CN110555844A - 功能磁共振成像技术fMRI在分析人脑区活动改变中的应用 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及功能磁共振成像技术fMRI在分析人脑区活动改变中的应用，包括建立人脑fMRI影像数据库以及对所得影像数据进行处理分析，所述影像数据的处理分析过程包括：BOLD信号预处理、ALFF和fALFF方法数据分析、ReHo方法数据分析、种子点功能分析。该方法可为RP的临床诊断、病程进展评估、药物疗效监测提供影像学依据，为揭示RP疾病发病机制以及指导临床治疗提供重要参考依据和技术支持，具有重要的临床应用价值。
Description
技术领域
本发明涉及功能性磁共振成像技术(fMRI)领域，具体而言，主要是利用的静息态fMRI技术和局部一致性(ReHo)与低频振幅(ALFF)数据处理方法分析人脑区活动改变。
背景技术
视网膜色素变性(retinitis pigmentosa,RP)是一种致盲的遗传性眼病，目前尚无有效的治疗方法，严重威胁了公众的健康。RP的临床治疗是目前眼科界的一大难题。典型RP在世界各地的平均发病率约为1/3500，全世界约有150万人患有此病。视网膜色素变性在临床上可表现为夜盲、进行性视野缺失，眼科检查可发现眼底视网膜色素沉着、管状视野、视网膜电流图峰值延长、幅度下降甚至无波形。视杆细胞变性引起的RP周边视力下降，然后是视锥细胞光感受器细胞死亡。RP发病早期主要为视杆光感受器细胞变性，随后继发内层视网膜细胞损害及神经胶质增生，晚期出现大片全层视网膜萎缩。虽然基因检测提高了诊断的准确性，但是目前尚无有效的治疗措施。尽管近年来基因治疗、干细胞疗法、光遗传学、视网膜假体等新兴技术蓬勃发展，但短期内这些新技术尚未能广泛地应用于临床。常见视网膜色素变性的诊断及评估主要依赖于眼压测量、光学相干断层成像(optical coherencetomography，OCT)、眼底彩照、造影(FFA)等检查，局限于眼部，无法评估视觉通路、中枢的改变。仅仅通过眼科检查手段对于RP患者视觉质量的评估及管理非常有限，RP引起的视觉通路及大脑及功能的改变尚不清楚，这些也为RP的治疗带来难点。
功能性磁共振成像(functional magnetic resonance imaging,fMRI)是一种新兴的神经影像学方式，其原理是利用磁振造影来测量神经元活动所引发之血液动力的改变。fMRI基于磁共振信号量化脑血流量及血氧饱和度，直观的反映神经元活动强弱，成像基础是血氧水平依赖成像(blood oxygen level dependence function MRI,BOLD fMRI)技术。有研究证实，神经元的活动强弱与细胞能量代谢的活跃程度密切相关，当大脑组织兴奋或特定功能区被激活时，相应脑区的神经元活动增强，皮质的局部血流量增加、用氧量增多，但当氧的转运量大于相应区域的用氧量，导致相应区域脱氧血红蛋白水平下降，而顺磁性的脱氧血红蛋白浓度在fMRI中极为敏感，脱氧血红蛋白水平的降低导致T2加权磁共振信号强度增加。通过MRI成像采集到的图像可见相应脑区呈高信号，从而获得激活脑区的功能成像图。近年来，神经影像学技术发展迅速，结构成像可以利用高分辨率三维解剖成像定量地评估视觉皮层体积和皮质的厚度，弥散张量成像(DTI)通过测量白质神经纤维和轴突中水分子运动方向，反应整个视觉通路神经纤维完整性，功能磁共振成像可以测定大脑活动的变化及各个脑网络之间复杂的连接关系。
