基于多模態(tài)信息融合的腦網(wǎng)絡(luò)研究及其計(jì)算機(jī)應(yīng)用

1、基于多模態(tài)信息融合的腦網(wǎng)絡(luò)研究及其計(jì)算機(jī)應(yīng)用第一章 緒 論1.1 研究背景和意義隨著磁共振技術(shù)的發(fā)展，人們對(duì)于大腦結(jié)構(gòu)有了更加深刻的認(rèn)識(shí)，并且讓我們更加清晰的認(rèn)識(shí)到精神性疾病對(duì)大腦結(jié)構(gòu)所造成的損害。尤其是近幾年來(lái)，圖論知識(shí)在大腦網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，為磁共振腦成像事業(yè)的發(fā)展提供了很大的幫助。通過(guò)使用圖論的相關(guān)技術(shù)，對(duì)大腦數(shù)據(jù)進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建，分析大腦網(wǎng)絡(luò)的相關(guān)屬性以及信息處理機(jī)制，這幫助我們更加深入的了解大腦的內(nèi)在機(jī)制。模式識(shí)別技術(shù)、機(jī)器學(xué)習(xí)領(lǐng)域的技術(shù)發(fā)展對(duì)于磁共振技術(shù)的發(fā)展提供了更高的發(fā)展平臺(tái)，在醫(yī)學(xué)圖像上，機(jī)器學(xué)習(xí)方法的應(yīng)用也是越來(lái)越廣泛，這對(duì)于醫(yī)學(xué)病情的診斷提供了輔助功能，并且機(jī)器學(xué)習(xí)算法

2、的優(yōu)化程度越來(lái)越高，也讓診斷的準(zhǔn)確率越來(lái)越高，這讓使用機(jī)器學(xué)習(xí)方法通過(guò)訓(xùn)練醫(yī)學(xué)圖像去診斷和預(yù)測(cè)疾病成為一種可能。抑郁癥（MDD）是在生活中經(jīng)常遇見(jiàn)的精神性疾病，而且該病的發(fā)病率現(xiàn)在也是越來(lái)越高，經(jīng)相關(guān)統(tǒng)計(jì)顯示，抑郁癥目前是世界第四大疾病，并將在未來(lái)兩年內(nèi)上升為世界第二大疾病1，這說(shuō)明整個(gè)社會(huì)對(duì)于抑郁病的治療和診斷還沒(méi)有很好的方法，而且抑郁癥是一種高概率反復(fù)復(fù)發(fā)的疾病，這對(duì)于疾病的治療添加了更大的困難。在我國(guó)，對(duì)于抑郁癥的醫(yī)療防治以及救助才開(kāi)始起步，根據(jù)相關(guān)統(tǒng)計(jì)，現(xiàn)在對(duì)于抑郁癥的確診率還不到 20%，而這其中正在接受治療的患者更是少之又少，只有不到 10%的人在進(jìn)行相關(guān)治療。并且，就目前來(lái)看，抑

3、郁癥的發(fā)病年齡開(kāi)始傾向于低齡化，我們也經(jīng)?？吹綀?bào)道年輕的明星因?yàn)橐钟舭Y而選擇自殺。目前的統(tǒng)計(jì)結(jié)果發(fā)現(xiàn)，我國(guó)抑郁癥患病率在 3%5%之間，因此，我們需要更加深入的研究抑郁癥的致病機(jī)理，力求更早一步的發(fā)現(xiàn)抑郁癥患者所表現(xiàn)出來(lái)的癥狀，讓病人得到及時(shí)治療以防出現(xiàn)嚴(yán)重的后果。自閉癥（ASD）也是一種較為常見(jiàn)的精神性疾病，其是一種廣泛性發(fā)育障礙的亞型疾病，該病癥狀主要表現(xiàn)為不同程度的言語(yǔ)發(fā)育障礙，人際交往障礙、興趣狹窄和行為方式刻板以及智能障礙等2。該病在我國(guó)的發(fā)病率也不少見(jiàn)，但到現(xiàn)在為止，對(duì)于自閉癥的診斷仍然沒(méi)有太好的辦法。目前對(duì)于自閉癥的診斷大部分是通過(guò)醫(yī)生對(duì)于兒童的平時(shí)生長(zhǎng)發(fā)育史、病史及精神進(jìn)行檢查

