（电路与系统专业论文）小波变换在静息态功能数据分析中的应用.pdf

摘要 摘要 功能磁共振成像( f u n c t i o n a lm a g n e t i cr e s o n a n c ei m a g i n g , f m r i ) 技术因其拥有 较高的空间分辨率、时间分辨率、无辐射损伤以及可在活体上重复进行检测等优 势，已成为当今用于脑功能研究的主要技术。近年来的研究表明人脑在静息态时 仍然存在着明显的活动，能否快速、准确的获得这些活动的过程、规律，静息态 心数据分析方法起着至关重要的作用。 以往大多数基于静息态脑功能连接度的研究都要假设“时不变”，例如相关分 析和一些数据驱动的方法。然而基于任务的研究和动物电气生理学研究都表明功 能连接存在动态、瞬时的变化。基于此，本文引进了一种时频特性方法一小波 变换来探索静息态功能连接的这种动态变化行为。本文的主要研究区域有后扣带 回( p o s t e r i o rc i n g u l a t e dc o r t e x ，p c c ) 、静息态默认网络中一些重要结点脑区以及激 活较为明显的一些负相关区域。 本文首先对静息态功能磁共振成像数据处理流程做了详细的介绍，包括数据 预处理和一些常用的计算；其次介绍了静息态功能连接性常用分析方法，包括局 部一致性分析、种子点相关分析、独立成分分析、时间聚类分析；再次用小波变 换方法分析静息态f m r i 数据，分别做了连续小波变换、正交小波变换以及相干 小波变换。最终三种变换的结果都表明大脑在静息态时的主要活动频率在 1 3 2 h z - 1 1 6 h z ，这与以往的研究结果吻合。相干小波变换的结果表明在1 4 h z 时 p c c 与其它1 0 个脑区的变化最为相似。另外，除了以往的静息态默认网络外， p c c 与r d l p f c 、r i n s u l a 、r s m g 等几个负相关比较大的区域也有明显的相似 性。 关键字：功能磁共振成像静息态局部一致性独立成分时间聚类小波变换 a b s t r a c t a b s t r a c t f u n c t i o n a lm a g n e t i cr e s o n a n c ei m a g i n gh a sb e c o m ew i d e l yu s e di nt h eb r a i n i s s u ef u n c t i o n a ls t u d i e sb e c a u s eo fi t sa d v a n t a g e so fh i g h e rs p a t i a l - t i m er e s o l u t i o n ，n o r a d i a t i o nd a m a g ea n d r e p e a t a b l et e s t i n gi nv i v o t h e r es t i l la r eo b v i o u sa c t i v i t i e so fa r e s t i n gb r a i nh a v i n gb e e ns h o w ni nr e c e n ty e a r s s t u d i e s t h e r e f o r e ，t h er e s t i n g - s t a t e f m r id a t aa n a l y s i sm e t h o d sp l a yac r u c i a lr o l ei nq u i c k l ya n dp r e c i s e l ya c q u i r i n gt h e p r o c e s sa n dr u l e so ft h ea c t i v i t i e s i nm o s tp r e v i o u sm e t h o d so ft h er e s t i n g - s t a t eb r a i nf u n c t i o ns t u d i e sb a s e do n f u n c t i o n a lc o n n e c t i v i t y ，”t i m e - i n v a r i a n t w a sa s s u m e d ，s u c ha sc o r r e l a t i o n a n a l y s i sa n d d a t a - d r i v e nm e t h o d s h o w e v e r , e v i d e n c e sf r o mb o t ht a s k b a s e df m r is t u d i e sa n d a n i m a l e l e c t r o p h y s i o l o g yh a v es u g g e s t e dt h a tf u n c t i o n a lc o n n e c t i v i t ym a ye x h i b i t d y n a m i co ri n s t a n t a n e o u sc h a n g e sw i t h i