fMRI的研究方法主要分为静息态、任务态两种，其中静息态功能成像(resting-state functional MRI,rs-fMRI)，相比任务态脑功能成像(task-state fMRI)操作更简便，磁共振仪器扫描中被试者不需要进行主动或被动性的复杂任务，仅需要保持放松、清醒、平静呼吸状态，在研究大脑的自发神经活动中有着巨大优势。静息态脑功能成像能同时探测大脑所有功能网络连接及其相互关系，目前已广泛用于各神经科学领域，如药物成瘾机制、脑的正常发育与老化、发育障碍、痴呆、脑白质疾病及精神病学等领域。
fMRI能检测出现于形态学改变之前的神经功能改变。在视神经炎、单盲等视觉疾病中均检测到视觉及视觉相关皮层脑神经活动异常，这些研究均提示fMRI是一种客观、稳定的检查技术。研究表明，失明个体与视觉区域的功能和形态重组有关，听觉皮层、感觉和运动皮层、语言皮层的可塑性变化在失明中也有报道。同时，部分失明也会导致人脑的跨模态可塑性。近年来已经有研究揭示RP患者伴有视觉中枢结构及功能的改变，RP患者的视觉剥夺可能导致人类大脑的经验依赖可塑性改变。但是，目前关于RP患者视觉丧失对大脑功能的调控作用机制尚不明确，同时有关周边视觉丧失对同步大脑活动影响的神经影像学研究也很少，这些都对RP疾病的临床诊疗带来了困难。利用fMRI技术分析RP患者视觉中枢和脑功能的改变，可以为RP的临床诊断、病程进展评估、药物疗效监测提供病理学和影像学数据，为揭示RP疾病发病机制以及指导临床治疗提供重要参考依据和技术支持，具有重要的临床应用价值。
发明内容
本发明的目的在于利用的静息态fMRI技术和局部一致性(ReHo)、低频振幅(ALFF)、种子点功能分析等数据处理方法分析人脑区功能的改变。
本发明解决上述技术问题所采用的方案是：
fMRI在分析人脑区活动改变中的应用，包括建立人脑fMRI影像数据库以及对所得影像数据进行处理分析，所述影像数据的处理分析过程包括：
(1)BOLD信号预处理，首先运用MRIcro软件去除缺陷数据，在MATLAB2010a平台上使用静息态功能磁共振成像数据处理助手DPARSFA软件进行预处理，预处理过程包括：
(1a)时间矫正，将各层图像的获取时间调配到一致；
(1b)头动矫正，设置扫描期间的头动参数，包括XYZ三个方向上的平移参数及旋转参数，然后将头动参数的各个时间点图像换算，剔除头部图像误差超过1.5°的被试者；
(1c)空间对齐，使同一像素标配到同一解剖位置，需要把每个个体大脑图像，标配到统一的空间进行分析；
(1d)高斯平滑；
(1e)去线性漂移；
(1f)滤波，将所有信号进行0.01—0.08Hz的低频滤波，去除不合适信号漂移；
(1g)线性回归，将低频振幅产生的干扰去除；
(2)ALFF和fALFF(比率低频振幅)方法数据分析，使用REST软件(现有技术，可参见http：//www.Restfmri.net)，通过大脑范围的频率信号数行傅立叶变换，将每个频数的序列转换为功率谱，获取血氧依赖频率阶段在0.01—0.08Hz信号内的振幅波度平均值，通过体素分析得到每个人的ALFF图像，得出ALFF值；
(3)ReHo方法数据分析，基于肯德尔一致性系数KCC，通过应用全脑26个体素的聚类大小，使用REST软件计算大脑中每个体素的聚类值；
(4)种子点功能分析，用REST软件计算选定的种子点与全脑体素之间的时间序列的关系。
优选地，建立人脑fMRI影像数据的过程包括：
(1)研究方案经医院伦理委员会批准，开展fMRI检测前所有参与者签署知情同意书；
(2)MRI扫描采用3.0T MR扫描8通道线圈；
(3)常规T1W1序列获取，扫描参数：重复时间TR＝1800ms，回波时间TE＝2.25ms，层厚＝1.0mm，层间隔＝0.5mm，矩阵＝255×255，视野FOV＝250mm×250mm，反转角度＝90，获取大脑影像图片，排除大脑无实质性病变；
