通道头部线圈的3 T磁共振成像（MRI）扫描仪获取，所有MRI扫描均在室温（约20 °C）下进行。所有受试者均为右利手，并已签署知情同意书。每位受试者均身体健康，无神经系统疾病史。实验方案经约克大学人类受试者审查委员会批准，并遵循其指导方针。
<ol>
	<li>要求每位参与者填写并签署患者知情同意书，其中详细说明磁共振成像（MRI）安全指南及神经影像学检查方案。</li>
	<li>为每位参与者双耳佩戴耳塞，并使用垫片固定其头部，以尽量减少头部运动。</li>
	<li>对于尸检后脑组织成像，确保脑组织在神经影像扫描前已完成固定，并置于适合MRI头部线圈的袋或容器内。将尸检后脑组织放入头部线圈时，使其z轴（由上至下）与扫描仪孔道方向一致，脑干（后部）朝向扫描床足端。</li>
	<li>在尸检后脑组织周围放置真空固定垫以提供额外支撑。</li>
</ol>
2. 亚皮质区域的定位与划定
注意：丘脑是位于大脑中心附近、中脑与大脑皮层之间的双侧叶状结构。位于背侧丘脑内的人外侧膝状体（LGN）是一个较小的皮层下结构，其最大延伸长度约为10 mm。
<ol>
	<li>要注册一名新受试者，请打开 MRI 成像软件，点击左上角的“患者”选项卡，然后点击“注册”。</li>
	<li>填写相应的患者信息，然后点击“检查”选项卡。</li>
	<li>为获取定位像扫描，请点击“检查浏览器”选项卡以创建新协议。观察屏幕上出现的设置窗口，点击“常规”选项卡，并输入以下参数：采集时间 28 秒，采集矩阵 160 × 160，1 层，各向同性体素尺寸 1.6 mm，1 层，FOV = 260 mm，FoV 相位 = 100%，层分辨率 = 69%，相位和层面部分相位傅里叶 = 6/8，TR = 3.15 ms，TE = 1.37 msec，翻转角 = 8°。</li>
	<li>将用于采集 PD 图像的层面选择框叠加在定位像上，覆盖丘脑内的皮层下核团以及周围结构（图 4）。</li>
</ol>
3. 高分辨率结构参数
<ol>
	<li>创建一个新的获取高分辨率PD加权扫描的方案。在屏幕上的设置窗口中，点击常规（Routine）选项卡，并在冠状位方向输入以下参数：采集时间179秒，采集矩阵512 × 512，体素尺寸0.3 × 0.3 × 1 mm3，TR = 3.25秒，TE = 32毫秒，翻转角 = 120°，采用隔层采集方式，读取视野（FoV read）= 160 mm，相位视野（FoV phase）= 100%，并使用并行成像（GRAPPA）技术，加速因子为2。
	<ol>
		<li>采用Turbo Spin Echo序列，回波链长度为5。第一个回波出现在32毫秒，为该序列的有效回波。将带宽（BW）降低至尽可能小的值，即40 Hz/像素，以最大化信噪比（SNR）。为缩短扫描时间，选择18层，每层厚1 mm，视野（FOV）= 160 mm。该扫描范围足以覆盖感兴趣的皮层下区域。 
		注意：为可靠识别皮层下结构，建议使用上述参数进行5次扫描。总扫描时间仅约15分钟（图5）。未使用脂肪抑制技术。</li>
	</ol>
	</li>
	<li>在尸体脑成像中，采用与步骤3.1相同的扫描方案，仅需一次扫描即可清晰识别皮层下结构，总扫描时间仅约3分钟（图6）。</li>
</ol>
4. 图像分析
注意：为了分析 MRI 数据，可使用免费的 FMRIB 软件库（FSL）软件包，该软件包可从以下网址下载：<a href="https://www.fmrib.ox.ac.uk/fsl/">https://www.fmrib.ox.ac.uk/fsl/</a>。
<ol>
	<li>打开终端窗口，使用 DICOM 转 NIfTI 转换工具将来自扫描仪的每个 PD 体积的原始 DICOM 文件转换为 NIfTI 格式。此类转换工具可免费下载（例如.,&#160;<a href="https://www.nitrc.org/projects/mricron">https://www.nitrc.org/projects/mricron</a>）。在命令行中输入 dcm2nii，后跟每个PD加权图像序列的目录路径。</li>
	<li>在终端窗口中获取原始PD扫描的参数。在命令行中输入 fslinfo，后接NIfTI格式的PD扫描文件。</li>
	<li>创建一个高分辨率的空白图像目标体积，其分辨率是原始PD扫描通过fslinfo获取参数所给分辨率的两倍，体素大小为原来的一半。该命令的数据输入顺序如下： 