nt i m es c a l e so fs e c o n d st om i n u t e s i nt h i s p a p e r , aw a v e l e tt r a n s f o r m sb a s e dt i m e - f r e q u e n c yc o h e r e n c ea n a l y s i sm e t h o do f i n v e s t i g a t i n gt h ed y n a m i cb e h a v i o ro fr e s t i n g s t a t ec o n n e c t i v i t ya c r o s st h ec o u r s eo fa s i n g l es c a nh a sb e e np r o p o s e d w em a i n l yf o c u s e do nt h ec o n n e c t i v i t yo f t h ep o s t e r i o r c i n g u l a t e dc o r t e x ( p c c ) ，s o m ep r i m a r yn o d e so ft h ed e f a u l tn e t w o r ka n ds o m e n e g a t i v ec o r r e l a t i o na r e a sw i t hr e l a t i v e l yl a r g ec o r r e l a t i o nc o e f f i c i e n t s f i r s t l y ，ad e t a i l e di n t r o d u c t i o na b o u tt h er e s t i n g - s t a t ef m r id a t ap r o c e s s i n g i n c l u d i n gt h ed a t ap r e - p r o c e s s i n ga n ds o m ec o m m o n l yu s e dc a l c u l a t i o n sh a v eb e e n m a d ei nt h i sp a p e r ；s e c o n d l y ，t h er e g u l a rr e s t i n g - s t a t ef u n c t i o nc o n n e c t i v i t ya n a l y s i s m e t h o d ss u c ha s p a r t i a l c o h e r e n c e a n a l y s i s ，s e e dp o i n tc o r r e l a t i o na n a l y s i s ， i n d e p e n d e n tc o m p o n e n ta n a l y s i s ，a n dt i m ec l u s t e r i n ga n a l y s i sh a v eb e e nd i s c u s s e d t h e nt h er e s t i n g s t a t ef m r id a t ai ss e p a r a t e l ya n a l y z e db yt h r e ew a v e l e tt r a n s f o r m m e t h o d so fc o n t i n u o u sw a v e l e tt r a n s f o r m ( c w t ) ，c r o s sw a v e l e tt r a n s f o r m ( ) ( w 1 ) ， a n dw a v e l e tt r a n s f o r mc o h e r e n c e ( w t c ) i t ss h o w nt h a tt h em a i na c t i v i t i e so fa r e s t i n gs t a t eb r a i na r ea taf r e q u e n c yf r o m1 3 2 h zt o1 1 6 h zi na l lt h et h r e ew a v e l e t t r a n s f o r mm e t h o dr e s u l t s ，w h i c hi sa c c o r d a n c ew i t hp r e v i o u sr e s e a r c hr e s u l t s t h ep c c i st h em o s ts i m i l a rt ot h eo t h e rt e nb r a i na r e a sa tt h ef r e q u e n c yo f1 4 h zf r o mt h e w t c i na d d i t i o nt ot h ep r e v i o u sr e s t i n gs t a t ed e f a u l tn e t w o r k s ，s o m er e l a t i v e l yl a r g e n e g a t i v ec o r r e l a t i o na r e a s l i k ep c c ，r d l p f c ，r i n s u l a ，a n dr s m ga l s oh a v e o b v i o u ss i m i l a r i t i e s k e y w o r d ：f m r ir e s t i n gs t a t er e h oi c at c aw a v e l e tt r a n s f o r m 第一章绪论 第一章绪论 1 1 课题研究背景及其意义 2 1 世纪是生命科学的时代，脑科学是生命科学的重要组成部分。