一种基于功能磁共振成像的脑区效应连接分析系统的制作方法
【专利摘要】本发明公开了一种基于功能磁共振成像的脑区效应连接分析系统，包括实验范式设计模块、核磁成像处理模块、大脑图像分区模块、效应连接检测模块和分析结果显示模块。实验范式设计模块对实验对象参与的实验内容和实验流程进行设计；核磁成像处理模块通过参数配置单元对磁共振设备采集到的图像进行预处理并保存；大脑图像分区模块加载和储存大脑分区模板，对核磁成像进行区域划分；效应连接检测模块进行定向线性因果关系分析，计算效应连接值和连接指标；分析结果显示模块将效应连接分析结果和相关的脑功能指标反馈给医护人员和被试。本发明在功能磁共振成像质量评估、脑功能诊断与调节、认知功能研究、精神疾病治疗等领域具有重要的应用价值。
【专利说明】一种基于功能磁共振成像的脑区效应连接分析系统【技术领域】
[0001]本发明涉及一种医学影像分析系统，具体是一种基于功能磁共振成像的脑区效应连接分析系统，属于生物医学信息处理【技术领域】。
【背景技术】
[0002]人脑是自然界中最复杂的系统之一。一个成年人的大脑中，大约有IO11个神经元细胞，这些数量巨大的神经元细胞通过大约IO15个突触交错连接，形成了一个高度复杂的脑神经系统。虽然不同神经元、不同脑区对应不同的功能特异性，但即使是完成一项非常简单的任务，也需要大脑多个不同的区域相互作用、相互联系，构成一个网络来协调工作。
[0003]近年来，一些科学家充分认识到了构建人脑网络动态模型的重要性，开展了一系列针对大脑功能连接的研究，力图在广泛的时空尺度上将大脑连接成动态的功能网络，借助先进的技术手段进一步挖掘该网络的连接规律。脑电图(Electroencephalogram, EEG)是目前最敏感的脑功能监测方法，空间分辨率只能达到厘米级别，并且极易受各种因素干扰，多数情况下不能作为大脑功能网络研究的唯一依据。
[0004]脑影像学技术能够从微观和宏观水平上分析局部和整体大脑功能网络特性的变化。基于血液氧合依赖水平(Blood Oxygen Level Dependent, BOLD)的功能磁共振成像(Functional Magnetic Resonance Imaging, fMRI)技术利用磁共振造影来测量神经元活动所引发的氧合血红蛋白含量变化，不仅时间分辨率更高，其空间分辨率也可达到毫米水平。作为一种非损伤性脑成像技术，磁共振成像在脑功能研究中发挥了不可替代的作用。借助磁共振成像技术可以将对大脑的研究扩展至记忆力、注意力等，识别研究对象感觉到的声音、图像或者阅读的词语、执行的动作，甚至能够实现对个人内心世界的揭示。
[0005]脑功能网络从整体的角度克服了以往孤立研究单个脑区的缺陷，但是目前的脑网络研究大多集中在对无向网络功能连接的研究上。无向连接分析起来比较简单，但是忽略了大脑神经系统中非常重要 的方向和权重信息。因此，构建有向的功能网络来刻画不同脑区神经活动之间的因果关系，更深入细致的理解大脑的结构组织模式和功能活动规律成为大脑网络研究的当务之急。
[0006]在大脑网络研究中，具有方向性的功能连接称为效应连接。效应连接体现了空间上分离的神经单元(脑区)的神经活动在时间上的关联性或统计依赖关系，通过量化神经单元之间的直接或间接影响，反映神经活动的动态过程以及实验因素对神经活动的调节作用，更接近于真实的脑功能机制。大脑功能连接模式的研究目前只是停留在体验式实验的设计与分析阶段，对脑功能网络连接机制、尤其是对脑区效应连接机制的模型化和机理性研究相对较少。同时，在当前的认知研究和临床应用中，也非常缺乏与先进的功能磁共振成像技术相配套、满足实际应用需要的综合性脑区效应连接分析系统。
【发明内容】
[0007]针对现有技术存在的不足之处和实际应用的需要，本发明要解决的问题是:提供一种基于功能磁共振成像脑区效应连接分析系统，实现对大脑功能区域之间的效应连接进行判定和记录。
[0008]为了达到上述目的，本发明采取以下技术方案:
一种基于功能磁共振成像的脑区效应连接分析系统，包括实验范式设计模块、核磁成像处理模块、大脑图像分区模块、效应连接检测模块和分析结果显示模块:
所述实验范式设计模块用于对实验对象(被试者)参与的实验内容和流程进行设计；所述核磁成像处理模块包括图像读取单元、格式转换单元、图像预处理单元和参数配置单元，通过参数配置界面对磁共振设备采集到的大脑三维结构像和时间层功能像进行读取和格式转换，执行预处理操作；
所述大脑图像分区模块用于加载和储存各种标准化的大脑分区模板，将操作人员选定的模板与磁成像处理模块预处理后的核磁图像进行匹配，划分图像为若干大脑区域；
