【摘要】： 人腦是人體內(nèi)結(jié)構(gòu)和功能最為復(fù)雜的器官。長期以來,人類對(duì)腦的結(jié)構(gòu)和功能進(jìn)行了大量的研究工作;隨著1997年“人類腦計(jì)劃”在美國的正式啟動(dòng),人們對(duì)大腦的探索進(jìn)入了一個(gè)新的高度。將腦科學(xué)與信息學(xué)結(jié)合起來,建立數(shù)據(jù)庫,繪制相應(yīng)的腦圖譜是該計(jì)劃的一項(xiàng)重要內(nèi)容。 腦圖譜是對(duì)人腦進(jìn)行探索的一項(xiàng)重要的工具。從文藝復(fù)興時(shí)期的著名解剖學(xué)家Vesalius對(duì)大腦結(jié)構(gòu)進(jìn)行詳細(xì)的描述開始,大量的神經(jīng)解剖描述,圖片和圖像陸續(xù)出現(xiàn)。隨著技術(shù)的進(jìn)步,數(shù)字化腦圖譜層出不窮,其中絕大部分腦圖譜是建立在一個(gè)或者是數(shù)量極其有限的個(gè)體標(biāo)本上,這些包括Vox-man腦圖譜,Roland腦圖譜,數(shù)字解剖學(xué)家計(jì)劃腦圖譜,哈佛腦圖譜等等,其中當(dāng)前世界上應(yīng)用比較廣泛的是Talairach and Tournoux腦圖譜,此圖譜標(biāo)注Brodmann分區(qū),許多學(xué)者依據(jù)該圖譜開發(fā)出了計(jì)算機(jī)腦圖譜系統(tǒng)用于臨床;另外,Talairach坐標(biāo)系統(tǒng)也經(jīng)常被用于腦皮質(zhì)的標(biāo)準(zhǔn)化。ICBM計(jì)劃首次提出了概率性腦圖譜的概念,概率性腦圖譜的研究主要是通過將大量的個(gè)體影像數(shù)據(jù)置于一個(gè)共用的標(biāo)準(zhǔn)空間來建立可以代表人群共性的大標(biāo)本腦圖譜,很多學(xué)者都在致力于這方面的研究。當(dāng)前常用的標(biāo)準(zhǔn)腦模板是ICBM152,其數(shù)據(jù)來自152名23歲左右健康成年人的MR掃描,因此,ICBM152是152名健康成年人腦的平均腦,更能代表大多數(shù)人腦的特征,它為個(gè)體人腦MRI圖像的研究提供了一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的空間,便于不同研究對(duì)象之間的比較。2001年5月美國科學(xué)家聯(lián)盟(FAS)提出了數(shù)字人計(jì)劃,并且把人類腦計(jì)劃作為其重要的組成部分,獲得人腦數(shù)據(jù)以后建立了人類可視化腦圖譜,這類腦圖譜有明確的定位,也可通過多種方式識(shí)別,可以通過表面重建的方式來分析人腦皮質(zhì)的結(jié)構(gòu)和功能,主要用于解剖結(jié)構(gòu)的標(biāo)識(shí)。還有學(xué)者在三維的腦圖譜研究中加上時(shí)間的因素,建立四維腦圖譜,用來研究人腦的發(fā)展變化。也有學(xué)者利用組織學(xué)的方法來研究一些局部的大腦結(jié)構(gòu),例如海馬、皮質(zhì)下結(jié)構(gòu)等,建立特定區(qū)域的腦圖譜。現(xiàn)有的數(shù)字化標(biāo)準(zhǔn)腦圖譜在一定程度上增加了人們對(duì)大腦的認(rèn)識(shí)和研究,但是都有相應(yīng)的不足之處并有待于進(jìn)一步改善,并且這些腦圖譜基本上是來源于西方人的數(shù)據(jù),不具備東方人的特征。大量的研究表明,由于人種和生長環(huán)境的影響,東西方人腦會(huì)有比較顯著的差別,在神經(jīng)科學(xué)的研究中,假如我們直接把上述的腦圖譜作為標(biāo)準(zhǔn)腦模板的話,可能會(huì)出現(xiàn)一些誤差。因此,建立具有東方人特征且具有人群代表性的數(shù)字化標(biāo)準(zhǔn)腦圖譜有其必要性。 