4、，并且參考當(dāng)前國(guó)際公認(rèn)的自閉癥診斷標(biāo)準(zhǔn) DSM-5 進(jìn)行病癥診斷。這對(duì)于醫(yī)生的臨床經(jīng)驗(yàn)要求特別高，而且診斷標(biāo)準(zhǔn)也由醫(yī)生進(jìn)行把控，這也為自閉癥的診斷產(chǎn)生阻礙，因此，如何快速準(zhǔn)確的進(jìn)行疾病診斷成為病癥治療的關(guān)鍵。.1.2 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀核磁共振成像技術(shù)的發(fā)展，引起了人們對(duì)于大腦網(wǎng)絡(luò)分析的一個(gè)新的高潮，并且在國(guó)內(nèi)外已經(jīng)有了一系列的研究成果。站在巨人的肩膀上才能眺望更遠(yuǎn)的地方，因此，本文的相關(guān)研究，離不開(kāi)這些研究成果的指導(dǎo)和幫助。磁共振技術(shù)的發(fā)展，是大腦研究工作飛速發(fā)展的基礎(chǔ)，核磁共振圖像掃描是通過(guò)磁場(chǎng)強(qiáng)度來(lái)形成譜線，直接對(duì)人體器官進(jìn)行成像，近年來(lái)生產(chǎn)的磁共振機(jī)器的磁場(chǎng)強(qiáng)度不斷增大，磁共振成像的清晰度

5、也是越來(lái)越高。另外，這一技術(shù)的最大優(yōu)勢(shì)在于直接對(duì)人體掃描不會(huì)給人體帶來(lái)任何危害，磁共振掃描不僅僅只提供了大腦的形態(tài)結(jié)構(gòu)，而且在靜息態(tài)或者是任務(wù)態(tài)下，我們可以清晰的發(fā)現(xiàn)大腦的生化信息和血流以及刺激信號(hào)等信息，因此在醫(yī)學(xué)上的應(yīng)用也是越來(lái)越廣。目前，針對(duì)大腦成像的技術(shù)有很多種，在對(duì)大腦結(jié)構(gòu)像的成像技術(shù)上有磁共振技術(shù)、彌散張量成像技術(shù)等，功能像有 fMRI 技術(shù)，還有腦磁圖、腦電圖等技術(shù)的發(fā)展，讓我們可以利用多種模態(tài)信息，對(duì)大腦進(jìn)行不同角度的分析。下面主要介紹利用核磁共振技術(shù)所面向的結(jié)構(gòu)像和功能像研究的國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀，以及目前機(jī)器學(xué)習(xí)方法在腦疾病領(lǐng)域的應(yīng)用情況。.第二章 磁共振成像研究的相關(guān)理論與技術(shù)

6、對(duì)于大腦磁共振圖像的研究，首先應(yīng)該根據(jù)實(shí)驗(yàn)?zāi)康膩?lái)設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)采集參數(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集工作，目前業(yè)內(nèi)比較流行的核磁共振掃描儀多為西門(mén)子和 GE 品牌，采集的圖像分辨率也是越來(lái)越高，而且為了能夠更好的進(jìn)行數(shù)據(jù)共享和數(shù)據(jù)采集標(biāo)準(zhǔn)的統(tǒng)一，業(yè)內(nèi)也開(kāi)始制定統(tǒng)一的參數(shù)采集標(biāo)準(zhǔn)，這讓大家可以共享到更多的醫(yī)學(xué)圖像數(shù)據(jù)，使得大腦磁共振研究成為真正的大數(shù)據(jù)集的計(jì)算研究，這方便了實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)采集工作，并且這樣的實(shí)驗(yàn)更有可靠性。在對(duì)磁共振數(shù)據(jù)進(jìn)行分析之前，對(duì)數(shù)據(jù)的整理工作是至為重要的工作步驟，只有對(duì)所有數(shù)據(jù)進(jìn)行了統(tǒng)一整理和提前預(yù)處理，才能更好的進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，減小實(shí)驗(yàn)誤差。本章內(nèi)容主要介紹對(duì)采集得到的磁共振數(shù)據(jù)需要進(jìn)行的預(yù)處理步驟，以

