FMRI检查的监测的制作方法

本发明涉及功能性磁共振成像领域，并且更具体地，本发明涉及一种用于在功能性成像流程期间监测由对象对预定任务的执行的设备和方法，例如关于预期任务的对象的依从性。

背景技术：

1、磁共振成像(mri)是用于对人体或动物体内的内部身体结构进行非侵入性成像的非凡工具。在mri中使用强磁场来对准身体中原子的核自旋，在此之后可以以位置相关的方式研究由于这些自旋的弛豫而发射的返回信号，例如使用适合的磁场梯度和有目的地设计的射频激励脉冲。本领域中存在许多技术来准备和/或处理观察到的信号，诸如以创建对身体中的各种材料性质敏感的图像。

2、这些技术的一种类型涉及创建指示血氧的可检测图像对比度。这允许检测脑部中的活动区的血液动力学响应，并且因此确定脑部中的哪些区是活动的。这些mri技术，例如依赖于血氧水平依赖(bold)效应、脑血流或类似方法，通常被称为功能性磁共振成像(fmri)。

3、然而，fmri中的挑战之一涉及由该bold效应(或其备选方案)生成的差的图像对比度。即，与例如bold效应无关的信号分量通常比感兴趣的实际信号分量明显得多(强几个数量级)。这通常通过应用mri数据的扩展时间序列的适合统计分析(或备选数据建模和/或挖掘方法)来克服。在收集该时间序列时，脑部的功能被(通常重复地)触发，以辨别脑部图像中相对于在没有该功能触发的情况下收集的其他图像的变化。因此，传统方法需要分析，即检测活动条件与控制条件之间的统计显著偏差。

4、功能性磁共振成像(fmri)是研究人脑功能的一种通用方法，例如用于研究目的，以及用于诊断涉及脑部的神经、精神或其他疾病和障碍。脑部的特定感觉、认知、情绪、行为、动机、记忆和运动功能可以使用fmri进行可视化和详细研究。因此，可以详细研究脑部皮层和边缘系统中的特定区域对脑部的特定动作的参与(但不一定限于直接和/或主动任务)。

5、为了使用fmri可视化这些脑部功能，需要在脑部的特定功能活跃时(例如通过让被成像对象执行特定任务)采集的图像与在没有该特定功能的情况下采集的参考图像之间引入对比度差异。将清楚的是，参考可以涉及感兴趣脑部活动不太活跃的状况，而不是字面上不存在的状况，或者在更具体的控制条件下采集参考图像的状况，例如正在执行类似的任务，该任务以可能非常具体的方式不同于感兴趣的任务。可以考虑许多更复杂或稍微不同的方法，例如(仅列出几个已知的变化)，其中，两个以上条件相互对比，而不是直接与控制条件相关的单个感兴趣任务，或者其中，考虑了任务参数，例如与所执行的任务的每次迭代相关联的可变强度或幅度。所研究的任务或特定功能也可以从非常广泛的可能性中选择，例如，包括仅涉及对感官刺激的仅有观察、(一个或多个)肌肉的受控移动或者甚至仅涉及移动意图的“任务”、特定的心理计算或思维过程、情绪线索(显性或潜意识)和/或许多其他可能性。

6、功能性mri可以应用于许多且不同的目的，包括神经科学研究和临床应用，诸如神经外科规划。fmri的第一实际应用之一是初级运动皮层的映射，这在手术中是避免的，以避免瘫痪或运动功能恶化，通过由在活动条件块(休息作为控制条件)中的手指敲击移动组成的任务。

7、然而，大多数fmri研究，并且特别是对于临床应用，使用简单的试验设计，例如任务和控制条件的周期(块)交替的分块试验设计。每个块可以由多个试验组成，或者至少由(一个或多个)目标脑部区的假定(任务诱发)活动的延长时间组成，使得可以在块中的多个图像采集上建立并维持大的信号对比度(相对于控制条件)。因此，可以改进感兴趣对比度的信噪比，并且可以减少试验条件的开始(和/或结束)附近的瞬态效应的效应，例如，减少了对激活流耦合(afc)响应的精确估计的依赖性。同样，任务和控制块的多次连续迭代可以包括在试验范例中，以进一步改进鲁棒性和灵敏度。

