專利名稱：利用局部一致性方法的功能磁共振數據處理方法
技術領域：
本發(fā)明涉及磁共振技術領域，特別是一種利用局部一致性方法的功能磁共振數據處理方法。
背景技術：
基于血氧變化的功能磁共振(以下簡稱為功能磁共振)已有十幾年的歷史，該技術被廣泛用于活體腦的研究，如研究人腦的高級功能、用于協助腦手術前的功能定位等。用功能磁共振所采集到的是腦的四維(三維空間+時間)數據。傳統數據處理方法一般要求在數據采集過程中，受試者需要間斷完成某種任務或不同任務，如連續(xù)活動右手指30秒，然后休息30秒或完成另一任務(如連續(xù)活動左手指)。此外，目前的分析方法還要求這些任務要重復多次，這樣以比較不同任務所引起的信號變化之間的不同，或比較完成任務時與休息狀態(tài)下的不同。
近年來有研究發(fā)現，即使在休息狀態(tài)下，活體腦內血液動力學也會出現一種慢波漲落，這種慢波漲落反映了腦的自組織性。對這種慢波漲落的分析有非常重要的意義，例如，病人無須完成復雜的任務，只需要安靜地躺在磁共振檢查儀內數分鐘，即有可能檢查出其腦內某些功能的變化情況。但由于這種慢波漲落不符合前面提到的多次重復事件的要求，對這種慢波漲落的分析尚無有效的辦法，目前通常采用的方法是先讓受試者完成一定的任務，得到任務激活的腦區(qū)定位。然后，以任務狀態(tài)下得到的腦區(qū)為依據，再研究休息狀態(tài)下的慢波漲落。顯然這種采用任務狀態(tài)下定位的方法并不能反映休息狀態(tài)下的腦活動情況。并且，在現實中所需要完成的任務可以說是無限多，標準也就很難統一。也有研究者為避免使用任務的問題，用人工確定興趣區(qū)的方法，比如，Greiciusi等(Functional connectivity in the resting braina network analysis of thedefault mode hypothesis.PNAS，2003，100253-8)在用功能磁共振研究休息狀態(tài)下功能網絡時，根據先前的經驗事先確定扣帶回后部和扣帶回前部作為參考區(qū)域，研究這兩個區(qū)域與其它腦區(qū)的相關性。顯然，這種方法需要根據先前的知識才能確定好所研究的腦區(qū)，但面對人腦這么復雜的系統，單純靠經驗來確定是很困難的。

發(fā)明內容
為此，我們提出了利用局部一致性方法的功能磁共振數據處理方法，并將其用于功能磁共振數據處理。該方法的理論假設是(1)腦功能區(qū)內各體素的時間序列之間在時間上是相似的；(2)該功能區(qū)內這種相似性在不同任務狀態(tài)下是可以變化的。該方法不將重復事件的發(fā)生做為先決條件，非常適合于處理休息狀態(tài)下的數據處理，并且該方法也同樣適用于執(zhí)行任務的各種情況。另外，該方法不用事先確定興趣區(qū)。對人腦的功能磁共振數據進行處理。在采集到功能磁共振數據后，選取一體素及其3個或以上的近鄰體素，計算這些體素的時間序列的肯德爾(Kendall)和諧系數W，再將得到的W值賦與所選定的體素，以表示該體素的局部一致性。對全腦的所有體素逐一進行計算，這樣就得到全腦所有體素的局部一致性。
下面分步驟并結合實際應用來介紹本方法的實施過程。
一、腦功能磁共振數據的獲取及預處理腦功能磁共振數據的采集在具備平面回波成像(EPI)序列的磁共振掃描儀上完成。成像的具體參數無特殊要求，但一般不少于3層，采樣時間點一般為數十個或更多，空間分辨率一般為數毫米，如3×3mm2。數據采集完畢后一般需要進行常規(guī)預處理，包括頭動矯正、去線性漂移、空間濾波(也稱為空間平滑)、空間標準化等，但這些過程要根據使用目的來決定，并非必需的過程。