7、及這些步驟的必要性。另外，本章還將會(huì)介紹對(duì)于數(shù)據(jù)處理過(guò)程中所需要的理論基礎(chǔ)，通過(guò)對(duì)這些理論的介紹，將使得我們能夠更加清晰的理解對(duì)大腦磁共振數(shù)據(jù)處理分析的整個(gè)流程，本章最后將簡(jiǎn)單介紹本文用到的機(jī)器學(xué)習(xí)分類(lèi)模型的理論知識(shí)。2.1 大腦圖像預(yù)處理針對(duì)每一個(gè)被試，掃描儀所掃描出來(lái)的圖像是千差萬(wàn)別的，并且每個(gè)被試在掃描儀器中的姿勢(shì)各不相同，為了能夠?qū)⑺袙呙璧膱D像數(shù)據(jù)規(guī)范處理，需要對(duì)掃描的圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)的預(yù)處理工作，篩選出符合實(shí)驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)，并且將所有數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)一，讓整個(gè)實(shí)驗(yàn)更方便進(jìn)行，結(jié)果也更好進(jìn)行比較。圖像預(yù)處理的步驟較多，并且不同的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，預(yù)處理的順序也有所不同，不過(guò)主要的數(shù)據(jù)預(yù)處理工作主要包

8、括時(shí)間層校正、頭動(dòng)校正、空間標(biāo)準(zhǔn)化、分割、低頻濾波、平滑等步驟。具體的操作流程如下描述：（1）格式轉(zhuǎn)換：因?yàn)閽呙鑳x所產(chǎn)生的核磁共振的數(shù)據(jù)格式為 DICOM 格式，而在數(shù)據(jù)處理時(shí)所需要的數(shù)據(jù)格式為 NIFTI 格式，所以在進(jìn)行數(shù)據(jù)處理前首先要做的是對(duì)數(shù)據(jù)格式進(jìn)行轉(zhuǎn)換，這樣才能進(jìn)行統(tǒng)一的數(shù)據(jù)實(shí)驗(yàn)操作。（2）時(shí)間層校正（SliceTiming）：磁共振圖像數(shù)據(jù)在采集時(shí)，是經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的掃描，而這段時(shí)間內(nèi)，被試難免有頭部移動(dòng)，為了減少這種影響，一般掃描數(shù)據(jù)時(shí)是一層一層進(jìn)行掃描的，并且儀器通常會(huì)有一定的掃描順序，為了將多層數(shù)據(jù)進(jìn)行整合，需要進(jìn)行時(shí)間層校正處理。在進(jìn)行時(shí)間層校正前，為了排除儀器前期不穩(wěn)定而

9、對(duì)掃描數(shù)據(jù)產(chǎn)生的影響，一般情況下需要?jiǎng)h除掉前期掃描的幾個(gè)時(shí)間點(diǎn)。.2.2 大腦網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建方法整個(gè)大腦是由很多神經(jīng)元組成，如果只是單獨(dú)的去分析每一個(gè)神經(jīng)元之間的關(guān)系，是非常困難的一件事情。而將圖論方法學(xué)引入大腦圖像研究讓這一領(lǐng)域的發(fā)展更進(jìn)一步，因?yàn)檎麄€(gè)大腦中神經(jīng)元間交錯(cuò)復(fù)雜的連接本來(lái)就可以看做是一個(gè)網(wǎng)絡(luò)，在這個(gè)復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)中每個(gè)神經(jīng)元都可以看做是該網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)，神經(jīng)元之間的相互連接可以看做是該網(wǎng)絡(luò)中的邊，這就是本質(zhì)上的腦結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)，其可以真實(shí)的反映大腦結(jié)構(gòu)連接關(guān)系。不過(guò)由于神經(jīng)元數(shù)目太多，這對(duì)于網(wǎng)絡(luò)計(jì)算和分析帶來(lái)了很大的挑戰(zhàn)。因此，為了簡(jiǎn)化數(shù)據(jù)計(jì)算量，以及方便網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建和定義，目前大腦網(wǎng)絡(luò)的研究，主要

10、是基于大尺度網(wǎng)絡(luò)分析，也就是通過(guò)構(gòu)建大腦分區(qū)模板，將整個(gè)大腦分為多個(gè)腦區(qū)，利用這些腦區(qū)間的相關(guān)關(guān)系來(lái)定義大腦結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)。目前的研究中，大腦網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建方法雖然大致相同，但是其依然還有著不一樣的地方，比如大腦分區(qū)，如何去劃分腦區(qū)是一個(gè)比較繁瑣的工作，業(yè)內(nèi)目前有許多腦區(qū)劃分模板可以使用，比較流行的腦區(qū)劃分模板是 AAL 模板，將整個(gè)大腦分為90 個(gè)區(qū)域，另外一個(gè)較為常見(jiàn)的模板是在這 90 個(gè)腦區(qū)的基礎(chǔ)上再將小腦劃分為26 個(gè)區(qū)域，總共將大腦分為 116 個(gè)腦區(qū)。而現(xiàn)在的研究中，越來(lái)越細(xì)致的腦區(qū)劃分，可以讓我們更加具體的探究各個(gè)腦區(qū)間的關(guān)系，也得到了和以往研究不一樣的結(jié)論。因此，在本文中的研究過(guò)程中，本

