核磁共振新技術(shù)：歌唱時(shí)也能成像

據(jù)國(guó)外媒體報(bào)道，在唱歌或是說話時(shí)，需要人的胸部、頸部、下顎、舌頭和嘴唇等處上百種肌肉相互協(xié)作才能發(fā)出聲音。利用新發(fā)明的一種超高速核磁共振成像技術(shù)，美國(guó)貝克曼高等科學(xué)技術(shù)研究所的研究人員現(xiàn)在能夠?qū)@些肌肉的協(xié)作進(jìn)行成像，研究這些協(xié)作的進(jìn)程。 “人能夠發(fā)出各種聲音，能夠唱歌，這一點(diǎn)讓我感到驚嘆”，Aaron Johnson介紹說，他是貝克曼高等科學(xué)技術(shù)研究所下轄的生物成像科學(xué)與技術(shù)研究組的成員，語言與聽覺科學(xué)助理教授，“聲音是通過兩小片組織震動(dòng)發(fā)出來的。這正是我付出一生對(duì)其進(jìn)行研究的原因：我覺得這太神奇了。”

聲音是由位于頸部的喉發(fā)出的。當(dāng)我們唱歌或是說話的時(shí)候，聲帶(兩小片組織)閉合起來，當(dāng)空氣通過兩者之間時(shí)導(dǎo)致其發(fā)生震動(dòng)，發(fā)出聲音。

Johnson曾經(jīng)在芝加哥的合唱團(tuán)做過十年的專業(yè)歌手，他對(duì)聲樂表演的激情也延伸到了科研上來，希望弄清聲音和神經(jīng)-肌肉系統(tǒng)間的關(guān)系，他對(duì)聲音隨著年齡增長(zhǎng)發(fā)生的變化尤其感興趣。

“隨著我們年齡的增長(zhǎng)，我們的神經(jīng)-肌肉系統(tǒng)和喉會(huì)發(fā)生變化，并且萎縮。這些變化是隨著年齡增長(zhǎng)聲音在各個(gè)方面變差的原因，比如聲音變?nèi)?、變緊或是變‘喘’”，Johnson介紹說，“我的研究興趣是弄清這些變化是如何發(fā)生的，以及通過人工干預(yù)，比如進(jìn)行發(fā)聲訓(xùn)練，是否能夠扭轉(zhuǎn)這些變化。要想進(jìn)行這些研究，我需要實(shí)時(shí)的觀察發(fā)聲時(shí)喉部肌肉的活動(dòng)。”

使用貝克曼生物醫(yī)學(xué)成像中心研發(fā)的新的核磁共振成像技術(shù)，Johnson能夠觀察人在發(fā)聲時(shí)相關(guān)肌肉活動(dòng)的動(dòng)態(tài)圖像，成像的速度可以達(dá)到每秒100幀——遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于世界上其它核磁共振的成像速度。

“通常核磁共振的成像速度大約為每秒10幀左右，但我們可以達(dá)到每秒100幀，同時(shí)還不會(huì)影響成像的質(zhì)量”，生物醫(yī)學(xué)成像中心的技術(shù)總監(jiān)，生物工程學(xué)副教授Brad Sutton介紹說。

貝克曼生物醫(yī)學(xué)成像中心的核磁共振儀采集到的人歌唱時(shí)的喉部運(yùn)動(dòng)圖像，采集速度每秒100幀

這項(xiàng)研究成果日前發(fā)表在了《醫(yī)學(xué)磁共振》(Magnetic Resonance in Medicine)雜志上。

要研究說話和歌唱時(shí)舌頭以及頭部和頸部其它肌肉的活動(dòng)，動(dòng)態(tài)的圖像尤其有用。

“要捕捉到這些靈活的運(yùn)動(dòng)，成像速度必須要達(dá)到每秒100幀，這項(xiàng)技術(shù)的出色之處也正在于此”，Johnson介紹說。

Johnson最近獲得了美國(guó)國(guó)立衛(wèi)生研究院頒發(fā)的K23事業(yè)進(jìn)步獎(jiǎng)(K23 Career Development Award)，他目前正在研究通過訓(xùn)練養(yǎng)老院的老人進(jìn)行合唱，是否能夠改善喉部相關(guān)結(jié)構(gòu)的狀況，使他們發(fā)出的聲音更強(qiáng)、更有力。這項(xiàng)研究需要使用核磁共振技術(shù)采集喉部在運(yùn)動(dòng)前和運(yùn)動(dòng)后的相關(guān)數(shù)據(jù)。

貝克曼高等科學(xué)技術(shù)研究所的電子和計(jì)算機(jī)工程教授Zhi-Pei Liang研究組的研究工作為這項(xiàng)新技術(shù)奠定了基礎(chǔ)。Sutton和他的團(tuán)隊(duì)在此基礎(chǔ)上研發(fā)出了新的技術(shù)，使得在談話時(shí)進(jìn)行高速成像成為可能。

“這項(xiàng)技術(shù)的空間分辨率和時(shí)間分辨率都非常出色——圖像非常清晰，同時(shí)成像速度也非常快。使用常規(guī)的核磁共振技術(shù)，通常精細(xì)的空間分辨率和時(shí)間分辨率兩者無法兼得”，Sutton說。“我們研發(fā)了一種特別的數(shù)據(jù)采集方法，能夠分別采集時(shí)間和空間數(shù)據(jù)，然后再把兩者合并到一起，從而取得高質(zhì)量、高分辨率的圖像，而且成像速度還很快。”

在把動(dòng)態(tài)圖像和音頻信號(hào)整合到一起的時(shí)候，研究人員使用了一種降噪光纖麥克風(fēng)來采集音頻信號(hào)，然后把音軌添加到視頻圖像上。

“從工程師到語言學(xué)家，在貝克曼高等科學(xué)技術(shù)研究所，我們有一個(gè)非?；钴S的研究群體。利用幾年前還不存在的核磁共振新技術(shù)，我們現(xiàn)在能夠進(jìn)行很多掃描研究”，Sutton介紹說。“團(tuán)隊(duì)中有Aaron這樣的科學(xué)家很有意義，他們能夠提出各種科學(xué)問題，這些問題能夠推動(dòng)我們的科研進(jìn)展。”