8、无论具体的任务范例和fmri成像协议如何，通常要求被成像对象在努力执行规定任务时的合作。即使特定的任务将仅依赖于脑部的潜意识或自主反应，成像的对象也将可能仍然需要合作，以避免可能阻止检测到感兴趣的细微图像对比度的运动伪影。不遵守规定任务可能以各种方式表现，例如，测试对象对任务相关线索的随机响应或甚至没有响应。这可能容易由对象分心或者甚至睡着造成。

9、将清楚地理解，在精神病患者和/或患有严重神经障碍或创伤(例如癫痫、中风、脑膜瘤、神经胶质瘤等)的患者的fmri检查中，归因于不依从规定任务的问题可能更有问题、更明显和/或更频繁地发生。可能与这样的疾病或状况相关的其他因素可能包括归因于年龄或残疾的执行任务的下降的能力。

10、即使考虑到同意的患者通常可能非常有动力遵守测试流程，患有精神或神经系统不良状况的患者可能具有理解广泛可能的任务指令的减少的能力、在执行任务时减少的注意力持续时间、和/或在接收感觉提示时身体困难、在集中注意力和/或准确和/或及时地响应提示以及其他可能的混淆问题方面。此外，在高度有动力遵守测试流程的对象中，该遵守可能影响按需执行的能力，这可能导致假阴性fmri结果，使得对解释的重要性或置信度可能是困难的。

11、本领域已知一些方法来减轻与减少的患者(或测试对象)依从性相关联的问题。例如，如本领域已知的fmri映射方法可以依赖于对象休息时的自发脑部活动，这常被称为休息状态功能连接fmri。因此，不同脑部区域中的波动活动之间的相关性模式可以用于评估休息状态下的功能连接和活动，即不要求对象的参与，例如，即使在对象镇静或睡着时。尽管如此，限制是相当清楚的。识别与特定功能相关联的特定脑部区域是困难的，这对许多临床(或研究)目的可能很重要。

12、us2015/272669描述了一种使用与功能任务相关的模型将在执行功能任务时从对象采集的fmri数据分解为任务相关信号和非任务信号的方法。这允许通过根据任务信号生成任务活动图和根据非任务信号生成非任务活动图，将传统事件任务-相关fmri的益处(例如，在对感兴趣的功能的特异性方面)与休息状态功能连接fmri(rs-fcfmri)的益处组合。然后可以通过适合的加权来组合这两个映射。这具有以下优点：如果依从性不足以采集有用的任务相关结果，则人们仍然可以依赖于自发激活映射。尽管如此，这并不解决在依从性不佳的情况下丢失任务相关信息的问题，即使仍然可以从数据集中收集到至少一些信息。

13、us2019/159715a1公开了一种系统，其中，确定响应于特定刺激的脑部活动。后续任务可以适于考虑实际测量的脑部活动。换句话说，原始的脑部活动测量基本上是确定最佳任务设置的校准。

14、wo2010/053976a2公开了向患者施用神经制剂以改进神经反馈训练的功效。在制剂的影响下执行任务时采取对患者的fmri，并且患者被示出为脑部活动的结果作为神经反馈。

15、us2014/206982公开了基于在将pet示踪剂引入对象以测量对象的脑部活动之后获得的fmri扫描来调节正电子发射断层摄影(pet)结果。

16、在“real-time motion detection of functional mri data”(j.appl.clin.med.phys、第5卷、第2期、第64-70页(2004年))中，t.r.steger和e.f.jackson公开了一种在术前fmri流程期间实时量化运动的方法。

技术实现思路

1、本发明的实施例的目的是提供在功能性磁共振成像(fmri)流程期间监测被成像对象的任务的表现的良好且有效的方法和装置。

2、本发明的实施例的优点在于，fmri任务的表现可以基本上实时地监测，例如，当检测到不佳的任务依从性时，警报操作者进行干预。

3、本发明的实施例的优点在于，被成像对象可以被通知不佳的任务表现，诸如在fmri检查期间将他/她的注意力重新集中在待执行的任务上。

4、本发明的实施例的优点在于，fmri时间序列可以用关于对象任务表现/依从性的信息来注释，例如在时间序列的采集期间(或紧接地之后)，使得在所述fmri时间系列数据的分析中可以考虑该注释信息。例如，时间序列的时间间隔或块可以被标记为指示该间隔或块中的低任务表现，例如使得它可以在时间序列的后续处理和分析中被相应地忽略(或者以另一适合的方式处理，例如给定较低的权重)。

