开启磁共振高清纳米成像新时代

1 脑网络图谱介绍

人脑是自然界中最复杂的系统之一。大脑中的神经元细胞通过突触互相连接，形成了一个高度复杂的大脑结构网络。脑网络这个包含有上千亿个神经细胞，百万亿个神经连接的大型网络，调控着我们人体的各种动作、各个决策以及喜怒哀乐，是大脑进行信息处理和认知表达的生理基础。毫无疑问，许多脑和神经系统疾病，从精神分裂症、抑郁症、癫痫、帕金森氏病创伤后应激障碍到认知、痴呆等疾病的发生，都与大脑连接性的失调有关。因此，科学家一直在努力探索大脑的奥秘。

2013 年毫无疑问是脑科学年，欧洲、美国纷纷启动脑网络图谱研究(Human Brain Connectome, HBC)，Nature Methods, Nature Neuroscience, NeuroImage 等国际著名刊物组织专刊介绍相关的技术和进展。Science 杂志更是将其列为2013 年科研热点之首。美国于2013 年4 月2 日正式公布该图谱计划，期待找到人类大脑的“布线图”。该计划将用5 年的时间，花费30 亿美金( 分别由美国国家卫生研究院、国防部高级研究项目局、国家科学基金会提供)，联合全球最顶级的科研机构，使用不同的脑成像技术，绘制出不同活体人脑功能、结构“图谱”，不仅样本量非常大，而且使用最先进的技术。

对于大脑连接组的构想，美国国立精神卫生研究所Thomas Insel 评价道：就像现代基因学需要基因组一样，大脑的研究也需要大脑连接组，这是我们理解大脑如何工作以及洞悉当出现某些问题时大脑内部究竟发生了什么的唯一方法。一旦绘制出精细的大脑结构、功能图，就可以进一步研究神经环路的构造，大脑随发育、年龄增长的变化，大脑的网络属性，神经/ 精神疾病的根源；还可以研究大脑多大程度上由基因决定，以及不同的大脑功能/ 结构和行为的关系，给其他所有的类似研究提供最完美的金标准对照。并将为人类理解脑、保护脑、开发脑和创造脑提供前所未有的新机遇，为突破信息科学面临的瓶颈和极限提供新途径。

在国内，脑网络图谱也得到学术界和政府部门的高度重视。2010 年，中国科技部启动脑网络方面的“973”项目。国家973 项目先后启动了“脑结构与功能的可塑性研究”、“人类智力的神经基础”等课题。国家自然科学基金委医学部于2011 年启动了“情感和记忆的神经环路基础”重大研究计划，主要支持“情感”和“记忆”这二类认知功能及其障碍的脑网络表征及其相关技术的研究，中科院于2012 年启动了“脑功能联结图谱研究计划”先导专项(B 类)，主要支持“感/ 知觉”、“记忆”、“情感”和“奖赏”四类认知功能及其障碍的脑网络表征及其所所需要的先导技术研究。

2 脑网络图谱对成像平台的要求

人类脑网络连接图谱主要是使用不同的脑成像技术，绘制出不同活体人脑功能、结构“图谱”（主要是静息态功能磁共振，弥散磁共振成像，EEG、MEG等作为补充）。最新发展以磁共振技术为代表的超显微镜技术可以对脑进行精细的三维成像，精度可以达到几个纳米，并同时覆盖整个脑。磁共振高清纳米成像技术可以在体、无创地对人脑进行前所未有的高时空分辨率的成像，可以测量包括脑的形状和大小，连接脑不同区域的神经纤维，以及脑不同回路或通路的功能活动变化等等。磁共振高清纳米成像需要一台可以支持极限扫描的磁共振机器，不仅需要能够支持超快速扫描的硬件平台，而且对扫描精度提出更高的要求，同时需要超快速的数据处理能力，这样才能支持快速高清的纳米成像。

3 Discovery MR750Plus 3.0T 平台突破

Discovery MR750Plus 3.0T 是GE 公司2013 年推出的全新一代磁共振高清纳米成像系统，整个系统的软硬件都有了革命性的飞跃。其独有的中空内冷式梯度设计和划时代的AIMS 系统使得系统性能、临床应用、扫描速度等方面较以前机型都有了更大的进步与提高。无论在科研还是临床都确立了技术标杆地位，成就磁共振科研与临床发展的新标准，引领磁共振设备走进高清纳米成像新时代！

