專利名稱：綜合時(shí)域與空域信息分析功能磁共振數(shù)據(jù)的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及功能磁共振成像技術(shù)領(lǐng)域，一種將功能磁共振數(shù)據(jù)時(shí)間域和空間域信息相結(jié)合檢測腦活動(dòng)的方法。
背景技術(shù)：
基于血中氧合水平(Blood Oxygenation Level Dependent，BOLD)的功能磁共振(Functional Magnetic ResonanceImaging，F(xiàn)MRI)技術(shù)已被廣泛用于活體腦研究之中，比如研究活體腦在感知、認(rèn)知及情感活動(dòng)過程中的神經(jīng)活動(dòng)機(jī)理。傳統(tǒng)的功能磁共振成像研究中，通過比較活體腦在特定任務(wù)下BOLD信號與BOLD響應(yīng)模型的異同來獲取腦在該任務(wù)下相對于基線狀態(tài)的活動(dòng)信息。
1995年Biswal等人研究發(fā)現(xiàn)即使在休息狀態(tài)下，人腦內(nèi)BOLD信號的低頻振蕩(Low FrequencyFluctuation，LFFs，0.01-0.08Hz)在人腦的不同運(yùn)動(dòng)皮層之間有高度的一致性(Biswal et al.，1995)。Biswal等人認(rèn)為BOLD信號的低頻成分反映了腦的自組織性。休息狀態(tài)下的腦活動(dòng)研究有非常重要的意義雖然目前對于腦在各種特定任務(wù)下的反應(yīng)已經(jīng)有了較多的認(rèn)識，但對于休息狀態(tài)的人腦活動(dòng)還知之不多；而且在臨床研究的數(shù)據(jù)采集過程中，無需病人配合完成復(fù)雜的任務(wù)，只在休息狀態(tài)下進(jìn)行數(shù)分鐘數(shù)據(jù)采集，即可能發(fā)現(xiàn)病人特定腦區(qū)功能相對正常對照的變化情況。
由于沒有特定任務(wù)刺激，對休息狀態(tài)BOLD信號的分析缺乏必要的參考模型以獲取腦活動(dòng)信息。但任務(wù)狀態(tài)激活腦區(qū)的兩個(gè)特征對休息狀態(tài)腦活動(dòng)情況分析提供了很好的啟示其一，在空間域上，活動(dòng)腦區(qū)各體素表現(xiàn)出高的局部一致性(Regional Homogeneity，ReHo)。臧玉峰等人曾將這一特性應(yīng)用于運(yùn)動(dòng)任務(wù)下的腦激活檢測(Zang et al.，2004)。其二，在時(shí)間域上，活動(dòng)腦區(qū)各體素信號在有效頻帶內(nèi)表現(xiàn)強(qiáng)的波動(dòng)性。比如一個(gè)以60秒為周期的組塊設(shè)計(jì)任務(wù)下，激活體素時(shí)間序列在1/60Hz這個(gè)頻率成分上應(yīng)該有很強(qiáng)的波動(dòng)。換言之，我們可以提取各體素BOLD信號1/60Hz成分，挑選那些在這個(gè)頻率成份下有較大方差的體素作為可能的激活體素。基于這一特性，F(xiàn)ransson等人根據(jù)休息狀態(tài)BOLD信號低頻成分找出該狀態(tài)下諸如后扣帶回、腹側(cè)前額葉等腦區(qū)的顯著活動(dòng)(Fransson，2005)。
任何顯著活動(dòng)的體素需要同時(shí)具備以上兩個(gè)特性。以60秒為周期的組塊設(shè)計(jì)任務(wù)為例，該任務(wù)下僅表現(xiàn)高度局部一致性的腦區(qū)，該一致性可能會由于與任務(wù)無關(guān)的因素導(dǎo)致。同樣，不具備高度局部一致性而僅僅是BOLD信號在1/60Hz表現(xiàn)較強(qiáng)波動(dòng)性的體素，其強(qiáng)波動(dòng)性可能是由于隨機(jī)噪聲導(dǎo)致的。綜上，綜合考慮休息狀態(tài)BOLD信號空間域表現(xiàn)的局部一致性信息和時(shí)間域有效頻帶(0.01-0.08Hz)內(nèi)的波動(dòng)信息，可以有效檢測該狀態(tài)下的腦活動(dòng)情況。到目前為止，我們尚未檢索到綜合體素的局部一致性信息和BOLD信號有效頻帶內(nèi)波動(dòng)信息對腦活動(dòng)水平進(jìn)行分析的報(bào)告。
參考文獻(xiàn)Biswal BB，Yetkin FZ，Haughton VM，Hyde JS.Functional connectivity in themotor cortex of resting human brain using echo-planar MRI.Magn ResonMed 1995；34537-541.
