功能磁共振图像在听觉中的初步研究-毕业论文

本科毕业设计(论文)题目本科毕业设计(论文)FINALPROJECT/THESISOFUNDERGRADUATE(20XX届)功能磁共振图像在听觉中的初步研究Preliminary study of Auditory Based On Functional Magnetic Resonance Imaging 学院工程科技专业医学影像学生姓名 学号 指导教师 完成日期 1摘要 近年来，血氧水平依赖性磁共振脑功能成像(Blood oxygenation level-dependent functional magnetic resonance imaging, BOLD-fMRI)技术得到极快的发展，除了与扫描硬件、扫描技术的进步有关外，更得力于以图形图像等计算机科学为核心的相关学科的支持；图像数据的后处理技术成为fMRI中的关键环节。本文实验采集了被试在收到声音刺激时fMRI的脑部图像，简单介绍了fMRI数据处理与分析的原理及方法。这些步骤的实现均靠软件根据不同算法完成。专业软件多种多样，但方法和步骤都基本相同。国际较为通用的功能影像软件有综合的处理分析软件，如英国伦敦大学神经影像科学系Wellcome实验室的SPM(Statistical Parametric Mapping)系列软件以及MCW AFNI(Medical College of Wisconsin Analysis of Functional Neuroimages)软件等，本文利用基于matlab上的spm12来完成功能磁共振听觉图像的处理, 通过对fMRI 数据做时间层校正、头动校正、配准、分割、空间标准化以及平滑处理等预处理，一般线性模型建模以及统计分析，我们验证了当听觉受到刺激的时候，大脑颞叶区域会产生响应。关键词：听觉; 血氧水平依赖性磁共振脑功能成像; SPMABSTRACTIn recent years, the Blood oxygen level dependent magnetic resonance brain imaging (Blood oxygenation level - dependent functional magnetic resonance imaging, BOLD fMRI) technology has been developed extremely fast, in addition to the associated with the progress of scanning hardware, scanning technology, is more effective in image as the core of computer science related discipline, such as support; Image post-processing technology is a very important link in the fMRI data.This paper collects the subjects in the received sound stimulation fMRI images of the brain, simply introduces the fMRI data processing and analysis of the principles and methods. The implementation of these steps are completed by software according to the different algorithms. Professional software is varied, but the methods and steps are basically the same. International more general function imaging software has a comprehensive Analysis software, such as the UK, university of London, neuroimaging science Wellcome laboratory of SPM (Statistical Parametric Mapping) series software and MCW AFNI (Medical College of Wisconsin Analysis of Functional Neuroimages) software and so on, in this paper based on the matlab spm12 to complete the image processing. Through to the resting