[發明專利]一種基于功能磁共振成像的腦區效應連接分析系統

有效

• 申請號: 201410054387.9
• 申請日: 2014-02-18
• 公開（公告）號: CN103800011A
• 公開（公告）日: 2014-05-21
• 發明（設計）人: 焦竹青;鄒凌;何可人;項艱波;馬正華;錢農
• 申請（專利權）人: 常州大學
• 主分類號: A61B5/055
• 分類號: A61B5/055
• 代理公司: 南京知識律師事務所 32207
• 代理人: 盧亞麗

技術領域

本發明涉及一種醫學影像分析系統，具體是一種基于功能磁共振成像的腦區效應連接分析系統，屬于生物醫學信息處理技術領域。

背景技術

人腦是自然界中最復雜的系統之一。一個成年人的大腦中，大約有10¹¹個神經元細胞，這些數量巨大的神經元細胞通過大約10¹⁵個突觸交錯連接，形成了一個高度復雜的腦神經系統。雖然不同神經元、不同腦區對應不同的功能特異性，但即使是完成一項非常簡單的任務，也需要大腦多個不同的區域相互作用、相互聯系，構成一個網絡來協調工作。

近年來，一些科學家充分認識到了構建人腦網絡動態模型的重要性，開展了一系列針對大腦功能連接的研究，力圖在廣泛的時空尺度上將大腦連接成動態的功能網絡，借助先進的技術手段進一步挖掘該網絡的連接規律。腦電圖（Electroencephalogram,?EEG）是目前最敏感的腦功能監測方法，空間分辨率只能達到厘米級別，并且極易受各種因素干擾，多數情況下不能作為大腦功能網絡研究的唯一依據。

腦影像學技術能夠從微觀和宏觀水平上分析局部和整體大腦功能網絡特性的變化。基于血液氧合依賴水平（Blood?Oxygen?Level?Dependent,?BOLD）的功能磁共振成像（Functional?Magnetic?Resonance?Imaging,?fMRI）技術利用磁共振造影來測量神經元活動所引發的氧合血紅蛋白含量變化，不僅時間分辨率更高，其空間分辨率也可達到毫米水平。作為一種非損傷性腦成像技術，磁共振成像在腦功能研究中發揮了不可替代的作用。借助磁共振成像技術可以將對大腦的研究擴展至記憶力、注意力等，識別研究對象感覺到的聲音、圖像或者閱讀的詞語、執行的動作，甚至能夠實現對個人內心世界的揭示。

腦功能網絡從整體的角度克服了以往孤立研究單個腦區的缺陷，但是目前的腦網絡研究大多集中在對無向網絡功能連接的研究上。無向連接分析起來比較簡單，但是忽略了大腦神經系統中非常重要的方向和權重信息。因此，構建有向的功能網絡來刻畫不同腦區神經活動之間的因果關系，更深入細致的理解大腦的結構組織模式和功能活動規律成為大腦網絡研究的當務之急。

在大腦網絡研究中，具有方向性的功能連接稱為效應連接。效應連接體現了空間上分離的神經單元（腦區）的神經活動在時間上的關聯性或統計依賴關系，通過量化神經單元之間的直接或間接影響，反映神經活動的動態過程以及實驗因素對神經活動的調節作用，更接近于真實的腦功能機制。大腦功能連接模式的研究目前只是停留在體驗式實驗的設計與分析階段，對腦功能網絡連接機制、尤其是對腦區效應連接機制的模型化和機理性研究相對較少。同時，在當前的認知研究和臨床應用中，也非常缺乏與先進的功能磁共振成像技術相配套、滿足實際應用需要的綜合性腦區效應連接分析系統。

發明內容

針對現有技術存在的不足之處和實際應用的需要，本發明要解決的問題是：

提供一種基于功能磁共振成像腦區效應連接分析系統，實現對大腦功能區域之間的效應連接進行判定和記錄。

為了達到上述目的，本發明采取以下技術方案：

一種基于功能磁共振成像的腦區效應連接分析系統，包括實驗范式設計模塊、核磁成像處理模塊、大腦圖像分區模塊、效應連接檢測模塊和分析結果顯示模塊：

所述實驗范式設計模塊用于對實驗對象（被試者）參與的實驗內容和流程進行設計；

所述核磁成像處理模塊包括圖像讀取單元、格式轉換單元、圖像預處理單元和參數配置單元，通過參數配置界面對磁共振設備采集到的大腦三維結構像和時間層功能像進行讀取和格式轉換，執行預處理操作；

所述大腦圖像分區模塊用于加載和儲存各種標準化的大腦分區模板，將操作人員選定的模板與磁成像處理模塊預處理后的核磁圖像進行匹配，劃分圖像為若干大腦區域；?

所述效應連接檢測模塊包括時間序列提取單元、因果連接分析單元和連接指標計算單元，用于提取大腦功能磁共振圖像中不同標準分區對應的時間序列，對一組實驗對象的時間序列進行單樣本T檢驗（One?sample?T-test），將得到的組分析結果進行定向線性因果關系分析，計算不同腦區時間序列之間的效應連接值和效應連接指標；

所述分析結果顯示模塊將效應連接分析結果和相關的腦功能指標反饋給醫護人員、被試和操作人員。

進一步，所述核磁成像處理模塊將讀取到的磁共振圖像由DICOM格式轉換為NIFTI格式。