作者：杨晓飞
Hello，
这里是行上行下，我是喵君姐姐~
fMRI因为能够提供对大脑功能的独特洞察而受到医生和研究人员的广泛欢迎。然而，我们必须考虑多种技术因素，从实验设计到数据采集、数据处理以及方法的内在限制，以优化fMRI分析并对数据作出最准确和最有根据的解释。
实际研究过程中，研究者/临床医生必须从许多可用的选项中选择每个阶段最合适的软件工具。在这里我们提供简单的指南，包含主要的分析阶段，每个阶段涉及的技术和工具。这份指南旨在作为神经成像社区的资源，帮助新手克服最关键的困难。本文由葡萄牙学者发表在FrontiersinNeuroscience杂志。
关键词：fMRI，数据收集、预处理、分析
应用领域
fMRI技术被广泛应用于认知神经科学领域（比如感知运动功能、语言、视觉空间、注意、记忆、人格、决策、执行功能）以及成瘾、神经营销等等。另一个主要研究领域为临床神经成像（比如手术前后的状态对比、基因相关的功能研究等）。最后一个较为新兴的领域是结合实时神经反馈或脑机接口治疗疾病比如强迫症、抑郁症、精神分裂。
实验设计
核磁的实验设计分静息态和任务态2种。
静息态
静息态是最简单直接的实验设计，被试不需要完成任何外在任务。这种情况下收集到的数据具有一致稳定的功能模式，被称为静息态网络（RestingStateNetworks,RSNs)。
最经典的实验设计为闭眼静息（数据收集过程中，被试眼睛闭上，不要想任何事情也不要睡着）和睁眼静息（数据收集过程中，被试眼睛睁着视线固定，不要乱动不要想任何事情）。真实研究中选何种设计，由研究目的决定。扫描时长也会对结果产生影响，一般为5—7min，如果是儿童被试可适当缩短比如5.5分钟。
任务态
任务态fMRI研究中，刺激的呈现方式至关重要。最经典的实验设计为block设计、event设计和混合设计三种。
其中最简单的实验设计是block设计，其包含一系列的block，每个block里面呈现1种条件的刺激。Block之间的间隔取决于刺激类型，通常为15-30s。
每个条件呈现的顺序也很重要，通常要在被试间平衡。Block设计的优点是方法简单、统计功效良好、信号鲁棒，缺点是被试会产生练习效应并且无法准确定义响应时间。
Event设计旨在描述大脑功能与离散事件的相关，刺激顺序随机，刺激间隔（inter-stimulusinterva，ISI）通常在0.5-20s。这一任务增加了不可预测性，提供了有效手段检测局部血流动力学反应的瞬态变化，但同时也造成信噪比降低、分析过程变得复杂，最终导致检测能力下降。
Event设计还分为2种类型，其差异来自ISI的范围：一是慢事件相关设计（slowevent-relateddesigns），其ISI通常在15s以上，这样可以防止刺激间HRF的重叠；另一个是快事件相关设计（rapidevent-relateddesigns），刺激间的间隔时间短（短于先前刺激的HRF），导致刺激间HRF的重叠。
此外，刺激呈现顺序设置为随机或伪随机，也可有效减少练习效应。对于快速事件相关设计，jitter设计则允许出现不同的HRF重叠，可以减少多重线性问题并更好的表征每种条件的反应。
混合设计结合了block设计和event设计的优点，能提供持续和瞬间功能激活情况。不过，它需要更多的假设，对HRF的估计较差，持续信号的统计效应变低，需要更多的被试量。
最后，当研究同时涉及静息态和任务态时，建议先扫描静息态。
图1经典fMRI研究流程。
（A）数据基本特征（B）静息态（C）block设计（D）event设计（E）混合设计（F）采集技术（G）伪影（H）质控（I）格式转换。预处理步骤：（J）时间层校正（K）头动校正（L）空间标准化（M）平滑（N）滤波。（O）基于任务态的分析方法（P）基于静息态的分析方法（Q）统计界面（R）可视化。
Power分析
fMRI研究因为样本量少、比较次数多导致统计效应低而一直为人诟病。另外也由于BOLD响应的不确定性等原因导致fMRI研究较少计算效应量。好在现在已经开发出了专门的工具，只需输入平均激活、方差、Ⅰ类错误的概率（alphalevel）等即可计算。已有的软件有：PowerMapsoftware、fMRIPowertool、NeuroPower。
