基于fMRI的大脑功能连接动态分析系统

发布时间：2020-06-10 13:12

【摘要】：目前,已有越来越多的研究者应用计算的方法来研究脑功能,脑科学已经成为发展最快的学科之一。大脑功能连接的研究是脑科学领域里一个极为热门的课题,有助于人类深入了解人脑功能和工作机制,进一步认识和开发人脑,同时有助于对各类大脑疾病的诊断和治疗,因此对神经科学和临床医学有着重要意义。以大脑功能连接的动态分析为背景,本文提出了大脑功能连接动态分析的研究框架,利用机器学习的相关方法来研究大脑功能连接动态性,本文有如下主要工作:1)对贝叶斯连接转换点模型、基于Fisher判别准则的时序序列切分方法、k均值和谱聚类方法应用于大脑功能核磁共振成像数据的效果进行比较与评估。实验结果表明比于聚类分析方法,贝叶斯连接转换点模型和基于Fisher判别准则的方法在核磁共振成像数据集上明显有更好的效果,并且不会检测出过多的转换点。2)设计了一种新颖的基于二进制编码的局部特征提取方法LBEM。在真实的注意缺陷/多动障碍患者和正常对照组的数据集上,同缺少LBEM局部特征特征提取这一步的方法进行比较。实验结果表明,LBEM能有效地提取大脑感兴趣区域(ROI)的,具有可鉴别性的局部特征。3)详细介绍了极限学习机(ELM)算法和引入了核函数的KELM算法。在同一研究框架下,分类器分别使用ELM和KELM,在ADHD数据集上进行分类实验。实验表明,KELM分类器比ELM分类器的分类精度和稳定性更好,速度没有ELM快。4)设计并实现了一种集图像预处理、动态性检测、特征提取和分类器的大脑功能连接模式识别系统。
【图文】：

时间序列,网络分析系统,大脑,数据集

图１．１邋ＤＩＣＣＣＯＬ网络分析系统示意图逡逑题中，数据集就是对每个大脑ｆＭＲＩ图像，提取各节点的ｆＭＲＩＣＣＯＬ－ｆＭＲＩ信号。逡逑功能网络的边定义逡逑接（Ｆｕｎｃｔｉｏｎａｌ邋Ｃｏｎｎｅｃｔｉｖｉｔｙ，ＦＣ）是指解剖学上空间分离的大脑时间上的相关性，即脑网络中的边。功能连接分析是利用功能Ｍａｇｎｅｔｉｃ邋Ｒｅｓｏｎａｎｃｅ邋Ｉｍａｇｉｎｇ，ｆＭＲＩ）对大脑进行研究时常用的一接研究有助于人们理解相关疾病的病理机制，找到诊断以及治愈时也有助人类认识大脑进而开发大脑。逡逑磁共振成像（ｆｌｍｃｔｉｏｎａｌ邋ｍａｇｎｅｔｉｃ邋ｒｅｓｏｎａｎｃｅ邋ｉｍａｇｉｎｇ，邋ｆＭＲＩ）技术是大脑活动的技术，由于其极高的空间分辨率和较好的时间分辨率经科学及认知科学领域的研宄。其主要的原理是血氧水平ｌｅｖｅｌ邋ｄｅｐｅｎｄｅｎｔ，邋ＢＯＬＤ），利用ＭＲＩ测量血液中含氧量的变化，动的变化。逡逑

对比图,局部血流量,神经活动,成像技术

计算机断层显像（ＰＥＴ），功能性磁共振成像（ｆＭＲ），侵入性光学成像（ｉｎｖａｓｉｖｅ邋ｏｐｔｉｃａｌ逡逑ｉｍａｇｉｎｇ），卢员内电极记录（ｉｎｔｒａｃｒａｎｉａｌｒｅｃｏｒｄｉｎｇ），脑皮层电图（ＥＣｏＧ），其中最为广泛应用逡逑的是ｆＭＲＩ和ＰＥＴ。各种成像技术对比见图２．１。逡逑１０邋0．：卜yU叫邋ｆ邋ＰＥＴ「－邋＾逡逑ｆ邋１ｃｍ１ｌ逦逦逡逑Ｉ邋－仁二邋Ｑ逦：：逡逑＾邋１００邋ｕｍ邋－１邋－逦ＢＯＬＤ逦ｈＥｗｌｔＳ逡逑Ｉｌ0ｕｍ－２．逦ｆＭＲ，逡逑１邋ｕｍ邋－３逡逑＇４－３邋－２邋－１邋０邋１逦２逦３邋４邋５邋６邋７逡逑１邋ｍｓｅｃ逦１ｓ邋１０邋ｓ邋２邋ｍｉｎ逦３邋ｈ邋１邋Ｄａｙ邋１２邋Ｄａｙｓ逡逑Ｌｏｇ（Ｔｉｍｅ邋（ｓ））逦一逡逑图２．１成像技术对比图逡逑神经活动需要增加局部血流量来供应更多的氧，而Ｐａｕｌｉｎｇ等人观察到血红蛋白含逡逑氧量的改变对磁场有一定程度的扰动。Ｏｇａｗａ和Ｔｕｒｎｅｒ对活体的独立研究表明改变血逡逑液的氧合状态就可起到与对比剂相类似的作用，这样人体就无需通过静脉注射的方式引逡逑入对比剂。脱氧血红蛋白呈顺磁性，可产生横向磁化弛豫时间（Ｔ２）缩短效应（ｐｒｅｆｅｒｅｎｔｉａｌ逡逑Ｔ２邋ｐｒｏｔｏｎ邋ｒｅｌａｘａｔｉｏｎ邋ｅｆｆｅｃｔ，邋ＰＴ２ＰＲＥ）；氧合血红蛋白呈抗磁性，对质子弛豫没有影响。这逡逑导致前者的Ｔ２弛豫时间明显比后者短。当某局部脑区活动加强时，会需要更多氧气来逡逑催化能量的释放，此时氧合血红蛋白含量增加，脱氧血红蛋白含量相对减少，ＰＴ２ＰＲＥ逡逑减弱
【学位授予单位】：南京理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：R445.2;TP391.41

【参考文献】