	fslcreatehd &#60;xsize&#62; &#60;大小&#62; &#60;zsize&#62; &#60;tsize&#62; &#60;xvoxsize&#62; &#60;yvoxsize&#62; &#60;zvoxsize&#62; &#60;tr&#62; &#60;xorigin&#62; &#60;yorigin&#62; &#60;zorigin&#62; &#60;数据类型&#62; &#60;页眉名称&#62; 
	注意：例如，如果按照3.1节所述参数采集原始PD扫描数据（即， 512 × 512 矩阵，18 层，0.3 × 0.3 × 1 mm3 体素大小，TR = 3.25 s），在命令窗口中输入以下内容： 
	fslcreatehd 1024 1024 36 1 0.15 0.15 0.5 3.25 0 0 0 4 blankhr.nii.gz</li>
	<li>使用单位矩阵定义变换。在任意文本编辑器中输入以下内容，并将文件保存为“identity.mat”： 
	0 0 0 
	1 0 0 
	0 1 0 
	0 0 1</li>
	<li>使用 flirt 命令进行变换，将每个原始 PD 加权序列上采样至总分辨率翻倍，即从 512 矩阵增至 1024 矩阵，同时使每个维度的体素尺寸减半，最终获得 0.15 × 0.15 × 0.5 mm 的分辨率3在每个 PD 体积的终端窗口中，输入以下 flirt 命令，并根据每次运行情况更改原始文件名和输出文件名： 
	flirt -interp sinc -in originalPD.nii.gz -ref blankhr.nii.gz -applyxfm -init identity.mat -out highresPD.nii.gz 
	注意：在以下情况下 originalPD.nii.gz 是源体积, blankhr.nii.gz 是期望的输出分辨率，highresPD.nii.gz 是输出图像的文件名。</li>
	<li>将所有高分辨率图像移至一个新文件夹，并在终端窗口中导航至该文件夹。</li>
	<li>对于每位受试者，使用 fslmerge 将所有上采样的 PD 图像拼接成一个单一的 4D 文件。在终端窗口中输入： 
	fslmerge -t concat_highresPD *.nii.gz 
	注意：这将生成一个名为 concat_highresPD.nii.gz 的 4D 文件。</li>
	<li>使用 mcflirt 对拼接后的文件进行运动校正 10 该工具可实现线性（仿射）脑部图像的跨被试及跨模态自动化稳健配准。选择四阶段校正方法，该方法在内部采用sinc插值作为进一步优化步骤，以提高配准精度。在终端窗口中输入以下命令： 
	mcflirt -in concat_highresPD -out mcf_concat_highresPD.nii.gz -stages 4 -plots 
	注意：这将生成一个名为 mcf_concat_highresPD.nii.gz 的 4D 文件。</li>
	<li>最后，使用 fslmaths 创建三维平均图像。在终端窗口中输入以下命令： 
	fslmaths mcf_concat_highresPD.nii.gz -Tmean mean_highresPD.nii.gz 
	注意：这将生成一个名为 mean_highresPD.nii.gz 的高质量 3D 文件</li>
	<li>使用 fslview 命令可视化最终结果的三维高分辨率图像。在图像所在目录中，于终端窗口输入以下命令： 
	fslview mean_highresPD.nii.gz&#34;</li>
	<li>检查所关注 ROI 的强度分布曲线。使用 fslview 创建 ROI（例如，在 LGN 的某个区域上绘制一条垂直线）。在 fslview 中加载高分辨率 PD 图像，点击工具选项卡，然后点击单幅图像选项卡以放大图像，便于绘制 ROI。接着点击文件选项卡，再选择创建掩模选项卡，在目标 ROI 区域内绘制一条线。通过点击文件选项卡，然后选择另存为，保存该 ROI。针对同一 ROI 内多个区域或其他待分析 ROI，重复绘制线状掩模，以进行强度比较。</li>
	<li>使用 AFNI 的 3dmaskdump 命令分析图像的最终强度。在图像所在目录中，于终端窗口执行以下命令，以提取感兴趣区域（ROI）掩膜的图像强度及位置信息（结果保存为 result_mask.txt）： 
	3dmaskdump -o result_mask.txt -noijk -xyz -mask ROI_linemask.nii.gz PDaverage_image.nii.gz</li>
</ol>