11、文采用了兩種不一樣的模板進(jìn)行數(shù)據(jù)分析和網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建，在第三章對(duì)抑郁癥結(jié)構(gòu)像的網(wǎng)絡(luò)分析中，本文使用的是 AAL 模板，而在第四章自閉癥網(wǎng)絡(luò)分析中，本文則使用 Power264 模板，將整個(gè)腦區(qū)劃分為更加細(xì)致的 264 個(gè)腦區(qū)，試圖嘗試發(fā)現(xiàn)一些在 AAL 模板中未曾發(fā)現(xiàn)的結(jié)果。.第三章 基于磁共振成像抑郁癥患者的腦網(wǎng)絡(luò)研究. 203.1 抑郁癥數(shù)據(jù)及數(shù)據(jù)預(yù)處理 . 203.2 抑郁癥灰質(zhì)圖像形態(tài)學(xué)分析 . 223.3 大腦結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建 . 253.4 腦結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)分析 . 283.5 抑郁癥結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的脆性分析 . 343.6 本章小節(jié) . 36第四章 基于多模態(tài)磁共振信息的自閉癥腦網(wǎng)絡(luò)研究. 374.1

12、 數(shù)據(jù)基本信息以及數(shù)據(jù)預(yù)處理 . 374.2 自閉癥結(jié)構(gòu)像形態(tài)學(xué)分析 . 394.3 自閉癥結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)分析 . 414.4 自閉癥大腦信號(hào)活動(dòng)分析 . 454.5 自閉癥大腦功能網(wǎng)絡(luò)分析 . 494.6 結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)與功能網(wǎng)絡(luò)關(guān)系分析 . 554.7 本章小結(jié) . 59第五章 機(jī)器學(xué)習(xí)方法在精神疾病診斷中的應(yīng)用. 605.1 基于結(jié)構(gòu)磁共振的抑郁癥患者診斷 . 605.1.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì). 605.1.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析. 625.2 基于多模態(tài)信息融合的自閉癥診斷 . 635.3 本章小結(jié) . 71第五章 機(jī)器學(xué)習(xí)方法在精神疾病診斷中的應(yīng)用隨著核磁共振技術(shù)的飛速發(fā)展，在對(duì)于大腦核磁共振掃描時(shí)，不再是單

13、獨(dú)掃描一種成像方式的圖像去分析，多模態(tài)磁共振成像可以更好的分析病癥，這也為使用機(jī)器學(xué)習(xí)方法診斷精神疾病提供了很大的幫助。精神疾病的診斷，目前大多是通過(guò)醫(yī)生的臨床經(jīng)驗(yàn)來(lái)診斷的，沒(méi)有一個(gè)非常嚴(yán)格的標(biāo)準(zhǔn)，因此，使用機(jī)器學(xué)習(xí)方法進(jìn)行精神疾病輔助診斷，是未來(lái)發(fā)展的重要方向。在第三章和第四章中，分別分析了抑郁癥結(jié)構(gòu)像、自閉癥結(jié)構(gòu)像和功能像與正常對(duì)照組間的差異，本章將根據(jù)這兩章的分析，綜合精神疾病所有模態(tài)上的差異，利用機(jī)器學(xué)習(xí)方法，去探究這些多模態(tài)差異對(duì)于診斷精神疾病是否有所幫助。本章首先利用多種分類(lèi)模型對(duì)第三章介紹的抑郁癥結(jié)構(gòu)像進(jìn)行診斷分類(lèi)實(shí)驗(yàn)，然后對(duì)于自閉癥數(shù)據(jù)特征量繁多，被試數(shù)據(jù)少的問(wèn)題，使用 LAS

