局部一致性算法在fMRI数据处理中的不确定因素研究

发布时间：2017-10-11 15:05

本文关键词：局部一致性算法在fMRI数据处理中的不确定因素研究

【摘要】：功能磁共振成像(functional magnetic resonance imaging,fMRI)是一种无创、可重复、成本适中的脑功能成像技术,常用于探测大脑的自发神经活动。局部一致性(regional homogeneity,Re Ho)算法是一种常用的fMRI数据分析方法,被广泛应用于精神分裂症、抑郁症等严重脑疾病的病理研究。在Re Ho算法fMRI数据分析过程中存在一些不确定因素,会影响结果的可靠性。为此,国内外学者对预处理参数、数据均一化方法等不确定因素开展了一些研究工作,然而这些研究通常仅研究不确定因素的改变对Re Ho计算值的数据分布的影响,没有对异常脑区统计结果的影响进行分析,缺乏对不确定因素的综合研究。因此,急需系统地研究这些不确定因素对基于Re Ho算法的fMRI数据分析结果的影响程度。针对上述情况,本文以攻击性和非攻击性精神分裂症患者的脑fMRI数据为具体研究对象,应用Re Ho算法计算出每个患者大脑的Re Ho值,并经过统计分析得出两组患者之间具有显著差异的异常脑区。在此基础上,提出了一种量化描述不同实验条件下异常脑区结果相似程度的方法,评价预处理参数和统计分析方面过程中不确定因素对Re Ho算法的影响程度;另外,对fMRI时间长度和体素邻域大小等两个直接影响Re Ho值的参数进行了研究。本文所完成的主要工作和结论有:(1)分析了fMRI数据处理的基本原理及可选参数,找出了在fMRI数据预处理、Re Ho算法、统计分析等过程中存在的不确定因素。(2)提出了以Dice相似性系数和贡献率评价对比实验中不同异常脑区结果的相似程度,并针对层间时间校正、标准空间模板的选择、去线性漂移、频域滤波、均一化方法、空间平滑核大小、多重比较校正等七个在数据预处理和统计分析中存在的不确定性因素进行了多组对比实验。通过对比分析发现,Re Ho算法对fMRI时间序列低通滤波的频段选择最为敏感,对比实验中DC值仅为0.67,在数据处理过程中需要格外注意信号频段的选取;空间平滑核的取值不同也会对结果造成较大的差异;而去线性漂移对实验结果的影响最小,对比实验中DC值达到0.89。(3)利用类内相关系数评价不同长度的fMRI时间序列数据计算得到的Re Ho值之间的相似关系,实验结果表明,随着时间长度从1分钟增大到6分钟,ICC均值从0.46到0.96单调递增;当时间长度为3分钟及以上的时候,sm Re Ho值趋于稳定,这与已有文献中的研究结果类似。另外,对比分析了不同时间长度fMRI数据的选择对计算得到的异常脑区结果的影响,对比结果表明:当时间长度越长的时候,Re Ho算法计算得到的异常脑区相对越多,而无论时间长或短,在枕中回都会发现异常。(4)对比分析了三组不同邻域大小的选择对Re Ho算法计算所得异常脑区的影响,结果表明,当待计算体素的邻域选择越大时,Re Ho算法得到的异常脑区也越多,并且较小邻域参数得到的异常脑区几乎完全包含于较大邻域参数得到的异常脑区。在临床上,通过大量基于Re Ho算法的脑疾病fMRI研究,可以逐步确定异常脑功能的准确位置,为进一步的治疗特别是脑刺激治疗提供精确的、个体化的靶点,具有较好的应用前景。
【关键词】：fMRI 局部一致性算法 不确定因素 Dice相似性系数 类内相关系数
【学位授予单位】：湖南大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：R445.2
【目录】：

