基于皮尔逊相关的fmri数据特征提取及分析【字数：15138】
摘 要功能磁共振成像技术凭借其诸多优势，现已被广泛应用于脑部科学和神经医学研究之中。它是一种基于血氧水平依赖的方法对数据进行特征提取与分析。为了获得相邻两个体素之间的相关程度，本文采用传统的统计分析方法—皮尔逊相关对fMRI数据进行特征的提取与分析。首先对研究所用到相关知识与原理进行了介绍，主要包括皮尔逊相关和功能磁共振成像的基本原理，fMRI技术的优缺点及数据特点，并介绍了fMRI数据分析所用到的辅助软件。其次使用皮尔逊相关方法进行数据的采集，数据的预处理和数据的分析。最后通过对不同静息态fMRI数据、不同视觉任务态fMRI数据以及静息态与视觉任务态fMRI数据三种情况的比较，得出采用皮尔逊相关进行数据特征提取与分析的相应结论。
目 录
1．绪论 1
1.1 研究背景及意义 1
1.2 研究现状以及发展前景 2
1.3 本文研究的主要内容 4
2．相关知识介绍 5
2.1 相关分析与皮尔逊相关 5
2.1.1 相关分析概述 5
2.1.2 皮尔逊相关 5
2.2 fMRI简介 6
2.2.1 fMRI基本工作原理 6
2.2.2 fMRI数据特征提取方法 7
2.2.3 fMRI优缺点及数据特点 8
2.3 fMRI数据辅助分析软件 9
2.3.1 MRICRO 9
2.3.2 MATLAB 9
2.3.3 SPM组件 10
2.4 本章小结 10
3．基于皮尔逊相关的fMRI数据特征提取及分析 11
3.1 fMRI数据特征提取与分析流程 11
3.2 数据采集 11
3.3 数据处理 12
3.4 数据分析与比较 14
3.4.1不同视觉任务态fMRI数据分析比较 14
3.4.2 不同静息态fMRI数据分析比较 18
3.4.3 视觉任务态与静息态fMRI数据的分析比较 21
3.5 结果分析 24
3.6 本章小结 24 结 语 25
参考文献 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ￥351916072￥
27
致 谢 29
1．绪论
1.1 研究背景及意义
大脑是人体器官中最为重要的组成部分，承担着接收与感知信号，进行逻辑思维判定，指挥着人们从事着各项活动，是获得各种信息、进行存储并转化输出的中枢，因此，对人脑进行深入的探索是非常有意义的[1]。一直以来，研究者们发现：在大脑皮层中人脑功能的反映是依据空间划分的，次级结构也不例外。对大脑的研究有许多成功的技术，如正电子发射断层扫描技术，通过使用测量局部脑血流的方法来检测大脑的活动。为检测大脑对刺激反映产生的电磁信号，采用脑电图和脑磁图技术，这两种技术的缺陷是不能够对活动区域做出确切的定位。此外，为了进行脑功能的检测，也有人使用光学的方法，如基于可见光的时间分解反射光谱仪等。纵观以上的各种方式或技术，它们都是通过检测人脑中脑血流或代谢的变化来实现的。?
