本发明属于神经影像数据分析
技术领域：
：，尤其涉及一种基于连接强度分析的脑核团动态可变性测量方法。
背景技术：
：：功能性磁共振成像是利用磁振造影来测量神经元活动所引发的血液动力的改变。功能磁共振成像技术(fmri)是通过检验血流进入脑细胞的磁场变化而实现脑功能成像。功能磁共振具有无创伤、时间和空间分辨率高的特点，逐渐应用于神经科学的多个领域，阐明神经活动和皮层间的功能联系，揭示神经功能异常的改变，为认知神经科学或脑信息学的实验研究提供了有利条件，同时又在病理学研究方面具有重要的临床意义，有较高的应用价值，已日益成为观察大脑活动，进而揭示脑和思维关系的一种重要方法。脑核团是指大脑的结构区域，每个脑核团具有特定的功能。fmri能够呈现出脑核团随时间的功能活动变化规律。通过对静息态下的脑核团分析，有可能揭示人类大脑神经机制的复杂机理。在过去，脑核团的研究主要是基于该核团或其附近区域内大脑活动值的改变，局限于局部变化的测量。事实上，人脑是个复杂的系统，大脑中各个区域之间是存在信息交互的，这种信息交互构成了个体本身的脑功能系统，并与个体的认知、情感、感知、疼痛、运动等各类行为表现和健康状况有着紧密的联系。因此，将脑核团的研究扩展到整个大脑系统，从给定核团与其他核团之间信息交互的角度进行脑核团的研究(即基于脑功能连接的研究)具有重要的意义。之前的许多研究将fmri数据看成是扫描期间内脑系统的状况不发生改变，也就是说，此类研究是基于人脑功能活动静态假设的。然而，大脑非常复杂，其功能活动无时无刻不在变化。这种大脑的动态变化特性已经被认为是与脑疾病相关的重要指标，可能作为临床上诊断的辅助参数。当前，仅有的脑核团动态可变性研究要么局限于局部测量，要么存在特定状况下会发生错误的缺点。因此，如何对脑核团进行更精准地测量成为目前人脑动态特性研究中亟待解决的关键技术问题。技术实现要素：本发明的目的在于克服上述现有技术中存在脑核团动态可变性分析不精确的问题，从而提出一种基于连接强度分析的脑核团动态可变性测量方法，使脑核团动态可变性的度量结果更加准确。为了便于理解，对本发明中出现的部分名词作以下解释说明：静息态：指人类在清醒、不受任何刺激、不集中做任何事情的放松状态。fmri：英文全称为functionalmagneticresonanceimaging，功能磁共振成像，是一种新兴的神经影像学技术，其原理是利用磁振造影来测量神经元活动所引发之血液动力的改变。体素：大脑的每个脑区中含有多个体素，每个体素是指一小块立方体区域，本发明中的每个体素的大小为3×3×3mm3。aal模板：英文全称为anatomicalautomaticlabeling，该模板将人脑分为116个区域，但只有90个区域属于大脑，剩余26个区域属于小脑结构，在此发明中只用到90个大脑区域。脑核团的动态可变性：为一个人90个大脑区域的动态可变性，一个脑核团对应一个脑区，即对应一个节点。为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：一种基于连接强度分析的脑核团动态可变性测量方法，包括以下步骤：步骤1：采集m个人静息态下的fmri数据；步骤2：对每个采集到的fmri数据进行预处理；步骤3：借助滑动时间窗技术将每个人的fmri数据，划分成t个时间段，每个时间段对应一个时间节点，即t个时间节点，并构建每个人每个时间节点的脑功能连接矩阵其中，m表示第m个人，t表示第t个时间节点；步骤4：针对每个人的所有时间节点下的脑功能连接矩阵采用相关分析法求每个人的所有脑核团的动态可变性其中，i表示第i个脑核团，即第i个节点；步骤5：针对每个人的所有时间节点下的脑功能连接矩阵采用节点强度斜率分析法求每个人的所有脑核团的动态可变性步骤6：结合相关分析法和节点强度斜率分析法，测量脑核团动态可变性的高低。