<ol><li>Devlin, J. T., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Reliable+identification+of+the+auditory+thalamus+using+multi-modal+structural+analyses%5BTitle%5D)+AND+%22NeuroImage%22%5BJournal%5D)">Reliable identification of the auditory thalamus using multi-modal structural analyses.</a> NeuroImage. 30 (4), 1112-1120 (2006).</li>
<li>Fellner, F., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((True+proton+density+and+T2-weighted+turbo+spin-echo+sequences+for+routine+MRI+of+the+brain%5BTitle%5D)+AND+%22Neuroradiology%22%5BJournal%5D)">True proton density and T2-weighted turbo spin-echo sequences for routine MRI of the brain.</a> Neuroradiology. 36 (8), 591-597 (1994).</li>
<li>Schumann, C. M., Buonocore, M. H., Amaral, D. G. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Magnetic+resonance+imaging+of+the+post-mortem+autistic+brain%5BTitle%5D)+AND+%22J+Autism+Dev+Disord%22%5BJournal%5D)">Magnetic resonance imaging of the post-mortem autistic brain.</a> J Autism Dev Disord. 31 (6), 561-568 (2001).</li>
<li>Tovi, M., Ericsson, A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Measurements+of+T1+and+T2+over+time+in+formalin-fixed+human+whole-brain+specimens%5BTitle%5D)+AND+%22Acta+Radiol%22%5BJournal%5D)">Measurements of T1 and T2 over time in formalin-fixed human whole-brain specimens.</a> Acta Radiol. 33 (5), 400-404 (1992).</li>
<li>Fujita, N., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Lateral+geniculate+nucleus%3A+anatomic+and+functional+identification+by+use+of+MR+imaging%5BTitle%5D)+AND+%22Am+J+Neuroradiol%22%5BJournal%5D)">Lateral geniculate nucleus: anatomic and functional identification by use of MR imaging.</a> Am J Neuroradiol. 22 (9), 1719-1726 (2001).</li>
<li>Bridge, H., Thomas, O., Jbabdi, S., Cowey, A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Changes+in+connectivity+after+visual+cortical+brain+damage+underlie+altered+visual+function%5BTitle%5D)+AND+%22Brain%22%5BJournal%5D)">Changes in connectivity after visual cortical brain damage underlie altered visual function.</a> Brain. 131 (6), 1433-1444 (2008).</li>
<li>Gupta, N., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Atrophy+of+the+lateral+geniculate+nucleus+in+human+glaucoma+detected+by+magnetic+resonance+imaging%5BTitle%5D)+AND+%22Br+J+Opthalmol%22%5BJournal%5D)">Atrophy of the lateral geniculate nucleus in human glaucoma detected by magnetic resonance imaging.</a> Br J Opthalmol. 93 (1), 56-60 (2009).</li>
<li>Dai, H., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Assessment+of+lateral+geniculate+nucleus+atrophy+with+3T+MR+imaging+and+correlation+with+clinical+stage+of+glaucoma%5BTitle%5D)+AND+%22Am+J+Neuroradiol%22%5BJournal%5D)">Assessment of lateral geniculate nucleus atrophy with 3T MR imaging and correlation with clinical stage of glaucoma.</a> Am J Neuroradiol. 32 (7), 1347-1353 (2011).</li>
<li>McKetton, L., Kelly, K. R., Schneider, K. A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Abnormal+lateral+geniculate+nucleus+and+optic+chiasm+in+human+albinism%5BTitle%5D)+AND+%22J+Comp+Neurol%22%5BJournal%5D)">Abnormal lateral geniculate nucleus and optic chiasm in human albinism.</a> J Comp Neurol. 522 (11), 2680-2687 (2014).</li>
<li>Jenkinson, M., Bannister, P., Brady, M., Smith, S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Improved+optimization+for+the+robust+and+accurate+linear+registration+and+motion+correction+of+brain+images%5BTitle%5D)+AND+%22NeuroImage%22%5BJournal%5D)">Improved optimization for the robust and accurate linear registration and motion correction of brain images.</a> NeuroImage. 17 (2), 825-841 (2002).</li>
<li>Dietrich, O., Raya, J. G., Reeder, S. B., Reiser, M. F., Schoenberg, S. O. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Measurement+of+signal-to-noise+ratios+in+MR+images%3A+influence+of+multichannel+coils%2C+parallel+imaging%2C+and+reconstruction+filters%5BTitle%5D)+AND+%22J+Magn+Reson+Imaging%22%5BJournal%5D)">Measurement of signal-to-noise ratios in MR images: influence of multichannel coils, parallel imaging, and reconstruction filters.</a> J Magn Reson Imaging. 26 (2), 375-385 (2007).</li>
<li>Andrews, T. J., Halpern, S. D., Purves, D. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Correlated+size+variations+in+human+visual+cortex%2C+lateral+geniculate+nucleus%2C+and+optic+tract%5BTitle%5D)+AND+%22J+Neurosci%22%5BJournal%5D)">Correlated size variations in human visual cortex, lateral geniculate nucleus, and optic tract.</a> J Neurosci. 17 (8), 2859-2868 (1997).</li>
<li>Pfefferbaum, A., Sullivan, E. V., Adalsteinsson, E., Garrick, T., Harper, C. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Postmortem+MR+imaging+of+formalin-fixed+human+brain%5BTitle%5D)+AND+%22NeuroImage%22%5BJournal%5D)">Postmortem MR imaging of formalin-fixed human brain.</a> NeuroImage. 21 (4), 1585-1595 (2004).</li>
</ol>