二、對時間序列進行排序對每個體素的時間序列上的所有時間點，按其在該時間序列上的數值大小由小到大進行編號，如第56個時間點的值為456，該值在這個時間序列上最小，則其編號為1，如果有些時間點的值相等，則其編號取平均值，如第5、7、30、50個時間點的值均為457，得到的編號本來應該是2、3、4、5，則各得均值3.5為各自的編號。這樣，每個體素的每個時間點都得到一個編號，從而，每個體素形成一個新的時間序列。然后對這些新的時間序列進行局部一致性測量。
三、局部一致性測量選定腦內的任一體素A，并選定其最近的K(K至少為3)個體素，例如，選定其最近的26個體素(為了方便描述，下面均以選定其26個近鄰體素為例)，加上選定的這個體素A本身共27個體素，并假定每個體素的時間序列的點數為n(在這兒，以n＝70為例)。計算這27個體素的一致性。局部一致性的測量用Kendall諧和系數W=Σ(Ri)2-n(R‾)21/12K2(n3-n)---(1)]]>式中，W表示Kendall和諧系數，其值為0～1，0表示無一致性，1表示一致性最大；Ri表示時間序列中某時間點排序后的級數總和；R‾=(n+1)K2,]]>表示Ri的均會值；K表示體素的數目；n表示時間點的個數。
所得到的Kendall諧和系數W被賦與所選定的體素A，然后再選定下一個體素，依次得出全腦所有體素的局部一致性。
下面舉例說明局部一致性方法在不同情況下的應用。
共有6名受試者參加實驗，男2人，女4人，23-40歲，6人全部完成了左、右手指按鍵任務的掃描。另外，其中5人加掃一個休息狀態(tài)下的序列，掃描時要求受試者閉目，盡量不去想任何事，特別是不要系統地思考某一問題，掃描時間為7分鐘。
手指運動任務采用事件相關設計方法。屏幕中間為一豎線作為注視點，任務提示為一閃動的圓環(huán)，圓環(huán)在2秒鐘內閃動4次做為一次“事件”，要求受試者按閃動的頻率按鍵。圓環(huán)以假隨機的形式出現于注視點的左側或右側，要求受試者用相應側拇指按相應側的瓜反應鍵。事件與事件的間隔時間為10到16秒不等。
采集到的功能磁共振數據的預處理過程包括頭動矯正、去線性漂移、空間標準化、空間濾波。然后對左手指按鍵、右手指按鍵和休息狀態(tài)下共三種狀態(tài)的數據分別進行局部一致性測量，得到三種狀態(tài)的局部一致性圖。然后對三種狀態(tài)進行統計比較。因實驗的樣本(人數)較小，并且三種狀態(tài)的樣本數目不一致，因此對三種狀態(tài)的比較采用配對T檢驗，而未采用方差分析。
運動狀態(tài)與休息狀態(tài)比較發(fā)現，左側手指和右側手指運動時，雙側的初級運動區(qū)局部一致性均增高(附圖2)，該結果支持雙側初級運動區(qū)參與單側肢體運動的結論。在扣帶回后部和前額葉內側面，休息狀態(tài)下的局部一致性卻高于任務狀態(tài)，這一結果則支持休息狀態(tài)下這些區(qū)域可能與保持較高的警覺有關這一觀點。
從這些結果可以看出，局部一致性方法既可有效地檢測出任務狀態(tài)下的激活區(qū)域，也可以用于休息狀態(tài)下的功能磁共振數據處理。
休息狀態(tài)下功能磁共振掃描有非常廣泛的應用前景。與執(zhí)行任務的情況相比較，休息狀態(tài)的掃描有如下主要優(yōu)點(1)不同檢查地點檢查條件容易統一，這樣才可能取得大樣本數據，從而對臨床診斷提供幫助，而目前功能磁共振由于采用的任務繁多，各單位無統一標準，不同單位間數據可比性差；(2)病人容易配合檢查執(zhí)行任務情況下的功能磁共振要求受試者完成不同難度的任務，對某些病人來說配合難度較大，而休息狀態(tài)下掃描則只要求受試者與一般的磁共振檢查一樣，躺在檢查儀里不動即可；(3)與休息狀態(tài)相類似的狀態(tài)還有睡眼、昏迷或口服藥物后(后者在持續(xù)數分鐘的檢查時間內是一種穩(wěn)定狀態(tài))，對這些狀態(tài)的研究也有非常重要的生理及臨床意義。


