[發(fā)明專利]以獨立成分網(wǎng)絡(luò)為參照的全腦個體化腦功能圖譜構(gòu)建方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 202010856401.2
• 申請日: 2020-08-24
• 公開（公告）號: CN112002428B
• 公開（公告）日: 2022-03-08
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 丁皓;秦文;呂旻;謝穎瀅;于春水
• 申請（專利權(quán)）人: 天津醫(yī)科大學(xué)
• 主分類號: G16H50/70
• 分類號: G16H50/70;G06V10/30;G06V10/77;G06K9/62;A61B5/00;A61B5/055
• 代理公司: 天津翰林知識產(chǎn)權(quán)代理事務(wù)所(普通合伙) 12210
• 代理人: 付長杰

本發(fā)明為以獨立成分網(wǎng)絡(luò)為參照的全腦個體化腦功能圖譜構(gòu)建方法，該方法利用個體被試的腦靜息態(tài)fMRI數(shù)據(jù)，首先引入獨立成分分析法構(gòu)建組水平的腦功能子網(wǎng)絡(luò)，然后利用時空回歸反重建各個被試的腦功能子網(wǎng)絡(luò)和該功能子網(wǎng)絡(luò)相對應(yīng)的特征時間序列，并以功能子網(wǎng)絡(luò)相對應(yīng)的特征時間序列為參考信號；引入反距離加權(quán)系數(shù)、子網(wǎng)絡(luò)逆變異系數(shù)加權(quán)、相關(guān)因子以及迭代過程，進而獲得獨立成分網(wǎng)絡(luò)為參照的全腦個體化功能圖譜。該方法具有：純數(shù)據(jù)驅(qū)動，腦區(qū)完全對應(yīng)，全腦覆蓋，以及功能腦區(qū)細分更靈活等優(yōu)點，為研究正常人腦運作機制以及疾病相關(guān)的腦功能損傷提供了更加精準(zhǔn)的客觀影像學(xué)工具。

技術(shù)領(lǐng)域：

本發(fā)明涉及腦功能圖譜構(gòu)建技術(shù)領(lǐng)域，具體是利用腦靜息態(tài)功能磁共振成像(resting-state functional magnetic resonance imaging,rs-fMRI)數(shù)據(jù)給出的一種以獨立成分網(wǎng)絡(luò)為參照的全腦個體化腦功能圖譜構(gòu)建方法。

背景技術(shù)：

人腦是最神秘、最復(fù)雜的神經(jīng)系統(tǒng)之一，自身包含大約上億個神經(jīng)元。而且，這些神經(jīng)元之間相互聯(lián)系，進而組成一個龐大的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。然而，目前研究學(xué)者對它的認識仍然有限。因此，如果想要了解這個復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)，最重要的是要先了解組成這個網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點，這就需要構(gòu)建一個更加精細，更加準(zhǔn)確、更加適應(yīng)腦科學(xué)研究的人腦圖譜。

通過基于血氧水平依賴(blood oxygen level dependence,BOLD)信號的功能磁共振成像技術(shù)(functional magnetic resonance imaging,fMRI)因為能夠無創(chuàng)監(jiān)測人腦各腦區(qū)神經(jīng)活動，在腦科學(xué)中越來越得到廣泛運用。任務(wù)態(tài)fMRI可以通過設(shè)計特定任務(wù)誘發(fā)相應(yīng)腦區(qū)的神經(jīng)活動，進而對該認知功能的支配腦區(qū)進行定位，在視覺、運動、以及語言等功能亞區(qū)分割方面得到了廣泛應(yīng)用。然而，任務(wù)態(tài)fMRI需要非常精細的任務(wù)才有可能對某功能區(qū)域進行準(zhǔn)確分割；另外大腦大部分區(qū)域的功能未知，因此任務(wù)態(tài)fMRI不能對全腦所有潛在功能亞區(qū)進行定義。除了任務(wù)態(tài)fMRI，研究表明人腦在靜息狀態(tài)下BOLD信號的波動也能夠表征自發(fā)腦活動。人腦在處理特定任務(wù)時，需要多個腦區(qū)共同協(xié)作，構(gòu)成功能網(wǎng)絡(luò)。其中腦區(qū)間BOLD信號的同步性能夠表征人腦各功能腦區(qū)神經(jīng)活動的同步性，其被稱之為功能連接(functional connectivity，F(xiàn)C)。和解剖連接類似，也可以根據(jù)腦區(qū)間功能連接模式的相似性對功能亞區(qū)進行識別和分割，從而構(gòu)建基于功能連接的全腦功能圖譜。

人腦作為個體認知和行為的神經(jīng)基礎(chǔ)，在結(jié)構(gòu)與功能上具有明顯的個體差異。大量研究已發(fā)現(xiàn)，成人群體和嬰幼兒的腦功能連接都具有顯著的個體差異，并且具有腦區(qū)特異性，即初級皮層個體差異值較低，而聯(lián)合皮層腦區(qū)個體差異較高。傳統(tǒng)腦圖譜主要是基于組信息的腦圖譜進行分析，把個體被試者的功能數(shù)據(jù)按照大腦的結(jié)構(gòu)投影到一個平均大腦“模板”，在此基礎(chǔ)上將不同被試者之間的影像特征進行比較。這種基于解剖結(jié)構(gòu)或者功能信息的群組“模板”的數(shù)據(jù)配準(zhǔn)，沒有充分考慮個體間的腦功能亞區(qū)的分布差異，導(dǎo)致不同被試者之間的數(shù)據(jù)對比缺乏真正意義上的功能對應(yīng)關(guān)系，統(tǒng)計效能以及準(zhǔn)確性。在個體水平上繪制功能腦圖譜不僅提供腦區(qū)之間的連接強度信息，還有腦區(qū)的拓撲結(jié)構(gòu)的信息(如腦區(qū)形狀、大小等)。這些會促進個體化功能網(wǎng)絡(luò)動態(tài)性變化的研究，對個性化醫(yī)療也是必不可少的。因此，有必要構(gòu)建個體化腦功能譜圖以更準(zhǔn)確刻畫個體腦功能活動的特征，進而挖掘個體腦功能活動與認知行為/疾病癥狀的聯(lián)系，這將有可能從根本上改善對健康被試以及疾病患者的大腦認知功能的評估和診斷，對于推動個性化醫(yī)療服務(wù)具有重大意義。

為此，本發(fā)明設(shè)計首次提出一種以獨立成分網(wǎng)絡(luò)為參照的全腦個體化功能圖譜構(gòu)建方法。該方法首先利用組水平的獨立成分網(wǎng)絡(luò)作為參考并在個體水平進行各網(wǎng)絡(luò)成分的反重建，獲得個體化獨立成分網(wǎng)絡(luò)。然后，結(jié)合反距離加權(quán)，獨立成分網(wǎng)絡(luò)變異系數(shù)，以及獨立成分特征向量與體素功能連接相似性，構(gòu)建個體化腦功能圖譜。

發(fā)明內(nèi)容：