1）中空内冷梯度保证顶级临床科研
Discovery MR750Plus 3.0T 上革命性划时代的突破性设计是采用中空内冷式的梯度系统设计，使得梯度系统的稳定性达到业内最高标准！长久以来涡流效应一直限制梯度系统发展、威胁梯度系统安全的，GE 公司采用最新航空科技，采用中空内冷式梯度线圈，并将冷却液直接导入梯度系统中。

中空内冷式梯度设计与传统实心外冷式设计相比有两大明显优势：第一，减小了导线横截面积从而有效降低梯度涡流效应，从而保证图像的保真度。第二，内部直接冷却的方式，大幅提高散热效率，从而保障数据的精准度。从而实现了业内最高的梯度场强(50mT/m) 和梯度切换率(200T/m/s)。

传统型外冷梯度，梯度保真性差，图像信噪比低(DWI 成像,B=1000)

独有中空内冷式梯度技术，梯度保真度高，图像信噪比优(DWI 成像,B=1000)

2）高清纳米成像AIMS 系统
Discovery MR750Plus 平台上搭载的高清纳米成像系统正是出现在了脑网络图谱研究的历史潮流上，它包括三部分：(i)96 单元三维加速纳米成像相控阵线圈；(ii) 美国Duke 大学唯一授权的高清纳米成像序列；(iii)AIMS 超快速数据处理系统

a）96 单元三维加速纳米成像相控阵线圈
96 单元纳米成像相控阵靶线圈是一种为磁共振并行成像技术做了特别优化设计的磁共振射频线圈，具有独特的三维曲面设计，在大脑皮层部位具有更高的灵敏度，并且大大缩短病人扫描时间。业内最高的96 单元线圈配合三维加速技术可以捕获脑部功能活动时细微信号变化，是业内灵敏度最高、清晰度最高、分辨率最高的颅脑线圈，是开展脑网络图谱研究的最佳选择！

b）美国Duke 大学唯一授权的高清纳米成像序列
高清纳米成像序列是GE 公司与美国Duke 大学联合研发，并由Duke 大学唯一授权、GE 独家引进的全脑超高清纳米成像技术。可用于全脑神经系统超高分辨率成像，其DTI 成像分辨率可到纳米级别，可获得解剖级水平高清成像。受专利保护的多次激发和运动相位矫正算法能产生纳米级的高清弥散图像，可以揭示如微血管和微出血以及皮层纤维的精细结构。

c）AIMS 超快速数据处理系统
为了使用户与Discovery MR750Plus 建立无缝连接，同时配合高清纳米成像所产生的海量数据处理需求，高清纳米成像系统独家配备AIMS 超快速处理系统，该系统拥有目前业内最高端的I7 处理器，并行处理能力大大增强，处理速度相比以前提高近20 倍。AIMS 系统运行自动图像管理系统，由自动数据传输、图像重建、数据归档以及后处理程序来无缝连接用户和Discovery MR750Plus 系统。

MR750Plus 高清纳米成像功能

4 高清纳米成像临床应用

1）神经外科的应用
利用高清纳米成像可以在切除脑肿瘤术前无创地进行脑皮质功能区的定位和神经纤维束走形的观察，为神经外科医生制定最优化的手术方案提供准确的信息，从而最大限度地切除病灶，最大程度地减少对邻近重要功能皮层的损伤，进而避免正常功能的丧失并对手术的风险进行准确的评估。

2）神经内科的应用
老年痴呆- 阿尔茨海默病（Alzheimer’s Disease, AD）、脑卒中（Stroke）、多发性硬化（Multiple Sclerosis）及帕金森综合症（Parkinson’s Disease）等多种脑部疾病治疗中的应用十分广泛。利用高清纳米成像可对疾病治疗后的功能恢复、功能性重组进行深入的研究，并且可以定性、定量地检测药物治疗的疗效，为临床诊断、治疗及评估预后提供新的思路。

3）精神病学的应用
高清纳米成像具备的无损性、无放射性、可重复性等特点使其在精神病学的研究方面有很大的潜力，可以纵向地跟踪观察精神疾病的发病机制及发展动态，如精神分裂症（Schizophrenia）、抑郁症（Depression）、儿童孤独症（Autism）、儿童注意缺陷多动障碍（Attention Deficit Hyperactivity Disorder, ADHD）等