Zang YF，Jiang TZ，Lv YL，He Y，Tian LX.Regional homogeneity approach tofMRI data analysis.Neuroimage 2004；22394-400.
Fransson P.Spontaneous low-frequency BOLD signal fluctuations-an fMRIinvestigation of the resting-state default mode of brain function hypothesis.Hum Brain Mapp 2005；2615-29.

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的核心部分在于，利用計(jì)算機(jī)設(shè)備，采用時(shí)間域信息(有效頻段內(nèi)信號波動(dòng)強(qiáng)度)與空間域信息(局部一致性)相結(jié)合的方法對功能磁共振數(shù)據(jù)各體素活動(dòng)程度進(jìn)行定量分析，以達(dá)到檢測腦活動(dòng)水平的目的。
所述的對基于休息狀態(tài)下腦功能磁共振數(shù)據(jù)，將各體素的局部一致性信息與信號低頻成分(0.01-0.08Hz)的波動(dòng)強(qiáng)度相結(jié)合，以檢測該狀態(tài)下的腦活動(dòng)水平。
將功能磁共振原始時(shí)間序列進(jìn)行預(yù)處理后，對于各體素，用肯德爾系數(shù)度量其表現(xiàn)的局部一致性，用標(biāo)準(zhǔn)方差度量其低頻信號(0.01-0.08Hz)的波動(dòng)性，將二者的乘積作為該體素在休息狀態(tài)下的活動(dòng)指數(shù)(Resting-State Activity Index，RSAI)，從而對該狀態(tài)下的腦活動(dòng)進(jìn)行定量評價(jià)。對全腦數(shù)據(jù)逐個(gè)體素計(jì)算其RSAI，即可獲得全腦活動(dòng)水平。該方法實(shí)現(xiàn)簡單，計(jì)算快速，硬件要求低，可廣泛應(yīng)用于休息狀態(tài)的功能磁共振基礎(chǔ)研究和臨床疾病研究中。


圖1是本發(fā)明的綜合時(shí)域與空域信息分析功能磁共振數(shù)據(jù)的方法流程圖。
圖2是正常青少年RSAI統(tǒng)計(jì)圖。
圖3是ADHD病人與正常對照RSAI統(tǒng)計(jì)差異圖。
具體實(shí)施例方式
其實(shí)現(xiàn)過程可分為如下4個(gè)步驟，如圖1所示步驟一、休息狀態(tài)功能磁共振數(shù)據(jù)采集。功能磁共振數(shù)據(jù)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(shù)無特殊要求，采樣時(shí)間最好在6-8分鐘，重復(fù)時(shí)間(Repetition Time，TR)一般選用2秒或2秒以下，空間分辨率一般為5毫米以下。數(shù)據(jù)采集過程中只需被試安靜閉目休息，盡量保持頭部不動(dòng)，并且盡量不要集中思想思考問題；步驟二、數(shù)據(jù)預(yù)處理。對采集到的數(shù)據(jù)一般需要進(jìn)行如下步驟的預(yù)處理，包括層面間的采集時(shí)間校正、不同時(shí)間點(diǎn)采集數(shù)據(jù)的頭動(dòng)校正、空間標(biāo)準(zhǔn)化到校準(zhǔn)模板、空間重采樣、空間平滑等。這些基本過程完成后，對時(shí)間序列進(jìn)行帶通濾波(0.01-0.08Hz)，以獲取信號低頻成分。將信號中0.01Hz以下的成分濾除主要是去除一些諸如漂移等極低頻率成分的影響；步驟三、逐個(gè)體素計(jì)算其肯德爾系數(shù)(以度量其空間域的局部一致性)和其BOLD信號低頻成分的標(biāo)準(zhǔn)差(以度量其時(shí)間域有效成分的波動(dòng)性)。其中，用來度量局部一致性的肯德爾系數(shù)計(jì)算公式如下KCC=Σi=1n(Ri)2-n(R-)2112K2(n3-n)---(1)]]>這里KCC代表肯德爾系數(shù)，n是該體素時(shí)間序列時(shí)間點(diǎn)的個(gè)數(shù)，K是該體素鄰域內(nèi)體素個(gè)數(shù)，一般選擇K=7，19，27，Ri是K個(gè)體素在時(shí)間點(diǎn)i的秩之和， 是Ri在n個(gè)時(shí)間點(diǎn)的平均；步驟四、休息狀態(tài)腦活動(dòng)指數(shù)(Resting State Activity Index，RSAI)計(jì)算，體素的肯德爾系數(shù)與其BOLD信號低頻成分的標(biāo)準(zhǔn)差相乘，乘積即是該體素在休息狀態(tài)的活動(dòng)指數(shù)RSAI，至此，得到該體素休息狀態(tài)下的活動(dòng)水平度量。
