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中西方人脑形态学研究与大样本中国人脑模板构建

作　者: 门卫伟
导　师: 范明霞
学　校: 华东师范大学
专　业: 无线电物理
关键词: 中国人脑模板组织概率图人脑标准空间空间标准化胼胝体爱因斯坦大脑功能定位不可靠脑区基于体素的形态学分析磁共振成像
分类号: TP317.1
类　型: 博士论文
年　份: 2013年
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内容摘要

本研究的主要目的是构建一套适用于中国人脑科学研究的大样本中国人脑模版、组织概率图、解剖标准模板和皮层下神经核团模板,并使之能实际应用于中国人脑科学研究。目前常用的人脑模板是基于西方人脑数据所构建,由于中西方人种的不同,中西方人脑形态存在较大差异。为了找到构建大样本中国人脑模板的理论依据,本文对120名中国人脑数据和120名年龄与性别完全匹配的西方人脑数据进行了详细的人脑整体形态学比较,结果发现中西方人脑在体积上无统计学差异；西方人脑较中国人脑长,中国人脑较西方人脑宽、高；中西方人脑在顶视投影图上,中国人脑均比西方人脑圆。为了验证中西方人脑局部的形态学差异,本研究编写了一套高分精度胼胝体厚度分析软件对中西方人脑胼胝体厚度进行了对比分析,并将这套分析方法应用于爱因斯坦大脑的胼胝体研究。结果发现无论是中国男女性还是西方男女性胼胝体在厚度上均无统计学差异,中国人群在局部比西方人群胼胝体厚,说明中国人脑左右半球间的联系更加密切；爱因斯坦大脑胼胝体研究结果揭示爱因斯坦超凡的智力与天赋不仅与其独特的大脑沟回及组织学特点有关还与其左右大脑半球间的密切联系相关。以上结果说明中西方人脑由于人种的不同确实存在差异,由于这种形态学上的差异,使用西方人脑模板对中国人脑进行研究时,中国人脑数据在空间标准化过程中需要较大的空间变形,从而会影响数据的标准化结果以及功能定位的准确性。目前已有多家研究机构对中国人脑模板进行了研究,但这些模板研究均存在一定的问题,如被试人数有限、男女性别不对称,中国人脑标准空间选择不具有代表性,模板形式单一不能满足实际科研需要等。本文针对以上中国人脑模板研究中的局限性并结合本实验室的优势条件从1363人次健康志愿者高分辨率人脑结构像数据中筛选出200例右利手健康青年汉族志愿者脑部数据,男女各100名,年龄18-29岁,平均22.97±2.29岁。使用统计参数图软件SPM8及多种数据处理软件和自编程序进行复杂的图像处理,采用线性和非线性配准算法相结合的方式构建了一个不依赖于单个个体脑空间的左右完全对称的中国人脑标准空间。在此标准空间的基础上构建了高分辨率中国人脑T1、T2加权像脑模板及五种参数的DTI脑模板、用于人脑组织分割的中国人脑组织概率图、用于解剖定位的中国人脑解剖标记模板、以及用于皮质下神经核团定位的中国人脑皮质下神经核团模板,该套模板是一个完整的系列可以满足中国人脑科学研究的需要。为了验证该套大样本中国人脑模板在中国人群脑科学研究中组织分割、空间标准化及功能定位的准确性,本文对五位健康志愿者高分辨率结构像与功能定位任务数据分别使用西方人脑模板和本文构建的大样本中国人脑模板进行数据处理与分析。结果显示使用本文构建的大样本中国人脑模板及组织概率图可以正确分割中国人群人脑组织,分割精度要优于SPM8软件自带的组织概率图分割结果；空间标准化及功能定位结果显示使用本文构建的大样本中国人脑模板与组织概率图可以准确对中国人群人脑数据进行空间标准化,功能激活结果定位精度可以达到或超过现有的西方人脑模板精度。为了进一步验证本文构建的大样本中国人脑模板在实际中国人脑科学研究中的使用效果,本文对青少年广泛性焦虑症患者及正常对照组的大脑结构像数据进行了基于体素的形态学分析。结果显示广泛性焦虑症患者右侧尾状核头和伏隔核体积均小于正常对照组(p<0.001未校正),此结果与广泛性焦虑症的临床表征具有相关性。广泛性焦虑症组大脑灰质体积异常降低区域均显示于中国人脑模板灰质区域,从而证实了本文构建的大样本中国人脑模板具有实用性并且分析结果可靠。本文还使用该套大样本中国人脑模板与组织概率图对目前几种常用的功能磁共振数据处理方法进行了比较和分析。证明了常规的数据采集与分析方法中存在激活结果不可靠脑区,这些脑区主要存在于左右侧额极、颞下回和颅底直回等与人脑表面较近的空气腔附近。另外还给出了能在一定程度上提高功能磁共振成像激活结果可靠性的方法,即通过场图校正技术对功能像变形进行校正以及使用联合分割方法对平均功能像进行分割并进行空间标准化的方法。