认识自我、 探索大脑奥秘一直是人类追求的目标，医学成像技术特别是功能成像技术的迅速 发展，使人类越来越接近于这个目标。脑科学的研究意义在于为人类许多重大的 疾病( 如老年痴呆、药物依赖、帕金森综合症等) 的诊治以及病理学和药理学研 究提供科学依据【。 功能磁共振成像( f u n c t i o n a lm a g n e t i cr e s o n a n c ei m a g i n g 。f m p o ) 是上世纪9 0 年 代发展起来的一种新兴的神经影像学方式。其主要是基于血流的磁敏感性和血氧 水平依赖性( b l o o do x y g e n a t i o nl e v e ld e p e n d e n t , b o l d ) 的对比度增强原理进行成像， 当大脑皮层的特定区域接收到感官刺激或受到药物刺激而进行脑功能活动时，血 液中氧合血红蛋白和脱氧血红蛋白的比率变化将引起大脑局部组织磁化率的变化。 f m r i 通过测量大脑局部组织磁化率变化信号，来反映相关的大脑功能活动变化【2 】。 f m r i 与传统的m r i 不同，它能反映受刺激或发生病变时大脑功能的变化。 空间分辨率为l 3 m m ，时间分辨率大约为l s ，对人体无辐射性伤害，费用较低。 其优越性主要表现在以下几点【3 】： 1 无创伤m 】。利用f m 刚技术，可以无创伤地进行脑功能研究，不但可以 以健康入自身作为研究对象，而且可以直接观察发生各种行为状态时脑内的变化。 而传统的创伤性技术很难直接用于人脑的研究，利用动物研究人脑高级功能又有 许多局限，比如，动物没有语言，也常常不能按照研究者的意图做出适当的反应 等。更重要的是，利用创伤性技术很难观察到活体脑的工作过程。 2 空间分辨率较高。虽然现有的悯的空间分辨率只能达到毫米级，还不 能研究单个神经元的行为，但是没有哪一种行为是由单个神经元独立完成的，即 便是较为简单的行为也需要大量神经元的参与，功能相同或相似的神经元在一定 程度上相对聚焦，构成一个个相对独立的功能区域，利用f m r i 技术，可以确定 这些特定的功能区域的位置。 3 避免了局限性。利用f m r i 技术，可以同时观察多个脑区的活动，探讨各 个功能区域之间的相互关系。这对于研究脑的高级功能来说是非常有利的，因为 人脑高级功能通常需要多个功能区域的协同工作。 静息状态脑功能研究是当前f m r i 研究中一个十分热门的方向，许多研究者 使用各种方法来分析大脑静息态网络，并利用f m r i 技术对脑功能疾病引起的脑 2小波变换在静息态功能数据分析中的应用 功能异常进行研究。静息态是相对于任务状态而言的，指的是被试闭眼、放松、 静止不动，并避免任何有结构的思维活动的状态【7 】。近年来研究发现，大脑在没 有任务的清醒、静息状态时也存在功能活动，这一现象引起了研究者的极大兴趣。 因为任务相关的f m r i 脑功能成像研究大多以无任务的静息状态作为对照进行成 像，所定义的脑功能活动是任务状态与无任务的静息状态相减所得。显然作为对 照的静息期如果存在大脑活动，将会影响与目的任务相关的脑功能成像结果以及 对这种结果的解释。因此，理解f m r i 脑功能成像研究中静息状态大脑活动的特 点及其生理意义，对解释脑功能成像的结果以及全面了解大脑功能具有重要意义。 f m r i 数据分析方法研究属于脑功能研究的最后一环，其关系到能否快速、准 确的获得脑功能激活区域，在脑功能研究中有着非常重要的作用。由于f m r i 数 据分析方法对于获得精确的脑功能激活区域以及各区域之间协作联系的重要性， 国内外学者对f m r i 数据分析方法的研究一直没有中断过。目前常用的方法主要 有种子点相关分析，主成分分析( p c a ) ，独立成分分析，支持向量机分析，时间 聚类分析( t c a ) 等。本文在准确理解f m r i 数据特点的基础之上，提出了一种以小 波变换理论为基础的分析方法。 1 2 功能磁共振成像基本原理 核磁共振是一种物理现象，作为一种分析手段广泛应用于物理、化学、生物 等领域，到1 9 7 3 年才被用于医学临床检测。为了避免与核医学中的放射成像混淆， 把它称为核磁共振成像技术( m r i ) 。m r i 是一种生物磁自旋成像技术，它是利用 原子核自旋运动的特点，在外加磁场内，经射频脉冲后产生信号，用探测器检测 并输入计算机，经过处理转换，在屏幕上显示图像。