CN112546446A - 一种基于权重功能连接的个体化靶点定位方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于权重功能连接的个体化靶点定位方法，包括如下步骤：步骤S1、对无磁共振禁忌症的患者进行结构磁共振和静息态功能磁共振扫描，得到结构磁共振和静息态功能磁共振数据；步骤S2、对患者进行轻度认知损害的量表评估，确定量表的不同维度的评分；步骤S3、对静息态功能磁共振数据进行预处理；步骤S4、确定所需干预的深部脑区及表层联系脑区；步骤S5、结合认知评估量表的评分，计算认知相关的深部脑区与感兴趣脑区的功能连接最大权重功能连接，确立最大权重功能连接对应的感兴趣脑区的点作为经颅磁刺激的个体化的刺激靶点。该方法克服重复经颅磁刺激只能聚焦于大脑表层无法刺激深部脑组织的问题。
Description
技术领域
本发明涉及医学影像技术领域，具体的，涉及一种基于权重功能连接的个体化靶点定位方法。
背景技术
人体大脑的各脑区之间并不是孤立的，而是在神经活动中相互关联，功能连接(FC)可以描述这种关联性的强度。对于神经活动关联强的若干脑区，通常称其为网络，网络内一个脑区的活动改变，会影响网络内其它脑区的活动，其功能呈同步性。
经颅磁刺激是一种安全、无创的非侵入性干预手段，其原理是根据电磁感应效应，通过在颅外施加变化的磁场以在颅内产生感应电流，改变神经元膜电位，调节神经元活动，引起脑功能变化。重复经颅磁刺激(repetitive transcranial magnetic stimulation,rTMS)是在一段时间内，在大脑的特定区域以相同的强度传递一系列脉冲，从而对大脑产生一系列的刺激，诱导持久作用，改变和调节皮层神经元的活动。rTMS的作用机制有以下三种：直接靶向，距离效应和分布式调制。大多数rTMS研究都基于其直接靶向作用，即调节靶向功能障碍区域的神经元活动；距离效应是刺激与功能障碍区域功能相关的神经区域，从而改善功能障碍区域的功能；分布式调节则通过刺激特定的大脑网络调节大脑活动。因此rTMS不仅可以调节刺激部位的神经活动，也可以远距离调控活动关联性强的其它脑区或网络。
由于rTMS可以无创、安全地调节特定脑区或脑网络的神经活动和功能，已广泛应用于各种神经精神疾病的研究及临床的诊治，如阿尔茨海默病等，并在改善其认知功能等方面表现出了巨大的潜力。由于TMS刺激作用于头皮，可以直接刺激到浅层脑区，包括顶叶、额叶等脑区，TMS刺激能直接达到的这些浅层脑区，由于其与头皮上的特定坐标点与对应的浅层脑区具有对应关系，因此，这些头皮坐标可以形象地称为TMS靶点。如果目标脑区位于浅层脑区，通过靶点定位，TMS可以直接对目标脑区进行刺激。
然而，认知相关脑区不仅位于浅层脑皮层，在深层脑区中也有分布，包括海马、脑岛、前扣带回、后扣带回等脑区。对于这些深层脑区，TMS刺激是无法直接达到的。因此，需要使用较为复杂的算法进行最优靶点定位。
TMS可以刺激浅层脑区，为了能够使TMS效应准确作用到治疗目标的深层脑区，目前主要采用的方法是间接的功能连接算法。对于深层脑区，可以计算其与不同浅层脑区之间的功能连接，功能连接代表两个脑区之间的信息交互强度和联系紧密程度，信息交互越强、联系越紧密则表现为功能连接越强。因此，采用功能连接算法，可以找到与目标深层脑区联系最强的浅层脑区，对找到的浅层脑区进行刺激，可以使得TMS效应抵达目标深层脑区，达到刺激并治疗深层目标脑区的目的。这一过程，可以总结为基于功能连接强度的靶点定位方法，也是目前使用最多的方法。基于功能连接的靶点定位方法，一定程度上解决了TMS方法刺激深层脑区的问题，但并没有完全解决TMS治疗的问题，原因在于认知退行性的中枢神经系统疾病的病灶脑区并非单一脑区，使用TMS治疗单纯刺激某个脑区，也无法达到预期的治疗目的。这些疾病往往是多个脑区、甚至多个脑网络功能模块出现了病变，从而无法执行正常的神经活动功能，产生认知退行病症。目前的靶点定位方法，虽然能够较为有效地定位深层目标脑区，但是这类方法只能对单个脑区施加刺激，在提升治疗有效性方面存在欠缺。