(4)静息态fMRI扫描，运用平面梯度序列获取。扫描参数：重复时间(TR)＝2000ms，回波时间(TE)＝30ms，层厚＝4.0mm，层间隔＝1.2mm，矩阵＝64×64，反转角度＝900，视野＝220mm×220mm。
优选地，在空间对齐步骤中，用T1结构图，将图片进行分割，最后将分割图标配到蒙特利尔空间MNI空间。
优选地，在高斯平滑步骤中，像数据以6mm×6mm×6mm全宽半高进行高斯平滑。
优选地，线性回归步骤中，去除的干扰包括脑白质信号，脑脊液干扰信号及头部摇动。
本发明利用的静息态fMRI技术和局部一致性(ReHo)、低频振幅(ALFF)、种子点功能分析等数据处理方法分析人脑区功能的改变，该方法可为RP的临床诊断、病程进展评估、药物疗效监测提供影像学依据，为揭示RP疾病发病机制以及指导临床治疗提供重要参考依据和技术支持，具有重要的临床应用价值。
附图说明
图1为RP患者与健康对照组大脑自发神经活动的强弱比较，其中A：低频振幅的比较；B：低频振幅的平均值比较；C：比率低频振幅的比较；D：比率低频振幅平均值比较；
图2为RP组和正常对照组之间REHO的组比较，其中A：REHO地图的空间分布比较；B：平均REHO值的比较；
图3为RP组和正常对照组左侧V1in zFC图差异，其中A：典型频段(0.01-0.1赫兹)LB和SC受试者组水平左v1的分布平均zfc模式；B：两组间左v1的ZFC图的组内模式；C：两组间左v1差异的显著ZFC图(体素水平：P 0.01，GRF校正，聚类水平：P 0.05)；
图4为RP和正常对照组右侧V1差异的显著性FC图，其中A：典型频段(0.01-0.1赫兹)LB和SC受试者组水平右V1的分布平均zfc模式；B：两组间右v1的ZFC映射的组内模式；C：两组间右侧v1差异的显著ZFC图(体素水平：P 0.01，GRF校正，聚类水平：P 0.05)。
具体实施方式
为更好的理解本发明，下面的实施例是对本发明的进一步说明，但本发明的内容不仅仅局限于下面的实施例。
实施例1利用功能性磁共振成像技术(fMRI)进行视网膜色素变性疾病(RP)的临床诊断和病程评估。
一、建立RP患者fMRI影像数据库
1.制定RP患者纳入标准和排除标准
RP纳入标准：
a)可以进行MRI扫描(如无心脏起搏器或体内植入金属设备等)；
b)无幽闭恐怖症；
c)无心脏疾病、高血压和脑病；
d)夜盲症的临床特征；
e)视网膜色素上皮层较薄，骨针状色素沉着；
f)视野：周边视野损失。
RP排除标准：
a)RP患者双眼失明；
b)RP患者伴有眼部相关并发症(如白内障、青光眼、黄斑水肿等)；
c)RP患者伴有眼部手术病史。
2.利用fMRI获得RP患者影像资料，建立影像数据库
a)研究方案经医院伦理委员会批准，开展fMRI检测前所有参与者签署知情同意书；
b)MRI扫描采用3.0T MR扫描8通道线圈；
c)常规T1W1序列获取。扫描参数：重复时间(TR)＝1800ms,回波时间(TE)＝2.25ms，层厚＝1.0mm，层间隔＝0.5mm，矩阵＝255×255，视野(FOV)＝250mm×250mm，反转角度＝90°，获取大脑影像图片，排除大脑无实质性病变；
d)静息态fMRI扫描，运用平面梯度序列获取。扫描参数：重复时间(TR)＝2000ms，回波时间(TE)＝30ms，层厚＝4.0mm，层间隔＝1.2mm，矩阵＝64×64，反转角度＝900，视野＝220mm×220mm。
二、影像数据处理分析