本研究中,首先利用3.0 T磁共振掃描儀獲取35例中國人高分辨率三維腦結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù),并從ICBM數(shù)據(jù)庫中選擇年齡和性別完全匹配的35例Caucasian高分辨率三維腦結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù),運(yùn)用整體比較、大腦結(jié)構(gòu)比較、局部大腦結(jié)構(gòu)信息比較等多種方法對(duì)這兩組的東西方人腦數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析研究,發(fā)現(xiàn)東西方人腦在形狀和結(jié)構(gòu)上都有有明顯的差異,這為我們下一步的研究奠定了堅(jiān)實(shí)的理論依據(jù)。腦圖譜的研究分為兩步:1.利用3.0T磁共振掃描儀對(duì)56名健康成年男性進(jìn)行掃描,獲得高分辨率三維結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù),對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理,借鑒ICBM152的建立模式建立基于MRI圖像的中國人數(shù)字化標(biāo)準(zhǔn)腦模板。2.利用數(shù)控冷凍銑切技術(shù)獲得高質(zhì)量的連續(xù)薄層腦斷面數(shù)據(jù),通過圖像處理以后進(jìn)行三維重建,獲得真彩色的三維重建人腦,接著利用一系列的轉(zhuǎn)換獲得灰度幾何人腦數(shù)據(jù),最后把三維人腦數(shù)據(jù)配準(zhǔn)到基于MRI的中國人數(shù)字化標(biāo)準(zhǔn)腦模板中,獲得既有很高的空間分辨率,又有詳細(xì)的結(jié)構(gòu)信息的數(shù)字化標(biāo)準(zhǔn)腦圖譜。 本研究分為三個(gè)部分,摘要如下: 第一部分中國人和Caucasian大腦結(jié)構(gòu)的差別研究 第一章:基于結(jié)構(gòu)分析的中國人和Caucasian大腦形態(tài)差異研究 目的:利用高分辨率結(jié)構(gòu)MRI數(shù)據(jù)研究中國人和Caucasian大腦整體和大腦結(jié)構(gòu)的差異。 材料和方法:選擇年齡和性別完全匹配的健康右利中國和Caucasian年輕志愿者各35人,利用高分辨率結(jié)構(gòu)MRI掃描儀進(jìn)行掃描,獲得高分辨率三維結(jié)構(gòu)MRI數(shù)據(jù)。首先在BrainSuite軟件中對(duì)大腦的整體特征進(jìn)行評(píng)價(jià),具體測(cè)量大腦的連合間線(AC-PC)長度,整個(gè)大腦的長、寬、高。利用LONI Brain Parser軟件對(duì)大腦的56個(gè)結(jié)構(gòu)進(jìn)行分割,計(jì)算每一個(gè)結(jié)構(gòu)的體積,獲得精確的測(cè)量數(shù)據(jù),利用統(tǒng)計(jì)學(xué)方法對(duì)兩組不同的數(shù)據(jù)進(jìn)行比較,找出兩者的差別。 結(jié)果: 1.中國人和Caucasian在大腦的形狀和尺寸上有一定的區(qū)別,中國人大腦的長、寬、高以及AC-PC線長度平均值分別是160.99mm、142.64mm、110.72mm和26.28mm,Caucasian大腦的長、寬、高以及AC-PC線長度平均值分別為171.68mm、127.48mm、106.31mm和28.13mm。中國人大腦的寬/長、高/長以及高/寬平均值分別為0.89、0.69、0.78;Caucasian則為0.74、0.62、0.83,因此可以看出中國人和Caucasian的大腦形狀有差異,中國人大腦更圓一些,這一結(jié)果可能是因?yàn)榇竽X結(jié)構(gòu)的不同造成,對(duì)上述數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析發(fā)現(xiàn)中國人大腦的長、寬、高以及AC-PC線長度與Caucasian有明顯差異,p＜0.01。 2.通過對(duì)兩組大腦56個(gè)結(jié)構(gòu)的體積測(cè)量結(jié)果分析,中國人和Caucasian在大腦結(jié)構(gòu)上有一定的區(qū)別。左側(cè)半球有明顯區(qū)別(p＜0.01)的結(jié)構(gòu)為:眶額回,直回,頂上回,枕中回,顳下回,顳中回,楔前葉,海馬旁回,扣帶回,島葉皮質(zhì),殼和尾狀核;右側(cè)半球有明顯區(qū)別(p＜0.01)的結(jié)構(gòu)為:額上回,眶額回,中央后回,枕上回,枕中回,顳上回,顳中回,顳下回,中央前回,直回,楔前葉,海馬旁回,島葉皮質(zhì),殼和尾狀核。 