核磁共振新技術(shù):歌唱時也能成像
據(jù)國外媒體報道,在唱歌或是說話時,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發(fā)出來的。這正是我付出一生對其進(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候,聲帶(兩小片組織)閉合起來,當(dāng)空氣通過兩者之間時導(dǎo)致其發(fā)生震動,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,他對聲音隨著年齡增長發(fā)生的變化尤其感興趣。
“隨著我們年齡的增長,我們的神經(jīng)-肌肉系統(tǒng)和喉會發(fā)生變化,并且萎縮。這些變化是隨著年齡增長聲音在各個方面變差的原因,比如聲音變?nèi)酢⒆兙o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)時的觀察發(fā)聲時喉部肌肉的活動。”
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)聲時相關(guān)肌肉活動的動態(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,同時還不會影響成像的質(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的喉部運(yùn)動圖像,采集速度每秒100幀
這項研究成果日前發(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舌頭以及頭部和頸部其它肌肉的活動,動態(tài)的圖像尤其有用。
“要捕捉到這些靈活的運(yùn)動,成像速度必須要達(dá)到每秒100幀,這項技術(shù)的出色之處也正在于此”,Johnson介紹說。
Johnson最近獲得了美國國立衛(wèi)生研究院頒發(fā)的K23事業(yè)進(jìn)步獎(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。這項研究需要使用核磁共振技術(shù)采集喉部在運(yùn)動前和運(yùn)動后的相關(guān)數(shù)據(jù)。
貝克曼高等科學(xué)技術(shù)研究所的電子和計算機(jī)工程教授Zhi-Pei Liang研究組的研究工作為這項新技術(shù)奠定了基礎(chǔ)。Sutton和他的團(tuán)隊在此基礎(chǔ)上研發(fā)出了新的技術(shù),使得在談話時進(jìn)行高速成像成為可能。
“這項技術(shù)的空間分辨率和時間分辨率都非常出色——圖像非常清晰,同時成像速度也非常快。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。”
在把動態(tài)圖像和音頻信號整合到一起的時候,研究人員使用了一種降噪光纖麥克風(fēng)來采集音頻信號,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,這些問題能夠推動我們的科研進(jìn)展。”