[发明专利]基于脑功能网络成分检测的实时功能磁共振数据处理系统

说明书

技术领域

本发明提供一种基于脑功能网络成分检测的实时功能磁共振数据处理系统，属于信息处理技术领域，具体是指针对在线获取的脑磁共振功能图像进行网络分析的实时处理，提取特定状态下大脑活动的功能网络成分，同时可使被试在线观测网络节点的活动情况。本发明可应用于数据质量评估、解读心智、脑功能调节、临床治疗等多个领域。

背景技术

如何从大脑的活动模式中解读人的心智？如何控制大脑的活动模式从而调节和改善人的感知或认知能力？这是人类在试图“了解脑、改造脑、创造脑”提出的一个又一个新的问题。功能磁共振成像(fMRI)技术的出现为人们“了解脑”提供了一个有效的途径，它可以通过较高的空间分辨率成像无创地记录血氧水平依赖(BOLD)信号的变化。然而，传统的fMRI研究受分析步骤和分析方法的限制，通常是采集数据后进行离线处理，往往无法立刻评估数据的质量与结果，这既使得研究者无法及时了解实验的进展，也限制了fMRI在“改造脑、创造脑”中的应用。为了克服这些缺点，快速磁共振成像技术、计算机运算能力和数据处理算法的发展使得实时功能磁共振成像应运而生。简言之，实时功能磁共振成像就是通过对fMRI数据的在线处理，对人脑活动状态进行实时的观察和定量的刻画。

实时功能磁共振成像要求在一个扫描脉冲重复间隔时间(TR)内完成一次功能图像的采集和处理，通常在1-3秒。因此，实时功能磁共振成像的实现要求必须保证快速的扫描成像序列和图像处理算法。与非实时的fMRI相比，实时功能磁共振成像可以进一步应用在如下领域：1)在线评估数据质量，与磁共振结构像相比，功能像解剖结构分辨率虽然低，但脑的功能区域所涉及的组织及其角色却是结构像所无法提供的，因此往往要根据功能像分析的结果评估大脑组织的功能定位以及数据的质量，实时分析使得即时评估成为可能；其次可以实时监测被试头动的情况并予以纠正。2)解读心智，利用模式分类算法从人脑活动模式中提取信息以期达到“读脑”的目的，例如，根据fMRI的分类结果，区分左右手运动、高兴或悲伤情绪所对应的大脑活动状态；或者，探测植物人的意识状态；或者，通过特定区域的激活强度区分谎话与实话。3)脑功能调节，将大脑特定脑区的活动状态直接反馈给个体，通过训练，个体可以自主控制该脑区的活动水平，从而调节与该脑区紧密相关的认知功能，如对情绪加工、运动加工、语言加工等进行调节。4)临床治疗，训练患者通过采用特定的策略来控制与疾病症状紧密相关的脑区活动水平，从而达到改善症状的目的，例如，控制慢性疼痛、或运动功能受损脑区的康复训练等。

虽然，实时功能磁共振已开始在上述领域展开应用，但是现有的实时功能磁共振仅仅应用在特定任务状态下对特定脑区的激活分析中，对其在大脑的功能网络以及静息态(无任务状态)下大脑活动中的应用尚未见报道；而人们已经越来越意识到对于各个功能明确的脑区，大脑是将它们以整体协同活动的方式来完成不同的认知活动的。因此，越来越多的研究者将研究焦点转向特定认知活动或特定认知功能障碍的大脑网络分析中。

发明内容

为此，本发明提出了一种基于脑功能网络成分检测的实时功能磁共振数据处理系统，它可以在线提取并显示特定状态或无任务状态(静息态)下大脑活动的功能网络成分，同时根据设置可以将网络节点的活动信号进行反馈。本发明可以利用在线检测到的头动曲线以及大脑活动的网络成分可以进行数据质量和实验设计评估；也可以利用检测的网络成分进行特征提取与分类，对人的思维模式进行判别；还可以利用反馈可以训练被试调节特定区域或网络的活动进而调节与之相关的大脑功能、或进行大脑功能的临床康复训练。

基于脑功能网络成分检测的实时功能磁共振数据处理系统，包括：

数据预处理模块，用于读取实时功能磁共振数据，并进行格式转换、头动校准、标准化和平滑的处理；

功能网络检测与显示模块，对预处理后的功能磁共振数据进行实时网络分析，提取任务状态或静息状态下的功能网络成分；

感兴趣区域选取模块，用于提取功能网络中感兴趣的一个或多个节点区域；

数据反馈模块，用于将感兴趣区域的结果数据以多种方式实时反馈给被试本人；

参数配置模块，用于设置、读取、保存每个环节所需参数。