数据收集技巧和伪影
常见的核磁技术
BOLD信号检测是最常见的技术，其他的一些技术有脑血容量（cerebralbloodvolume，CBV）、脑血流量（cerebralbloodflow，CBF)和脑氧代谢率（cerebralmetabolicrateofoxygen，CMRO2)。
动脉自旋标记（ArterialSpinLabelling，ASL）利用动脉血液中的水分子作为内源性对比剂实现脑血流成像；血管空间(Vascular-Space-Occupancy,VASO)基于血液和周围组织的差异并通过局部CBV的动态测量确定;VenousRefocusingforVolumeEstimation(VERVE)基于静脉脑血容量变化；扩散加权MRI测量激活过程中与细胞肿胀有关的神经组织的结构变化。
最后，收集数据时需要获取特定的序列。常见的扫描序列为平面回波序列（echoplanarimaging，EPI）。
数据收集技巧
在采集阶段，收集到高质量的数据是至关重要的。关于收集技巧并没有*金原则，因为参数设置都不大一样，这里仅针对标准单镜头梯度回波EPI3T（astandardsingle-shotgradient-echoEPI3T）核磁数据采集提供一些建议。
所有因素中对磁共振结果影响最大的是磁场强度，随着场强的增加，灵敏度、分辨率和信噪比均得到提高。目前使用较多的是1.5T~3T，但是一些研究中心已有7T设备。另外一个因素是扫描顺序，间隔扫描还是连续扫描，升序（foot-to-head）还是降序（小编注：请扫描时做好记录，后续分析会用上）。
间隔扫描虽然可以减少相邻层的干扰，但更容易受到头动等影响。为了减少这些影响，扫描时层与层之间会存在间隙（通常是层厚的10%~25%）。目前保险的方法是选择连续降序扫描。
磁共振成像还需考虑时间分辨率和空间分辨率的权衡，由于BOLD信号随时间改变，因此优化时间分辨率是关键。目前TR普遍为2-3s。对于任务态研究，通常会选择较短的TR，不过这会导致信噪比显著降低。
优化时间分辨率时肯定会牺牲空间分辨率，其中一种方法是在保证全脑覆盖的同时进行多层平行成像，比如GRAPPA、SENSE、multiplex-EPI。GRAPPA和SENSE的工作原理是减少扫描单层影像所需时间，增加敏感度；multiplexed-EPI是一次不止扫描一层。
另外还有一些建议：当既有静息态研究又有任务态研究时，数据采集参数尽量保持一致，这样在进行结果对比时比较准确。任务态研究中最重要的是数据扫描和刺激呈现的同步，这个可以通过发送trigger实现。（同步器是必备的任务态同步设备）
伪影
磁共振成像的伪影通常来自脉冲序列、梯度系统硬件、采集策略以及生理噪音。EPI序列有3种常见的伪影：空间形变（figure1g1）、信号流失（figure1g2）、*影（figure1g3）。
空间畸变可能是由于磁场不均匀性造成的，局部表现为沿相位编码轴的拉伸或压缩像素，在较高的场强下更差，改善的方法有使用匀场线圈、fieldmapping、pointspreadfunctionmapping、反向相位梯度。
近场不均匀引起的信号流失通常会在额叶和颞叶发生，改善的方法有：选择合适的回波时间（当回波时间和感兴趣部位的局部T2匹配时，BOLD信号对比最好）、层厚更薄、优化倾斜度、改善相位编码的方向等。*影只发生在相位编码方向，因为K-space的奇偶行极性相反，改善的方法有使用多回波扫描、二维相位校正、采用GRAPPA进行平行成像等。
硬件方面，扫描仪、头部线圈的异质性、射频干扰等均会影响成像质量，改善的方法是进行独立成分分析（ICA）或鲁棒主成分分析（RobustPrincipleComponentAnalysis，RPCA）。生理噪音比如头动、呼吸、心跳等，其中最常见影响最大的就是头动，所以在预处理的时候会进行头动校正。
数据收集的最佳方案是用柔软的填充物固定头部，尽量防止运动。至于呼吸、心跳，采集层面需要借助磁共振兼容的心跳、血氧等设备，分析层面可采用滤波的方式。
幸运的是现在已经开发出了大量的软件来减少伪影的影响，比如：
ArtifactdetectionTool(ART—