作者无任何利益冲突需要披露。

本研究描述了一种优化的图像采集与分析技术方案，旨在获得高分辨率的皮层下区域PD加权图像。通过测试并调整多个扫描参数，其中对信噪比（SNR）影响最为显著的参数包括矩阵大小、体素大小和带宽，以提高信噪比并减少采集次数，这是准确识别高分辨率皮层下结构的关键步骤。在确定活体人类受试者中的最优参数的同时，本研究还在理想条件下测试了磁共振成像（MRI）设备的绝对性能极限，即通过扫描离体脑组织排除运动伪影及患者检查时间限制的影响。在未来的研究中，该高分辨率图像可在对样本进行切片和染色前用作参考模板。
既往研究已描述了适用于1.5 T设备对福尔马林固定的死后脑组织进行高分辨率质子密度（PD）结构成像的合适弛豫时间及最优扫描方案3,13。本研究对参数进行了优化，从而缩短了扫描时间，更适合临床应用。我们成功报告了左侧和右侧外侧膝状体（LGN）的最大in vivo平均扫描图像中的线强度分布。我们绘制了最大平均扫描图像的线强度分布曲线（40次in vivo扫描，100次死后扫描）。左侧和右侧in vivo的LGN清晰显示出对应于六...

本研究旨在测试在无生理噪声干扰的情况下，结构磁共振成像（MRI）的分辨率极限。通过对一例死后脑组织进行长时间（约两个24小时的扫描会话）的质子密度（PD）加权成像，以确定为分辨出皮层下结构所需配准并平均的最少图像数量。作为对比，还在多个扫描会话中对活体人类受试者获取了PD加权图像。具体目标是评估在理想条件下是否有可能分辨出人外侧膝状体核（LGN）全部六个独立的层次结构，这些层次的厚度约为1 mm（图1）。