全文目录

论文摘要  6-8
ABSTRACT  8-15
第一章绪论  15-25
  1.1 人脑模板研究意义  15
  1.2 人脑模板的发展历史  15-20
  1.3 中国人脑模板研究现状  20-22
  1.4 本文的组织结构  22-23
  参考文献  23-25
第二章核磁共振成像基本原理  25-33
  2.1 核磁共振现象与磁共振成像基本原理  25-29
    2.1.1 核磁共振现象  25-27
    2.1.2 磁共振成像基本原理  27-29
  2.2 功能磁共振成像基本原理  29-32
    2.2.1 基于血氧水平依赖的功能磁共振成像的生理机制  29-30
    2.2.2 基于血氧水平依赖的功能磁共振数据采集  30
    2.2.3 功能磁共振数据处理流程与基本概念  30-32
  2.3 小结  32
  参考文献  32-33
第三章中西方人脑整体形态学比较  33-48
  3.1 引言  33-34
  3.2 被试和方法  34-36
    3.2.1 中西方人脑高分辨率磁共振数据  34
    3.2.2 数据处理  34-35
    3.2.3 形态学测量  35
    3.2.4 中西方人脑表面三维显示  35-36
  3.3 结果  36-46
    3.3.1 长、宽、高和体积测量结果  36-39
    3.3.2 形状结果  39-44
      3.3.2.1 横断位投影数据  39-41
      3.3.2.2 矢状位投影数据  41-42
      3.3.2.3 冠状位投影数据  42-44
    3.3.3 中西方人脑各五名被试大脑形态三维表面显示  44-46
  3.4 讨论  46
  参考文献  46-48
第四章中西方人脑胼胝体厚度比较与爱因斯坦大脑研究  48-77
  4.1 胼胝体解剖  49-50
  4.2 胼胝体分析方法回顾  50-52
  4.3 肼胝体厚度测量软件编写  52-54
  4.4 中西方人脑胼胝体厚度比较  54-64
  4.5 爱因斯坦大脑研究最新发现--基于胼胝体厚度的分析  64-73
  4.6 小结  73
  参考文献  73-77
第五章大样本中国人脑模板构建  77-94
  5.1 引言  77-78
  5.2 材料与方法  78-83
    5.2.1 实验志愿者  78-79
    5.2.2 成像设备与扫描参数  79
    5.2.3 模板数据处理  79-83
      5.2.3.1 构建基于数据驱动的中国人脑标准空间  80
      5.2.3.2 中国人脑T1加权像模板与组织概率图构建  80-81
      5.2.3.3 多模态中国人脑三维模板构建  81-82
      5.2.3.4 中国人脑皮质下灰质神经核团概率模板  82-83
      5.2.3.5 中国人脑解剖标记模板构建  83
  5.3 结果与讨论  83-92
    5.3.1 中国人脑模板线性与非线性配准结果比较  83-84
    5.3.2 中国人脑多模态模板  84-85
    5.3.3 中国人脑组织概率图  85-86
    5.3.4 中国人脑空间皮质下灰质祌经核团模板  86-87
    5.3.5 中国人脑空间解剖标记模板  87
    5.3.6 中国人脑模板CHN200与西方人脑模板ICBM152形态学比较  87-89
    5.3.7 中国人群脑形态学数据  89
    5.3.8 中西方人群与中西方人脑模板形态学比较  89-92
  5.4 结论  92
  参考文献  92-94
第六章中西方人脑模板的组织分割、空间标准化及功能定位比较  94-115
  6.1 引言  94
  6.2 材料与方法  94-98
    6.2.1 实验被试、功能定位任务与扫描参数  94-96
    6.2.2 高分辨率结构像数据处理  96-97
    6.2.3 功能数据处理  97-98
  6.3 结果与讨论  98-113
    6.3.1 三种模板组织概率图得到的颅内容积三维表面显示  98-106
    6.3.2 三种不同脑模板空间标准化结果比较  106-107
    6.3.3 场图序列对功能像变形的校正  107-109
    6.3.4 双手运动功能定位任务在三种不同脑模板空间激活结果比较  109-113
  6.4 结论  113-115
第七章中国人脑模板的科研应用—青少年广泛性焦虑症的VBM研究  115-123
  7.1 引言  115-116
  7.2 材料与方法  116-118
    7.2.1 被试  116-117
    7.2.2 成像设备与扫描参数  117
    7.2.3 数据处理  117-118
  7.3 结果  118-120
    7.3.1 被试信息与量表分值  118-119
    7.3.2 广泛性焦虑症患者与正常对照组全脑灰质VBM分析结果  119-120
  7.4 讨论  120-121
  参考文献  121-123
第八章常规fMRI数据处理方法比较与功能磁共振成像人脑不可靠脑区检测  123-142
  8.1 前言  123-124
  8.2 方法  124-127
    8.2.1 被试与数据采集  124-125
    8.2.2 静息态图像预处理与空间标准化  125-126
    8.2.3 静息态空间标准化结果验证  126-127
    8.2.4 静息态组独立成分分析  127
    8.2.5 任务态数据处理  127
  8.3 结果  127-136
  8.4 讨论  136-138
  8.5 结论  138
  8.6 局限性  138-139
  参考文献  139-142
第九章总结与展望  142-144
  9.1 本文的主要工作与贡献  142-143
  9.2 后续工作  143-144
附录1 中西方人脑被试编号及年龄信息表  144-146
附录2 动手运动功能定位任务核磁共振检查知情同意书  146-148
附录3 广泛性焦虑症筛查量表  148-152
附录4 论文发表情况  152-153
后记  153-155

中西方人脑形态学研究与大样本中国人脑模板构建

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