m r i 提供的信息量不但多于 医学影像学中的其他许多成像技术，而且不同于已有的成像技术，因此，它对疾 病的诊断具有很大的潜在优越性。 1 2 1 磁共振成像发展简史 1 9 3 0 年，物理学家伊西多拉比发现在磁场中的原子核会沿磁场方向呈正向 或方向有序的平行排列，而施加无线电波之后，原子核的自旋方向发生翻转。这 是人类关于原子核与磁场以及外加射频场相互作用的最早认识。由于这项研究， 拉比于1 9 4 4 年获得了诺贝尔物理学奖。 1 9 4 6 年，美国哈佛大学的珀赛尔( 图1 1 a ) 和斯坦福大学的布洛赫博1 ( 图1 1 b ) 宣布他们发现了核磁共振n m r 。两人因此获得了1 9 5 2 年诺贝尔奖1 9 - 1 1 1 。从此n m r 作为一项研究物质分子结构的现代化学分析技术，在理化领域得到迅速发展。 第一章绪论 1 9 6 9 年，纽约州立大学南部医学中心的医学博士达马迪安通过测量核磁共振 的弛豫时间，成功的将小鼠的癌细胞与正常组织细胞区分开来。1 9 7 3 年，纽约州 立大学石溪分校的物理学家保罗劳特伯尔( 图1 1 c ) 开发出了基于核磁共振现象 的成像技术，并且应用他的设备成功地绘制出了一个活体哈喇的内部结构图像， 于2 0 0 3 年获得诺贝尔生物医学奖【l 引。 1 9 7 8 年底，第一套磁共振系统在德国埃尔兰根的西门子研究基地的一个小木 屋中诞生。1 9 7 9 年底，当系统终于可以工作时，它的第一件“作品”是辣椒的图 像。第一张人脑影像【l 列于1 9 8 0 年3 月获得，当时的数据采集时间为8 分钟。1 9 8 3 年，西门子在德国汉诺威医学院成功安装了第一台临床磁共振成像设备。 ( a ) e d w a r dp u r c e l l ( b ) f e l i xb l o c h ( c ) p a u ll a u t e r b u r 图1 1 磁共振史上的杰出人物 表1 1 核磁共振研究进膨1 4 】 年代相关事件 1 9 4 6 年 1 9 5 2 年 1 9 5 m 1 9 7 0 年 1 9 7 1 焦 1 9 7 2 1 9 7 3 年 1 9 7 3 在 1 9 7 5 焦 1 9 8 0 年 1 9 8 6 年 1 9 8 7 盔 1 9 8 7 往 1 9 9 1 盆 1 9 9 1 1 9 9 2 年 b l o c h 和p u r c e l l 发现了核磁共振o q m r ) 现象 b l o c h 和p u r c e l l 获得了n o b e l 奖 n m r 的波谱分析应用广泛 d a m a d i a n 发现肿瘤组织的t l 、t 2 时间延长 h o u n s f i e l d 的计算机断层扫描( c t ) 出现 l a u t e r b u r 的两个充水试管第一幄核磁共振图像 e m s t 的f o u r i e r 成像 e d e l s t c i n 的m r i 示范，m r i 设备开始商业化 梯度回波成像出现 d m n o u l i n 完成磁共振血管造影( m r a ) 平面回波成像( e c h op l a n a ri m a g i n g ，e p i ) 用于心脏电影 e r n s t 获得n o b e l b e l l i v i e a u , k w o n g 开发应用磁共振功能成像( 伽u ) 技术 4 小波变换在静息态功能数据分析中的应用 1 9 8 0 年以后，开始有商用的磁共振成像设备出售。1 9 8 7 年，回波平面成像技 术被用于单心脏周期的实时电影成像，同年，c h a r l e sd u m o u l i n 在不使用任何外 源性造影剂的前提下，完成了磁共振血管造影( m r a ) 【15 1 。1 9 9 1 年至今，功能磁共 振成像( f m r i ) 技术已经取得了巨大的发展，被广泛应用于各种脑功能成像的研究 中。表1 1 列出了核磁共振研究进展的相关情况【1 6 1 。 1 2 2 磁共振成像原理 根据量子力学理论，物体的原子由原子核以及绕核运动的电子组成，原子核 则由质子和中子构成。某些质子数和中子数和为奇数的原子核如：h ( 氢) 、p ( 磷) 、 n a ( 钠) 、c ( 碳) 、f ( 氟) 等，不仅具有一定的质量，带有一定量的正电荷，还具有两 个彼此相关的特征性参数，自旋( s p i n ) 和磁矩( m a g n e t i cm o m e n t ) 。自旋与磁矩呈正 比关系，并且自旋性使得质子或中子能够形成大小、方向、方位各异的自旋磁场( 图 1 2 ) ，这在物理上用核磁矩来描述。核磁矩大小与自旋角动量成正比，正比系数 为该原子的旋磁比，不同的质子其旋磁比也不同l 】列( 表i 2 ) 。 图1 2 质子的自旋磁场的大小、方向以及方位 表1 2 原子核及旋磁比【1 羽 第一章绪论 5 在上述原子核中，氢核( h ) ，其质子的结构最简单，但其磁性较强，是构成水、 脂肪和碳水化合物等有机物质的基本成分，人体内含量高，在各器官、组织中分 布广泛，磁共振成像的效果明显优于其它原子核，所以临床主要利用质子进行磁 共振成像研究。