中国人数字化标准脑图谱的建立

发布时间：2019-01-17 18:47

【摘要】： 人脑是人体内结构和功能最为复杂的器官。长期以来,人类对脑的结构和功能进行了大量的研究工作;随着1997年“人类脑计划”在美国的正式启动,人们对大脑的探索进入了一个新的高度。将脑科学与信息学结合起来,建立数据库,绘制相应的脑图谱是该计划的一项重要内容。脑图谱是对人脑进行探索的一项重要的工具。从文艺复兴时期的著名解剖学家Vesalius对大脑结构进行详细的描述开始,大量的神经解剖描述,图片和图像陆续出现。随着技术的进步,数字化脑图谱层出不穷,其中绝大部分脑图谱是建立在一个或者是数量极其有限的个体标本上,这些包括Vox-man脑图谱,Roland脑图谱,数字解剖学家计划脑图谱,哈佛脑图谱等等,其中当前世界上应用比较广泛的是Talairach and Tournoux脑图谱,此图谱标注Brodmann分区,许多学者依据该图谱开发出了计算机脑图谱系统用于临床;另外,Talairach坐标系统也经常被用于脑皮质的标准化。ICBM计划首次提出了概率性脑图谱的概念,概率性脑图谱的研究主要是通过将大量的个体影像数据置于一个共用的标准空间来建立可以代表人群共性的大标本脑图谱,很多学者都在致力于这方面的研究。当前常用的标准脑模板是ICBM152,其数据来自152名23岁左右健康成年人的MR扫描,因此,ICBM152是152名健康成年人脑的平均脑,更能代表大多数人脑的特征,它为个体人脑MRI图像的研究提供了一个标准的空间,便于不同研究对象之间的比较。2001年5月美国科学家联盟(FAS)提出了数字人计划,并且把人类脑计划作为其重要的组成部分,获得人脑数据以后建立了人类可视化脑图谱,这类脑图谱有明确的定位,也可通过多种方式识别,可以通过表面重建的方式来分析人脑皮质的结构和功能,主要用于解剖结构的标识。还有学者在三维的脑图谱研究中加上时间的因素,建立四维脑图谱,用来研究人脑的发展变化。也有学者利用组织学的方法来研究一些局部的大脑结构,例如海马、皮质下结构等,建立特定区域的脑图谱。现有的数字化标准脑图谱在一定程度上增加了人们对大脑的认识和研究,但是都有相应的不足之处并有待于进一步改善,并且这些脑图谱基本上是来源于西方人的数据,不具备东方人的特征。大量的研究表明,由于人种和生长环境的影响,东西方人脑会有比较显著的差别,在神经科学的研究中,假如我们直接把上述的脑图谱作为标准脑模板的话,可能会出现一些误差。因此,建立具有东方人特征且具有人群代表性的数字化标准脑图谱有其必要性。本研究中,首先利用3.0 T磁共振扫描仪获取35例中国人高分辨率三维脑结构数据,并从ICBM数据库中选择年龄和性别完全匹配的35例Caucasian高分辨率三维脑结构数据,运用整体比较、大脑结构比较、局部大脑结构信息比较等多种方法对这两组的东西方人脑数据进行对比分析研究,发现东西方人脑在形状和结构上都有有明显的差异,这为我们下一步的研究奠定了坚实的理论依据。脑图谱的研究分为两步:1.利用3.0T磁共振扫描仪对56名健康成年男性进行扫描,获得高分辨率三维结构数据,对原始数据进行预处理,借鉴ICBM152的建立模式建立基于MRI图像的中国人数字化标准脑模板。2.利用数控冷冻铣切技术获得高质量的连续薄层脑断面数据,通过图像处理以后进行三维重建,获得真彩色的三维重建人脑,接着利用一系列的转换获得灰度几何人脑数据,最后把三维人脑数据配准到基于MRI的中国人数字化标准脑模板中,获得既有很高的空间分辨率,又有详细的结构信息的数字化标准脑图谱。本研究分为三个部分,摘要如下: 第一部分中国人和Caucasian大脑结构的差别研究第一章:基于结构分析的中国人和Caucasian大脑形态差异研究目的:利用高分辨率结构MRI数据研究中国人和Caucasian大脑整体和大脑结构的差异。材料和方法:选择年龄和性别完全匹配的健康右利中国和Caucasian年轻志愿者各35人,利用高分辨率结构MRI扫描仪进行扫描,获得高分辨率三维结构MRI数据。首先在BrainSuite软件中对大脑的整体特征进行评价,具体测量大脑的连合间线(AC-PC)长度,整个大脑的长、宽、高。利用LONI Brain Parser软件对大脑的56个结构进行分割,计算每一个结构的体积,获得精确的测量数据,利用统计学方法对两组不同的数据进行比较,找出两者的差别。结果: 1.