需要注意的一點(diǎn)，在對成組數(shù)據(jù)休息狀態(tài)的腦活動(dòng)指數(shù)RSAI進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析時(shí)，由于該指標(biāo)不服從正態(tài)分布或者與正態(tài)分步密切相關(guān)的其它分布比如T分布、x2分布等，建議使用較為魯棒并廣泛適用于分布未知數(shù)據(jù)的非參數(shù)統(tǒng)計(jì)方法。
下面給出兩個(gè)采用本發(fā)明處理休息狀態(tài)功能磁共振數(shù)據(jù)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。
圖2是依照本發(fā)明的方法分析10個(gè)正常青少年休息狀態(tài)功能磁共振數(shù)據(jù)得到的腦活動(dòng)統(tǒng)計(jì)圖像。采用的統(tǒng)計(jì)方法為Wilcoxon-Mann-Whitney秩和檢驗(yàn)。從圖中可以看出該組青少年在休息狀態(tài)下在雙側(cè)后扣帶回/楔葉、雙側(cè)梭狀回、雙側(cè)腹側(cè)前扣帶回/額葉內(nèi)側(cè)回、雙側(cè)顳上回、雙側(cè)丘腦以及左側(cè)頂下小葉有顯著腦活動(dòng)。
圖3是依照本發(fā)明的方法比較8個(gè)注意缺陷/多動(dòng)障礙(ADHD)青少年和10個(gè)正常青少年休息狀態(tài)腦活動(dòng)得到的統(tǒng)計(jì)差異圖像。采用的統(tǒng)計(jì)方法也是Wilcoxon-Mann-Whitney秩和檢驗(yàn)。從圖中可以看出ADHD青少年休息狀態(tài)下在雙側(cè)楔葉(基本視覺區(qū)、輔助視覺區(qū))、雙側(cè)丘腦、左側(cè)腦干的中腦部分、左側(cè)顳上回(輔助聽覺區(qū))以及左側(cè)中央后回(基本體覺區(qū))表現(xiàn)出比正常對照較強(qiáng)的腦活動(dòng)。
ADHD病人與正常對照RSAI統(tǒng)計(jì)差異圖。黑色區(qū)域代表ADHD病人較正常對照較強(qiáng)的休息態(tài)腦活動(dòng)。與ADHD病人相比，正常對照沒有休息態(tài)活動(dòng)顯著強(qiáng)于ADHD病人的腦區(qū)。統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)的閾值為p＜0.05，最小團(tuán)塊體積大于1188mm3。
在休息狀態(tài)下開展功能磁共振研究有如下主要優(yōu)點(diǎn)(1)數(shù)據(jù)采集過程簡單，被試只需休息即可，這對于某些疾病研究具有重要意義(病人無需配合完成復(fù)雜實(shí)驗(yàn)任務(wù))；(2)相對任務(wù)狀態(tài)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的多樣性，休息狀態(tài)自身的簡單性會增加不同實(shí)驗(yàn)結(jié)果的可比性；(3)與特定任務(wù)設(shè)計(jì)相比，休息狀態(tài)更接近于人腦的自然狀態(tài)。本發(fā)明綜合時(shí)域與空域信息，為分析休息狀態(tài)功能磁共振數(shù)據(jù)提供了一種新的有效工具。
權(quán)利要求