为解决现有方法遇到的困难，本申请的发明人拟提出一种基于权重功能连接的个体化的经颅磁刺激靶点定位系统；该方法克服重复经颅磁刺激只能聚焦于大脑表层无法刺激深部脑组织的问题，同时，结合临床认知损害的维度不同，提供精准的认知损害的神经精神疾病的经颅磁刺激寻找精准的个体化治疗靶点。
发明内容
本发明的目的是解决上述技术问题的弊端，提出了一种基于权重功能连接的个体化靶点定位方法，
为实现上述技术目的，本发明提供的一种技术方案是，一种基于权重功能连接的个体化靶点定位方法，包括如下步骤：
步骤S1、对无磁共振禁忌症的患者进行结构磁共振和静息态功能磁共振扫描，得到结构磁共振和静息态功能磁共振数据；
步骤S2、对患者进行轻度认知损害的量表评估，确定量表的不同维度的评分；其中认知损害的量表包括但不仅限于简明精神状态评价量表(MMSE)；
步骤S3、对静息态功能磁共振数据进行预处理；
步骤S4、确定所需干预的深部脑区及表层联系脑区；
步骤S5、结合认知评估量表的评分，计算认知相关的深部脑区与感兴趣脑区的功能连接最大权重功能连接，确立最大权重功能连接对应的感兴趣脑区的点作为经颅磁刺激的个体化的刺激靶点。
作为优选，对静息态功能磁共振数据进行预处理包括有头动校准处理、配准处理以及平滑处理；所述头动校正处理是对时间序列中的头动伪迹进行去除；所述配准处理指空间位置和偏转方向配准；针对不同批次的功能磁共振数据进行批次间空间匹配，也是针对不同批次的脑成像数据模板配准到标准模板的空间匹配，所述平滑处理是使用空间滤波器，对功能磁共振数据进行空间滤波。
作为优选，步骤S4中，包括如下步骤：
以深部脑区为种子点，在所属的功能网络中，对感兴趣区域中所有体素的时间序列和深部脑区体素的时间序列进行滤波；
计算感兴趣浅层大脑皮层区域每个体素与认知相关的深部脑区的相关系数作为功能连接强度指标。
作为优选，步骤S5中，权重功能连接包括如下步骤：
步骤S51、确认若干深部脑区，作为种子点区域，每个目标脑区对应不同的认知功能；
S52、基于认知功能相关的量表评分进行权重估计，获取不同认知功能所对应脑区的权重值；步骤S53、设定TMS刺激的皮层靶区，以便进一步确定区域内刺激靶点；
步骤S54、计算不同种子点区域与指定皮层靶区中每个体素的功能连接性；得到的各种子点与各靶区体素功能连接强度；
步骤S55、结合不同种子点的认知功能权重，重新计算皮层靶区内各体素的权重功能连接强度；
其中，
代表加权后的时间序列，wi代表第i个种子点的权重系数；
步骤S56、根据计算结果，选取皮层靶区内权重连接强度最高点作为刺激靶点。
作为优选，步骤S54中，功能连接强度的计算公式如下：
其中，xt和xs分别代表靶点脑区和种子点脑区体素的时间序列，||·||代表对向量求2-范数。
作为优选，步骤S55中，采用指数加权方法计算权重系数的公式如下：
wi＝exp(-Si)
其中，Si代表认知损伤得分，分数越低表示认知损伤越严重；由指数函数的一阶导数性质可知，这样的加权方法具有一定的非线性，分数越接近零，不仅权重系数越大，而且加权系数的放大效应也越强。