在众多的模式中，功能磁共振成像技术已成为研究大脑的主流技术手段。在20世纪40年代，Pauling等人[2]就观察到了血红蛋白含氧量的变化对磁场产生能一定的影响。20世纪80年代 Fox，P.T等人[3,4]发现，随着神经元活动的变化，组织中氧的含量也会发生变化。在他们的基础上，1992年Ogawa，S.和KWONG，K.等人[5，6]证明了可以使用MRI技术来测量活体血液中氧的含量。就这样，核磁共振物理学和脑生理学的结合就产生了血氧水平依赖信号应运而生，它由脑生理学与核磁共振物理学两大学科组成。fMRI是一种非介入性技术，可以精准定位大脑活动的皮层区域，其空间分辨率高达2mm，并允许对脑区进行反复的扫描，多次的测量。
fMRI的另一个特征是能够实时跟踪信号的变化。在短短几秒钟内发生的思维活动，它都可以感知到。还能实时监测到测试中信号的变化，时间分辨率能够达到1秒。因此，大批脑科学研究人员己致力于功能磁共振成像技术的研究，并将它灵活的应用于认知神经科学领域。由于医学领域的迫切需求，fMRI技术得到了进一步的发展，在病理学上的应用也取得了初步的成功，例如扩散成像技术和灌注成像技术用于对局部脑缺血状况的诊断。
根据扫描时能否接受外部刺激或完成相关任务，fMRI数据可以分为两类，即基于任务态的fMRI和静息态的fMRI。基于任务态的fMRI通过在接受特定刺激信号或执行相关事件期间，采集大脑的磁共振图像来分析研究出相应脑区的激活情况。而在静息态下fMRI正在执行数据扫描时，参与者不需要执行任何复杂的认知任务，只需要保持清醒的头脑并且整个身体是放松的即可。
因此，对大脑进行深入的研究，既可以帮助我们理解各种各样的脑科疾病的致病机理，也能够使得我们找到对应的治疗方法，对症治疗，最终克服脑部疾病的相关难题。对大脑的研究是一件对人类极具意义的事情，也是一些专家和生理学家着重关注的一个研究方向。近年来，随着医学影像技术的飞速发展，涌现出了诸如CT（Computerized Tomography）、PET（Positron emission Tomography）、MRI（Magnetic Resonance Imaging）和fMRI(function Magnetic Resonance Imaging)等一系列先进的成像手段，可以对毫米级水平的大脑功能区域进行研究。在许多的模式或成像手段中，用于脑功能定位的磁共振成像技术，或者说功能磁共振成像是一种非常有效的研究脑功能的非介入技术，这已经成为脑功能研究中使用最为广泛的一种研究工具[7]。
1.2 研究现状以及发展前景
在对脑功能进行研究的初期，研究者只能通过解剖图谱来获得人脑的有关结构和分析其功能。由于科技的进步，研究者们可以在不用开颅的情况下，通过脑电（Electroencephalograph，EEG）的脑成像技术来获取脑部微弱的电压特征（脑波），这样就可以获得人脑的相关结构。由于脑电图的精密度有限，其自身存在着一定的局限性，它会将脑部产生的所有活动都一一记录下来，且所有活动的变化趋势或特征变的不太明显，无显著的特征。但在当时的时期，也获得了一定范围的使用。随着脑电（Electroencephalography，EEG）、核磁（Magnetic Resonance Imaging，MRI）、 正电子发射断层（Positron Emission Tomography，PET）等先进脑成像技术的发展，深刻研究人脑已成为了现实。另一方面，随着计算机数据挖掘等技术的不断成熟，研究者们可对采集和观察到的现象和数据进行多角度、多层次的数据分析。相比于早期的一些研究方法，这些先进技术进一步推动了研究者们对大脑的认知。这些先进的计算机扫描技术或方法，使得研究者们在不损伤脑组织的情况下，就可以获得脑组织或脑部结构的完整图像。经过对这些图像的深入分析，就能够知道脑组织中何处发生了病变，该如何的去对症治疗。
目 录
1．绪论 1
1.1 研究背景及意义 1
1.2 研究现状以及发展前景 2
1.3 本文研究的主要内容 4
2．相关知识介绍 5
2.1 相关分析与皮尔逊相关 5
2.1.1 相关分析概述 5
2.1.2 皮尔逊相关 5
2.2 fMRI简介 6
2.2.1 fMRI基本工作原理 6
2.2.2 fMRI数据特征提取方法 7
2.2.3 fMRI优缺点及数据特点 8
2.3 fMRI数据辅助分析软件 9
2.3.1 MRICRO 9
2.3.2 MATLAB 9
2.3.3 SPM组件 10
2.4 本章小结 10
3．基于皮尔逊相关的fMRI数据特征提取及分析 11
3.1 fMRI数据特征提取与分析流程 11
3.2 数据采集 11
3.3 数据处理 12
3.4 数据分析与比较 14
3.4.1不同视觉任务态fMRI数据分析比较 14
3.4.2 不同静息态fMRI数据分析比较 18
3.4.3 视觉任务态与静息态fMRI数据的分析比较 21
3.5 结果分析 24
3.6 本章小结 24 结 语 25
参考文献 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ￥351916072￥
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致 谢 29
1．绪论
1.1 研究背景及意义
大脑是人体器官中最为重要的组成部分，承担着接收与感知信号，进行逻辑思维判定，指挥着人们从事着各项活动，是获得各种信息、进行存储并转化输出的中枢，因此，对人脑进行深入的探索是非常有意义的[1]。一直以来，研究者们发现：在大脑皮层中人脑功能的反映是依据空间划分的，次级结构也不例外。对大脑的研究有许多成功的技术，如正电子发射断层扫描技术，通过使用测量局部脑血流的方法来检测大脑的活动。为检测大脑对刺激反映产生的电磁信号，采用脑电图和脑磁图技术，这两种技术的缺陷是不能够对活动区域做出确切的定位。此外，为了进行脑功能的检测，也有人使用光学的方法，如基于可见光的时间分解反射光谱仪等。纵观以上的各种方式或技术，它们都是通过检测人脑中脑血流或代谢的变化来实现的。?