人体内存在大量质子，在自然状态下，其磁矩指向是随机分布的( 即 其磁场方向在各个方向上杂乱无章) ，其磁矩互相抵消，故宏观上人体不显磁性 【1 8 1 ( 图1 3 a ) 。当将人体置于外加磁场中时，质子除绕自身轴旋转外，同时还围绕 外磁场的磁矩转动( 呈陀螺样运动) ，这种运动方式称进动( p r e c e s s i o n ) ，又称拉莫 c l a m o r ) 旋进( 图1 4 ) 。质子绕外磁场磁矩进动的角频率( w o ) 称为拉莫频率，其大小 与外磁场强度成正比，见公式( 1 1 ) ： w 0 = y 玩 ( 1 1 ) 其中，y 为旋磁比，玩为外加磁场强度大小。 从而有： = 兰 ( 1 2 ) z 7 这里厂即为原子核的共振频率，或称( l a r m 0 0 频率。 髫通参 图1 3 ( a ) 无序排列的原子核的旋转轴1 9 1 ( b ) 外加磁场后的情况 jlz 窿 重 3 场 图1 4 原子核随外磁场的进动 f b f l f b f i 审 l吼丫 磨黛激 豫霪 小波变换在静息态功能数据分析中的应用 1 2 3 基于b o l d 的功能磁共振成像原理 血氧水平依赖功能磁共振成像( b l o o do x y g e nl e v e ld e p e n d e n tf u n c t i o n a l m a g n e t i cr e s o n a n c ei m a g i n g b o l d f m r i ) ，是利用脑活动区域局部血液中氧合血 红蛋白与去氧血红蛋白比例的变化所引起的局部组织t 2 的改变，从而在t 2 加权 像上反映出脑组织局部活动功能的一种m r 成像技术，可用来研究大脑的活动。 相对于传统的正电子发射断层( p o s i t r o ne m i s s i o nt o m o g r a p h y , p e t ) 等脑成像方 法，b o l d f m r i 利用人体自身内部血氧浓度变化作为天然造影剂成像，能提供 足够高的空间和时问分辨率。 血氧水平依赖效应最先是由o g a w a 等于1 9 9 0 年提出的，他们发现氧合血红 蛋白含量减少时，磁共振信号降低，并且信号的降低不仅发生在血液里，同时也 发生在血管外，于是他们认为这种效应是由血液的磁场性质变化引起的。此后很 多研究者进行了大量的理论和实验工作，总结出了b o l d f m r i 的成像基础，当 神经元活动时，局部脑血流量和耗氧量均增加，并且脑血流量的增加多于耗氧量， 这种差异使活动区的静脉血氧浓度较周围组织明显升高，去氧血红蛋白相对减少。 去氧血红蛋白是顺磁性的物质，在血管和其周边产生局部梯度磁场，使质子快速 去相位，因而具有缩短1 r 2 的作用。脑区激活时，由于去氧血红蛋白减少，缩短 t 2 的作用也减少，同静息状态相比，局部脑区的他或t 2 f 相对延长，因而在t 2 加权或者t 2 f 加权的功能磁共振成像图上表现为信号相对增强。在m 图像上， 该现象则表现为：脑区有较多动脉血液流入，会呈现较高信号，且这些高信号被 认为与脑功能活动有关。 关于氧合血红蛋白及去氧血红蛋白的磁敏感性研究发现：当动脉血液中的氧 合血红蛋白携带氧至局部脑组织时，局部脑组织磁敏感性下降，在磁共振成像上 表现为局部呈现高信号；而当脑组织摄氧后，氧合血红蛋白转变为去氧血红蛋白， 局部脑组织磁敏感性增大，在磁共振成像上表现为局部出现低信号。已经证实氧 合血红蛋白具有逆磁性，而去氧血红蛋白具有顺磁性【2 0 j 。 生理学认为当人体受到外界刺激时，大脑开始功能性活动，局部血流速度、 血流量及脑组织耗氧量均会增加。基于此，f o x 采用实验证实：脑功能活动时的 耗氧量远远小于因脑血流速度增快及血流量增大而产生的含氧量的增量1 2 。这就 解释了脑组织局部的毛细血管及小静脉中，氧合血红蛋白浓度为什么明显高于其 周围组织。 概括地讲，b o l d f m r i 具有一定的相对性，它必须通过对两种不同的任务 状态进行比较，才能创建出一幅有意义的图像。因为获取图像非常快速( 如一个 1 5 帧序列的脑切层图像3 秒钟即可获得) ，所以研究中可以得到足够的图像，通 第一章绪论 过对个体数据进行统计分析测量，即可获得两种状态的差异。理想情况下，个体 的两种状态仅在一个方面存在差异，即除了研究关注的方面，其余导致状态差异 的因素均可受到控制【捌( 如b r e i t e r 等对有强迫症患者与健康人的比较1 2 3 - 2 7 ) 。 综上所述，b o l d f m r i 的成像基础是神经元活动时局部组织氧的供应量和 代谢的耗氧量发生了变化，即血液氧合水平发生了变化，从而引起磁场性质的变 化，b o l d f m r i 就是根据m r i 对上述磁场性质变化的高度敏感性而成像的技术。 1 3 本文研究内容及组织结构 1 3 1 本文研究内容 本文首先探讨了功能磁共振成像的基本原理，从磁共振成像发展简史，磁共 振成像原理，基于b o l d 的功能磁共振成像原理三方面展开，对功能磁共振成像 的基本原理进行了简要的说明。其次对静息态功能磁共振成像数据的处理流程进、 行了归纳总结，并且对每一个步骤进行了详细的操作说明。