本发明中RP患者的fMRI影像数据处理分为BOLD(blood oxygen leveldependencefunction)信号预处理、ALFF和fALFF方法数据分析、ReHo方法数据分析和V1区种子点功能分析。
1.BOLD信号预处理。
所得功能性磁共振数据首先运用MRIcro软件去除缺陷数据，在MATLAB2010a平台上使用静息态功能磁共振成像数据处理助手DPARSFA软件进行预处理：
a)时间矫正，由于成像中每层得到的图像时间不一致，时间矫正是将各层图像的获取时间调配到一致。
b)头动矫正，被试者在扫描过程中，头部可能不自主活动，使不同扫描之间的图像联系准确性遭到破坏，会导致大脑血流动力学改变，而影响血氧水平依赖磁共振成像技术-功能磁共振成像采集数据，产生伪影，会增加扫描误差，降低结果的准确性。具体方法是估计扫描期间的头动参数，包括XYZ三个方向上的平移参数及旋转参数，然后将头动参数的各个时间点图像换算，剔除头部图像误差超过1.5°的被试者。
c)空间对齐，因为每个人的大脑形状及大小不同，为了方便进行比对，使同一像素标配到同一解剖位置，需要把每个个体大脑图像，标配到统一的空间进行分析。我们用T1结构图，将图片进行分割，最后将分割图标配到蒙特利尔空间MNI空间。
d)高斯平滑，像数据以6mm×6mm×6mm全宽半高进行高斯平滑，为了图像减少图像标配不全效应，使图像符合高斯平滑，提高图像质量。
e)去线性漂移，用去线性漂移方法处理高斯平滑的图像，提高数据信躁比。
f)滤波，将所有信号进行0.01—0.08Hz的低频滤波，去除不合适信号漂移。
g)采取线性回归，线性回归，将脑白质信号，脑脊液干扰信号及头部摇动等对低频振幅产生的干扰去除。
2.ALFF和fALFF方法数据分析。
使用REST(http：//www.Restfmri.net)软件，通过大脑范围的频率信号数行傅立叶变换，将每个频数的序列转换为功率谱。获取血氧依赖频率阶段在(0.01—0.08Hz)信号内的振幅波度平均值，通过体素分析得到每个人的ALFF图像，得出ALFF值。
低频振幅(amplitude of low frequency fluctuation,ALFF)是用来描述空间内某一体素的自发活动强度的方法，通过获取0.01-0.08Hz频段内的频率幅值的平均值来实现。从能量这一方面来描述在静息状态下各个体素自发活动的强度，测量该体素内神经元自发活动幅度。通过RP患者与健康对照组ALFF的比较，发现RP患者视觉中枢的神经活动明显下降(图1)。提示RP患者大脑自发神经活动减弱主要在视觉中枢。
3.ReHo方法数据分析
局部一致性(regional homogeneity,ReHo)假定相同功能簇(functionalcluster)的每个体素(voxel)的血流动力学相似，且因条件变化而发生改变。也就是说可以评估同一时间内感兴趣区内体素和与之毗邻体素的血流动力学的一致程度，从而体现同一时间序列区域性的BOLD信号的相似程度。ReHo值的改变代表了此脑区血流动力学改变，即神经元自发活动的一致性发生改变。ReHo法研究全脑功能影像数据，是从时间一致性的角度进行全脑自发活动的分析，可整体描述全脑功能状态，但某一体素内神经元活动情况不能具体反映。
ReHo基于肯德尔一致性系数(KCC)，通过应用26个体素的聚类大小，使用REST软件计算大脑中的每个体素的聚类值。局部一致性反应局部大脑神经活动的强弱。RP患者相比较健康对照组，视觉中枢的局部神经活动降低(图2)。表明RP患者长时期的视觉剥夺引起视觉中枢的大脑功能活动减弱。
4.V1区种子点功能分析