<img alt="牙齿发育层次示意图；外层为釉质P，内层为牙本质M；用于牙科解剖学研究。" src="/files/ftp_upload/53309/53309fig1.jpg" data-altupdatedat="1787630408000" data-alt="图1"> 
图1. 人类外侧膝状体核的分层结构。 外侧膝状体（LGN）的层状结构示意图。大细胞（M）层由较大的神经元细胞和较低的细胞密度组成，负责感知运动和粗略轮廓（第1-2层，图中显示为深灰色）。小细胞（P）层由较小的神经元细胞和较高的细胞密度组成，负责感知精细形态和颜色（第4-6层，图中显示为浅灰色）。比例尺：1 mm。本图基于染色的人类LGN绘制12。
在磁共振成像（MRI）中，当矩阵尺寸增大，且视野（FOV）和层厚减小时，空间分辨率得以提高。然而，分辨率的提高会降低信噪比（SNR），而信噪比与体素体积成正比。信噪比还与测量次数的平方根成正比。在活体人类中，尽管可以在多次独立的成像会话中采集多幅图像，但最终的分辨率受限于生理噪声，例如呼吸、循环脉动和头部运动。
采集了高分辨率（平面内体素为0.35 mm）的质子密度加权扫描图像。质子密度扫描可增强丘脑中灰质与白质的对比度1，所得图像可最大限度地减少T1和T2效应的影响。该成像结果依赖于成像体积内以水以及蛋白质和脂肪等大分子形式存在的质子密度。组织中质子数量的增加会导致磁化纵向分量升高，从而在图像上表现为更亮的信号2。
采集PD加权扫描图像，因为其能提供皮层下结构与周围组织之间更高的对比度。其他对比方式，如T1加权和T2加权成像，由于信噪比相对较低，难以清晰显示外侧膝状体（LGN）等皮层下结构，这一点已在文献ƒ 1,3中得到证实。
同样，早期研究发现，与T1加权和T2加权图像相比，福尔马林固定的死后脑组织的质子密度加权图像在灰质与白质之间呈现出更高的对比度差异，后者的灰质和白质图像信号强度相似3,4。这些差异可通过其潜在的生物物理决定因素加以解释。氢质子的T1（纵向）和T2（横向）弛豫时间取决于水分子在组织内的运动方式。福尔马林等固定剂通过交联蛋白质发挥作用。当使用固定剂时，不同类型组织之间水分子运动性的差异会减小。固定后已观察到T1组织对比度降低，而脑组织中质子相对密度的差异则随固定而增加，从而提供更佳的对比度分辨能力3, 4。
既往研究已利用1.5 T设备在质子密度加权扫描中识别出外侧膝状体核（LGN）5,6,7，并在3 T扫描仪上实现8,9。获取这些扫描图像对于精确勾画LGN的范围至关重要。为确保对皮层下核团的完全覆盖，在丘脑区域共获取18个质子密度加权切片。每个容积数据被重采样至两倍分辨率（1024矩阵，面内体素大小为0.15 mm），随后进行拼接、运动校正并取平均，以生成皮层下结构的高分辨率三维图像。为满足后续切片定位需求，最佳质子密度图像数量为5幅，可将活体人脑扫描时间缩短至15分钟以内。而在尸检脑组织中，仅需1幅质子密度图像即可清晰界定皮层下区域，扫描时间缩短至3分钟以内（图2 和 图3）。
一名82岁女性因心肺骤停死亡后，对其完整的福尔马林固定尸体脑组织标本进行了扫描。查阅病历显示，该患者患有：慢性阻塞性肺疾病、心绞痛、8年前曾接受三重旁路移植手术、7年前因子宫癌接受子宫切除术、高脂血症、青光眼以及白内障手术。死后脑组织标本在4 °C条件下浸入10%中性缓冲福尔马林溶液中固定，时间不少于3周。该死后脑组织标本采用相同的成像方案，并在多个小时内使用不同参数进行扫描，以比较图像质量。本方案仅描述经过优化的参数。

<table><tbody><tr><td>Magnetom Trio 3T&amp;nbsp; MRI</td><td>西门子（德国埃朗根）。</td><td></td><td></td></tr><tr><td>真空垫手部固定装置</td><td>西门子</td><td>物料号：4765454</td><td>制造商：Johannes-Stark-Stk. 8 D-92224 Amberg</td></tr></tbody></table>

人类皮层下结构的高分辨率结构性磁共振成像 在体 内 和死后

High-resolution Structural Magnetic Resonance Imaging of the Human Subcortex In Vivo and Postmortem