結(jié)論:中國人和Caucasian在大腦形態(tài)大小以及結(jié)構(gòu)上有一定的差異性,這為我們建立中國人數(shù)字化標(biāo)準(zhǔn)腦圖譜提供了堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)。 第二章:中國人和Caucasian大腦局部結(jié)構(gòu)差異:基于張量的形態(tài)測(cè)定研究 目的:利用基于張量的形態(tài)測(cè)定法(TBM)研究中國人和Caucasian在大腦局部結(jié)構(gòu)上的差異。 材料和方法:選擇年齡和性別完全匹配的健康右利中國和Caucasian年輕志愿者各35人,利用高分辨率結(jié)構(gòu)MRI掃描儀進(jìn)行掃描,獲得高分辨率三維結(jié)構(gòu)MRI數(shù)據(jù)。首先對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理,利用BET軟件自動(dòng)去除顱骨和其他非腦組織,對(duì)自動(dòng)處理結(jié)果進(jìn)行手工矯正后獲得去顱骨后大腦;將兩組數(shù)據(jù)分別采取12參數(shù)線性轉(zhuǎn)換仿射到lpba40.air.icbm452w5.brain.avg標(biāo)準(zhǔn)空間以調(diào)整個(gè)體大腦之間的位置和刻度差異,對(duì)兩組數(shù)據(jù)分別建立最小變形目標(biāo)腦模板(MDT),將每一個(gè)大腦數(shù)據(jù)分別仿射到MDT中,經(jīng)過一系列的步驟建立每一個(gè)個(gè)體大腦的Jacobian腦圖譜用以分析個(gè)體局部容積的差別;分別利用每組35個(gè)個(gè)體Jacobian圖譜建立平均腦圖譜,最后通過疊加表達(dá)以后對(duì)每一個(gè)體素的量值以及有效度進(jìn)行評(píng)價(jià),對(duì)感興趣區(qū)域(ROI)進(jìn)行分析,得到通過顏色標(biāo)注兩個(gè)個(gè)體大腦之間或者兩個(gè)平均腦圖譜之間的差異的腦圖譜,分析說明中國人和Caucasian在相應(yīng)大腦局部結(jié)構(gòu)上的差異。 結(jié)果:通過對(duì)兩組Jacobian平均腦圖譜的對(duì)照研究以及對(duì)感興趣大腦區(qū)域的分析,發(fā)現(xiàn)中國人和Caucasian在大腦額葉,大腦頂葉,大腦顳葉和大腦枕葉都有明顯的差別(p＜0.01)。 結(jié)論:中國人和Caucasian在大腦的局部結(jié)構(gòu)上都有明顯的區(qū)別,這為我們建立中國人數(shù)字化標(biāo)準(zhǔn)腦圖譜提供了理論基礎(chǔ)。 第二部分:基于MRI數(shù)據(jù)的中國人數(shù)字化標(biāo)準(zhǔn)腦模板的建立 目的:利用高分辨率三維結(jié)構(gòu)MRI數(shù)據(jù)建立中國人數(shù)字化標(biāo)準(zhǔn)腦模板。 材料和方法:利用3.0T磁共振掃描儀對(duì)56個(gè)年齡在20到30歲之間(平均年齡=24.03±2.06)的健康右利中國志愿者進(jìn)行掃描,獲取高分辨率三維結(jié)構(gòu)MRI數(shù)據(jù),對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理。選擇其中一個(gè)人腦作為目標(biāo)腦,將所有的56個(gè)大腦利用12參數(shù)轉(zhuǎn)換模式空間標(biāo)準(zhǔn)化到目標(biāo)腦中并進(jìn)行平均化處理后獲得密度平均腦模型,然后再一次將所有的56個(gè)大腦仿射到該密度平均腦中,進(jìn)行平均化后獲得密度和空間都平均化的線性轉(zhuǎn)換腦模板。將56個(gè)原始腦MRI數(shù)據(jù)線性(6參數(shù))轉(zhuǎn)換到起初的目標(biāo)腦中獲得56個(gè)與平均腦模板具有相同空間坐標(biāo)的腦體積數(shù)據(jù),以上述線性轉(zhuǎn)換腦模板為目標(biāo)腦,利用“align warp”的方法將此56個(gè)大腦非線性轉(zhuǎn)換配準(zhǔn)到目標(biāo)腦中獲得結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)更加清楚的非線性轉(zhuǎn)換腦模板。