优选地，所述的对每个fmri数据进行预处理，具体包括以下步骤：对采集到的fmri数据从dicom格式转换nii格式后去除时间点；对去除时间点后的fmri数据进行切片时间校正；对切片时间校正后的fmri数据进行头动对齐处理；对头动对齐处理后的fmri数据进行空间标准化；对空间标准化后的fmri数据进行去线性漂移；对去线性漂移后的fmri数据进行带通滤波。优选地，所述的对采集到的fmri数据从dicom格式转换nii格式后去除时间点，包括：去除时间点的个数为10；所述的对去线性漂移后的fmri数据进行带通滤波，包括：带通滤波的频率区间为0.01～0.08hz。优选地，所述的步骤3，具体包括以下步骤：步骤3.1：采用滑动时间窗技术对每个人的fmri数据进行动态时间段划分；设定时间窗的个数为t，窗宽为w，步长为l；每个时间窗对应的时间节点为t，则将每个人经过预处理的数据分割为重叠的t个时间段，则每段的长度为w，相邻时间窗相差l；步骤3.2：选定一个脑模板，将整个大脑划分成n个脑核团，每个脑核团对应一个节点，即n个节点；步骤3.3：针对每个时间段，计算每个脑核团的时间序列；其中，τi是指第i个脑核团的平均时间序列，vq是指第i个节点中第q个体素的时间序列，ni是第i个节点包含的体素数目；i＝1,2，…，n；q＝1,2，…，ni；步骤3.4：计算任意两个脑核团之间的皮尔森相关系数，得出每个时间段的两两节点之间的功能连接强度其中，是指节点i和节点j之间的功能连接强度；τi是指节点i的fmri时间序列，i＝1,2，…，n；τj是指节点j的fmri时间序列，j＝1,2，…，n；步骤3.5：两两节点的功能连接强度构成脑功能连接矩阵；其中，表示第m个人第t个时间段的脑功能连接矩阵，表示第m个人第t个时间段下第i个节点的功能连接强度构成的向量。优选地，所述的步骤3.2中，选定的脑模板为aal模板。优选地，所述的步骤4中的脑核团的动态可变性由下式得到：其中，表示第m个人第i个节点的从1到t两两时间段下连接强度向量之间的皮尔森相关系数之和，t表示总共有t个时间节点。优选地，所述的步骤5，具体包括以下步骤：步骤5.1：对每个人的脑功能连接矩阵进行列平均，得到每个人每个脑核团的节点强度；其中，表示对第m个人第t个时间段的脑功能连接矩阵进行列平均得到的节点强度矩阵，表示第m个人第t个时间段下第i个脑核团的节点强度；步骤5.2：对每个人，作出每个节点强度的值随着时间窗变化的曲线其中，表示第i个脑核团的节点强度随时间窗的动态变化曲线向量；步骤5.3：对每个人，基于每个节点强度的动态变化曲线，计算每个时间窗的斜率其中，m表示第m个人，i表示第i个节点，t表示第t个时间窗，t表示共有t个时间窗；步骤5.4：基于每个时间窗斜率，求每个人的节点强度斜率矩阵其中，表示第m个人第i个脑核团的动态可变性；n表示共有n个脑区节点。优选地，所述的步骤6，具体包括以下步骤：步骤6.1：对由相关分析法求得的每个人的所有脑核团的动态可变性按升序排列，取位于前c位的脑核团组成集合取位于后c位的脑核团组成集合步骤6.2：50％以上的中均存在的脑核团是相关分析法求得的动态可变性较高的脑核团，组成集合ss1；50％以上的中均存在的脑核团是相关分析法求得的动态可变性较低的脑核团，组成集合ss2；步骤6.3：由每个人节点强度斜率分析法得到的节点强度斜率矩阵km，对其所有脑核团的动态可变性按降序排列，取位于前c位的脑核团组成集合取位于后c位的脑核团组成集合步骤6.4：50％以上的中均存在的脑核团判定为节点强度斜率分析法求得的动态可变性较高的脑核团，构成集合sr1；50％以上的中均存在的脑核团判定为节点强度斜率分析法求得的动态可变性较低的脑核团，构成集合sr2；步骤6.5：对集合ss1和sr1取交集，交集中的元素被判定为动态可变性较高的脑核团；对集合ss2和sr2取交集，交集中的元素被判定为动态可变性较低的脑核团。与现有技术相比，本发明具有的有益效果：1.本发明提出了基于连接强度分析的脑核团动态可变性测量方法。