[发明专利]一种基于脑功能成像的识别大脑认知状态的方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种利用三维磁共振扫描图像的基于脑功能成像的识别大脑认知状态的方法，属于医学图像处理领域。

背景技术

越来越多的学者运用功能性磁共振成像(functional Magnetic Resonance Imaging，fMRI)研究脑功能，当脑皮层的微血管中的血氧变化时，会引起局部磁场均匀性变化，称为血氧水平依赖(Blood Oxygenation-Level Dependent，BOLD)，fMRI技术可以探测大脑在认知任务时的BOLD，从而研究大脑的高级神经活动。标准的fMRI实验设计之一称为组块设计(Blocked Designs)。实验有两种不同的条件，分别形成任务组块(Task blocks)和控制组块(Control block)，在任务组块中需要被试者完成某项设定的认知任务，在控制组块中被试者则处于休息状态，什么也不需要做，每个组块持续一定时间(一般为14至20秒)，并在连续的扫描中交替出现。在整个的实验过程中，每隔一段固定时间(其时间分辨率依机器的扫描速度而定，一般为2至3秒)，会采到一幅全脑加权像，它们构成一个离散的时间序列，可记为{f(n)}(n为正整数)。因此，组块持续时间可以使用扫描图像的数量代替，{f(n)}的长度l即总图像数由实验的周期数L与周期长度(每周期取得的图像数)所决定，即l＝L×(c+t)，其中，c和t分别为每个实验周期内所获取的完成控制组块的图像数和完成任务组块的的图像数。对于自变量n的每一个取值，{f(n)}都唯一地确定一幅全脑加权像，记为BOLD(n)。它既可能是属于控制组块的BOLDc(n)，又可能为属于任务组块的BOLDt(n)。

在过去的几年中，为了发现脑区与认知功能之间的关系，发展了许多识别脑区功能的分析方法，由于为数众多的实验通过对比大脑扫描数据在任务组块和控制组块之间的差异而确定结果，因此最流行的处理方式是使用统计的方法，如t检验和相关分析等。由此可得到的通常的实验结果是，磁共振扫描某个脑区的激活在实验任务组块时要比控制组块时的高。但是，当脑认知状态未知时(即不知道当前脑扫描图像是处在任务组块阶段还是控制组块阶段)，这些方法就无能为力。随着数据收集越来越多，如何通过已有的数据建模，在该模型基础上进行数据挖掘，发现脑认知状态的相关知识，并建立人工智能的识别系统，自动识别脑的认知状态成为当前亟待解决的问题。

发明内容

为解决现有技术存在的上述问题，本发明要设计一种基于脑功能成像的识别大脑认知状态的方法，可以利用已有的认知状态和已知的脑扫描图像建立多维数据集，自动识别脑的认知状态。

为了实现上述目的，本发明的技术方案如下：一种基于脑功能成像的识别大脑认知状态的方法，包括以下步骤：

A、输入脑核磁共振图像实验数据序列

脑核磁共振图像实验数据序列，在整个的实验过程中有两种不同的条件，分别形成任务组块和控制组块，每个组块持续一定时间，并在连续的扫描中交替出现；每隔一段固定时间，机器会采到一幅全脑加权像，它们构成一个离散的时间序列，记为{f(n)}，n为正整数；因此，组块持续时间可以使用扫描图像的数量代替，{f(n)}的长度l即总图像数由实验的周期数L与周期长度所决定，即l＝L×(c+t)，其中，c和t分别为每个实验周期内所获控制和任务的图像数；对于自变量n的每一个取值，{f(n)}都唯一地确定一幅全脑加权像，记为BOLD(n)；它既可能是属于控制组块的BOLDc(n)，又可能为属于任务组块的BOLDt(n)；所述的持续一定时间为14至20秒，所述的一段固定时间为2至3秒；

B、预处理脑核磁共振图像实验数据

首先是配准，将一个实验序列中的每一帧脑图像都与这个序列的第一帧脑图像对齐，矫正头动；然后使用蒙特利尔神经学研究所的MNI标准脑图谱对不同的脑图像进行空间标准化处理，将其转化为大小和朝向都相同的脑图像；最后对脑图像做高斯平滑，确保脑图像数据具有随机高斯场的性质，提高信噪比，由于对齐和标准化使各个体素点之间的关联性被改变，高斯平滑能够使相邻的体素点共享更多的信息；

C、建立多维数据集

用预处理后的脑图像建立多维数据集，该数据集包括：