本研究旨在检验死后人脑结构磁共振成像相对于活体人脑的分辨率极限。结构磁共振成像的分辨率 体内 最终受限于生理噪声，包括脉动、呼吸和头部运动。尽管成像硬件持续改进，仍难以分辨毫米尺度的结构。例如，初级视觉感觉通路在丘脑的外侧膝状体核（lateral geniculate nucleus, LGN）处形成突触，LGN 是一个视觉中继和调控核团，通常由六层交错排列的单眼神经层构成。由于这些神经层厚度小于1毫米，神经影像学研究尚无法可靠地区分它们。
通过长时间（约24小时）多次成像并进行平均，测试了死后脑组织中结构磁共振成像（MRI）的分辨极限。目的是检验在无生理噪声干扰的情况下，是否能够分辨外侧膝状体核（LGN）的各个分层。采用质子密度（PD）1加权脉冲序列，通过改变分辨率及其他参数，确定为可靠区分LGN及其他皮层下区域所需进行配准和平均的最少图像数量。研究结果还与活体人脑获取的图像进行了比较。在体受试者接受了扫描，以评估生理噪声对区分皮层下结构所需最少PD扫描次数的额外影响，该信息对临床应用具有重要意义。

一旦在丘脑内确定了皮层下区域，便在切片选择框内采集质子密度加权图像（图 4）。信噪比随着死后样本和活体样本中平均次数的增加而提高 体内 扫描。为了评估图像质量，通过将大脑区域平均信号除以脑外某区域的标准差，比较不同扫描平均次数下的信噪比（SNR）。信噪比计算公式为 SNR = 0.655 * µ组织/σ空气 11 ，其中 µ组织 表示脑区内某一感兴趣区域（ROI）的平均像素强度值， σ空气 表示图像背景空气中无鬼影伪影区域的感兴趣区（ROI）噪声的标准偏差，0.655 因子表示幅度图像中背景噪声的瑞利分布（Rician distribution）图2）。在仅需约3分钟采集时间的单个质子密度加权容积图像中，尸检脑组织即可清晰显示皮层下结构的界限，而获取至少5个质子密度加权的平均图像（约15分钟）则是 体内 脑部以清晰显示皮层下结构的界限（图3...

