基于弥散加权成像的经颅磁刺激个体结构靶点定位方法

技术领域

本发明涉及生物医学图像模式识别领域，尤其涉及一种基于弥散加权成像的经颅磁刺激个体结构靶点定位方法。

背景技术

现有技术公开了弥散加权成像(Diffusion Weighted Imaging，DWI)技术，这是一种通过检测水分子在不同生理组织中弥散的受限方向及程度来间接反应组织微结构的成像技术。应用于脑部成像中时，DWI技术能根据脑白质中水分子沿纤维束走形弥散的特征进行纤维束追踪。利用DWI技术追踪的脑部纤维束形态能够在一定程度上反映脑内神经元群实际走形方向及距离，展现出不同脑区间的白质结构连接及其构成的神经环路。

经颅磁刺激(Transcranial Magnetic Stimulation，TMS)是一种无创神经调控技术，利用刺激线圈中的交变电流在脑外产生交变磁场以在脑内激发感应电流从而改变神经元的电活动，进而引发一系列神经电生理效应并对个体的认知及行为产生一定的影响。目前TMS已被美国食品药品监督管理局批准成为难治性抑郁症、强迫症等精神障碍的治疗手段，且已有大量临床研究表明在其他精神障碍的干预方面TMS也能起到一定治疗效果。

虽然TMS已被证明是一种有效的神经调控手段，但是目前TMS的直接刺激仅能达到皮层下2-3cm深度，针对脑内深部核团则缺乏有效的特异性刺激方案，与之相对的是许多研究已发现，大部分精神障碍的病理性表征不止出现在部分浅表皮层，许多涉及到脑内深部核团间连接及神经活动的异常改变。

不过已有研究表明，作用于脑浅表皮层的经颅磁刺激可经白质结构连接通路将刺激传导向脑内深部核团，从而引起皮下核团神经活动的改变。一些有创的基于脑深部电刺激的临床研究中也表明，当刺激位点选在脑区间白质连接通路上时，对深部脑区的影响最为显著。因此我们需要采用个体化的刺激靶点来将TMS对浅表皮层的刺激经特定白质结构连接传递到脑深部的目标核团中，以达到精准且有效的干预治疗效果。

目前临床常用的经颅磁刺激治疗一般采用统一的标准靶点，缺乏个体化的精准刺激方案，这对于部分个体异质性较强的精神障碍来说，无法对所有病人都产生较为明显的干预效果。而目前国际上以静息态功能磁共振引导的刺激靶点，局限于功能磁共振影像的时变性及功能连接概念的抽象性，无法得到稳定可靠且具有解剖及神经生理意义的靶点方案。

因此基于现有研究情况，本发明提出了一种基于弥散加权成像的经颅磁刺激个体结构靶点精准定位方法。

发明内容

本发明的目的是要提供基于弥散加权成像的经颅磁刺激个体结构靶点精准定位方法。该方法不仅能够解决常规TMS无法对深部核团产生特异性影响的局限，而且在无创情况下将电刺激经由白质结构连接从脑浅表皮层传递向脑深部核团，避免了传统脑深部电刺激存在的不良风险。与此同时，本方法在为患者提供个体化的刺激靶点方案时，采用较静息态功能磁共振计算得到的功能连接强度更为稳定的白质结构连接指标，在解决了精神障碍患者个体异质性强的问题同时还提供了时间上更为稳定可靠且具有神经解剖意义的精准干预指导方案。

为达到上述目的，本发明是按照以下技术方案实施的：

本发明包括以下步骤：

S1：采集患者的弥散加权影像及高分辨率T1加权结构影像，对患者弥散加权像进行预处理，将预处理后的弥散加权像配准到T1影像空间，使配准后弥散像空间与T1空间相同坐标处对应被试大脑的相同位置；

S2：对患者T1结构影像进行预处理及T1结构分割，得到被试在经颅磁刺激时个体化的目标核团及皮层表面刺激脑区模板；

S3：对于预处理后的弥散加权像通过估计每个体素上纤维走向的概率密度函数，采用约束球形反卷积的方式进行概率性纤维束追踪，重建每个体素上的纤维分布及走向，基于步骤S2分割出的个体脑区模板追踪从刺激目标核团到皮层表面刺激区的白质纤维束走形；

