專利名稱：三維腦磁共振數(shù)據(jù)處理中的皮層復(fù)雜性定量分析方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及磁共振成像技術(shù)領(lǐng)域，特別是一種利用計(jì)算幾何分形維數(shù)的三維腦磁共振數(shù)據(jù)處理中的皮層復(fù)雜性定量分析方法，對(duì)腦結(jié)構(gòu)磁共振數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。
背景技術(shù)：
核磁共振成像技術(shù)(Magnetic Resonance Imaging，MRI)主要利用氫原子核的核磁共振顯像進(jìn)行成像。圖像內(nèi)核磁共振信號(hào)的大小主要由組織的質(zhì)子密度，縱向和橫向馳豫時(shí)間，磁場(chǎng)不均勻性等因素決定。腦組織中，白質(zhì)，灰質(zhì)和腦脊液這三種組織的縱向馳豫時(shí)間差別比較大，因而形成清晰的結(jié)構(gòu)像，使對(duì)腦結(jié)構(gòu)的定量分析成為可能。
長(zhǎng)期的尸解研究證明，腦皮層的形狀復(fù)雜性與人腦的發(fā)育，病變，及認(rèn)知功能有密切的聯(lián)系。在絕大多數(shù)的腦結(jié)構(gòu)影像研究中，通過(guò)計(jì)算腦皮層白質(zhì)和灰質(zhì)的體素個(gè)數(shù)來(lái)統(tǒng)計(jì)腦皮層實(shí)質(zhì)的體積是唯一的度量皮層復(fù)雜性的方法。
Thompsom等人，(1998)提出一個(gè)度量來(lái)精細(xì)分析皮層復(fù)雜性。他們首先對(duì)腦皮層的腦溝進(jìn)行人工標(biāo)定，然后用參數(shù)化曲面擬合每一個(gè)腦溝，再對(duì)每個(gè)參數(shù)化曲面求其退化分形維數(shù)，用退化分形維數(shù)的大小來(lái)度量皮層腦溝復(fù)雜性。這個(gè)方法有一些重大的缺陷。首先，人工標(biāo)定腦溝沒(méi)有嚴(yán)格統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，受人為因素影響大，而且手工工作量大，不利于普遍推廣。其次，參數(shù)化曲面是一種二階光順的曲面，無(wú)法表達(dá)數(shù)據(jù)點(diǎn)所描述的細(xì)小形狀變化，因而精確度低。為此，我們提出了一種直接基于影像數(shù)據(jù)，計(jì)算皮層體素點(diǎn)集的分形信息維數(shù)的方法，以定量描述腦皮層形狀的復(fù)雜性。
參考文獻(xiàn)Thompson，P.，Moussai，J.，Zohoori，S.，Goldkorn，A.，Khan，A.，Mega，M.，Small，G.，Cummings，J.，Toga，A..Cortical variability and asymmetry innormal aging and Alzheimer’s disease.Cerebral Cortex，1998Vol.8，pp492-509.

發(fā)明內(nèi)容
一種對(duì)腦的結(jié)構(gòu)核磁共振數(shù)據(jù)進(jìn)行處理的方法，利用計(jì)算機(jī)設(shè)備，采用三維分形信息維對(duì)腦皮層表面的散亂體素集合的分布進(jìn)行分析，以達(dá)到檢測(cè)腦皮層形狀復(fù)雜性的目的，三維散亂點(diǎn)云的分形信息維，利用重正化群的理論，對(duì)腦皮層體素點(diǎn)云所描述的幾何形狀進(jìn)行定量分析，以此對(duì)腦皮層復(fù)雜性進(jìn)行研究。
所述的對(duì)腦的結(jié)構(gòu)核磁共振數(shù)據(jù)進(jìn)行處理的方法，對(duì)全腦或腦局部灰質(zhì)，白質(zhì)皮層，以及子結(jié)構(gòu)表面幾何形狀復(fù)雜性進(jìn)行測(cè)量。