再次，本文对功能磁 共振数据处理的常用方法进行了分析说明，包括局部一致性分析、种子点相关分 析，独立主成分分析，时间聚类分析。然后，本文基于静息态功能磁共振数据的- 特点以及小波变换特有的优点，将小波变换方法运用在静息态功能数据分析中， 分别作了连续小波变换、正交小波变换以及相干小波变换。最后，对本文所作的 工作进行了简单总结以及对静息态功能磁共振数据处理的方法进行了展望，并且i ； 对小波变换在静息态功能磁共振数据处理领域以及静息态功能研究做了展望。 1 3 2 本文组织结构 第一章“绪论”。阐述本课题研究的背景及意义，介绍功能磁共振成像的基 本原理以及本文的研究内容及组织结构。 第二章“静息态功能磁共振数据处理流程”。这一章对静息态数据处理流程 做了归纳总结。从数据的预处理到最后的相关计算都给出了详细的操作步骤。 第三章“静息态脑功能连接常用方法分析”。本章叙述了常用的静息态功能 连接性分析方法。包含有局部一致性分析、种子点相关分析、独立成分分析( i c a ) 以及时间聚类分析( t c a ) 。 第四章“小波变换分析 ，这章为本文的最重要内容。本章在前两章的基础 上，采用小波变换的方法对静息态功能数据做了分析，得出了其正交小波变换和 相干小波变换结果图，并且分析了结果，证实了小波变换能得到比其他方法更好 的局部区域的特征。 8 小波变换在静息态功能数据分析中的应用 第五章“总结与展望”。这一章对全文进行总结，简要回顾本论文的研究工 作，并且展望了静息态功能研究以及小波变换在静息态数据分析中运用的未来发 展趋势。 第二章静息态功能磁共振成像数据处理流程9 第二章静息态功能磁共振成像数据处理流程 b o l d f m r i 技术自1 9 9 0 年发明至今，已经成为研究人脑功能的不可替代的 手段。但2 0 年来，除了少数单位将b o l d f m r i 用于协助脑病变术前功能定位， 基本上未用于临床实践。近几年来，由于数据分析方法的进步，静息态f m r i 正 在被越来越多地用于临床基础研究。与p e t 或s p e c t 相比较，静息态f m r i 有较 好的时间分辨率、不需要注射放射性药物；与e e g 相比，静息态f m r i 有较好的 空间分辨率；与任务状态相比较，静息态f m r i 简单方便、可重复性好。这些优 点，使得静息态f m r i 具有较好的临床应用前景。静息态f m r i 已经被用于各种神 经精神疾病的研究，如癫痫、p a r k i n s o m 氏病、a l z h e i m e r 氏病、精神分裂症、抑 郁症、儿童注意缺陷多动障碍、创伤后应激障碍、自病症以及脑肿瘤的术前功能 定位等等。随着静息态f m r i 发展，s t a t e f m r i 的使用日益广泛，对于此类数据 的处理需求越来越大。因此，本章对静息态功能磁共振成像数据的处理步骤做了 详细分析。 2 1 1 格式转换 2 1 数据预处理 原始数据一般为d i c o m 格式的文件，而n i f t i 格式含有一个仿生变换矩阵， 即含有大脑的左右信息，但是d i c o m 格式不含有左右信息。因此，数据处理的 第一步需要将d i c o m ( i pd c m 格式) 转换为n i f t i 格式( h d r ，i m g ) 。 一般采用d c m 2 n i i g u i c x e 软件。在界面上o u t p u tf o r m a t 中选择s p m 5 ( 3 d n i f t i h d r i m g ) ，选择菜单f i l e s d i c o m t om f t i ，转换即可进行。 2 1 2 去除前面1 0 个时间点的数据 因为机器和被试进入稳定状态都需要一定的时间，前面采集的一些数据不稳 定，所以要去除前面n 个时间点的数据( 一般选择前l o 副图像) 。方法：手工删除 或者直接在d p a r s f 中设置要删除的时间点个数。 2 1 3 时间校正 一般大脑扫描的时候都是从颅顶扫描的，分为2 种扫描序列：逐层扫描( 1 、2 、 l o小波变换在静息态功能数据分析中的应用 3 、4 、5 、6 ) 、隔层扫描( 1 、3 、5 2 、4 、6 ，先奇数层，再偶数层) 。 为了避免相邻的两层之间的影响，一般都会采用“隔层扫描”。比如第一层与最后 一层的差距可能为2 秒，处理的时候需要将不同时间点的数据校正到同一个时间 点上面来，即为时间校j e ( s l i c et i m i n g ) 。这一步可以用s p m 软件或者d p a r s f 软件处理。在s p m 8 中选中s l i c et i m i n g ，设置d a t a 、n u m b e ro f s l i c e s 、t r 、t a 、 s l i c eo r d e r 等参数即可。其中，r e f e r e n c es l i c e 对于逐层扫描，由于时间的中点与 解剖层的中点一致，故选择中间层即可；对于隔层扫描，时间的中点并不是解剖 层的中点，所以参考层一般选择时间的中点时刻对应的那层，一般为奇数扫描完 的最后一层，以3 3 层为例即为第3 3 层。 在d p a r s f 中，只需将其选中，并设置好上面的参数即可。