S4：显示追踪得到的白质纤维束结果，多角度观测定位最接近刺激皮层表面的纤维束端点，并提取端点空间坐标；以最靠近皮层表面刺激区的纤维束端点为圆心构造球体模板，同时对剥脑影像进行图像反转，得到个体脑外空间模板；

S5：采用边缘检测算法提取皮层刺激区的表面，以最靠近皮层表面的纤维束端点为球心构造球体模板，对球体半径循环迭代，得到球体与脑外空间相切时的半径，再计算该球体与皮层刺激区外表面相交区域空间坐标，将相交区域空间坐标写入患者预处理后的T1结构影像，生成带有个体TMS结构靶点标记的模板，将带有结构靶点标记的模板导入精准导航TMS仪器中。

所述步骤S1中的预处理包括利用主成分分析进行降噪、再进行去除gibbs伪影、头动校正、bias场校正，并通过计算弥散加权像空间到T1加权结构像空间的仿射变换矩阵。

所述步骤S1中的预处理及T1结构分割使用Freesurfer软件，其中预处理包括运动校正、非均匀强度标准化处理、Talairach变换计算、强度标准化、剥脑、线性体积配准、CA强度标准化、CA非线性体积配准、去除脖颈、带头骨配准、CA标签和统计、二次强度归一化、白质分割、用ASeg(subcortical segmentation)校正白质、填充剪切、曲面细分、原始曲面平滑、膨胀、自动拓扑修复、生成最终表面、二次平滑、二次膨胀、球体映射、球体配准、同侧及对侧曲面配准、将平均曲率映射到主体、皮质分区及统计、创建皮质带模板、将皮质分区映射到ASeg。

所述步骤S4中显示追踪得到的白质纤维束结果采用MRview软件，使用ortho view功能进行多角度观测，定位并获取最接近皮层表面的纤维束端点坐标；在MATLAB软件中以最靠近皮层表面刺激区的的纤维束端点为圆心构造球体模板，剥脑影像为Freesurfer软件处理得到的。

所述步骤S5中边缘检测算法在MATLAB软件中进行。

本发明的有益效果是：

本发明是一种基于弥散加权成像的经颅磁刺激个体结构靶点定位方法，与现有技术相比，本发明针对常规TMS无法针对性刺激脑深部核团以及精神障碍患者个体变异性大的问题，提出了一种基于弥散加权成像的TMS精准个体结构靶点定位方法。这种方法有助于针对患者的结构连接特征进行精准干预，为精神障碍的临床治疗提供个体化的干预方案。本方法利用弥散加权影像从靶向核团对刺激皮层进行纤维束追踪，再根据追踪出距离刺激皮层最近的纤维束计算出最接近纤维束的区域坐标进行精准刺激，将刺激从浅表皮层经由纤维束特异性导向目标核团，为TMS提供了更精准有效的个体化治疗导航方案。

因此基于现有的研究现状，本发明采用基于弥散加权成像的经颅磁刺激个体结构靶点精准定位方法，不仅能够解决常规TMS无法对深部核团产生特异性影响的局限，而且在无创情况下将电刺激经由白质结构连接从脑浅表皮层传递向脑深部核团，避免了传统脑深部电刺激存在的不良风险。与此同时，本方法在为患者提供个体化的刺激靶点方案时，采用较静息态功能磁共振计算得到的功能连接强度更为稳定的白质结构连接指标，在解决了精神障碍患者个体异质性强的问题同时还提供了时间上更为稳定可靠且具有神经解剖意义的精准干预指导方案。

