一種大腦功能網(wǎng)絡(luò)活躍程度的度量方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于大腦功能網(wǎng)絡(luò)的研究，具體涉及到將大腦各功能分區(qū)抽象成節(jié)點(diǎn)，所 有節(jié)點(diǎn)之間的聯(lián)系抽象成一個(gè)大腦功能網(wǎng)絡(luò)，然后對(duì)分區(qū)節(jié)點(diǎn)的活躍度進(jìn)行度量。
【背景技術(shù)】
[0002] 大腦是一個(gè)復(fù)雜而又非常重要的器官，它控制著整個(gè)身體的協(xié)調(diào)。目前人們對(duì)大 腦的了解還很少，隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，特別是功能磁共振的應(yīng)用，讓人們對(duì)大腦內(nèi)部的奧 秘有了進(jìn)一步的認(rèn)識(shí)。例如在靜息態(tài)、活動(dòng)、刺激或者疾病的情況下，可以通過(guò)血氧含量的 變化來(lái)觀察相應(yīng)腦區(qū)的活動(dòng)情況。在早些年，對(duì)腦科學(xué)的研究可能僅僅局限于醫(yī)學(xué)，但近些 年，越來(lái)越多其它學(xué)科加入進(jìn)來(lái)，例如運(yùn)用計(jì)算機(jī)研究腦科學(xué)。計(jì)算機(jī)中的圖像處理技術(shù)可 以用來(lái)處理醫(yī)學(xué)類(lèi)圖像，例如運(yùn)用MATLAB工具箱對(duì)醫(yī)學(xué)圖像進(jìn)行增強(qiáng)，利用SPM工具箱對(duì) 磁共振圖像進(jìn)行分析等。目前，利用計(jì)算機(jī)知識(shí)來(lái)研究大腦功能網(wǎng)絡(luò)還不是很多，在這方面 的研究主要是利用復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)的知識(shí)去研究大腦的結(jié)構(gòu)和功能特性。
[0003] 根據(jù)大腦皮質(zhì)各層的細(xì)胞和纖維數(shù)量和分布不同，分區(qū)模板將大腦皮層分成若 干個(gè)分區(qū)，每個(gè)區(qū)的大小范圍不同，常用的標(biāo)準(zhǔn)分區(qū)模板有Brodmann分區(qū)模板、AAL分 區(qū)模板等。其中，Brodmann分區(qū)模板將大腦皮層分為104個(gè)區(qū)域，AAL分區(qū)模板將大腦 皮層分為90個(gè)區(qū)域。目前，運(yùn)用網(wǎng)絡(luò)知識(shí)對(duì)腦分區(qū)方面進(jìn)行研究的人非常少，關(guān)于大腦 分區(qū)方面的研究有的側(cè)重于檢測(cè)方面，如一種基于圖論的腦區(qū)間功能連接的檢測(cè)方法 (【申請(qǐng)?zhí)枴?00310120539. 2)，一種聯(lián)合fMRI和MEG的腦區(qū)因果連接檢測(cè)方法（【申請(qǐng)?zhí)枴?201110393691. 2);有的側(cè)重于腦區(qū)激活趨勢(shì)分析，如一種基于腦功能成像的腦內(nèi)激活趨勢(shì) 的分析方法（申請(qǐng)?zhí)?201210011180.4)。這方面的研究大多局限于某些激活腦區(qū)的檢測(cè) 或者腦區(qū)間一般性功能連接的檢測(cè)，國(guó)內(nèi)外專(zhuān)利文獻(xiàn)中對(duì)大腦功能網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)方面的研究不 多，尤其是對(duì)節(jié)點(diǎn)活躍度進(jìn)行度量的研究非常少。
[0004] 本發(fā)明在將大腦分區(qū)抽象成腦區(qū)功能網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)上，通過(guò)對(duì)腦區(qū)節(jié)點(diǎn)活躍度的計(jì) 算來(lái)度量腦功能網(wǎng)絡(luò)的活躍程度，主要用于分析腦疾病、腦損傷等特定被試者在靜息態(tài)或 任務(wù)態(tài)時(shí)相應(yīng)腦區(qū)的活躍程度，研究在刺激、認(rèn)知、活動(dòng)或者疾病情況下哪些腦區(qū)受到的影 響比較顯著，或者那些腦區(qū)之間的聯(lián)系比較密切。本發(fā)明涉及的技術(shù)特征還可以衍生出一 系列方法，在腦功能連接分析、認(rèn)知功能研究、精神疾病診斷與治療等領(lǐng)域具有一定的應(yīng)用 價(jià)值。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)存在的不足之處和實(shí)際應(yīng)用的需要，本發(fā)明要解決的問(wèn)題是：提供 一種大腦功能網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)活躍度的判定方法，實(shí)現(xiàn)對(duì)大腦功能區(qū)域活躍程度的度量。
[0006] 為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明采取以下技術(shù)方案：
[0007] 第一步：對(duì)一組正常被試者和一組特定被試者分別進(jìn)行功能磁共振掃描，獲得相 同狀態(tài)下（靜息態(tài)、任務(wù)態(tài)等）兩組被試的大腦功能磁共振圖像；將圖像進(jìn)行格式轉(zhuǎn)換、時(shí) 間校正、頭動(dòng)校正、配準(zhǔn)、空間標(biāo)準(zhǔn)化、平滑、去線性漂移、濾波等預(yù)處理操作；