一種利用離散體素的分形信息維數(shù)分析離散數(shù)據(jù)在三維空間中的分布的方法，對(duì)腦皮層形狀的復(fù)雜性進(jìn)行定量分析。在采集到三維結(jié)構(gòu)核磁共振數(shù)據(jù)并經(jīng)過(guò)必要的預(yù)處理后，提取全部或局部腦皮層灰質(zhì)與腦脊液交接處的體素，形成離散的腦灰質(zhì)外表面。計(jì)算離散數(shù)據(jù)在三維空間的分形信息維，因而獲得全腦或局部灰質(zhì)外皮層的形狀復(fù)雜性定量描述。這種方法也完全適用于測(cè)量灰質(zhì)內(nèi)皮層以及白質(zhì)皮層的形狀復(fù)雜性。該發(fā)明主要用于分析精神與神經(jīng)疾病所引起的腦皮層形狀異常。該方法計(jì)算精確，快速，在普通的微機(jī)上即可完成。該方法可廣泛應(yīng)用于腦結(jié)構(gòu)核磁共振的臨床與基礎(chǔ)研究中。
本發(fā)明的核心部分在于，將三維腦結(jié)構(gòu)核磁共振圖像進(jìn)行組織分割后，對(duì)全腦或者感興趣的腦區(qū)，提取位于灰質(zhì)和腦脊液邊界處的體素，將這些體素看成三維空間中的一個(gè)離散點(diǎn)集。計(jì)算該點(diǎn)集的信息維數(shù)，從而對(duì)腦區(qū)的皮層形狀復(fù)雜性進(jìn)行定量分析。這種方法也適用于分析白質(zhì)皮層的形狀復(fù)雜性。該方法計(jì)算過(guò)程快速，穩(wěn)定，在普通的微機(jī)上即可完成。其實(shí)現(xiàn)過(guò)程可分為4個(gè)步驟，如圖1所示。


圖1是本發(fā)明實(shí)現(xiàn)過(guò)程的流程圖。
圖2是前額葉的定義圖。
圖3是左側(cè)前額葉灰質(zhì)皮層的提取圖。
具體實(shí)施例方式
圖1所示，步驟一(S1)、腦結(jié)構(gòu)核磁共振數(shù)據(jù)的獲取腦功能結(jié)構(gòu)核磁共振數(shù)據(jù)的采集在具備能夠成T1或T2加權(quán)結(jié)構(gòu)像的磁共振掃描儀上完成。成像的具體參數(shù)無(wú)特殊要求，空間分辨率一般為數(shù)毫米，如1×1mm2。，對(duì)受試者的配合無(wú)特殊要求，只需要告訴受試者安靜閉目，盡量保持頭部不動(dòng)。
步驟二(S2)、預(yù)處理數(shù)據(jù)采集完畢后一般需要進(jìn)行常規(guī)預(yù)處理，包括頭動(dòng)矯正、空間標(biāo)準(zhǔn)化等，但這些過(guò)程要根據(jù)使用目的來(lái)決定，并非必需的過(guò)程。這些基本過(guò)程完成后，去除顱腦部分，以及小腦，腦干等，對(duì)大腦進(jìn)行組織分割。然后對(duì)感興趣的腦區(qū)進(jìn)行劃分。
步驟三(S3)、提取腦皮層體素預(yù)處理完成后，對(duì)感興趣的皮層提取表面的體素，計(jì)算每個(gè)體素質(zhì)心在三維空間中的位置，將這些位置看成一個(gè)空間離散點(diǎn)集。
步驟四(S4)、計(jì)算分形信息維數(shù)對(duì)步驟三所得到的空間離散點(diǎn)集進(jìn)行空間歸一化，然后計(jì)算其分形信息維數(shù)。對(duì)大腦皮層而言，這個(gè)信息維數(shù)是一個(gè)1和3之間的數(shù)值。這個(gè)值越靠近3，說(shuō)明皮層形狀的復(fù)雜性越大，反之，如果它越靠近1，說(shuō)明皮層形狀的復(fù)雜性越小。
圖2是前額葉的定義(豎直線左側(cè)為前額葉部位)，一個(gè)左側(cè)前額葉灰質(zhì)皮層的提取示例，其中(a)為所提取的皮層體素，(b)為這些體素質(zhì)心在三維空間中形成的離散點(diǎn)集。
圖3是左側(cè)前額葉灰質(zhì)皮層的提取。a皮層體素，b體素質(zhì)心在三維空間中形成的離散點(diǎn)集。
下面舉例說(shuō)明本發(fā)明的實(shí)現(xiàn)過(guò)程步驟一(S1)、數(shù)據(jù)獲取病例組為12名符合美國(guó)精神障礙診斷與統(tǒng)計(jì)手冊(cè)(第四版)(DSM-IV)ADHD診斷標(biāo)準(zhǔn)的男孩，年齡11.67-14.83歲。對(duì)照組為來(lái)自鄰近中學(xué)的11名男孩，年齡12.67-13.92歲。所有被試均為右利手，智商＞80分，排除廣泛性發(fā)育障礙，兒童精神分裂癥，情緒障礙等其他兒童期常見(jiàn)的精神障礙及神經(jīng)系統(tǒng)發(fā)育障礙，排除器質(zhì)性疾病所致的注意力缺陷者，排除早產(chǎn)兒(＜34周)及有嚴(yán)重腦外傷史(致昏迷)者。