本文介绍了一种用于确定为分辨皮层下结构所需采集并平均的最少图像数量的实验方案，并检验在无生理噪声干扰的情况下是否能够分辨外侧膝状体（LGN）的各个个体层次。

人类皮层下结构的高分辨率结构性磁共振成像 在体 内 和死后

本研究旨在检验死后人脑结构磁共振成像相对于活体人脑的分辨率极限。该成像的分辨率为……

本实验的总体目标是测试结构磁共振成像（MRI）的分辨率极限，以分辨并比较死后及活体人脑中的皮层下结构。我们实验室的研究涉及在患者群体中研究脑内微小的皮层下核团。由于这些核团体积微小且在脑内存在重复结构，因此难以开展研究。我们开发了一种可在死后及活体人脑中解析这些皮层下结构的方案。该技术的优势在于缩短了扫描时间，在临床应用中具有实用价值。磁共振成像的分辨率受限于噪声，因此我们希望确定其最终能达到的分辨率。在消除最主要的噪声源（即受试者头部运动、脉搏和呼吸）的情况下，使用配备32通道头部线圈的3 T MRI扫描仪获取本方案中所述的所有成像数据。在本视频中，采用西门子MAGNETOM TRIO 3 T MRI扫描仪演示研究参与者的成像操作步骤。务必首先进行MRI安全筛查。然后，向参与者详细说明神经影像扫描方案，并在准备扫描时让其签署患者知情同意书。将耳塞插入参与者的耳中，随后使用垫片固定其头部，以尽量减少头部运动。进行成像时，若需对尸检脑组织进行扫描，务必在神经影像学检查前将脑组织固定，并将其置于一个密封的防水袋或容器中，确保该容器可放入MRI头部线圈内。将脑组织放入头部线圈时，使其Z轴与扫描仪孔径方向一致，脑干朝向扫描床的足端。同时在脑组织周围放置真空垫以提供额外支撑。扫描前，请在左上角选择患者标签。使用注册标签填写相应的受试者信息。然后在检查浏览器标签中点击检查标签。首先，在设置窗口中创建一个新的 LOCALIZER 扫描序列，使用常规对比度和分辨率选项卡，输入此处屏幕上显示的参数。接下来，创建一个新的序列，用于获取高分辨率质子密度加权扫描图像。使用此处屏幕上显示的参数，在冠状位方向上进行该序列的设置。将带宽降至尽可能低，以最大化信噪比。为缩短扫描时间，选择18个厚度为1毫米的切片，视野为160毫米。接下来，将用于获取质子密度图像的切片选择框叠加在定位像上。确保覆盖丘脑内的皮层下核团以及周围结构。然后开始扫描，以可靠地识别皮层下结构。使用这些参数采集五次运行数据。进行死后脑成像时，只需一次扫描（总时长约为三分钟），并遵循相同的扫描方案，即可可靠地识别皮下结构。为分析数据，请使用免费的 FSL 软件。首先打开终端窗口。然后将扫描仪获取的每个质子密度容积的原始 DICOM 文件转换为 nifty 格式。在命令行中输入命令 scene here，DCM 转 NII，后跟每幅图像的目录，然后运行。接下来，获取原始质子密度扫描的参数。然后创建一个高分辨率的空白图像目标体积，其体素大小为上述参数的一半。在任意文本编辑程序中实现此操作时，首先使用单位矩阵定义变换（如图所示），并将其保存为名为 identity.dot.matt 的文本文件。接着，使用 flirt 命令应用该变换，对每个原始运行数据进行上采样，使总分辨率提高一倍。这将生成一个 10×24 的矩阵，并使每个维度的体素尺寸减半。现在将所有高分辨率图像移动到一个新文件夹中。然后，对每位受试者，将所有采用 UPS 采样的质子密度图像拼接成一个四维文件。使用 FSL 的 merge 命令进行运动校正，处理这些拼接后的文件。使用 URT 命令选择四阶段校正，该方法采用同步插值作为进一步的优化步骤，以提高准确性。接下来，使用 FSL 数学运算生成三维平均图像。然后使用 FSL view 命令可视化最终结果，即三维高分辨率图像。接下来创建感兴趣区域（也称为 ROIs）。使用 FSL view 加载高分辨率图像。然后在工具选项卡中，选择单张图像选项卡以放大视图，便于绘制感兴趣区域（ROI）。接着，点击文件选项卡，随后选择创建掩膜，在感兴趣区域内绘制一条线并保存。最后，使用 AF acne 的 3D 掩膜导出命令，提取刚刚创建的 ROI 掩膜的图像、强度值及位置信息。结果将以文本文件形式输出，可用于进一步分析。该系列图像比较了活体与死后脑组织的体积平均值。注意，死后脑组织在单个质子密度加权体积图像中即可清晰显示皮层下结构的明确分界，而活体脑组织则需要至少五次平均图像才能呈现相同细节。此活体脑图像的冠状切片清晰地勾画出外侧膝状体（LGN）及其他皮层下结构；在此，我们还展示了同一脑组织在相同扫描会话中、采用相同成像参数、对40次质子密度体积图像进行平均后的另一切片。该死后脑切片通过一次质子密度容积扫描获得，能够清晰显示皮层下结构，包括左右外侧膝状体（LGN）。此切片展示了对100次质子密度容积扫描数据进行平均后、采用相同切片参数获取的死后脑组织图像。放大视图可清晰分辨皮层下结构的边界。此处展示了活体左侧和右侧外侧膝状体核（LGN）以及死后左侧和右侧外侧膝状体核（LGN）的线强度分布图。活体数据采用40次最大平均值，死后数据采用100次平均值。在死后脑组织中，未观察到可归因于活体脑中分层结构的强度变化。信号强度的差异可归因于不同层次。观看本视频后，您应能充分理解如何遵循此优化方案，以获取皮层下区域的高信噪比、质子密度加权图像；一旦掌握该方法，即可应用于临床环境，使活体人脑扫描时间缩短至15分钟以内，尸检脑组织扫描时间缩短至3分钟以内。

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人类皮层下结构的高分辨率结构性磁共振成像在体内和死后

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