1.一種對腦功能磁共振數(shù)據(jù)進(jìn)行處理的方法，其特征是，利用計(jì)算機(jī)設(shè)備，采用時(shí)間域信息與空間域信息相結(jié)合的方法對功能磁共振數(shù)據(jù)各體素活動(dòng)程度進(jìn)行定量分析，以達(dá)到檢測腦活動(dòng)水平的目的。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的對腦功能磁共振數(shù)據(jù)進(jìn)行處理的方法，其特征在于，對基于休息狀態(tài)下腦功能磁共振數(shù)據(jù)，將各體素的局部一致性信息與信號低頻成分的波動(dòng)強(qiáng)度相結(jié)合，以檢測該狀態(tài)下的腦活動(dòng)水平。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的對腦功能磁共振數(shù)據(jù)進(jìn)行處理的方法，其步驟如下步驟一、休息狀態(tài)功能磁共振數(shù)據(jù)采集；步驟二、數(shù)據(jù)預(yù)處理，對采集到的數(shù)據(jù)一般需要進(jìn)行如下步驟的預(yù)處理，包括層面間的采集時(shí)間校正、不同時(shí)間點(diǎn)采集數(shù)據(jù)的頭動(dòng)校正、空間標(biāo)準(zhǔn)化到校準(zhǔn)模板、空間重采樣、空間平滑；步驟三、逐個(gè)體素計(jì)算其肯德爾系數(shù)和其BOLD信號低頻成分的標(biāo)準(zhǔn)差，其中，用來度量局部一致性的肯德爾系數(shù)計(jì)算公式如下KCC=Σi=1n(Ri)2-n(R-)2112K2(n3-n)---(1)]]>這里KCC代表肯德爾系數(shù)，n是該體素時(shí)間序列時(shí)間點(diǎn)的個(gè)數(shù)，K是該體素鄰域內(nèi)體素個(gè)數(shù)，一般選擇K＝7，19，27，Ri是K個(gè)體素在時(shí)間點(diǎn)i的秩之和， 是Ri在n個(gè)時(shí)間點(diǎn)的平均；步驟四、休息狀態(tài)腦活動(dòng)指數(shù)計(jì)算，體素的肯德爾系數(shù)與其BOLD信號低頻成分的標(biāo)準(zhǔn)差相乘，乘積即是該體素在休息狀態(tài)的活動(dòng)指數(shù)RSAI，至此，得到該體素休息狀態(tài)下的活動(dòng)水平度量。
4．根據(jù)權(quán)利要求3所述的對腦功能磁共振數(shù)據(jù)進(jìn)行處理的方法，其特征在于步驟一、休息狀態(tài)功能磁共振數(shù)據(jù)采集；采樣時(shí)間最好在6-8分鐘，重復(fù)時(shí)間一般選用2秒或2秒以下，空間分辨率一般為5毫米以下。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的對腦功能磁共振數(shù)據(jù)進(jìn)行處理的方法，其特征在于，步驟二、數(shù)據(jù)預(yù)處理，對時(shí)間序列進(jìn)行帶通濾波，以獲取信號低頻成分。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的對腦功能磁共振數(shù)據(jù)進(jìn)行處理的方法，其特征在于，對時(shí)間序列進(jìn)行帶通濾波，濾除0.01-0.08Hz頻率信號。
全文摘要
本發(fā)明涉及功能磁共振成像技術(shù)領(lǐng)域，一種同時(shí)考慮功能磁共振信號時(shí)間域特性和空間域特性以獲取腦活動(dòng)水平信息的方法。對于經(jīng)過預(yù)處理的數(shù)據(jù)，通過肯德爾系數(shù)度量單個(gè)體素的局部一致性，通過標(biāo)準(zhǔn)方差度量該體素時(shí)間序列在有效頻帶內(nèi)的波動(dòng)強(qiáng)度，用肯德爾系數(shù)與有效頻帶內(nèi)時(shí)間信號標(biāo)準(zhǔn)差的乘積作為腦活動(dòng)水平因子來定量描述該體素表現(xiàn)的活動(dòng)水平。本發(fā)明實(shí)現(xiàn)簡單，計(jì)算快速，硬件要求低，可廣泛應(yīng)用于休息狀態(tài)的功能磁共振基礎(chǔ)研究和臨床疾病研究中。
文檔編號A61B5/055GK1969746SQ200510086959
公開日2007年5月30日 申請日期2005年11月23日 優(yōu)先權(quán)日2005年11月23日
發(fā)明者蔣田仔, 田麗霞, 梁猛, 臧玉峰, 賀永 申請人:中國科學(xué)院自動(dòng)化研究所