本研究的目的是比較正常兒童與患有ADHD的兒童大腦的左右兩邊前額葉灰質(zhì)皮層的形狀復(fù)雜性的差異，以了解該病變對(duì)前額葉灰質(zhì)皮層發(fā)育的影響。所有影像學(xué)數(shù)據(jù)均在Siemens Trio3.0T機(jī)器上采集，使用標(biāo)準(zhǔn)頭部線圈作為發(fā)射和接收線圈。在定位掃描后進(jìn)行常規(guī)頭部掃描，以排除腦部病變。三維結(jié)構(gòu)像采用SPGR序列進(jìn)行矢狀位全腦掃描，TR＝1770ms，TE＝3.92ms，IT(反轉(zhuǎn)時(shí)間)＝1100ms，反轉(zhuǎn)角＝12°，掃描范圍(FOV)＝256mm×256mm，矩陣512×512，層厚＝1mm，層間隔＝0.5mm，共192層，掃描時(shí)間15分鐘；掃描時(shí)囑受試者頭部盡量保持不動(dòng)。
步驟二(S2)、預(yù)處理首先，使用MRIcro(http//www.psychology.nottingham.ac.uk/staff/crl/mricro.html)軟件自動(dòng)去除非腦組織。然后，手動(dòng)去除腦干，小腦，以及殘留的非腦組織。選一個(gè)正常人作為模版，使用SPM5b(http//www.fil.ion.ucl.ac.uk/spm/)進(jìn)行剛體配準(zhǔn)，這一步驟是為了通過(guò)旋轉(zhuǎn)和平移交正頭的位置，以便使用統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行前額葉分割。前額葉的定義如圖1所示，豎直線左側(cè)的腦組織為前額葉。最后，對(duì)前額葉進(jìn)行組織分割。
步驟三(S3)、提取腦皮層體素預(yù)處理完成后，提取前額葉灰質(zhì)于腦脊液交接表面的所有體素，計(jì)算每個(gè)體素質(zhì)心在三維空間中的位置，將這些位置看成一個(gè)空間離散點(diǎn)集。圖2是一個(gè)左側(cè)前額葉灰質(zhì)皮層的提取示例，其中(a)為所提取的皮層體素，(b)為這些體素質(zhì)心在三維空間中形成的離散點(diǎn)集。
步驟四(S4)、計(jì)算分形信息維數(shù)對(duì)步驟三所得到的空間離散點(diǎn)集進(jìn)行空間歸一化，然后計(jì)算其分形信息維數(shù)。對(duì)病人組和對(duì)照組的前額葉左右兩側(cè)分別進(jìn)行t統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)后，發(fā)現(xiàn)病人和正常人都有前額葉皮層形狀復(fù)雜性左大于右的模式。但是，病人的左側(cè)前額葉皮層形狀復(fù)雜性顯著低于正常人，其右側(cè)也低于正常人，但是沒(méi)有達(dá)到顯著性水平。這些變化反映了ADHD疾病的確與前額葉皮層形狀復(fù)雜性的發(fā)育不良有密切關(guān)系。
總之，用離散點(diǎn)集的分形維數(shù)對(duì)腦皮層形狀復(fù)雜性進(jìn)行精確測(cè)量有非常廣泛的應(yīng)用前景。與傳統(tǒng)的方法相比較，本方法有如下主要優(yōu)點(diǎn)(1)避免了繁重的手工標(biāo)定腦溝的工作，以及因沒(méi)有統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)而造成的主觀誤差；(2)無(wú)需對(duì)離散體素點(diǎn)集進(jìn)行參數(shù)化擬合，因而保證一些皮層形狀的細(xì)小變化被考察到，有效地提高了測(cè)量精確度；(3)整個(gè)處理過(guò)程速度快，消耗內(nèi)存少，有利于普遍推廣，有非常重要的生理及臨床意義。
權(quán)利要求