利用BET軟件自動(dòng)去除56個(gè)大腦的顱骨和非腦組織,對(duì)于自動(dòng)處理結(jié)果進(jìn)行手工矯正,獲得56個(gè)去除顱骨以后的大腦體積數(shù)據(jù),重復(fù)上述步驟,只是在相應(yīng)的步驟做一下參數(shù)調(diào)整,最后獲得去除顱骨的線性轉(zhuǎn)換和非線性轉(zhuǎn)換平均腦模板。 結(jié)果:通過對(duì)上述步驟的重復(fù)運(yùn)行,調(diào)整好相應(yīng)步驟中的關(guān)鍵性參數(shù),獲得基于MRI數(shù)據(jù)的兩組數(shù)字化標(biāo)準(zhǔn)腦模板,分別為整個(gè)大腦腦模板和去顱骨后腦模板。其中每一組又有兩個(gè)部分:線性轉(zhuǎn)換平均腦模板和非線性轉(zhuǎn)換平均腦模板。相對(duì)于非線性轉(zhuǎn)換平均腦模板而言,線性轉(zhuǎn)換平均腦模板缺少詳細(xì)的結(jié)構(gòu)信息,但是具有標(biāo)準(zhǔn)的空間坐標(biāo)信息,尤其是整腦線性轉(zhuǎn)換平均腦模板,因此也被稱為平均腦模型;非線性轉(zhuǎn)換平均腦模板具有比較清楚的大腦結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié),因此可以用來更深一步的腦圖譜研究,并且可以作為參考圖譜來對(duì)一些具體的大腦結(jié)構(gòu)進(jìn)行對(duì)比分析。 結(jié)論:建立基于MRI數(shù)據(jù)的中國人數(shù)字化標(biāo)準(zhǔn)腦模板,為基于中國人數(shù)據(jù)的神經(jīng)影像學(xué)研究提供基本的參考。 第三部分:基于標(biāo)本斷面數(shù)據(jù)的中國人數(shù)字化標(biāo)準(zhǔn)腦圖譜的建立 目的:利用連續(xù)薄層斷面數(shù)據(jù)對(duì)人腦進(jìn)行三維重建,并將三維腦體積通過空間標(biāo)準(zhǔn)化配準(zhǔn)到基于MRI數(shù)據(jù)的中國人數(shù)字化腦模板中建立基于連續(xù)薄層斷面數(shù)據(jù)的中國人數(shù)字化標(biāo)準(zhǔn)腦圖譜。 材料和方法:從4例尸體標(biāo)本中選擇1例作為研究對(duì)象,利用數(shù)字化冷凍銑切技術(shù)獲取層厚為0.1毫米的連續(xù)薄層腦斷面數(shù)據(jù),將原始數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成JPEG格式,在Photoshop軟件中進(jìn)行數(shù)據(jù)裁減、分割,獲得分辨率為512×512的二維圖像共1506張,保存為TIFF格式。利用SHIVA軟件將TIFF格式文件轉(zhuǎn)換為ANALYZE格式文件,在UNIX系統(tǒng)服務(wù)器上用“cat”命令將1506個(gè)文件重建成為3D腦體積文件,將3D腦體積轉(zhuǎn)換成幾何三維模型和灰度三維腦模型,然后將灰度三維腦模型利用12參數(shù)轉(zhuǎn)換模式空間標(biāo)準(zhǔn)化到已經(jīng)建立的中國人數(shù)字化標(biāo)準(zhǔn)MRI腦模板中獲得基于連續(xù)薄層斷面數(shù)據(jù)的數(shù)字化標(biāo)準(zhǔn)腦圖譜,去除顱骨和其他非腦組織后獲得具有更加詳細(xì)結(jié)構(gòu)信息的數(shù)字化腦圖譜。 結(jié)果:獲得三維重建以后的三維腦模型,建立基于標(biāo)本斷面數(shù)據(jù)的中國人數(shù)字化腦圖譜,包括全腦圖譜和去除顱骨后的腦圖譜,該腦圖譜不僅具有詳細(xì)的解剖結(jié)構(gòu)信息和組織學(xué)信息,而且具有MRI腦模板的空間特征。 結(jié)論:建立基于標(biāo)本斷面數(shù)據(jù)的中國人數(shù)字化標(biāo)準(zhǔn)腦圖譜,該腦圖譜不僅可以作為解剖結(jié)構(gòu)信息描述的參考,而且可以用來作為神經(jīng)影像學(xué)研究中的腦模板。 