脑核团的连接强度分析将大脑看成不同区域相互关联的整体，克服了以往研究主要局限于核团及核团附近区域内大脑活动值变化这一缺点，不再将大脑核团看成孤立的节点，而是看作大脑整体信息交互系统中的重要组成部分。2.本发明提出的基于连接强度分析的脑核团动态可变性测量方法，克服了之前被研究者广泛认可的同步性测量相关分析法的缺点。同步性测量相关分析法认为，同步性测量值越大则动态变化就越小，而同步性测量值越小则动态变化就越大。这种方法在下面这种情况下是错误的：如果某一核团与其他核团之间的连接变化同步，都发生了相同倍数的极大改变，采用同步性相关分析法会认为动态变化非常小，但事实上情况是该核团发生了显著的动态变化。3.本发明提出的基于连接强度分析的脑核团动态可变性测量方法，综合了相关分析法和节点强度斜率分析法的优点。相关分析法是从脑核团的所有相关连接特异性角度进行测量，而节点强度斜率分析法是从脑核团信息交互强度的整体变化来进行测量。两种方法的结合不仅可以度量给定脑核团与不同子系统信息交互力度的改变，还可以度量该核团与其他所有核团信息交互强度的变化。该方法对脑核团动态特性的度量更为精准、全面。附图说明图1为本发明基于连接强度分析的脑核团动态可变性测量方法的基本流程示意图。图2为本发明基于连接强度分析的脑核团动态可变性测量方法中随机选取一例被试者4个脑核团的节点强度随时间变化的示意图。具体实施方式为了便于理解，对本发明中出现的部分名词作以下解释说明：肠易激综合症患者：英文全称为irritablebowelsyndrome，以下简称为ibs。健康被试组：英文全称为healthysubjectgroup，以下简称为hsg。下面结合附图和具体的实施例对本发明做进一步的解释说明。以下所有实施例中所采集的fmri数据采用德国西门子公司的3t磁共振扫描仪，利用梯度回波平面成像序列对被试者进行采集，其设置的参数如下：tr＝2s；te＝30ms；翻转角度＝90°；层内分辨率＝3.75×3.75mm2；层厚度＝5mm；矩阵大小＝64；轴状位上扫描层数＝30；总共扫描时间为6分钟，每个被试者包含了180个三维功能像；在扫描过程中，使用乌龙头线圈和泡沫垫子固定被试者头部避免头动；在扫描完成后，被试者会被询问其在扫描期间是否保持放松并清醒的状态，以避免不合格的扫描序列纳入。参考图1所示，实施例1：本发明提供的一种基于连接强度分析的脑核团动态可变性测量方法，包括以下步骤：步骤1：采集m个人静息态下的fmri数据；步骤2：对每个采集到的fmri数据进行预处理；步骤3：借助滑动时间窗技术将每个人的fmri数据，划分成t个时间段，每个时间段对应一个时间节点，即t个时间节点，并构建每个人每个时间节点的脑功能连接矩阵其中，m表示第m个人，t表示第t个时间节点；步骤4：针对每个人的所有时间节点下的脑功能连接矩阵采用相关分析法求每个人的所有脑核团的动态可变性其中，i表示第i个脑核团，即第i个节点；步骤5：针对每个人的所有时间节点下的脑功能连接矩阵采用节点强度斜率分析法求每个人的所有脑核团的动态可变性步骤6：结合相关分析法和节点强度斜率分析法，测量脑核团动态可变性的高低。实施例2：本发明提供的另一种基于连接强度分析的脑核团动态可变性测量方法，包括以下步骤：步骤1：采集m个人静息态下的fmri数据。步骤2：对每个采集到的fmri数据进行预处理；所述的对每个fmri数据进行预处理，具体包括以下步骤：对采集到的fmri数据从dicom格式转换nii格式后去除时间点；对去除时间点后的fmri数据进行切片时间校正；对切片时间校正后的fmri数据进行头动对齐处理；对头动对齐处理后的fmri数据进行空间标准化；对空间标准化后的fmri数据进行去线性漂移；对去线性漂移后的fmri数据进行带通滤波。优选地，所述的对采集到的fmri数据从dicom格式转换nii格式后去除时间点，包括：去除时间点的个数为10；所述的对去线性漂移后的fmri数据进行带通滤波，包括：带通滤波的频率区间为0.01～0.08hz。