需要注意的是， 用d p a r s f 处理时需要将数据整理后存放在文件名为f u n i m g 的文件下。该步骤 结束后会生成a p h d r 和a f * i m g 形式的文件。 2 1 4 头动校正 期望扫描的时候被试者的大脑在同一个位置，但实际中由于脑功能成像实验 持续时间长( 通常半小时以上) ，测量次数多，被试的呼吸、血流脉动等生理因素 造成的头部运动在所难免。虽然实验时一般会对被试头部做固定，但为了避免长 时间的固定给被试者带来紧张、不安，以致影响实验结果，这种固定可不能很紧， 微小的头动依然存在，需要采取适当的办法来消除它的影响，即进行头动校正。 s p m 8 中执行步骤：在主界面中选择r e a l i g n ( e s t i m a t e & r e s l i c e ) 式，打开b a t c h e d i t o r 界面，在d a t a s e s s i o n 中指定s p m 8 在上一步s l i c e st i m i n g 结束后生成的 a f * h d r 和a p i m g 文件，点击d o n e 回到b a t c he d i t o r 界面，其它参数默认，点击 r u n b a t c h ，运行后即可生成2 种文件r a t * h d r 、r a f * i m g 。在同一个被试文件夹下 会生成m e a n a f * i m g 、m e a n a f * h d r 、r pa f * t x t 文件，其中前两个文件是配对出现 的，用m r i c r o n e x e 程序打开m e a n a f * h d r ，这是头动校正后的平均图像，印a f * t x t 文件则用文本方式告诉我们被试头部偏离的幅度和角度大小；还会在m a t l a b 工作目录下，生成文件s p m ，用 打开后可以看到各个被试_ 2 0 1 0 a p r l 5p s a c r o b a t 的头部偏离的幅度和角度大小，结果如图2 1 所示。 在d p a r s f 中执行步骤：设置好w o r k i n gd i r e c t o r y ，勾选主界面的r e a l i g n ， 设置好其他参数，点击“r u n ”，d p a r s f 会自动运行s p m 8 ，运行完即可生成 一个文件夹f u n l m g ，其中存放着转换后产生的h d r 和i m g 文件。同样在f u n l m g 文件夹下还会生成s p m 8 中的文件。 第二章静息态功能磁共振成像数据处理流程 1 1 上面的步骤完成之后，接下来就要检查被试者的头动情况，如果被试的头动 过大( 如大于3 r a m 、3 度) ，即便进行头动校正，信号的伪影也会比较大，这样就 需要排除该被试。 i m a g er e a l i g n m e n t t r a n s l a t i o n e 巴 o 口 2 1 5 空间标准化 图2 1 头动校正结果图 因为被试间脑结构存在差异，在对不同被试采用同一种成像方法得到的图像 进行空间统一时，刚性变换不再使用，就需要用带有整体形变的仿射变换和局部 非线性变换将它们同一化到标准脑上，即为空间标准化。 有两种配准方法：( 一) 在没有结构像t l ，只有功能像时，用e p i 模板配准； ( 二) 有t l 结构像时，把分割与配准糅合，把被试的结构信息和配准放在一起， 可以使得分割和配准的效果都会更好。 ( 一)用e p i 模板配准步骤： ( 1 ) s p m 8 主界面中选择n o r m a l i z e ( e s t i m a t e & w r i t e ) 模式； 1 2小波变换在静息态功能数据分析中的应用 ( 2 ) d a t a s u b j e c t s o u r c ei m a g e 给出被试图像的源，以便“去标准空间”，应 选用头动校正r e a l i g n 后生成的平均图像m e a n a f * i m g ，点击“d o n e ”； ( 3 ) d a t a s u b j e a i m a g e st ow r i t e 选择头动校正生成的所有一i m g ，将这些 文件写到标准空间去： ( 4 ) e s t i m a t i o no p t i o n s t e m p l a t ei m a g e 载入文件夹s p m 8 t e m p l a t e s 下的标准 模板e p i n i i ； ( 5 ) w r i t i n g o p t i o n s b o u n d i n gb o x 设定- 9 0 1 2 6 7 2 ；9 09 01 0 8 来给配准后 的大脑图像设置一个盒子来“盛装”； ( 6 ) w r i t i n go p t i o n s v o x e ls i z e s 设定功能像的体素大小，一般为333 ，设小 了没意义，因为机器扫描时就是这个v o x e ls i z e s ； ( 7 ) 若有多个被试，选择d a m - - - n e ws u b j e c t ，加入其他被试数据： ( 8 ) 点击r u nb a t c h ，运行后即可生成2 种文件：艚h d r 、w r a p i m g 。 ( 二) 有t l 结构像时，用t 1i m a g eu n i f i e ds e g m e n t a t i o n ( 统一分割) ，用结构 像分割来做配准。可以分为三部分： ( 1 ) 配准将结构像与功能像匹配，即把被试的结构像变换到功能像空间； 在s p m 8 中选择c o r e g i s t e r ( 配准) ( e s t i m a t e ) 模式，打开b a t c he d i t o r 界面； r e f e r e n c ei m a g e 选择r e a l i g n 之后的平均功能像m e a n a f * i m g ，点击d o n e ； s o u s ei m a g e 选择s 木i m g ，点击d o n e ： 点击r u nb a t c h ，在s p m 8 的g r a p h i c s 窗1 2 1 显示图像配准的结果，如图2 2 所示。 ( 2 ) 分割转换后的结构像用一致的分割法则分割为灰质、白质、脑脊液，此 过程得到一个由功能像去往标准空间的转换矩阵。 s p m 8 主界面中选择s e g m e n t 模式，打开b a t c he d i t o r 界面； d a t a 选择c o r e g i s t e r 之后的像； 点击r u nb a t c h 。 ( 3 ) 标准化将转换矩阵写到功能像上，完成n o r m a l i s e 。 s p m 8 主界面中选择n o r m a l i s e ( w r i t e ) 模式，打开b a t c he d i t o r 界面； d a t a s u b j e c t p a r a m e t e rf i l e 选择做完分割之后的s * s e g _ s n m a t ； w r i t i n go p t i o n s b o u n d i n gb o x 设定- 9 0 1 2 6 7 2 ；9 09 01 0 8 ： w r i t i n go p t i o n s v o x e ls i z e s 设定功能像的体素大小，一般为33 3 ； 点击r u nb a t c h ，运行后生成2 种文件，w r a f * h d r 和w m p i m g 。 在d p a r s f 执行这一步时，勾选主界面的n o r m a l i z e ，和s p m 8 中一样设置 所有参数即可。 第二章静息态功能磁共振成像数据处理流程1 3 n o r m a l i s e dm u t u a li n f o r m a t i o nc o r e g i s t r a t i o n x 1 = 0 4 2 6 x + 0 0 0 1 | y 0 z + 4 7 8 2 y 1 = - 0 0 0 1 。x + 0 3 2 0 y - 0 0 0 9 z + 3 6 2 2 z 1 = 0 0 0 0 x + 0 o 吖+ 0 2 7 8 z 1 0 4 8 1 二；“j 一? 一一、曩= j 。二_ 。j7 j 一 2 1 6 平滑 图2 2 图像配准结果 图像标准化将不同被试的脑图统一到标准脑后仍存在有结构上的细微差异， 对于需要用不同被试平均结果的研究来说，这种差异可能会严重影响结果，空间 平滑后这种差异将被模糊化。其实质就是将数据在空间上用一个光滑的函数去卷 积。 在s p m 8 中执行： ( 1 ) 在主界面中点s m o o t h ，出现“b a t c he d i t o r ”界面； ( 2 ) 在i m a g e s t os m o o t h 中指定s p m 8 在上一步配准中生成的w 木i m g 文件； 1 4 小波变换在静息态功能数据分析中的应用 ( 3 ) 点击r u nb a t c h 。结果生成2 种文件：s w r a f * h d r 、s w r a f * i m g 。 在d p a r s f 中执行，勾选主界面的s m o o t h ，将w o r k i n gd i r e c t o r y 设置为 f u n l m g n o r m a l i z e d 上一级的文件夹，设置好所有参数，点击r u n 运行后，在工作 路径下生成f u n l m g n o r m a l i z e d s m o o t h e d 文件夹，其中存放着平滑后的h d r 和i m g 文件。 一般地，做a l f f 、f a l f f 以及功能连接都必须在平滑之后的数据上进行； 做r e h o 则是在平滑之前的数据上进行；做脑区的小世界时间序列分析，也必须 在平滑之前的数据上进行。 2 1 7 去线性漂移 机器随着工作时间的持续，温度会发生变化，被试在机器里面也逐渐适应， 因此随着时间的积累会存在一个线性趋势，所以需要做去线性漂移。 采用r e s t1 3 执行这一步：在其界面上点击f u nc o n n e c t i v i t y ，在随后打开