state fMRI data layer correction time, head of nmo correction, registration, segmentation, space, standardization and smoothing preprocessing. General linear model modeling and statistical analysis, we verify when auditory stimulation, brain response generated in the temporal lobe area.KEYWORDS: Hearing; Blood oxygen level dependent magnetic resonance brain imaging; SPM 目录摘要ABSTRACT第1章绪论11.1 研究背景介绍11.2 研究目的及意义1第2章MRI原理介绍的32.1MRI成像基本原理32.2脑功能核磁共振成像5第3章听觉机制概述73.1听觉神经解剖系统73.2听觉产生原理8第4章数据分析方法114.1SPM软件114.1.1SPM软件背景及介绍114.1.2功能图像数据的性质114.2.SPM预处理功能目的13第5章数据处理及分析155.1实验数据155.2数据分析155.2.1数据预处理与分析155.2.2基于GLM模型及统计分析195.3结论21第6章总结25参考文献27致谢29功能磁共振图像在听觉中的初步研究第1章绪论1.1 研究背景介绍近年，随着磁共振技术及脑神经学的发展，人们对神经系统的研究已经开始不仅仅局限于解剖定位， 更多是通过磁共振这种无创的检查方法加深脑功能方面的研究，1990年代一种新的技术诞功能磁共振成像（functional magnetic resonance imaging， fMRI）诞生，它主要是基于被检器官或组织的功能发生改变而获取信息。功能磁共振成像为研究人体的基本功能开辟了新的道路，自从的20世纪90年代初，首次引入fMRI后，它慢慢的已经演变成为研究人体的神经功能的一种重要工具，最基本的fMRI技术是血氧水平依赖（blood oxyen level dependent， BOLD）fMRI（BOLD-fMRI）， 利用人体 自身内部血氧浓度变化作为造影剂，能够提供足够高的时间和空间分辨率的图像。这对于正电子发射断层图（positron emission tomography， PET）等传统脑成像方法来说是难以实现的。BOLD效应的发现最先是由Ogawa等于1990年提出的，他们发现当含氧血红蛋白含量减少是，磁共振信号降低，还观察到信号的降低不只是发生在血液里，而且发生在血管内外，于是提出这种效应是由血液的磁场性质变化引起的，这与注入造影剂引起磁场性质变化的机制类似的。此后很多的研究者在实验和理论上做了大量的工作，总结出了BOLD-fMRI成像的基础：神经元活动改变了局部去氧氧合血红蛋白的相对含量，增加局部脑血流量，同时也增加耗氧量，但脑血流量的增加多余耗氧量，综合起来局部血液氧含量增加，即氧合血红蛋白浓度增强，去氧血红蛋白的浓度降低。去氧血红蛋白属顺磁性物质，在血管周边及内部产生磁场梯度，缩短横向磁化T2，降低MR信号；显然当氧合一去氧血红蛋白的比例增加时或者说去氧血红蛋白含量减少时，T2缩短效应减弱，表现为MR信号增强。1.2 研究目的及意义随着医学成像技术的不断发展,尤其是fMRI等先进的技术日趋成熟,功能影像为探讨脑功能的研究提供了物质基础,已经成为当下研究的一个热点,它可以得到人在受各种刺激情况下，大脑是如何工作, 为解释大脑的工作原理来做充分的准备，并借此来了解脑功能。大脑受到刺激时的工作区域。15第2章MRI原理介绍的磁共振是一种生物磁自旋成像技术，的被应用于临床医学的研究中，它是利用原子核自旋运动的特点，外加一个恒定的磁场，的由射频脉冲激励后用射频线圈检测产生的信号，再经过计算机处理转换后在屏幕上显示图像。的的的的的的的的的的2.1MRI成像基本原理许多元素的原子核，如的1H、的19F 和的31P 等进行自旋运动，的高速旋转产生角动量。的由于原子核的质子带有正电荷，质子自旋就会产生一个小磁场，称为磁矩。呈电中性的中子自旋也产生磁矩，这是由于中子内部电荷量的不均匀分布造成的。的因此当原子核中质子个数或者中子的个数为奇数时，该原子核存在净自旋。的产生磁共振的必要条件就是具有净自旋的原子核。通常情况下，原子核自旋轴的排列是无规律的，当原子核置于静磁场中，的原来是随机取向的双极磁体受磁场力的作用，核自旋的空间取向从无序向有序过渡，与磁场作同一取向。以质子为例，它只能有两种基本状态：取向“的平行的”和“反向平行”，分别对应于低能和高能状态。的然而自旋并不完全与磁场趋向一致，而是倾斜一个角度。