5、本发明的实施例的优点在于，当被成像对象不佳地执行任务和/或任务表现和/或依从性的度量可以与fmri数据相关联时，可以警报操作者，例如根据检测到的表现和/或依从性水平对数据进行加权，和/或在fmri数据的统计分析中考虑所述水平。

6、本发明的实施例的优点在于，具有至少两种不同条件的交替周期的分块试验设计，其中，至少一个任务条件(例如和至少一个控制条件)可以提供良好的灵敏度，例如图像体素或多个体素的区域中的可检测的信号(或当在这些周期中的至少两个周期之间进行比较时的可检测的信号变化)，从该可检测信号实时或至少快速(例如接近实时或基本上实时)确定fmri成像运行期间的任务表现。通过使用延长的“块”，例如持续感兴趣的条件的相当长的一段时间，例如通过在每个块中重复多次试验，实现了良好的信号质量(对比度；信噪比)，其可以(基本上)实时检测表现/依从性或缺乏它们，例如所执行的任务的(接近)目前(当前；即时)表现和/或依从性的量化。同一个“块”的多个试验可以是相同的事件，或者至少在每个试验对应于归因于该块的相同“条件”的意义上彼此相似。此外，阻断试验设计可以有利地减少从fmri数据确定的结果(例如通过统计分析)对可能先验未知或可能仅近似已知的时间特异性参数的依赖性，诸如血液动力学响应函数和/或激活流耦合响应。

7、本发明的实施例的优点在于，当fmri检查仍在进行中(或最近终止)时，可以检测到被成像对象的(一个或多个)不利状态，使得可以校正这样的不利状态和/或可以重复和/或扩展fmri成像运行以改进数据的质量，否则，在没有重复或时间扩展的情况下，数据的质量将通过该不利状态减少。这样的不利状态的示例包括分心的心理状态、嗜睡或睡眠的对象、意识丧失、减少的意识或意识水平、烦躁状态、困惑状态和/或不适合或不太适合执行预期任务的其他这样的心理状态。

8、本发明的实施例的优点在于，例如由于对相关联的任务指令缺乏(完全)理解，对规定的fmri任务的依从性不佳，可以被检测到并减轻，例如通过指示操作者进一步需要帮助。

9、本发明的实施例的优点在于，可以检测、识别和/或量化fmri扫描期间持续注意力和对任务需求的依从性的变化。

10、本发明的实施例的优点在于，根据实施例的方法和/或设备特别适合于监测(和/或改进)精神或神经患者(例如遭受精神障碍或神经障碍或创伤的对象)的fmri检查的功效。例如，这样的障碍和/或创伤可能需要理解一系列任务、记住任务指令、保持足够的注意力持续时间跨度和/或执行规定的心理和/或身体动作的减少的能力。尽管如此，在研究健康对象时也可能出现这样的并发症(即使可能以较低的发生频率和/或严重性)，使得实施例不一定限于适合于精神病和/或神经系统患者。

11、本发明的实施例的优点在于，即使对于没有直接可观察结果的任务，诸如认知任务(例如无声单词生成、心理想象、自传体记忆等)，也可以监测对任务要求的依从性(和/或表现)。例如，对于这样的任务，在所述扫描会话期间，验证所述成像对象是否已经很好地执行(或正在执行)规定的任务或者甚至根本已经执行了所述任务可能是困难的。该困难可以通过根据本发明的实施例的方法和/或设备来克服或减轻。

12、根据本发明的实施例的设备和方法实现了上述目的。

13、在第一方面中，本发明涉及一种用于监测在功能性磁共振成像检查期间由对象执行的预定测试任务的表现的方法。所述方法包括：使用磁共振成像系统来采集所述对象的脑部的功能性磁共振图像的时间序列。所述方法包括：在所述时间序列的采集期间经由感觉刺激源向所述对象提供至少一个感觉刺激，以提示所述对象执行所述预定测试任务和/或根据所述预定测试任务诱发预期的脑部活动。所述方法包括：在提供所述感觉刺激之后，确定至少一个活动度量，所述活动度量指示由图像的时间序列成像的对象的脑部中的至少一个预定感兴趣区域中的脑部活动；以及当所述至少一个确定的活动度量指示所述预定测试任务的表现不佳和/或对所述预定测试任务的依从性不佳时，生成至少一个信号，其中，所述信号是在所述时间序列的采集期间和/或在将所述对象从所述磁共振成像系统移除之前生成的。