在众多的模式中，功能磁共振成像技术已成为研究大脑的主流技术手段。在20世纪40年代，Pauling等人[2]就观察到了血红蛋白含氧量的变化对磁场产生能一定的影响。20世纪80年代 Fox，P.T等人[3,4]发现，随着神经元活动的变化，组织中氧的含量也会发生变化。在他们的基础上，1992年Ogawa，S.和KWONG，K.等人[5，6]证明了可以使用MRI技术来测量活体血液中氧的含量。就这样，核磁共振物理学和脑生理学的结合就产生了血氧水平依赖信号应运而生，它由脑生理学与核磁共振物理学两大学科组成。fMRI是一种非介入性技术，可以精准定位大脑活动的皮层区域，其空间分辨率高达2mm，并允许对脑区进行反复的扫描，多次的测量。
fMRI的另一个特征是能够实时跟踪信号的变化。在短短几秒钟内发生的思维活动，它都可以感知到。还能实时监测到测试中信号的变化，时间分辨率能够达到1秒。因此，大批脑科学研究人员己致力于功能磁共振成像技术的研究，并将它灵活的应用于认知神经科学领域。由于医学领域的迫切需求，fMRI技术得到了进一步的发展，在病理学上的应用也取得了初步的成功，例如扩散成像技术和灌注成像技术用于对局部脑缺血状况的诊断。
根据扫描时能否接受外部刺激或完成相关任务，fMRI数据可以分为两类，即基于任务态的fMRI和静息态的fMRI。基于任务态的fMRI通过在接受特定刺激信号或执行相关事件期间，采集大脑的磁共振图像来分析研究出相应脑区的激活情况。而在静息态下fMRI正在执行数据扫描时，参与者不需要执行任何复杂的认知任务，只需要保持清醒的头脑并且整个身体是放松的即可。
因此，对大脑进行深入的研究，既可以帮助我们理解各种各样的脑科疾病的致病机理，也能够使得我们找到对应的治疗方法，对症治疗，最终克服脑部疾病的相关难题。对大脑的研究是一件对人类极具意义的事情，也是一些专家和生理学家着重关注的一个研究方向。近年来，随着医学影像技术的飞速发展，涌现出了诸如CT（Computerized Tomography）、PET（Positron emission Tomography）、MRI（Magnetic Resonance Imaging）和fMRI(function Magnetic Resonance Imaging)等一系列先进的成像手段，可以对毫米级水平的大脑功能区域进行研究。在许多的模式或成像手段中，用于脑功能定位的磁共振成像技术，或者说功能磁共振成像是一种非常有效的研究脑功能的非介入技术，这已经成为脑功能研究中使用最为广泛的一种研究工具[7]。
1.2 研究现状以及发展前景
在对脑功能进行研究的初期，研究者只能通过解剖图谱来获得人脑的有关结构和分析其功能。由于科技的进步，研究者们可以在不用开颅的情况下，通过脑电（Electroencephalograph，EEG）的脑成像技术来获取脑部微弱的电压特征（脑波），这样就可以获得人脑的相关结构。由于脑电图的精密度有限，其自身存在着一定的局限性，它会将脑部产生的所有活动都一一记录下来，且所有活动的变化趋势或特征变的不太明显，无显著的特征。但在当时的时期，也获得了一定范围的使用。随着脑电（Electroencephalography，EEG）、核磁（Magnetic Resonance Imaging，MRI）、 正电子发射断层（Positron Emission Tomography，PET）等先进脑成像技术的发展，深刻研究人脑已成为了现实。另一方面，随着计算机数据挖掘等技术的不断成熟，研究者们可对采集和观察到的现象和数据进行多角度、多层次的数据分析。相比于早期的一些研究方法，这些先进技术进一步推动了研究者们对大脑的认知。这些先进的计算机扫描技术或方法，使得研究者们在不损伤脑组织的情况下，就可以获得脑组织或脑部结构的完整图像。经过对这些图像的深入分析，就能够知道脑组织中何处发生了病变，该如何的去对症治疗。
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