自旋的核同时也以自旋轴和外加磁场的向量方向的夹角绕外加磁场向量旋进，这种旋进称为拉莫尔旋进，就像旋转的陀螺在地球的重力下的转动。的自旋系统的磁化矢量由零逐渐增长，当系统达到平衡时，磁化强度达到稳定值。进动频率的0与磁场强度 B0的成正比，也与原子核类型有关，它们之间的关系满足拉莫尔关系：0= B0，称为磁旋比，是核素的基本物理常数，1H 的 =的42.6MHz/ T，。由于1H 在人体中浓度大，因此1H 最适合到核磁共振图像。的的的的的的的的的从宏观上看，作进动的磁矩集合中，相位是随机的。它们的合成取向就形成宏观磁化，用磁矩 M 表示。在大量1H 中，约有一半略多一点处于低等状态。可以证明，处于两种基本能量状态核子之间存在动态平衡，平衡状态由磁场和温度决定。当从较低能量状态向较高能量状态跃迁的核子数等于从较高能量状态到较低能量状态的核子数时，达到“热平衡”。如果向1H 施加符合拉莫尔频率的射频（RF）能量，而这个能量等于较高和较低两种基本能量状态的差值，可使1H 磁矩从能量较低的“平行”状态跃迁到能量较高“反向平行”状态，发生共振。的的的当施加作用方向与主磁场 B0垂直、振幅为 B1且与作进动的自旋同步的射频场，可使磁化向量 M 偏离静止位置作螺旋运动，称为章动，即经 RF 场的力迫使宏观磁化向量绕主磁场 B0进动，如图 2.1。如果使宏观磁化向量旋转 90角，方向与主磁3场 B0垂直，可产生横向磁化向量Mxy，如图 2.2。如果用持续不断的射频脉冲激励恒定磁场中的质子，高能级的质子将不断增多，低能级的质子将不断减少，最终导致两个能级的质子数相等，质子将不再吸收射频能量。射频脉冲停止后，已激化的高能级原子核将恢复到磁场原来的排列状态，同时释放出微弱的能量，即射电信号，采集射电信号存入 K 空间，经计算得到磁共振图像。的的的的的图 2.1 同步旋转的 RF 场 B1 可诱发横向磁化的的的图 2.2 B1 的持续时间足够长，使整个磁化向量落在横向平面内原子核从激化的状态恢复到被激发前平衡排列状态的过程称为弛豫过程 ，恢复到原来平衡状态所需要的时间则称为弛豫时间 。弛豫时间分为两种 ，一种是自旋 - 晶格弛豫时间 ，又称为纵向弛豫时间 ，反映自旋核把吸收的能量释放给周围的环境(晶格) ，一直到达到平衡状态所需要的时间 ，即 90射频脉冲质子由纵向磁化转到横向磁化后再恢复到纵向磁化激发前状态所需要的时间，称为 T1，如图 2.3（a），T1 加权成像，可以得到解剖像。另一种是自旋-自旋弛豫时间，又称横向弛豫时间，反映横向磁化衰减、丧失的过程，即：横向磁化所维持的时间，称为 T2，如图 2.3（b），T2 加权成像，可以得到功能像。自旋-自旋驰豫过程是由共振质子之间相互磁化作用引起的，比自旋-晶格驰豫过程快。人体不同器官的正常组织与病理组织的 T1 与 T2 是相对固定的，这种组织间弛豫时间上的差别是 MRI 的成像基础。的（a）纵向弛豫时间（b）横向弛豫时间图 2.3 纵向弛豫时间和横向弛豫时间T2 衰减总是比 T1 衰减要快（T2 rest 为1，listening rest ; Done.(如图4.4) 图5.4Apply masking ? none/contrast/image选择none；p value adjustment to control: FWE/none.选择FWE；the default value, 0.05。Overlays中选择 slice 查看 2D 激活图(图5.5)Overlays中选择 Sections查 看三相交（矢状面，冠状面，轴）片重叠图(图5.6；图5.7)render后得到(图5.8）；5.3结论如上述图5.8, 当人脑受到声音刺激后,脑中听神经活动区域即颞叶区域增强，耗氧量增加，脱氧血红蛋白含量增加。之后由于脑血流速度、流量增加使得含氧血液以灌注方式很快增加，局部脑区含氧血红蛋白浓度迅速上升。通过对fMRI 数据做时间层校正、头动校正、配准、分割、空间标准化以及平滑处理等预处理，一般线性模型建模以及统计分析，我们验证了当听觉受到刺激的时候，大脑颞叶区域会产生响应。图5.5在相邻三层横断切片21图5.7三截面图19图5.7三截面图23图5.8 3D模型第6章总结作为人体系统最复杂的系统，人的大脑是一个庞大的网络，其中任何一个认知功能的实现都需要各个脑区的相互协作。利用现代医学成像研究脑连接对于探索脑的工作机理有重要的意义。本文以 fMRI 数据为研究对象，以脑功能分析方法为研究重点，分析了脑的功能连接和有效连接。论文主要工作为：脑功能分析。脑功能连接是对脑连接的一种最简单、最直观的描述，其分析方法也是脑连接分析中发展最为成熟的一类方法。重点介绍了一种FMRI图像预处理以及统计分析的方法。本文的研究虽取得了一定成果，但是仍然存在有一些问题有待进一步学习和研究。25参考文献1 Shulman, G. 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