【摘要】：自20世紀(jì)以來,人們一直期望解開人腦神經(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�；跀U(kuò)散磁共振成像(dMRI)的腦神經(jīng)纖維重構(gòu)是目前活體無創(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)鍵問題,即纖維方向分布估計(jì)、纖維路徑優(yōu)化及纖維束識別,可以歸結(jié)為復(fù)雜的優(yōu)化建模與算法設(shè)計(jì)問題。隨著高分辨率成像設(shè)備逐漸出現(xiàn),dMRI信號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。本文針對現(xiàn)有方法在纖維重建及解剖連接分析問題中存在的不足展開一系列研究,主要工作如下:1)針對低角度分辨率擴(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,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題,分別提出了多組織非對稱的體素纖維方向分布估計(jì)和全局測地纖維跟蹤方法。其中,多組織非對稱纖維方向估計(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)域中對纖維方向在體素的對稱性近似,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)散信號導(dǎo)致的回旋偏差問題。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題。3)針對臨床研究中具有解剖意義的纖維自動分類問題,提出了一種跨樣本的全腦纖維自動分類方法。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,自動分類全腦纖維束去構(gòu)建纖維連接圖譜,并通過人腦解剖學(xué)區(qū)域分割,自動標(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識別每一個(gè)子類的解剖學(xué)意義。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,該方法能自動檢測具有解剖學(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。
【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)以來絡(luò)連接的秘密。時(shí)至今日，人類對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，我國也啟動了以“人劃，注重于理解腦連接組構(gòu)建之后的動態(tài)屬性，是人腦網(wǎng)來，中國的腦科學(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)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號】：R445.2;TP391.41

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本文編號：2657530