[发明专利]一种基于全局连接特征和测地距离的丘脑核团分区方法

说明书

本发明公开了一种基于全局连接特征和测地距离的丘脑核团分区方法，以实现对大脑丘脑区域的核团分区，该方法首先利用大脑静息态磁共振图像的时间序列信息，结合大脑不同组织的先验图谱，构建了丘脑体素水平的全局连接特征，降低特征的维度从而减少了噪声；其次，结合大脑的三维空间结构信息，构建基于测地距离的丘脑相似度矩阵，更有效地利用了特征的信息；最后提出一种归一化割谱聚类的方法来结合丘脑体素相似度信息对体素进行聚类，与传统方法相比，本发明提出的方法能更有效的降低静息态磁共振图像的噪声影响，提取出高质量的特征，生成精确有效的丘脑核团分区。

技术领域

本发明涉及一种丘脑核团分区方法，具体涉及一种基于全局连接特征和测地距离的丘脑核团分区方法，属于数字图像技术领域。

背景技术

丘脑是人体间脑中最大的卵圆形灰质核团。在大脑皮层不发达的动物中，丘脑是感觉的最高级中枢；在大脑皮层发达的动物中，是最重要的感觉传递中继站，来自全身的各种感觉(除嗅觉)的传导均需通过丘脑才能到达皮质区域。丘脑的机能失调会牵连生理和神经的失调。在细胞结构水平上，丘脑能分为几个亚区，每个亚区都与皮层有不同的连接，因此对丘脑的不同分割能加深对丘脑功能的理解和其与生理神经失调的联系。功能性磁共振成像(fMRI，functional Magnetic Resonance Imaging)是一种神经影像学技术。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。由于fMRI 的非侵入性和其较少的辐射暴露量，从1990年代开始其就在脑部功能定位领域占有了重要地位。同时研究者还发现人在处于休息、放松状态下的自发的、不间断的脑活动同样可以用来研究神经系统。1995年，Biswal等最先报告了第一个静息态功能磁共振成像研究。Biswal等人的研究发现人类受试者左右两侧感觉运动皮层在静息态时的fMRI血氧水平信号(BOLD)存在很高的相关性。人脑在静息态时的脑活动，被认为是一种不间断的、自发的脑活动。因此，通常认为静息态脑活动与动物电生理研究中的不间断的脑活动有着密切联系。

MRI技术是对活体脑结构进行分区的一个强有力工具，因为它能提供解剖上和功能上的微观信息。对fMRI来说，将皮层分为基于功能连接性的分区是有必要的，而rs-fMRI是一种非常有效地工具来非侵入式地刻画出自发的和内在的具有高度敏感性的功能连接性。Rs-fMRI数据根据血氧浓度相依对比(Blood oxygen-level dependent,BOLD)来反映大脑活动情况。特征指大脑的功能连接，通常使用相关性来分析大脑的功能连接，功能连接也就是度量空间上分离的脑区时间上的相关性，即脑区间是否存在连接关系以及连接关系的强弱。传统方法中使用rs-fMRI方式对丘脑分区主要是利用基于功能连接性的先验种子点的方式，这种方式需要对皮层有先验的分区知识，目前已知的皮层模板有AutomatedAnatomical Labeling(AAL)模板，Harvard-Oxford(HO)模板等，Fan 等使用丘脑体素之间的时间序列相关性作为特征对丘脑聚类，但是也只使用了丘脑体素的局部信息而没有考虑丘脑与皮层脑区之间的连接性。

丘脑rs-fMRI数据的局部特征就是指丘脑体素自身的时间序列信息。虽然依靠局部特征也能进行无监督聚类，但是还要考虑丘脑结构的特点，即丘脑是人体神经系统的中继并且绝大部分皮层都与丘脑有联系。本文提出的全局连接特征不仅仅依赖丘脑自身的时间序列信息，而且有效利用了丘脑体素与全脑皮质间的时间序列上的相关性。

人体的rs-fMRI数据是三维的，空间的每个点代表了真实的一个体素。因此对人脑rs-fMRI进行分析需要考虑到它的空间结构，以及空间点与点之间的联系。因此，本文提出基于测地距离的图结构，测地距离相较传统的图结构距离定义能更好的反映空间信息。

发明内容

本发明正是针对现有技术中存在的技术问题，提供了一种基于全局连接特征和测地距离的丘脑核团分区方法，本发明提出的方法具有较好的鲁棒性，提取出的全局特征也尽量减小rs-fMRI数据噪声的影响，对丘脑核团进行了有效地分区，有利于进一步地揭示大脑的功能特性和协助临床神经精神疾病的治疗。