中国人和Caucasian在大脑的形状和尺寸上有一定的区别,中国人大脑的长、宽、高以及AC-PC线长度平均值分别是160.99mm、142.64mm、110.72mm和26.28mm,Caucasian大脑的长、宽、高以及AC-PC线长度平均值分别为171.68mm、127.48mm、106.31mm和28.13mm。中国人大脑的宽/长、高/长以及高/宽平均值分别为0.89、0.69、0.78;Caucasian则为0.74、0.62、0.83,因此可以看出中国人和Caucasian的大脑形状有差异,中国人大脑更圆一些,这一结果可能是因为大脑结构的不同造成,对上述数据进行统计分析发现中国人大脑的长、宽、高以及AC-PC线长度与Caucasian有明显差异,p＜0.01。 2.通过对两组大脑56个结构的体积测量结果分析,中国人和Caucasian在大脑结构上有一定的区别。左侧半球有明显区别(p＜0.01)的结构为:眶额回,直回,顶上回,枕中回,颞下回,颞中回,楔前叶,海马旁回,扣带回,岛叶皮质,壳和尾状核;右侧半球有明显区别(p＜0.01)的结构为:额上回,眶额回,中央后回,枕上回,枕中回,颞上回,颞中回,颞下回,中央前回,直回,楔前叶,海马旁回,岛叶皮质,壳和尾状核。结论:中国人和Caucasian在大脑形态大小以及结构上有一定的差异性,这为我们建立中国人数字化标准脑图谱提供了坚实的理论基础。第二章:中国人和Caucasian大脑局部结构差异:基于张量的形态测定研究目的:利用基于张量的形态测定法(TBM)研究中国人和Caucasian在大脑局部结构上的差异。材料和方法:选择年龄和性别完全匹配的健康右利中国和Caucasian年轻志愿者各35人,利用高分辨率结构MRI扫描仪进行扫描,获得高分辨率三维结构MRI数据。首先对原始数据进行预处理,利用BET软件自动去除颅骨和其他非脑组织,对自动处理结果进行手工矫正后获得去颅骨后大脑;将两组数据分别采取12参数线性转换仿射到lpba40.air.icbm452w5.brain.avg标准空间以调整个体大脑之间的位置和刻度差异,对两组数据分别建立最小变形目标脑模板(MDT),将每一个大脑数据分别仿射到MDT中,经过一系列的步骤建立每一个个体大脑的Jacobian脑图谱用以分析个体局部容积的差别;分别利用每组35个个体Jacobian图谱建立平均脑图谱,最后通过叠加表达以后对每一个体素的量值以及有效度进行评价,对感兴趣区域(ROI)进行分析,得到通过颜色标注两个个体大脑之间或者两个平均脑图谱之间的差异的脑图谱,分析说明中国人和Caucasian在相应大脑局部结构上的差异。结果:通过对两组Jacobian平均脑图谱的对照研究以及对感兴趣大脑区域的分析,发现中国人和Caucasian在大脑额叶,大脑顶叶,大脑颞叶和大脑枕叶都有明显的差别(p＜0.01)。结论:中国人和Caucasian在大脑的局部结构上都有明显的区别,这为我们建立中国人数字化标准脑图谱提供了理论基础。第二部分:基于MRI数据的中国人数字化标准脑模板的建立目的:利用高分辨率三维结构MRI数据建立中国人数字化标准脑模板。材料和方法:利用3.0T磁共振扫描仪对56个年龄在20到30岁之间(平均年龄=24.03±2.06)的健康右利中国志愿者进行扫描,获取高分辨率三维结构MRI数据,对数据进行预处理。选择其中一个人脑作为目标脑,将所有的56个大脑利用12参数转换模式空间标准化到目标脑中并进行平均化处理后获得密度平均脑模型,然后再一次将所有的56个大脑仿射到该密度平均脑中,进行平均化后获得密度和空间都平均化的线性转换脑模板。将56个原始脑MRI数据线性(6参数)转换到起初的目标脑中获得56个与平均脑模板具有相同空间坐标的脑体积数据,以上述线性转换脑模板为目标脑,利用“align warp”的方法将此56个大脑非线性转换配准到目标脑中获得结构细节更加清楚的非线性转换脑模板。利用BET软件自动去除56个大脑的颅骨和非脑组织,对于自动处理结果进行手工矫正,获得56个去除颅骨以后的大脑体积数据,重复上述步骤,只是在相应的步骤做一下参数调整,最后获得去除颅骨的线性转换和非线性转换平均脑模板。结果:通过对上述步骤的重复运行,调整好相应步骤中的关键性参数,获得基于MRI数据的两组数字化标准脑模板,分别为整个大脑脑模板和去颅骨后脑模板。其中每一组又有两个部分:线性转换平均脑模板和非线性转换平均脑模板。