附图说明

图1为本发明中基于弥散加权成像的经颅磁刺激个体结构靶点精准定位方法的流程示意图。

图2为本发明中需要预先采集的被试个体高分辨率T1加权影像及弥散加权影像，图2中(a)高分辨率T1加权像、(b)弥散加权像；

图3为本发明中对个体T1加权像进行精准脑区分割后所得结果。

图4为本发明中从目标核团到皮层刺激区追踪得到的纤维束连接走形(此处选择目标核团为杏仁核，皮层刺激区为额叶)。

图5为本发明中提取得到的最接近刺激皮层表面的纤维束端点空间定位模板。

图6为本发明中T1加权像经剥脑及图像反转后得到的脑外空间模板。

图7为本发明中对分割出的额叶模板采用边缘检测算法得到的额叶表面模板。

图8为本发明中以纤维束端点为球心迭代半径得到的球体与额叶表面相交示意图。

图9为本发明得到的精准结构刺激靶点区域坐标，该靶点皮层刺激区表面中最靠近追踪所得纤维束端点的区域。

具体实施方式

下面结合附图以及具体实施例对本发明作进一步描述，在此发明的示意性实施例以及说明用来解释本发明，但并不作为对本发明的限定。

如图1所示：本发明包括如下步骤：

步骤一，采集患者的弥散加权影像及高分辨率T1加权结构影像，如图2所示；

步骤二，对患者弥散加权像利用主成分分析进行降噪、再进行去除gibbs伪影、头动校正、bias场校正等预处理，并通过计算弥散加权像空间到T1加权结构像空间的仿射变换矩阵，将个体预处理后的弥散加权像配准到T1影像空间，使配准后弥散像空间与T1空间相同坐标处对应被试大脑的相同位置；

步骤三，使用Freesurfer软件对患者T1结构影像进行运动校正、非均匀强度标准化处理、Talairach变换计算、强度标准化、剥脑、线性体积配准、CA强度标准化、CA非线性体积配准、去除脖颈、带头骨配准、CA标签和统计、二次强度归一化、白质分割、用ASeg校正白质、填充剪切、曲面细分、原始曲面平滑、膨胀、自动拓扑修复、生成最终表面、二次平滑、二次膨胀、球体映射、球体配准、同侧及对侧曲面配准、将平均曲率映射到主体、皮质分区及统计、创建皮质带模板、将皮质分区映射到ASeg等预处理及T1结构分割过程，预处理及脑区分割结果如图3所示，得到被试在经颅磁刺激时个体化的目标核团及皮层表面刺激脑区模板；

步骤四，对于预处理后的弥散加权像通过估计每个体素上纤维走向的概率密度函数，采用约束球形反卷积的方式进行概率性纤维束追踪，重建每个体素上的纤维分布及走向，基于步骤三分割出的个体脑区模板追踪从刺激目标核团到皮层表面刺激区的白质纤维束走形，如图4所示；

步骤五，使用MRview软件显示追踪得到的白质纤维束结果，使用ortho view多角度观测定位最接近刺激皮层表面的纤维束端点，并提取端点空间坐标，结果如图5所示；

步骤六，在MATLAB软件中以最靠近皮层表面刺激区的的纤维束端点为圆心构造球体模板，同时对Freesurfer处理得到的剥脑影像进行图像反转，得到个体脑外空间模板如图6所示；

步骤七，在MATLAB软件中采用边缘检测算法提取皮层刺激区的表面如图7所示；

步骤八，以最靠近皮层表面的纤维束端点为球心构造球体模板，对球体半径循环迭代，得到球体与脑外空间相切时的半径，再计算该球体与皮层刺激区外表面相交区域空间坐标如图8所示；

步骤九，将相交区域空间坐标写入患者预处理后的T1结构影像，生成带有个体TMS结构靶点标记的模板如图9所示；

步骤十，将带有结构靶点标记的模板导入精准导航TMS仪器中。

在本发明的一种优选实施方式，步骤二中计算出个体弥散加权影像配准到高分辨率T1加权影像的仿射变换矩阵，将弥散像配准到的T1结构影像空间中。

在本发明的一种优选实施方式，步骤五到八中以最接近刺激皮层的纤维束端点为球心，通过循环迭代半径的方式构造球体并使其膨胀到与脑外空间相切，再计算此时球体与刺激皮层相交区域空间坐标。并将相交区域坐标作为结构靶点写入高分辨率T1结构影像，生成个体TMS精准结构靶点模板。该流程操作得到的靶点坐标，是从刺激皮层到目标核团的纤维连接最接近浅表皮层的位置，这表明当刺激该区域时，纤维束能够最大程度的接收到位于浅表皮层的刺激并将感应电流传导向深部的目标核团。

本发明的技术方案不限于上述具体实施例的限制，凡是根据本发明的技术方案做出的技术变形，均落入本发明的保护范围之内。