摘要5-7
Abstract7-14
第1章绪论14-24
1.1 脑功能成像14-16
1.2 fMRI技术概述16-19
1.2.1 磁共振成像原理16-17
1.2.2 fMRI基本原理17-19
1.3 静息态fMRI研究流程及常用数据分析方法19-21
1.4 局域一致性算法在fMRI数据处理中的不确定性问题研究现状21-23
1.5 本文的选题意义及研究内容23-24
第2章精神分裂症患者fMRI数据采集及预处理24-40
2.1 攻击性与非攻击性精神分裂症患者样本信息及分组情况24
2.2 精神分裂症患者fMRI数据采集24-27
2.3 基于SPM的精神分裂症患者fMRI数据预处理27-39
2.4 本章小结39-40
第3章基于Re Ho的精神分裂症患者fMRI数据分析40-51
3.1 Re Ho算法40-45
3.1.1 Re Ho的基本原理和计算公式40-42
3.1.2 空间平滑42-45
3.2 组间统计分析45-50
3.2.1 双样本t检验的基本原理及流程45-48
3.2.2 多重比较校正48-50
3.3 本章小结50-51
第4章 Re Ho算法的不确定性分析51-78
4.1 精神分裂症患者fMRI数据处理流程中的不确定性因素51-53
4.2 预处理参数、多重比较校正对Re Ho算法的影响53-69
4.2.1 对比实验设计及评价参数定义53-55
4.2.2 预处理参数和多重比较校正对数据分析结果的影响55-68
4.2.3 Re Ho算法对预处理参数和多重比较校正的敏感性分析68-69
4.3 Re Ho算法的时间长度参数选取对结果的影响69-74
4.3.1 基于组内相关系数评估时间长度对Re Ho值的影响69-72
4.3.2 不同时间长度数据对患者异常脑区统计结果的影响72-74
4.4 Re Ho算法的邻域参数选择对结果的影响74-77
4.4.1 选取相邻体素K的定义74-75
4.4.2 不同的邻域大小对患者异常脑区统计结果的影响75-77
4.5 本章小结77-78
结论与展望78-80
参考文献80-87
致谢87-88
附录A 攻读学位期间所发表的学术论文88

【参考文献】

中国期刊全文数据库前8条

1 Pian Wang;Handan Du;Ning Chen;Jian Guo;Qiyong Gong;Junran Zhang;Li He;;Regional homogeneity abnormalities in patients with tensiontype headache:a resting-state fMRI study[J];Neuroscience Bulletin;2014年06期

2 魏渭;张志强;许强;黄育斌;卢光明;谭启富;;低频振幅算法功能磁共振成像对不同病因内侧颞叶癫vG的研究[J];中国现代神经疾病杂志;2014年11期

3 刘凤菊;谢斌;李欣;;基于ReHo方法的精神分裂症患者攻击行为的静息态fMRI研究[J];神经疾病与精神卫生;2014年02期

4 钟元;赵翠花;陶玲;张志强;戚荣丰;卢光明;;静息态fMRI分析方法及其在创伤后应激障碍研究中的应用[J];生物物理学报;2013年10期

5 ;Resting-state fMRI studies in epilepsy[J];Neuroscience Bulletin;2012年04期

6 余红梅;罗艳虹;萨建;艾永梅;;组内相关系数及其软件实现[J];中国卫生统计;2011年05期

7 赵小杰;龙志颖;郭小娟;姚力;;阿尔茨海默氏症研究中的磁共振成像数据分析[J];软件学报;2009年05期

8 潘晓平,倪宗瓒;组内相关系数在信度评价中的应用[J];华西医科大学学报;1999年01期

中国博士学位论文全文数据库前2条

1 何子军;呼气信号分析方法及其在肺功能检查中的应用研究[D];中国科学技术大学;2014年

2 郑莹莹;基于桡动脉波形分析的动脉硬化评估指标研究[D];中国科学技术大学;2011年

中国硕士学位论文全文数据库前1条

1 朱佩;攻击性精神分裂症患者fMRI数据特征的统计学研究[D];湖南大学;2014年