本发明的有益效果：本发明方法通过计算认知功能相关的深部脑区与全脑的活动相关性，可以找到与目标深层脑区联系最强的浅层脑区，结合认知评估量表，寻找权重最大的功能连接的大脑浅层脑区的点作为刺激靶点。既可以远距离干预目标深部脑区活动，又结合认知障碍的不同维度的权重，寻找精准的个体化治疗靶点；克服重复经颅磁刺激(rTMS)只能聚焦于大脑表层，无法刺激深部脑组织的问题，同时，结合临床认知损害的维度不同，提供精准的认知损害的神经精神疾病的经颅磁刺激的靶点定位方法。
附图说明
图1为本发明的一种基于权重功能连接的个体化靶点定位方法的流程图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案以及优点更加清楚明白，下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细说明，应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅是本发明的一种最佳实施例，仅用以解释本发明，并不限定本发明的保护范围，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例：如图1所示，
步骤S1、选择合适患者进行磁共振扫描：本实施例中，选择合适的阿尔茨海默病患者入组，对患者进行结构磁共振和静息态功能磁共振扫描；嘱咐患者扫描期间全程保持安静清醒和头部不动，进行静息态功能磁共振扫描时告知患者患者保持睁眼，观看电脑屏幕；结构磁共振3D-T1扫描。
步骤S2、基于认知功能相关的量表(如简明精神状态评价量表(MMSE)))评分，简明精神状态评价量表(MMSE)如表1所示，进行权重估计，如(定向力10分，记忆,3分，注意力3分，语言6分，(说明：此量表满分30分，分别定向力10分，记忆力6分，注意与计算5分，语言9分；评分小于24分为异常，)获取不同认知功能所对应脑区的权重值为(10/30+6/30+5/30+9/30)。
步骤S3、确定所需干预的深部脑区及表层联系脑区：
本实施例中，主要表现为记忆的损害以及注意力的损害，以及语言能力的改变，根据海马是记忆系统中的核心结构，也是阿尔茨海默病的主要受损结构，因此我们选择左侧海马体；注意力的对应脑区通常为前扣带回；语言为颞叶。
步骤S4、设定TMS刺激的皮层靶区；
感兴趣的大脑浅层皮层为：背外侧前额叶与顶叶皮层。
步骤S5、寻找表层刺激靶点：将以上三个区域与确定的皮层靶区中每个体素的功能连接性，得到的各种子点与各靶区体素功能连接强度分别计算做功能连接，根据权重公式，计算出权重功能连接，确定为刺激靶点；其中，权重功能连接包括如下步骤：
步骤S51、确认若干深部脑区，作为种子点区域，每个目标脑区对应不同的认知功能；
S52、基于认知功能相关的量表评分进行权重估计，获取不同认知功能所对应脑区的权重值；
步骤S53、设定TMS刺激的皮层靶区，以便进一步确定区域内刺激靶点；
步骤S54、计算不同种子点区域与指定皮层靶区中每个体素的功能连接性；得到的各种子点与各靶区体素功能连接强度；
功能连接强度的计算公式如下：
其中，xt和xs分别代表靶点脑区和种子点脑区体素的时间序列，||·||代表对向量求2-范数；
步骤S55、结合不同种子点的认知功能权重，重新计算皮层靶区内各体素的权重功能连接强度；
其中，
代表加权后的时间序列，wi代表第i个种子点的权重系数；
采用指数加权方法计算权重系数的公式如下：
wi＝exp(-Si)
其中，Si代表认知损伤得分，分数越低表示认知损伤越严重；由指数函数的一阶导数性质可知，这样的加权方法具有一定的非线性，分数越接近零，不仅权重系数越大，而且加权系数的放大效应也越强；
