基于SPM的功能磁共振图像预处理与统计分析方法研究

摘要

功能磁共振成像(Functional Magnetic Resonance Imaging，fMRI)是一种新兴的无损的神经影像学方式，拥有较高的时间和空间分辨率。其主要利用血氧水平依赖机制(Blood oxygen-level dependent，BOLD)成像，功能像数据一般通过平面回波成像 (echo planar imaging，EPI) 序列采集，其优点是采集速度快，缺点就是空间分辨率低，伪影多，信噪比差，因此MRI图像处理软件需要解决这些问题。 统计参数映射(Statistical Parametric Mapping，SPM)是目前国际上公认的用来处理和分析医学图像的通用软件，本文主要研究SPM中对fMRI数据的预处理和统计分析方法，本论文围绕fMRI图像处理和分析，完成了以下有意义的工作： （1）分析了SPM中采用的图像处理方法。本文结合其内部源码，深入研究SPM中采用的功能像对齐方法，结构像向功能像配准的方法，结构像分割方法，功能像标准化方法，功能像平滑方法以及实现激活区定位的统计方法，详述这些方法的基本原理和具体实现流程。 （2）优化了图像对齐方法。纠正被试头动时采用的对齐方法，由于实验设计中需要对fMRI数据进行多次采集，数据量庞大，该方法耗时长达几十分钟，本文充分考虑图像头动参数之间的特点和计算机多核心优势，提出多种改进SPM对齐操作的方法，其中基于并行计算的图像对齐方法可以有效减少操作耗时。 （3）开发一套更易于使用的fMRI处理软件。SPM操作复杂，执行顺序要求不明确，新用户很难较快时间掌握，本文在SPM基础上，改善用户体验，去除繁琐的参数设置，开发了一套简单、高效的GUI软件，支持常用的fMRI数据格式和多种数据处理方式，且有效结合了用户信息存储和管理，目前版本可以一键完成整个实验的图像预处理操作。最后，多个数据集在该软件中进行了测试，测试结果与SPM保持一致，且该软件包得到了多家医院的认可。 （4）在立体视觉功能区研究中进行了应用。立体视觉脑功能机制是一个急需确认的问题，本文通过fMRI方法，使用组块实验设计方式对数据进行采集，应用SPM处理分析数据，记录其中间结果，得到初步的立体视觉激活图谱。

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