[發明專利]腦功能連接頻率范圍的定量判定方法

有效

• 申請號: 201210439172.X
• 申請日: 2012-11-06
• 公開（公告）號: CN103202692A
• 公開（公告）日: 2013-07-17
• 發明（設計）人: 朱朝喆;張玉瑾
• 申請（專利權）人: 北京師范大學
• 主分類號: A61B5/055
• 分類號: A61B5/055;A61B5/00
• 代理公司: 中科專利商標代理有限責任公司 11021
• 代理人: 宋焰琴

技術領域

本發明涉及神經影像計算領域，具體涉及一種基于腦功能成像數據的針對腦功能連接的頻率范圍的定量判定方法。?

背景技術

功能連接（Functional?connectivity）是神經科學中一個越來越受到關注的研究領域。它通過度量空間位置相互分離的大腦活動的同步性，來研究腦區間信息的相互傳遞及功能的交互聯系。現有研究發現，由功能連接構成的腦功能網絡與腦解剖網絡相似，并且功能連接的具體屬性（主要是強度）能夠反映疾病引起的腦功能受損，體現發育、學習和疾病康復過程中腦功能整合模式的可塑性變化，預測被試行為的差異。這表明，功能連接是腦部神經元活動的相互作用的體現，能夠反映大腦內在的功能構架，具有非常重要的功能意義。?

除了強度屬性，近年來有證據表明，功能連接的頻率屬性也可能具有一定功能意義。雖然神經元之間的交互活動頻率非常寬泛（0.01-500Hz），但是根據神經-血管耦合關系（neurovascular?coupling），由血流信號體現出的功能連接往往集中于某一特定的低頻范圍。并且該頻率范圍可能與所屬腦區的功能有關。例如，初級感覺運動區內部的功能連接集中于0.1Hz以下的頻段，而邊緣系統（如雙側杏仁核之間）的功能連接分布在相對更寬泛的頻率范圍（0-0.25Hz）?，F在關于功能連接頻率屬性的研究還處于起步階段，數量不足十篇，其具體的功能意義還需要進一步探索。?

現有關于功能連接頻率范圍的判定方法主要有兩種。一是根據傅里葉變換法則，將時域計算的功能連接強度分解到頻率域，再通過肉眼主觀判斷其能量集中的粗略頻率范圍；二是研究者先將頻率段劃分為若干小段，再在每一頻率小段中計算功能連接強度，最后比較判斷其強度相對較高的頻率大體范圍。這兩種方法都依賴于研究者的主觀判斷，客觀性差；并且?判別結果頻率分辨率粗糙，可能無法區分出不同功能系統功能連接頻率的細致差別。更重要的是，現有兩種方法都無法有效避免腦功能成像數據（如功能核磁共振成像fMRI、功能近紅外成像fNIRS）中的全局噪聲（如呼吸、心跳等生理噪聲、頭動噪聲等空間上大面積存在的噪聲）干擾問題。特別是功能近紅外成像，它作為一種新興的非侵入的腦成像技術，近三年間已迅速受到功能連接研究者的關注，被成功應用于健康人、中風患者、及嬰兒的功能整合研究。但是由于它是基于從頭皮表面出發經過腦組織再回到頭皮表面的光子的吸收散射特性成像，數據中包含有大量的頭皮部分的血流信號。已有研究發現，該噪聲足以擾亂甚至破壞研究者對腦組織活動信號的分析。另外在實際試驗過程中，由于光極帽固定不理想導致的成像光極與頭皮的偶爾相對滑動也會使數據出現大面積的毛刺或臺階式的頭動噪聲，從而干擾數據分析的進行。由于頭皮血流中的生理噪聲和頭動噪聲的頻率分布都很寬泛且復雜，與功能連接很有可能會有頻率混疊，所以這些噪聲在以上兩種頻率判別方法中的殘留，將很有可能影響功能連接頻率范圍判斷的準確性?，F在還沒有可靠有效的數據預處理的方法能夠解決這個問題。?

發明內容

為了克服上述已有技術均依賴于研究者的主觀判斷，客觀性差；并且判別結果頻率分辨率粗糙的缺陷；同時，更重要的是，為了克服現有兩種方法都無法有效避免腦功能成像數據（如功能核磁共振成像fMRI、功能近紅外成像fNIRS）中的全局噪聲（如呼吸、心跳等生理噪聲、頭動噪聲等空間上大面積存在的噪聲）干擾問題。本發明提出了一種自動判別功能連接精確頻率范圍的方法，包括如下步驟：S1、獲取腦功能成像數據；S2、對獲取的所述腦功能成像數據進行預處理；S3、根據先驗信息生成感興趣腦功能系統的空間模板；S4、選取所述感興趣腦功能系統內的某一區域作為種子點，采用信號同步性頻譜分析方法計算每個頻率點上所有體素和種子點的相關性；S5、逐頻率地對所述計算得到的所有體素和種子點的相關性結果進行空間加權求和，得到所述感興趣腦功能系統的功能連接頻率曲線；S6、對步驟S5中功能連接頻率曲線逐頻率進行顯著性判斷。?

本發明利用相干分析等信號同步性頻譜分析方法，分析每個頻率點上所有體素和種子點的相關性；并將空間信息引入頻率分析中，通過空間加權求和的方法消除全局噪聲對同步性頻率分析的影響；基于逐頻率點對c^SW進行統計檢驗，自動判別出功能連接的精確頻率范圍。該方法計算過程快速，在普通微機上即可完成。這種方法主要用于各種相對穩定狀態（如靜息狀態）的腦功能連接頻率范圍探索性研究，也適用于其他非線性狀態（如藥物應用對腦功能的影響）的腦功能連接頻率范圍變化的分析。?