步骤S56、根据计算结果，选取皮层靶区内权重连接强度最高点作为刺激靶点。
步骤S6、结合不同种子点的认知功能权重，重新计算皮层靶区内各体素的权重功能连接强度根据计算结果，选取皮层靶区内权重连接强度最高点作为刺激靶点。
表一.简明精神状态评价量表(MMSE))
简易精神状态评价量表(MMSE)
以上所述之具体实施方式为本发明一种基于权重功能连接的个体化靶点定位方法的较佳实施方式，并非以此限定本发明的具体实施范围，本发明的范围包括并不限于本具体实施方式，凡依照本发明之形状、结构所作的等效变化均在本发明的保护范围内。
Claims (7)
1.一种基于权重功能连接的个体化靶点定位方法，其特征在于：包括如下步骤：
步骤S1、对无磁共振禁忌症的患者进行结构磁共振和静息态功能磁共振扫描，得到结构磁共振和静息态功能磁共振数据；
步骤S2、对患者进行轻度认知损害的量表评估，确定量表的不同维度的评分；
步骤S3、对静息态功能磁共振数据进行预处理；
步骤S4、确定所需干预的深部脑区及表层联系脑区；
步骤S5、结合认知评估量表的评分，计算认知相关的深部脑区与感兴趣脑区的功能连接最大权重功能连接，确立最大权重功能连接对应的感兴趣脑区的点作为经颅磁刺激的个体化的刺激靶点。
2.根据权利要求1所述的一种基于权重功能连接的个体化靶点定位方法，其特征在于：
认知损害的量表包括但不仅限于简明精神状态评价量表。
3.根据权利要求1所述的一种基于权重功能连接的个体化靶点定位方法，其特征在于：
对静息态功能磁共振数据进行预处理包括有头动校准处理、配准处理以及平滑处理；所述头动校正处理是对时间序列中的头动伪迹进行去除；所述配准处理指空间位置和偏转方向配准；所述平滑处理是使用空间滤波器，对功能磁共振数据进行空间滤波。
4.根据权利要求1所述的一种基于权重功能连接的个体化靶点定位方法，其特征在于：
步骤S4中，包括如下步骤：
以深部脑区为种子点，在所属的功能网络中，对感兴趣区域中所有体素的时间序列和深部脑区体素的时间序列进行滤波；
计算感兴趣浅层大脑皮层区域每个体素与认知相关的深部脑区的相关系数作为功能连接强度指标。
5.根据权利要求1所述的一种基于权重功能连接的个体化靶点定位方法，其特征在于：
步骤S5中，权重功能连接包括如下步骤：
步骤S51、确认若干深部脑区，作为种子点区域，每个目标脑区对应不同的认知功能；
S52、基于认知功能相关的量表评分进行权重估计，获取不同认知功能所对应脑区的权重值；
步骤S53、设定TMS刺激的皮层靶区，以便进一步确定区域内刺激靶点；
步骤S54、计算不同种子点区域与指定皮层靶区中每个体素的功能连接性；得到的各种子点与各靶区体素功能连接强度；
步骤S55、结合不同种子点的认知功能权重，重新计算皮层靶区内各体素的权重功能连接强度；
其中，
代表加权后的时间序列，wi代表第i个种子点的权重系数；
步骤S56、根据计算结果，选取皮层靶区内权重连接强度最高点作为刺激靶点。
6.根据权利要求5所述的一种基于权重功能连接的个体化靶点定位方法，其特征在于：步骤S54中，功能连接强度的计算公式如下：
其中，xt和xs分别代表靶点脑区和种子点脑区体素的时间序列，||·||代表对向量求2-范数。
7.根据权利要求5所述的一种基于权重功能连接的个体化靶点定位方法，其特征在于：步骤S55中，采用指数加权方法计算权重系数的公式如下：
wi＝exp(-Si)
其中，Si代表认知损伤得分，分数越低表示认知损伤越严重。
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