步骤3：借助滑动时间窗技术将每个人的fmri数据，划分成t个时间段，每个时间段对应一个时间节点，即t个时间节点，并构建每个时间节点的脑功能连接矩阵其中，m表示第m个人，t表示第t个时间窗；所述的步骤3，具体包括以下步骤：步骤3.1：采用滑动时间窗技术对每个人的fmri数据进行动态时间段划分；设定时间窗的个数为t，窗宽为w，步长为l；每个时间窗对应的时间节点为t，则将每个人经过预处理的数据分割为重叠的t个时间段，则每段的长度为w，相邻时间窗相差l；步骤3.2：选定一个脑模板，将整个大脑划分成n个脑核团，每个脑核团对应一个节点，即n个节点；步骤3.3：针对每个时间段，计算每个脑核团的时间序列；其中，τi是指第i个脑核团的平均时间序列，vq是指第i个节点中第q个体素的时间序列，ni是第i个节点包含的体素数目；i＝1,2，…，n；q＝1,2，…，ni；步骤3.4：计算任意两个脑核团之间的皮尔森相关系数，得出每个时间段的两两节点之间的功能连接强度其中，是指第m个人第t个时间节点下节点i和节点j之间的功能连接强度；τi是指节点i的fmri时间序列，i＝1,2，…，n；τj是指节点j的fmri时间序列，j＝1,2，…，n；步骤3.5：两两节点的功能连接强度构成脑功能连接矩阵；其中，表示第m个人第t个时间段的脑功能连接矩阵，表示第m个人第t个时间段下第i个节点的功能连接强度构成的向量。具体的，所述的步骤3.2中，选定的脑模板为aal模板。步骤4：针对每个人的所有时间节点下的脑功能连接矩阵采用相关分析法求每个人的所有脑核团的动态可变性其中，i表示第i个脑核团，即第i个节点；具体地，所述的步骤4中的脑核团的动态可变性由下式得到：其中，表示第m个人第i个节点的从1到t两两时间段下连接强度向量之间的皮尔森相关系数之和，t表示总共有t个时间节点。步骤5：针对每个人的所有时间节点下的脑功能连接矩阵采用节点强度斜率分析法求每个人的所有脑核团的动态可变性具体地，所述的步骤5，具体包括以下步骤：步骤5.1：对每个人的脑功能连接矩阵进行列平均，得到每个人每个脑核团的节点强度；其中，表示对第m个人第t个时间段的脑功能连接矩阵进行列平均得到的节点强度矩阵，表示第m个人第t个时间段下第i个脑核团的节点强度；步骤5.2：对每个人，作出每个节点强度的值随着时间窗变化的曲线其中，表示第m个人第i个脑核团的节点强度随时间窗的动态变化曲线向量；具体的，如图2所示，在被试对象中随机选取一例被试者对其作出的4个脑核团的节点强度随时间窗变化的示意图；步骤5.3：对每个人，基于每个节点强度的动态变化曲线，计算每个时间窗的斜率其中，m表示第m个人，i表示第i个节点，t表示第t个时间窗，t表示共有t个时间窗；步骤5.4：基于每个时间窗斜率，求每个人的节点强度斜率矩阵其中，表示第m个人第i个脑核团的动态可变性；n表示共有n个脑区节点。步骤6：结合相关分析法和节点强度斜率分析法，测量脑核团动态可变性的高低；所述的步骤6，具体包括以下步骤：步骤6.1：对由相关分析法求得的每个人的所有脑核团的动态可变性按升序排列，取位于前c位的脑核团组成集合取位于后c位的脑核团组成集合步骤6.2：50％以上的中均存在的脑核团是相关分析法求得的动态可变性较高的脑核团，组成集合ss1；50％以上的中均存在的脑核团是相关分析法求得的动态可变性较低的脑核团，组成集合ss2；步骤6.3：由每个人节点强度斜率分析法得到的节点强度斜率矩阵km，对其所有脑核团的动态可变性按降序排列，取位于前c位的脑核团组成集合中，取位于后c位的脑核团组成集合步骤6.4：50％以上的中均存在的脑核团判定为节点强度斜率分析法求得的动态可变性较高的脑核团，构成集合sr1；50％以上的中均存在的脑核团判定为节点强度斜率分析法求得的动态可变性较低的脑核团，构成集合sr2；应当说明的是，步骤6.2和步骤6.4中所指的50％以上均不包括50％；50％以上的中均存在的脑核团是指在集合中超过一半的集合中均存在的脑核团；50％以上的中均存在的脑核团是指在集合中超过一半的集合中均存在的脑核团；50％以上的中均存在的脑核团是指在集合中超过一半的集合中均存在的脑核团；50％以上的中均存在的脑核团是指在集合中超过一半的集合中均存在的脑核团。