【摘要】：自20世紀(jì)以來(lái),人們一直期望解開(kāi)人腦神經(jīng)元連接的秘密。隨著非侵入式神經(jīng)成像技術(shù)的發(fā)展,構(gòu)建人腦完整連接網(wǎng)絡(luò)連接成為可能。基于擴(kuò)散磁共振成像(dMRI)的腦神經(jīng)纖維重構(gòu)是目前活體無(wú)創(chuàng)顯示神經(jīng)纖維走向的唯一方法,是構(gòu)建人腦連接網(wǎng)絡(luò)的重要手段,在腦外科手術(shù)導(dǎo)航、精神類疾病的研究中起重要作用。其基本思想是從dMRI信號(hào)中估計(jì)纖維方向分布,尋找連接這些纖維方向的最優(yōu)路徑,構(gòu)建具有解剖學(xué)意義的纖維束進(jìn)行解剖連接分析。本質(zhì)上,腦纖維成像的三個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題,即纖維方向分布估計(jì)、纖維路徑優(yōu)化及纖維束識(shí)別,可以歸結(jié)為復(fù)雜的優(yōu)化建模與算法設(shè)計(jì)問(wèn)題。隨著高分辨率成像設(shè)備逐漸出現(xiàn),dMRI信號(hào)的采樣精度大幅提高,這為纖維精準(zhǔn)成像提供更精確基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的同時(shí)也使纖維成像問(wèn)題呈現(xiàn)出高度復(fù)雜性。顯然,現(xiàn)有纖維成像技術(shù)已難以滿足高分辨率精準(zhǔn)成像的要求。本文針對(duì)現(xiàn)有方法在纖維重建及解剖連接分析問(wèn)題中存在的不足展開(kāi)一系列研究,主要工作如下:1)針對(duì)低角度分辨率擴(kuò)散成像條件下現(xiàn)有方法敏感于噪聲的影響,提出了基于稀疏成像理論的高角度分辨率體素內(nèi)纖維方向分布估計(jì)方法。該方法引入纖維主方向在體素內(nèi)的稀疏性分布先驗(yàn)知識(shí),考慮鄰域體素之間的纖維結(jié)構(gòu)關(guān)系,建立稀疏成像空間正則化優(yōu)化模型。仿真和實(shí)際人腦數(shù)據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,提出的方法能夠精確地從低角度分辨率的擴(kuò)散磁共振信號(hào)重建高角度分辨率的纖維微結(jié)構(gòu)特征,從而提高體素內(nèi)復(fù)雜纖維結(jié)構(gòu)估計(jì)的穩(wěn)健性。2)為解決神經(jīng)纖維成像中的回旋偏差問(wèn)題,分別提出了多組織非對(duì)稱的體素纖維方向分布估計(jì)和全局測(cè)地纖維跟蹤方法。其中,多組織非對(duì)稱纖維方向估計(jì)方法基于全局微結(jié)構(gòu)建模,自適應(yīng)地應(yīng)用全局鄰域信息構(gòu)建纖維連續(xù)性約束,克服了當(dāng)前微結(jié)構(gòu)建模領(lǐng)域中對(duì)纖維方向在體素的對(duì)稱性近似,使得回旋區(qū)域纖維能夠進(jìn)入皮質(zhì)區(qū)域,降低回旋偏差。全局測(cè)地纖維跟蹤方法自適應(yīng)地利用纖維方向信息構(gòu)建全局范圍內(nèi)纖維連接性模型,克服了當(dāng)前纖維成像技術(shù)中的單向近似跟蹤,從而改善低分辨率擴(kuò)散信號(hào)導(dǎo)致的回旋偏差問(wèn)題。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,提出的方法有效的改善了纖維連通性分析的回旋偏差問(wèn)題。3)針對(duì)臨床研究中具有解剖意義的纖維自動(dòng)分類問(wèn)題,提出了一種跨樣本的全腦纖維自動(dòng)分類方法。臨床研究中經(jīng)常需要利用纖維束分析神經(jīng)類疾病的顯著性差異。然而,目前主要依賴人工標(biāo)記方法從全腦纖維中篩選具有解剖學(xué)意義的纖維束。這種方式低效且受人為影響誤差較大。本文基于樣本的組間相似性與特異性,自動(dòng)分類全腦纖維束去構(gòu)建纖維連接圖譜,并通過(guò)人腦解剖學(xué)區(qū)域分割,自動(dòng)標(biāo)記每一個(gè)子類的解剖學(xué)特征,根據(jù)樣本間的概率分布從而自動(dòng)識(shí)別每一個(gè)子類的解剖學(xué)意義。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,該方法能自動(dòng)檢測(cè)具有解剖學(xué)意義的纖維束,并成功應(yīng)用于臨床研究的顯著性差異檢測(cè)。
【圖文】：

成像界中最復(fù)雜的系統(tǒng)之一[1 5]，大約由 1000 億個(gè)神經(jīng)元細(xì)胞 1015個(gè)突觸連接形成復(fù)雜的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)[6 8]。自 20 世紀(jì)以來(lái)絡(luò)連接的秘密。時(shí)至今日，人類對(duì)自己的大腦仍然知之甚原理為目標(biāo)，，已經(jīng)成為本世紀(jì)最重要的前沿科學(xué)研究領(lǐng)域了腦科學(xué)計(jì)劃[9,10](圖 1-1)。2011 年，我國(guó)也啟動(dòng)了以“人劃，注重于理解腦連接組構(gòu)建之后的動(dòng)態(tài)屬性，是人腦網(wǎng)來(lái)，中國(guó)的腦科學(xué)計(jì)劃也已經(jīng)作為重大科技項(xiàng)目被列入“揭示人腦復(fù)雜的連接網(wǎng)絡(luò)機(jī)制為目標(biāo)，是當(dāng)今腦科學(xué)研究

圖 1-2 人腦組織結(jié)構(gòu)圖示連接結(jié)構(gòu)神經(jīng)元的軸突和髓鞘組成，能夠傳遞細(xì)胞本體的動(dòng)作電位圖 1-3)，其外型類似纖維故而稱之為神經(jīng)纖維，神經(jīng)纖維可纖維。神經(jīng)纖維構(gòu)成了中樞神經(jīng)系統(tǒng)和周圍神經(jīng)系統(tǒng)，其ous System)是從中樞神經(jīng)系統(tǒng)(Central Nervous System)發(fā)出組織，主要擔(dān)負(fù)著與身體各部分的聯(lián)絡(luò)工作，這也使得神。
【學(xué)位授予單位】：浙江工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號(hào)】：R445.2;TP391.41

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本文編號(hào)：2657530