14、在根据本发明的实施例的方法中，所述至少一个信号可以包括通知操作者的警报信号。

15、在根据本发明的实施例的方法中，所述至少一个信号可以包括针对所述磁共振成像系统的延长、暂停、终止和/或重新开始所述时间序列的采集的指令。

16、在根据本发明的实施例的方法中，所述至少一个信号可以包括提供给所述对象的表现反馈信号。

17、在根据本发明的实施例的方法中，所述至少一个信号可以包括用于连同所采集的功能性磁共振图像的时间序列一起存储的注释信息，使得在所述采集的完成之后分析所述时间序列时，可以考虑所确定的活动度量在所述时间序列的时间跨度上的演变。

18、在根据本发明的实施例的方法中，所述至少一个信号可以包括在整个时间序列上的总体注意力或分心和/或依从性的度量，用于规划具有相同测试任务设计和/或针对相同对象群体的未来功能性磁共振成像检查。

19、在根据本发明的实施例的方法中，可以在采集所述时间序列期间的不同时间处向所述对象提供多个感觉刺激，可以在所述采集期间的不同时间重复确定所述活动度量并与之相关，并且如果最新近确定的活动度量指示不佳的表现和/或依从性，并且如果这样的话，则可以在(即，接近；之后不久)所述时间处生成所述信号。

20、在根据本发明的实施例的方法中，采集所述时间序列和提供所述感觉刺激可以根据分块功能性磁共振成像任务范例来执行，该任务范例包括至少一个活动状态和至少一个控制状态的时间块，其中，所述多个感觉刺激中的至少一个包括在对应于所述活动状态的每个时间块中。

21、在根据本发明的实施例的方法中，确定活动度量可以包括：比较在假定所述刺激在所述脑部中的效应不存在时采集的所述时间序列的至少一个第一图像和在假定所述刺激在所述脑部中的直接或间接效应存在时采集的所述时间序列的至少一个第二图像。

22、在根据本发明的实施例的方法中，提供所述感觉刺激可以包括显示视觉提示、发射听觉提示、提供触摸感觉和/或提供另一类型的感觉刺激，其中，可以针对至少一个感兴趣区域来确定所述活动度量，所述感兴趣区域包括感觉脑部区域、初级视觉皮层、所述初级听觉皮层、所述初级躯体感觉皮层和/或其部分和/或其组合，对于该(一个或多个)区域，所述感觉刺激引起神经激活。

23、在根据本发明的实施例的方法中，提供所述感觉刺激可以适于直接或间接地在内容特定的高阶感觉脑部区域中唤起脑响应，并且可以针对包括所述内容特定的高阶感觉脑部区域或其一部分的至少一个感兴趣区域来确定所述活动度量。

24、在根据本发明的实施例的方法中，所述预定测试任务可以适于唤起视觉和/或听觉心理想象，并且可以针对至少一个感兴趣区域来确定所述活动度量，该感兴趣区域包括高阶感知和/或记忆区域和/或内容特定的高阶感觉区域，和/或一个或多个初级感知脑部区域和/或其部分和/或其组合。

25、在根据本发明的实施例的方法中，所述预定测试任务可以适于唤起运动想象任务，并且所述至少一个感兴趣区域可以包括运动皮层和/或小脑区域；其部分和/或其组合。

26、在根据本发明的实施例的方法中，所述预定测试任务可以包括空间导航想象任务，并且所述至少一个感兴趣区域可以包括海马体或其一部分。

27、在根据本发明的实施例的方法中，所述预定测试任务可以包括心理场景构建任务，并且所述至少一个感兴趣区域可以包括默认模式网络和/或海马体和/或腹内侧前额叶皮层；和/或其部分和/或其组合。

28、在根据本发明的实施例的方法中，所述预定测试任务可以包括情绪场景构建任务，并且所述至少一个感兴趣区域可以包括杏仁核或其一部分。

29、根据本发明的实施例的方法可以包括：在采集所述时间序列之前提供所述预定测试任务或相关任务的指令和/或试验或试运行以训练所述对象执行所述预定测试任务，测试对所述预定测试任务的理解和/或所述预定测试任务的的表现，和/或校准所述活动度量的预期幅度和/或定位用于确定所述活动度量的一个或多个感兴趣区域。