所述效应连接检测模块包括时间序列提取单元、因果连接分析单元和连接指标计算单元，用于提取大脑功能磁共振图像中不同标准分区对应的时间序列，对一组实验对象的时间序列进行单样本T检验(One sample T_test)，将得到的组分析结果进行定向线性因果关系分析，计算不同脑区时间序列之间的效应连接值和效应连接指标；
所述分析结果显示模块将效应连接分析结果和相关的脑功能指标反馈给医护人员、被试和操作人员。
[0009]进一步，所述核磁成像处理模块将读取到的磁共振图像由DICOM格式转换为NIFTI格式。
[0010]进一步，所述核磁成像处理模块执行的图像预处理操作包括功能像头动校正、结构像配准、结构像灰质分割、结构像和功能像标准化、功能像平滑等预处理操作。
[0011]进一步，所述效应连接检测模块采用多变量自回归(MultivariateAutoregressive, MVAR)模型测量两组时间序列之间的定向线性因果关系。根据脑区时间序列建立的P阶MVAR模型表达式可表示为:
【权利要求】
1.一种基于功能磁共振成像的脑区效应连接分析系统，其特征在于:包括依次连接的实验范式设计模块、核磁成像处理模块、大脑图像分区模块、效应连接检测模块和分析结果显示模块，所述核磁成像处理模块包括依次连接的图像读取单元、格式转换单元、图像预处理单元和分别与图像读取单元、格式转换单元、图像预处理单元相连的参数配置单元，所述效应连接检测模块包括依次连接的时间序列提取单元、因果连接分析单元和连接指标计算单元。
2.根据权利要求1所述的一种基于功能磁共振成像的脑区效应连接分析系统，其特征在于:所述实验范式设计模块对实验对象参与的实验内容和流程进行设计。
3.根据权利要求1所述的一种基于功能磁共振成像的脑区效应连接分析系统，其特征在于:所述核磁成像处理模块通过参数配置单元对磁共振设备采集到的大脑三维结构像和时间层功能像进行读取和格式转换，再执行包括功能像头动校正、结构像配准、结构像灰质分割、结构像和功能像标准化、功能像平滑的预处理操作。
4.根据权利要求1所述的一种基于功能磁共振成像的脑区效应连接分析系统，其特征在于:所述大脑图像分区模块加载和储存各种标准化的大脑分区模板，将操作人员选定的模板与磁成像处理模块预处理后的核磁图像进行匹配，并将图像划分为若干大脑区域。
5.根据权利要求1所述的一种基于功能磁共振成像的脑区效应连接分析系统，其特征在于:所述效应连接检测模块提取大脑时间层功能像中不同标准分区对应的时间序列，对一组实验对象的时间序列进行单样本T检验，将得到的组分析结果进行定向线性因果关系分析，计算不同脑区时间序列之间的效应连接值和效应连接指标。
6.根据权利要求1所述的一种基于功能磁共振成像的脑区效应连接分析系统，其特征在于:所述分析结果显示模块将效应连接分析结果和相关的脑功能指标反馈给医护人员、被试和操作人员。
7.根据权利要求1或3所述的一种基于功能磁共振成像的脑区效应连接分析系统，其特征在于:所述核磁成像处理模块将读取到的磁共振图像由DICOM格式转换为NIFTI格式。
8.根据权利要求1或5所述的一种基于功能磁共振成像的脑区效应连接分析系统，其特征在于:所述效应连接检测模块采用多变量自回归模型测量两组时间序列之间的定向线性因果关系；根据脑区时间序列建立的P阶MVAR模型表达式可表示为:
9.根据权利要求8所述的一种基于功能磁共振成像的脑区效应连接分析系统，其特征在于:如果^[/7]的过去值能够预测_7[/7]的当前值，/的值就会明显大于O，即7； ? M1 ；反之，值近似等于O，即T2 ^ M2,F7^x的情况类似'Fx—y_Fy—x差值的符号代表因效连接方向，差值大小表示因效连接的权值；由于A ≤ M1, T2 ≤ #2，/和/总是非负，需要将它们的值进行归一化；然后采用错误发现率校正方法确定其显著性水平的阈值，并将结果映射到每个脑区，形成大脑因效连接网络。
10.根据权利要求1或6所述的一种基于功能磁共振成像的脑区效应连接分析系统，其特征在于:所述分析结果显示模块显示的脑区效应连接指标，包括脑区因果连接图、加权因果连接图、出\入度、加权出\入度、聚类系数、因果密度。
【文档编号】A61B5/055GK103800011SQ201410054387
【公开日】2014年5月21日 申请日期:2014年2月18日 优先权日:2014年2月18日
【发明者】焦竹青, 邹凌, 何可人, 项艰波, 马正华, 钱农 申请人:常州大学