結(jié)論和意義 一、首次利用較大樣本的活體腦MRI數(shù)據(jù),采用多種計(jì)算機(jī)圖像分析方法對(duì)中國人和Caucasian大腦進(jìn)行差異性研究,發(fā)現(xiàn)中國人和Caucasian在大腦結(jié)構(gòu)上具有明顯的差異,這為建立中國人數(shù)字化標(biāo)準(zhǔn)腦圖譜提供了理論依據(jù),為深入探討東西方人腦的結(jié)構(gòu)和功能差異提供了解剖學(xué)基礎(chǔ)。 1.獲取兩組較大樣本(年齡和性別完全匹配的中國男性右利青年和Caucasian男性右利青年各35例)的3D結(jié)構(gòu)MRI數(shù)據(jù),采用當(dāng)前常用的圖像分析方法直觀地測(cè)量每個(gè)個(gè)體大腦的長、寬、高以及AC-PC線長度,對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行比較分析以后發(fā)現(xiàn)中國人和Caucasian的大腦形態(tài)和大小具有明顯的區(qū)別,中國人大腦比Caucasian大腦更圓,因此大腦結(jié)構(gòu)會(huì)有一定的區(qū)別。 2.利用LONI Brain Parser Pipeline對(duì)大腦的56個(gè)結(jié)構(gòu)進(jìn)行分割,手動(dòng)校正,測(cè)量每個(gè)結(jié)構(gòu)的體積,對(duì)比分析以后發(fā)現(xiàn)中國人和Caucasian在一些大腦結(jié)構(gòu)上有明顯的不同,進(jìn)一步證實(shí)了以前關(guān)于中國人和Caucasian大腦功能存在顯著差異的研究結(jié)果。 3.利用基于張量的形態(tài)測(cè)定法(TBM)研究中國人和Caucasian在大腦局部結(jié)構(gòu)上的差異,對(duì)個(gè)體大腦MRI圖像的每一個(gè)體素進(jìn)行分析運(yùn)算,發(fā)現(xiàn)中國人和Caucasian在大腦額葉、頂葉、顳葉、枕葉都有一定的區(qū)別。為將來進(jìn)行中國人大腦結(jié)構(gòu)和功能的研究提供科學(xué)的理論依據(jù),激勵(lì)研究人員進(jìn)一步探索不同種群人腦之間的結(jié)構(gòu)和功能差異。 二、首次獲取較大樣本(56例)的中國人活體大腦3.0 T MRI三維結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù),并利用國際上最先進(jìn)的腦圖像計(jì)算機(jī)處理方法和腦圖譜建立方法建立具有中國人群特征的數(shù)字化標(biāo)準(zhǔn)腦模板。相比較ICBM152等已存在的腦模板來說,本模板具有更高的分辨率和更詳細(xì)結(jié)構(gòu)信息,而且更加適合中國人大腦研究;同時(shí)為全球性的ICBM的研究添加了中國人的數(shù)據(jù)。 三、利用先進(jìn)的數(shù)控冷凍銑切技術(shù)獲取成人大腦標(biāo)本的高質(zhì)量的連續(xù)薄層斷面數(shù)據(jù),采用當(dāng)前世界上常用的圖像處理方法對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理,并進(jìn)行三維重建,獲得大腦的三維重建模型,利用計(jì)算機(jī)和數(shù)學(xué)技術(shù)對(duì)三維腦模型進(jìn)行一系列轉(zhuǎn)換和空間標(biāo)準(zhǔn)化,首次建立了基于標(biāo)本斷面數(shù)據(jù)的中國人數(shù)字化標(biāo)準(zhǔn)腦圖譜。該腦圖譜不僅具有詳細(xì)的解剖結(jié)構(gòu)信息,而且具有MRI腦模板的空間特征,具有更加廣泛的應(yīng)用價(jià)值,為將來大腦結(jié)構(gòu)和功能的探索提供詳細(xì)的解剖學(xué)基礎(chǔ)和值得借鑒的方法。
[Abstract]:......
【學(xué)位授予單位】：山東大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2009
【分類號(hào)】：R322.81

【引證文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：2410268