圖1是本發(fā)明的利用局部一致性方法的功能磁共振數據處理方法的流程圖；圖2是手指運動狀態(tài)與休息狀態(tài)下腦功能局部一致性的比較檢驗結果圖。
具體實施例方式
圖1、局部一致性方法的流程圖。步驟一腦功能磁共振數據的獲取及預處理腦功能磁共振數據的采集在具備平面回波成像序列的磁共振掃描儀上進行；步驟二對每個體素的時間序列上的所有時間點，按其在該時間序列上的數值大小由小到大進行編號排序；對體素的時間序列進行排序；步驟三選定腦內的任一體素A，并選定其最近的K個體素，對每個體素及其周圍體素進行局部一致性測量，逐一計算各體素與其周圍體素的一致性。
圖2、手指運動狀態(tài)與休息狀態(tài)下腦功能局部一致性的比較之t檢驗結果。a左手指運動與休息狀態(tài)的比較；b右手指運動與休息狀態(tài)的比較；L左側；R右側；MFC內側額葉皮層；PPC扣帶回后部皮層；M1初級運動區(qū)。
本發(fā)明的方法對人腦的功能磁共振數據進行處理。在采集到功能磁共振數據后，選取一體素及其3個或以上的近鄰體素，計算這些體素的時間序列的Kendall和諧系數W，再將得到的W值賦與所選定的體素，以表示該體素的局部一致性。對全腦的所有體素逐一進行計算，這樣就得到全腦所有體素的局部一致性。這種方法可用于分析認知任務狀態(tài)(如手指運動、閱讀等)，更重要的是該方法可用于非任務狀態(tài)(如休息狀態(tài))的數據分析以及其它非線性狀態(tài)(如藥物應用對腦血流的影響)等情況下的腦功能磁共振數據分析。該方法計算過程快速，在目前配置較好的計算機上不足1分鐘即可完成。該方法可在磁共振掃描儀的工作站上完成，也可在普通的微機上完成。該方法可廣泛應用于腦功能磁共振的臨床與基礎研究中，并可產生巨大的社會效益和經濟效益。
權利要求
1.一種對腦的功能磁共振數據進行處理的方法，其特征是利用局部一致性的測量，以了解不同任務狀態(tài)下或不同穩(wěn)定狀態(tài)下腦功能情況，局部一致性測量方法，是通過確定任一體素及其周圍3個或以上體素，計算這些體素的時間序列的肯德爾諧和系數W，并將這一系數賦與先選定的那個體素，依次重復，從而獲得全腦各區(qū)域的局部一致性。
2.一種利用局部一致性方法的功能磁共振數據處理方法，包括下面步驟一、腦功能磁共振數據的獲取及預處理腦功能磁共振數據的采集在具備平面回波成像序列的磁共振掃描儀上進行；二、對時間序列進行排序對每個體素的時間序列上的所有時間點，按其在該時間序列上的數值大小由小到大進行編號排序；三、局部一致性測量選定腦內的任一體素A，并選定其最近的K個體素，對每個體素及其周圍體素進行局部一致性測量，逐一計算各體素與其周圍體素的一致性。
全文摘要
本發(fā)明涉及磁共振技術領域的利用局部一致性方法的功能磁共振數據處理方法。包括一、腦功能磁共振數據的獲取及預處理，二、對時間序列進行排序，三、局部一致性測量。這種方法可用于分析認知任務狀態(tài)(如手指運動、閱讀等)，更重要的是該方法可用于非任務狀態(tài)(如休息狀態(tài))的數據分析以及其它非線性狀態(tài)(如藥物應用對腦血流的影響)等情況下的腦功能磁共振數據分析。該方法計算過程快速，該方法可在磁共振掃描儀的工作站上完成，也可在普通的微機上完成。該方法可廣泛應用于腦功能磁共振的臨床與基礎研究中，并可產生巨大的社會效益和經濟效益。
文檔編號A61B5/055GK1628608SQ20031012062
公開日2005年6月22日 申請日期2003年12月15日 優(yōu)先權日2003年12月15日
發(fā)明者臧玉峰, 蔣田仔, 呂英立, 賀永 申請人:中國科學院自動化研究所