30、根据本发明的实施例的方法可以包括：在所述时间序列的采集期间经由不同成像模态和/或生理参数传感器采集额外信息，其中，在确定所述活动度量时考虑该额外信息。

31、在根据本发明的实施例的方法中，确定所述活动度量可以包括执行注意力网络激活分析(例如检测背侧和/或腹侧注意力网络和/或休息状态网络和/或默认模式网络的激活或去激活)，和/或检测所述预定任务中引起的至少一个感兴趣区域中的激活和/或去激活，和/或检测与所述预定任务没有已知关联的至少一个感兴趣区域中的激活和/或去激活。

32、在根据本发明的实施例的方法中，与所述预定任务没有已知关联的至少一个感兴趣区域可以包括前扣带皮层(acc)、基底神经节、腹内侧前额叶皮层(vmpfc)和/或其中脑部活动指示认知疲劳的另一脑部区域。

33、在根据本发明的实施例的方法中，与所述预定任务没有已知关联的至少一个感兴趣区域包括障碍特异性和/或病理学特异性脑部区域，其中，神经激活指示幻觉或所述障碍或病理学的其他发作。

34、在根据本发明的实施例的方法中，检测与所述预定任务没有已知关联的至少一个感兴趣区域中的激活和/或去激活不一定限于在提供所述刺激之后进行确定，例如，可以在所述功能性磁共振成像采集期间连续地(即重复地)检查这样的任务无关的激活或去激活，而不必与呈现所述刺激(/i)的(一个或多个)时间相关。

35、根据本发明的实施例的方法可以包括在时间序列采集期间检测指示睡眠状态和/或嗜睡的另一活动度量的另一步骤。

36、根据本发明的实施例的方法可以包括在所述时间序列的采集期间检测所述对象的运动，并且如果检测到的运动超过预定阈值则生成所述信号或另一信号。

37、根据本发明的实施例的方法可以包括：对所采集的磁共振成像图像的时间序列执行功能性磁共振成像分析，例如不同于确定所述至少一个活动度量的步骤，例如在所述时间序列的采集已经完成之后和/或在所述对象已经从所述磁共振成像系统移除之后执行。该fmri分析可以是基于体素的分析，例如，不限于一个或多个特定感兴趣区域，例如，通过将通用线性模型拟合到相关的(例如，包含灰质)并且彼此独立的被成像体积的每个体素(例如，即使图像平滑可以被用于控制体素相关性)。

38、在第二方面中，本发明涉及一种计算机程序产品，包括用于由处理器运行的机器可执行指令，其中，所述机器可执行指令的运行使所述处理器执行根据本发明的第一方面的实施例的方法。

39、在第三方面中，本发明涉及一种用于监测在功能性磁共振成像检查期间由对象执行的预定测试任务的表现的计算机系统。所述计算机系统包括：输入部，其用于基本上实时接收使用磁共振成像系统采集的所述对象的脑部的功能性磁共振图像的时间序列；第一输出部，其用于在所述时间序列的采集期间经由感觉刺激源向所述对象提供至少一个感觉刺激以提示所述对象执行所述预定测试任务和/或根据所述预定测试任务诱发预期的脑部活动；处理器，其用于在提供所述感觉刺激之后，基于由所述输入部接收到的图像来确定指示由图像的时间序列成像的所述对象的脑部中的至少一个预定感兴趣区域中的脑部活动的至少一个活动度量，以及用于当所述至少一个确定的活动度量指示所述预定测试任务的表现不佳和/或对所述预定测试任务的依从性不佳时，生成至少一个信号；第二输出部，其用于输出所述至少一个信号。所述处理器适于在所述时间序列的所述采集期间(即，在所述时间序列的完成之前)和/或在时间序列采集的完成之后不久生成所述信号。

40、在第四方面中，本发明涉及一种磁共振成像系统，包括根据本发明的第三方面的实施例的计算机系统。

41、独立和从属权利要求描述了本发明的具体和优选特征。从属权利要求的特征可以与独立权利要求的特征以及被视为适当的其他从属权利要求特征组合，并且不一定仅如权利要求中明确陈述的那样。