14、SO 邏輯回歸的嵌入式特征選擇方法和 PCA 特征降維兩種方法進(jìn)行自閉癥特征提取，然后進(jìn)行診斷分類(lèi)實(shí)驗(yàn)。5.1 基于結(jié)構(gòu)磁共振的抑郁癥患者診斷通過(guò)第三章對(duì)抑郁癥結(jié)構(gòu)磁共振的形態(tài)學(xué)和網(wǎng)絡(luò)分析，可以看出抑郁癥患者的大腦結(jié)構(gòu)與正常人發(fā)生了一定的變化，但是這些變化是否真正的明顯，或者說(shuō)這些研究發(fā)現(xiàn)是否真正的具有科學(xué)意義，我們可以使用機(jī)器學(xué)習(xí)的方法進(jìn)行相關(guān)驗(yàn)證。即利用上述發(fā)現(xiàn)的這些變化作為特征，使用機(jī)器學(xué)習(xí)方法進(jìn)行學(xué)習(xí)訓(xùn)練，然后對(duì)抑郁癥患者的結(jié)構(gòu)磁共振圖像進(jìn)行分類(lèi)，通過(guò)分類(lèi)的準(zhǔn)確性來(lái)評(píng)判這些研究是否有效。對(duì)于常用的分類(lèi)模型，已經(jīng)在第二章中詳細(xì)介紹過(guò)，本部分不在進(jìn)行描述。通過(guò)使用機(jī)器學(xué)習(xí)方法對(duì)抑郁癥疾病進(jìn)

15、行診斷，可以為醫(yī)生提供一種輔助診斷的方法，而且如果提取的特征十分優(yōu)秀，將會(huì)得到一個(gè)很好的正確率，而且通過(guò)進(jìn)行模型訓(xùn)練，也可以檢測(cè)本文所探究的抑郁癥患者的異常腦區(qū)是否正確。.總結(jié)本文依托大腦磁共振成像技術(shù)，對(duì)抑郁癥和自閉癥的大腦網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行分析，并利用實(shí)驗(yàn)的分析結(jié)果做了相關(guān)的精神疾病診斷實(shí)驗(yàn)，本文所做的主要工作內(nèi)容具體包含如下：（1） 本文首先闡述了基于磁共振成像的數(shù)據(jù)預(yù)處理過(guò)程，并基于此過(guò)程對(duì)本文需要分析的抑郁癥結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)及自閉癥結(jié)構(gòu)、功能像數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理操作。（2）本文通過(guò)采集抑郁癥結(jié)構(gòu)像，探究了抑郁癥患者的形態(tài)學(xué)差異，并利用圖論的相關(guān)知識(shí)，構(gòu)建了抑郁癥患者的結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)，主要分析了結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)鋵傩?/p>

16、，并且引入了復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)脆性分析的概念，并利用節(jié)點(diǎn)度探究抑郁癥患者網(wǎng)絡(luò)脆性的相關(guān)問(wèn)題，發(fā)現(xiàn)抑郁癥患者的結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)在面臨崩潰時(shí)，自我修復(fù)能力相比正常人要低。（3）本文提出使用多種分類(lèi)方法對(duì)抑郁癥結(jié)構(gòu)像進(jìn)行分類(lèi)實(shí)驗(yàn)，利用大腦分割得到的灰質(zhì)、白質(zhì)、腦脊液體積作為分類(lèi)特征，通過(guò)實(shí)驗(yàn)，結(jié)果達(dá)到 65.36%，基于統(tǒng)計(jì)學(xué)分析得到的差異作為特征，分類(lèi)準(zhǔn)確率可以達(dá)到 72.86%，結(jié)果發(fā)現(xiàn)這些特征在一定程度上可以區(qū)分開(kāi)抑郁癥患者和正常對(duì)照組，并且本文利用多種分類(lèi)器進(jìn)行訓(xùn)練，發(fā)現(xiàn)使用 SVM 和邏輯回歸做分類(lèi)器分類(lèi)效果要好。（4）本文使用自閉癥患者的多模態(tài)數(shù)據(jù)，進(jìn)行多種屬性分析，其中主要包括形態(tài)學(xué)分析，結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)分析，功能網(wǎng)絡(luò)分析，大腦局部活動(dòng)分析。通過(guò)對(duì)自閉癥患者的分析，發(fā)現(xiàn)自閉癥患者的形態(tài)學(xué)出現(xiàn)腦區(qū)差異，而且結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)中的相關(guān)屬性中的全局效率出現(xiàn)差異，并且對(duì)于大腦局部活動(dòng)分析，發(fā)現(xiàn)自閉癥患者的 ALFF 以及ReHo 也有差異出現(xiàn)，通過(guò)構(gòu)建功能網(wǎng)絡(luò)，發(fā)現(xiàn)自閉癥患者的局部網(wǎng)絡(luò)屬性出現(xiàn)差異，并且提出使用依據(jù)構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)成本最低、全局效率值最大的閾值進(jìn)行局部網(wǎng)絡(luò)分析，結(jié)果顯示其與滿(mǎn)足網(wǎng)絡(luò)全連