[发明专利]以独立成分网络为参照的全脑个体化脑功能图谱构建方法

说明书

本发明为以独立成分网络为参照的全脑个体化脑功能图谱构建方法，该方法利用个体被试的脑静息态fMRI数据，首先引入独立成分分析法构建组水平的脑功能子网络，然后利用时空回归反重建各个被试的脑功能子网络和该功能子网络相对应的特征时间序列，并以功能子网络相对应的特征时间序列为参考信号；引入反距离加权系数、子网络逆变异系数加权、相关因子以及迭代过程，进而获得独立成分网络为参照的全脑个体化功能图谱。该方法具有：纯数据驱动，脑区完全对应，全脑覆盖，以及功能脑区细分更灵活等优点，为研究正常人脑运作机制以及疾病相关的脑功能损伤提供了更加精准的客观影像学工具。

技术领域：

本发明涉及脑功能图谱构建技术领域，具体是利用脑静息态功能磁共振成像(resting-state functional magnetic resonance imaging,rs-fMRI)数据给出的一种以独立成分网络为参照的全脑个体化脑功能图谱构建方法。

背景技术：

人脑是最神秘、最复杂的神经系统之一，自身包含大约上亿个神经元。而且，这些神经元之间相互联系，进而组成一个庞大的神经网络。然而，目前研究学者对它的认识仍然有限。因此，如果想要了解这个复杂网络，最重要的是要先了解组成这个网络的节点，这就需要构建一个更加精细，更加准确、更加适应脑科学研究的人脑图谱。

通过基于血氧水平依赖(blood oxygen level dependence,BOLD)信号的功能磁共振成像技术(functional magnetic resonance imaging,fMRI)因为能够无创监测人脑各脑区神经活动，在脑科学中越来越得到广泛运用。任务态fMRI可以通过设计特定任务诱发相应脑区的神经活动，进而对该认知功能的支配脑区进行定位，在视觉、运动、以及语言等功能亚区分割方面得到了广泛应用。然而，任务态fMRI需要非常精细的任务才有可能对某功能区域进行准确分割；另外大脑大部分区域的功能未知，因此任务态fMRI不能对全脑所有潜在功能亚区进行定义。除了任务态fMRI，研究表明人脑在静息状态下BOLD信号的波动也能够表征自发脑活动。人脑在处理特定任务时，需要多个脑区共同协作，构成功能网络。其中脑区间BOLD信号的同步性能够表征人脑各功能脑区神经活动的同步性，其被称之为功能连接(functional connectivity，FC)。和解剖连接类似，也可以根据脑区间功能连接模式的相似性对功能亚区进行识别和分割，从而构建基于功能连接的全脑功能图谱。

人脑作为个体认知和行为的神经基础，在结构与功能上具有明显的个体差异。大量研究已发现，成人群体和婴幼儿的脑功能连接都具有显著的个体差异，并且具有脑区特异性，即初级皮层个体差异值较低，而联合皮层脑区个体差异较高。传统脑图谱主要是基于组信息的脑图谱进行分析，把个体被试者的功能数据按照大脑的结构投影到一个平均大脑“模板”，在此基础上将不同被试者之间的影像特征进行比较。这种基于解剖结构或者功能信息的群组“模板”的数据配准，没有充分考虑个体间的脑功能亚区的分布差异，导致不同被试者之间的数据对比缺乏真正意义上的功能对应关系，统计效能以及准确性。在个体水平上绘制功能脑图谱不仅提供脑区之间的连接强度信息，还有脑区的拓扑结构的信息(如脑区形状、大小等)。这些会促进个体化功能网络动态性变化的研究，对个性化医疗也是必不可少的。因此，有必要构建个体化脑功能谱图以更准确刻画个体脑功能活动的特征，进而挖掘个体脑功能活动与认知行为/疾病症状的联系，这将有可能从根本上改善对健康被试以及疾病患者的大脑认知功能的评估和诊断，对于推动个性化医疗服务具有重大意义。

为此，本发明设计首次提出一种以独立成分网络为参照的全脑个体化功能图谱构建方法。该方法首先利用组水平的独立成分网络作为参考并在个体水平进行各网络成分的反重建，获得个体化独立成分网络。然后，结合反距离加权，独立成分网络变异系数，以及独立成分特征向量与体素功能连接相似性，构建个体化脑功能图谱。

发明内容：