步骤6.5：对集合ss1和sr1取交集，交集中的元素被判定为动态可变性较高的脑核团；对集合ss2和sr2取交集，交集中的元素被判定为动态可变性较低的脑核团。作为一种可实施的方式，本实施例中选取的被试对象为健康被试组，健康被试组的人数m为61，c为20，每个人的脑核团个数、脑区个数或节点个数n均为90；滑动时间窗的个数t为61，即时间节点t为61个，窗宽w为50，步长l为2；通过本方法进行分析计算得到的动态可变性较高的脑核团度量结果如下，表1～表2分别为由步骤4和步骤5得到的动态可变性较高的脑核团；表3为由步骤6即连接强度分析法，得到的动态可变性较高的脑核团；表1：由步骤4的相关分析法求得的动态可变性较高的脑核团表2：由步骤5的斜率分析法求得的动态可变性较高的脑核团表3：结合相关分析法和斜率法得到的动态可变性较高的脑核团同理，通过本方法进行分析计算得到的动态可变性较低的脑核团度量结果如下，表4～表5分别为由步骤4和步骤5得到的动态可变性较低的脑核团；表6为由步骤6即连接强度分析法，得到的动态可变性较低的脑核团；表4：由步骤4的相关分析法得到的动态可变性较低的脑核团表5：由步骤5的斜率法得到的动态可变性较低的脑核团表6：结合相关分析法和斜率法得到的动态可变性较低的脑核团从表3中的结果可以看出，对健康被试人群，可变性较高的脑核团对应的节点，位于中央沟盖、嗅皮质、杏仁核、中央后回、颞横回、颞上回，反映了这些节点在人脑静息状态下信息表达变化较快、功能较多、较为复杂。从表6中可以看出，健康被试组可变性较低的脑核团位于额中回、楔叶、枕中回、顶上回、顶下回角回、楔前叶、颞下回等处，反映了这些节点在人体静息状态下变化较慢，功能相对稳定，可能稳定于大脑的某一子系统。实施例3：本实施例中选取的被试对象为ibs患者组，ibs患者组的人数m设为46；操作步骤同实施例2的步骤基本相同；通过本方法进行分析计算得到的ibs患者组动态可变性较高的脑核团度量结果如下，表7～表8分别为由步骤4和步骤5得到的动态可变性较高的脑核团；表9为由步骤6即连接强度分析法，得到的动态可变性较高的脑核团；表7：由步骤4的相关分析法得到的动态可变性较高的脑核团表8：由步骤5的斜率法得到的动态可变性较高的脑核团表9：结合相关分析法和斜率法得到的动态可变性较高的脑核团同理，通过本方法进行分析计算得到的ibs患者组动态可变性较低的脑核团度量结果如下，表10～表11分别为由步骤4和步骤5得到的动态可变性较低的脑核团；表12为由步骤6得到的动态可变性较低的脑核团；表10：由步骤4的相关分析法得到的动态可变性较低的脑核团表11：由步骤5的斜率法得到的动态可变性较低的脑核团表12：结合相关分析法和斜率法得到的动态可变性较低的脑核团从表9中的结果可以看出，ibs患者组可变性较高的脑核团对应的脑区，位于中央前回、中央沟盖、脑岛、中央后回、颞横回、颞上回等区域，与实施例2中的表3结果不一致。从表12中的结果可以看出，ibs患者组可变性较低的脑核团位于顶上回、楔前叶，与实施例2中的表6的结果也不一致。综合表1～表6以及表7～表12的结果，可以发现ibs患者的脑核团动态可变性发生了改变，这种动态的神经机制的变化可能与ibs患者的临床症状有关联。本发明通过相关分析法结合节点强度斜率分析法度量脑核团动态可变性，得到的结果表明通过本方法判断脑核团动态可变性的结果客观精准，说明本方法有效可行，对其进行的研究将对脑疾病相关的临床医学具有重要的指导意义。以上所示仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本
技术领域：
：的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。当前第1页12当前第1页12