1.一種對(duì)腦的結(jié)構(gòu)核磁共振數(shù)據(jù)進(jìn)行處理的方法，其特征是，利用計(jì)算機(jī)設(shè)備，采用三維分形信息維對(duì)腦皮層表面的散亂體素集合的分布進(jìn)行分析，以達(dá)到檢測(cè)腦皮層形狀復(fù)雜性的目的，三維散亂點(diǎn)云的分形信息維，利用重正化群的理論，對(duì)腦皮層體素點(diǎn)云所描述的幾何形狀進(jìn)行定量分析，以此對(duì)腦皮層復(fù)雜性進(jìn)行研究。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的對(duì)腦的結(jié)構(gòu)核磁共振數(shù)據(jù)進(jìn)行處理的方法，其特征在于，對(duì)全腦或腦局部灰質(zhì)，白質(zhì)皮層，以及子結(jié)構(gòu)表面幾何形狀復(fù)雜性進(jìn)行測(cè)量。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的對(duì)腦的結(jié)構(gòu)核磁共振數(shù)據(jù)進(jìn)行處理的方法，其特征在于，將三維腦結(jié)構(gòu)核磁共振圖像進(jìn)行組織分割后，對(duì)全腦或者感興趣的腦區(qū)，提取位于灰質(zhì)和腦脊液邊界處的體素，將這些體素看成三維空間中的一個(gè)離散點(diǎn)集，計(jì)算該點(diǎn)集的信息維數(shù)，從而對(duì)腦區(qū)的皮層形狀復(fù)雜性進(jìn)行定量分析。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的對(duì)腦的結(jié)構(gòu)核磁共振數(shù)據(jù)進(jìn)行處理的方法，其特征在于，在采集到三維結(jié)構(gòu)核磁共振數(shù)據(jù)并經(jīng)過(guò)必要的預(yù)處理后，提取全部或局部腦皮層灰質(zhì)與腦脊液交接處的體素，形成離散的腦灰質(zhì)外表面，計(jì)算離散數(shù)據(jù)在三維空間的分形信息維，因而獲得全腦或局部灰質(zhì)外皮層的形狀復(fù)雜性定量描述。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的對(duì)腦的結(jié)構(gòu)核磁共振數(shù)據(jù)進(jìn)行處理的方法，其特征在于，步驟S1、腦結(jié)構(gòu)核磁共振數(shù)據(jù)的獲取腦功能結(jié)構(gòu)核磁共振數(shù)據(jù)的采集在具備能夠成T1或T2加權(quán)結(jié)構(gòu)像的磁共振掃描儀上完成；步驟S2、預(yù)處理數(shù)據(jù)采集完畢后一般需要進(jìn)行常規(guī)預(yù)處理，包括頭動(dòng)矯正、空間標(biāo)準(zhǔn)化；步驟S3、提取腦皮層體素預(yù)處理完成后，對(duì)感興趣的皮層提取表面的體素，計(jì)算每個(gè)體素質(zhì)心在三維空間中的位置，將這些位置看成一個(gè)空間離散點(diǎn)集；步驟S4、計(jì)算分形信息維數(shù)對(duì)步驟S3所得到的空間離散點(diǎn)集進(jìn)行空間歸一化，然后計(jì)算其分形信息維數(shù)。
全文摘要
本發(fā)明涉及三維結(jié)構(gòu)核磁共振成像技術(shù)領(lǐng)域，一種利用離散體素的分形信息維數(shù)分析離散數(shù)據(jù)在三維空間中的分布的方法，對(duì)腦皮層形狀的復(fù)雜性進(jìn)行定量分析。在采集到三維結(jié)構(gòu)核磁共振數(shù)據(jù)并經(jīng)過(guò)必要的預(yù)處理后，提取全部或局部腦皮層灰質(zhì)與腦脊液交接處的體素，形成離散的腦灰質(zhì)外表面。計(jì)算離散數(shù)據(jù)在三維空間的分形信息維，因而獲得全腦或局部灰質(zhì)外皮層的形狀復(fù)雜性定量描述。這種方法也完全適用于測(cè)量灰質(zhì)內(nèi)皮層以及白質(zhì)皮層的形狀復(fù)雜性。該發(fā)明主要用于分析精神與神經(jīng)疾病所引起的腦皮層形狀異常。該方法計(jì)算精確，快速，在普通的微機(jī)上即可完成。該方法可廣泛應(yīng)用于腦結(jié)構(gòu)核磁共振的臨床與基礎(chǔ)研究中。
文檔編號(hào)G06T1/00GK1947655SQ20051010933
公開(kāi)日2007年4月18日 申請(qǐng)日期2005年10月13日 優(yōu)先權(quán)日2005年10月13日
發(fā)明者蔣田仔, 李曉波, 朱萬(wàn)琳 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院自動(dòng)化研究所