[0008] 第二步：采用標(biāo)準(zhǔn)化大腦分區(qū)模板將功能磁共振圖像劃為若干區(qū)域，每個(gè)大腦區(qū) 域定義為一個(gè)節(jié)點(diǎn)，求出90個(gè)腦區(qū)中每個(gè)腦區(qū)的所有體素的平均時(shí)間序列；用每個(gè)節(jié)點(diǎn)的 平均時(shí)間序列兩兩作偏相關(guān)，求得任意兩個(gè)節(jié)點(diǎn)平均時(shí)間序列的Person相關(guān)系數(shù)；根據(jù)特 定的閾值P進(jìn)行判斷，大于閾值P的表示兩節(jié)點(diǎn)間存在一條邊，否則表示邊不存在，使整個(gè) 大腦形成一個(gè)含有多個(gè)節(jié)點(diǎn)以及節(jié)點(diǎn)之間連接邊的功能網(wǎng)絡(luò)；
[0009] 第三步：功能網(wǎng)絡(luò)中第i個(gè)節(jié)點(diǎn)Vi,節(jié)點(diǎn)v# η個(gè)節(jié)點(diǎn)直接連接，形成一個(gè)n+1個(gè) 節(jié)點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)；在節(jié)點(diǎn)v# η個(gè)節(jié)點(diǎn)形成的網(wǎng)絡(luò)中，任一節(jié)點(diǎn)X i的鄰邊數(shù)目k游為節(jié)點(diǎn)X i的 度，度值h越大，節(jié)點(diǎn)X ;與其它節(jié)點(diǎn)聯(lián)系越緊密；節(jié)點(diǎn)V ;的度為L(zhǎng) i，定義Pi為節(jié)點(diǎn)V ;的連 接強(qiáng)弱因子為：
[0011] 式中：ki為任意節(jié)點(diǎn)Xi的度，n+1為節(jié)點(diǎn)￥;與11個(gè)節(jié)點(diǎn)形成的網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)數(shù)目；P i值越大，即節(jié)點(diǎn)Vi的連接強(qiáng)弱因子越大，表示節(jié)點(diǎn)V i在形成的n+1個(gè)節(jié)點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)中連接越 強(qiáng)。
[0012] 第四步：在大腦功能網(wǎng)絡(luò)中，設(shè)節(jié)點(diǎn)v# S ;個(gè)節(jié)點(diǎn)直接連接，則S ;個(gè)節(jié)點(diǎn)間可能 存在的最大連接邊數(shù)為：
[0013] Q1= S1(S1-I) (2)
[0014] 若S1個(gè)節(jié)點(diǎn)間實(shí)際存在的邊數(shù)為M i，定義大腦功能網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)V1的活躍度為：
[0016] 將式⑴和式⑵代入式（3)，得到：
[0018] 式中：Kq為任意節(jié)點(diǎn)X q的度，S i為節(jié)點(diǎn)V占 S i個(gè)節(jié)點(diǎn)形成的網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)數(shù)目，L i 為節(jié)點(diǎn)V1的度。
[0019] 第五步：設(shè)N為大腦功能網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)數(shù)目，則整個(gè)大腦功能網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)平均活躍 度為：
[0021] 第六步：計(jì)算正常被試者的大腦功能網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)平均活躍度C，再計(jì)算特定被試者 某一腦區(qū)對(duì)應(yīng)的節(jié)點(diǎn)活躍度C1;比較C C，若C i大于C，表示C i所在的腦區(qū)活躍程度較高， 為活躍區(qū)域。
[0022] 采用上述技術(shù)方案后，本發(fā)明的有益技術(shù)效果是：
[0023] (1)本發(fā)明主要用于分析腦疾病、腦損傷等特定被試者在靜息態(tài)或任務(wù)態(tài)時(shí)相應(yīng) 腦區(qū)的活躍程度，研究在刺激、認(rèn)知、活動(dòng)或者疾病情況下哪些腦區(qū)受到的影響比較顯著， 或者那些腦區(qū)之間的聯(lián)系比較密切。
[0024] (2)本發(fā)明涉及的技術(shù)特征還可以衍生出一系列方法，在腦功能連接分析、認(rèn)知功 能研究、精神疾病診斷與治療等領(lǐng)域具有一定的應(yīng)用價(jià)值。
【附圖說(shuō)明】
[0025] 圖1是一種大腦功能網(wǎng)絡(luò)活躍程度度量方法的流程圖；
[0026] 圖2是統(tǒng)計(jì)意義上的腦梗死患者大腦功能網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖；
[0027] 圖3是特定被試者部分激活腦區(qū)的功能連接圖。
【具體實(shí)施方式】
[0028] 下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的說(shuō)明。
[0029] 如圖1所示，一種大腦功能網(wǎng)絡(luò)活躍程度的度量方法，具體實(shí)施例包括以下步驟：
[0030] (1)分別進(jìn)行兩組實(shí)驗(yàn)：
[0031] 實(shí)驗(yàn)一：對(duì)30例正常被試者（15男，15女，年齡20~40歲）進(jìn)行靜