功能连接表征两个脑区静息态血氧水平依赖信号的时间相关性，它的结构基础是脑单突触或多突触连接。我们以左侧视觉中枢(x＝-8,y＝-76,z＝10)和右侧视觉中枢(x＝7,y＝-76,z＝10)为种子点，用REST软件计算其与全脑体素之间的时间序列的关系。结果发现RP和正常对照组比较，双侧V1区与高级视觉中枢的及感觉运动中枢的功能连接减弱(图3、图4)，同时比较V1区与皮层下视觉相关核团(外侧膝状体，上丘，海马区)的功能连接关系，发现RP组相对于正常对照组，左侧V1与右侧上丘以及右侧V1与左侧海马，功能连接增高。然而右侧V1与左侧V1的功能连接下降。
以上所述是本发明的优选实施方式而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和变动，这些改进和变动也视为本发明的保护范围。
Claims (5)
1.fMRI在分析人脑区活动改变中的应用，其特征在于，包括建立人脑fMRI影像数据库以及对所得影像数据进行处理分析，所述影像数据的处理分析过程包括：
(1)BOLD信号预处理，首先运用MRIcro软件去除缺陷数据，在MATLAB2010a平台上使用静息态功能磁共振成像数据处理助手DPARSFA软件进行预处理，预处理过程包括：
(1a)时间矫正，将各层图像的获取时间调配到一致；
(1b)头动矫正，设置扫描期间的头动参数，包括XYZ三个方向上的平移参数及旋转参数，然后将头动参数的各个时间点图像换算，剔除头部图像误差超过1.5°的被试者；
(1c)空间对齐，使同一像素标配到同一解剖位置，需要把每个个体大脑图像，标配到统一的空间进行分析；
(1d)高斯平滑；
(1e)去线性漂移；
(1f)滤波，将所有信号进行0.01—0.08Hz的低频滤波，去除不合适信号漂移；
(1g)线性回归，将低频振幅产生的干扰去除；
(2)ALFF和fALFF方法数据分析，使用REST软件，通过大脑范围的频率信号数行傅立叶变换，将每个频数的序列转换为功率谱，获取血氧依赖频率阶段在0.01—0.08Hz信号内的振幅波度平均值，通过体素分析得到每个人的ALFF图像，得出ALFF值；
(3)ReHo方法数据分析，基于肯德尔一致性系数KCC，通过应用全脑26个体素的聚类大小，使用REST软件计算大脑中每个体素的聚类值；
(4)种子点功能分析，用REST软件计算选定的种子点与全脑体素之间的时间序列的关系。
2.根据权利要求1所述的应用，其特征在于，建立人脑fMRI影像数据的过程包括：
(1)研究方案经医院伦理委员会批准，开展fMRI检测前所有参与者签署知情同意书；
(2)MRI扫描采用3.0T MR扫描8通道线圈；
(3)常规T1W1序列获取，扫描参数：重复时间TR＝1800ms，回波时间TE＝2.25ms，层厚＝1.0mm，层间隔＝0.5mm，矩阵＝255×255，视野FOV＝250mm×250mm，反转角度＝90，获取大脑影像图片，排除大脑无实质性病变；
(4)静息态fMRI扫描，运用平面梯度序列获取。扫描参数：重复时间(TR)＝2000ms，回波时间(TE)＝30ms，层厚＝4.0mm，层间隔＝1.2mm，矩阵＝64×64，反转角度＝900，视野＝220mm×220mm。
3.根据权利要求1所述的应用，其特征在于，在空间对齐步骤中，用T1结构图，将图片进行分割，最后将分割图标配到蒙特利尔空间MNI空间。
4.根据权利要求1所述的应用，其特征在于，在高斯平滑步骤中，像数据以6mm×6mm×6mm全宽半高进行高斯平滑。
5.根据权利要求1所述的应用，其特征在于，线性回归步骤中，去除的干扰包括脑白质信号，脑脊液干扰信号及头部摇动。
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