相对于非线性转换平均脑模板而言,线性转换平均脑模板缺少详细的结构信息,但是具有标准的空间坐标信息,尤其是整脑线性转换平均脑模板,因此也被称为平均脑模型;非线性转换平均脑模板具有比较清楚的大脑结构细节,因此可以用来更深一步的脑图谱研究,并且可以作为参考图谱来对一些具体的大脑结构进行对比分析。结论:建立基于MRI数据的中国人数字化标准脑模板,为基于中国人数据的神经影像学研究提供基本的参考。第三部分:基于标本断面数据的中国人数字化标准脑图谱的建立目的:利用连续薄层断面数据对人脑进行三维重建,并将三维脑体积通过空间标准化配准到基于MRI数据的中国人数字化脑模板中建立基于连续薄层断面数据的中国人数字化标准脑图谱。材料和方法:从4例尸体标本中选择1例作为研究对象,利用数字化冷冻铣切技术获取层厚为0.1毫米的连续薄层脑断面数据,将原始数据转换成JPEG格式,在Photoshop软件中进行数据裁减、分割,获得分辨率为512×512的二维图像共1506张,保存为TIFF格式。利用SHIVA软件将TIFF格式文件转换为ANALYZE格式文件,在UNIX系统服务器上用“cat”命令将1506个文件重建成为3D脑体积文件,将3D脑体积转换成几何三维模型和灰度三维脑模型,然后将灰度三维脑模型利用12参数转换模式空间标准化到已经建立的中国人数字化标准MRI脑模板中获得基于连续薄层断面数据的数字化标准脑图谱,去除颅骨和其他非脑组织后获得具有更加详细结构信息的数字化脑图谱。结果:获得三维重建以后的三维脑模型,建立基于标本断面数据的中国人数字化脑图谱,包括全脑图谱和去除颅骨后的脑图谱,该脑图谱不仅具有详细的解剖结构信息和组织学信息,而且具有MRI脑模板的空间特征。结论:建立基于标本断面数据的中国人数字化标准脑图谱,该脑图谱不仅可以作为解剖结构信息描述的参考,而且可以用来作为神经影像学研究中的脑模板。结论和意义一、首次利用较大样本的活体脑MRI数据,采用多种计算机图像分析方法对中国人和Caucasian大脑进行差异性研究,发现中国人和Caucasian在大脑结构上具有明显的差异,这为建立中国人数字化标准脑图谱提供了理论依据,为深入探讨东西方人脑的结构和功能差异提供了解剖学基础。 1.获取两组较大样本(年龄和性别完全匹配的中国男性右利青年和Caucasian男性右利青年各35例)的3D结构MRI数据,采用当前常用的图像分析方法直观地测量每个个体大脑的长、宽、高以及AC-PC线长度,对数据进行比较分析以后发现中国人和Caucasian的大脑形态和大小具有明显的区别,中国人大脑比Caucasian大脑更圆,因此大脑结构会有一定的区别。 2.利用LONI Brain Parser Pipeline对大脑的56个结构进行分割,手动校正,测量每个结构的体积,对比分析以后发现中国人和Caucasian在一些大脑结构上有明显的不同,进一步证实了以前关于中国人和Caucasian大脑功能存在显著差异的研究结果。 3.利用基于张量的形态测定法(TBM)研究中国人和Caucasian在大脑局部结构上的差异,对个体大脑MRI图像的每一个体素进行分析运算,发现中国人和Caucasian在大脑额叶、顶叶、颞叶、枕叶都有一定的区别。为将来进行中国人大脑结构和功能的研究提供科学的理论依据,激励研究人员进一步探索不同种群人脑之间的结构和功能差异。二、首次获取较大样本(56例)的中国人活体大脑3.0 T MRI三维结构数据,并利用国际上最先进的脑图像计算机处理方法和脑图谱建立方法建立具有中国人群特征的数字化标准脑模板。相比较ICBM152等已存在的脑模板来说,本模板具有更高的分辨率和更详细结构信息,而且更加适合中国人大脑研究;同时为全球性的ICBM的研究添加了中国人的数据。三、利用先进的数控冷冻铣切技术获取成人大脑标本的高质量的连续薄层断面数据,采用当前世界上常用的图像处理方法对数据进行预处理,并进行三维重建,获得大脑的三维重建模型,利用计算机和数学技术对三维脑模型进行一系列转换和空间标准化,首次建立了基于标本断面数据的中国人数字化标准脑图谱。该脑图谱不仅具有详细的解剖结构信息,而且具有MRI脑模板的空间特征,具有更加广泛的应用价值,为将来大脑结构和功能的探索提供详细的解剖学基础和值得借鉴的方法。
[Abstract]:......
【学位授予单位】：山东大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2009
【分类号】：R322.81

【引证文献】