基于MPI的灵长类面孔认知脑功能激活区提取方法及系统

技术领域

本发明属于MPI成像和脑功能区域提取领域，具体涉及了一种基于MPI的灵长类面孔认知脑功能激活区提取方法及系统。

背景技术

面孔在灵长类动物的社交活动中至关重要。在大脑识别物体的过程中，面孔被归为一个特定类别。大量的研究表明，与识别普通物体相比，大脑在识别面孔时，部分脑区会存在更高的激活强度。了解灵长类动物大脑中的面部感知神经机制，是神经科学的一个主要目标。

对人的功能性脑成像研究已经发现了一系列面孔选择性响应脑区，主要包括梭状回面孔区、枕叶面孔区和颞上沟。通过功能性磁共振成像结合电生理单细胞记录，人们也在猕猴的颞叶和前额叶皮层中发现了面孔响应细胞和细胞群。从解剖学上看，面孔认知脑区的空间分布模式在人类和猕猴之间较为相似。然而，相比人类，猕猴在区分同种动物的面部方面表现较差，也不存在明显的面孔倒置效应，这表明猕猴的面部加工策略与人类存在差异。

磁共振成像(fMRI)是提取脑功能激活区最常用的方法。基于血氧水平依赖(BOLD)的功能磁共振技术(fMRI),由于其无损性,高敏感性和易于操作性,已经被广泛地用于视觉处理大脑机制的研究中。BOLD fMRI的主要原理是根据两种血红蛋白磁场性质的差异来确定局部脑血流的改变，进而反映局部的神经活动。局部脑区被激活后耗氧量增加，同时局部脑血流量CBV增加更加明显，二者的综合效应使得该区域的氧含量增加，即氧合血红蛋白和脱氧血红蛋白的比例增加。由于脱氧血红蛋白是顺磁性物质，其占比的减少在T2加权像上表现为信号的增强。然而，BOLD fMRI只能间接反映神经元的活动。由于细胞耗氧量变化相对不明显，血氧含量的变化，不仅受激活神经活动区域周围的微血管的影响，也受周围大血管的血流信号影响，无法区分真正的神经活动区域内扩张的微血管和大血管内的血液信号。因此，fMRI的空间和时间分辨率主要受伴随神经活动所产生的生理变化的限制，而不是成像技术本身的限制。

正电子发射断层成像(PET)是另一种提取脑功能激活区的方法。它基于局部脑区的血流变化，通过能获取放射性示踪剂在大脑中分布密度来反映大脑各区域的神经活动。虽然PET技术对比度高，但是注射的示踪剂具有放射性，且空间分辨率较低。

综上，需要一种无放射性的影像学技术来检测大脑局部微血管的血流变化来反映大脑活动。

发明内容

为了解决现有技术中的上述问题，即无放射性前提下，无法准确、高精度地进行灵长类面孔认知脑功能激活区提取的问题，本发明提供了一种基于MPI的灵长类面孔认知脑功能激活区提取方法，所述提取方法包括：

步骤S10，通过MPI成像系统采集视觉任务刺激下的灵长类大脑数据，并进行图像重建，获得视觉任务对应的时间序列图像；

步骤S20，结合灵长类脑部解剖图像进行区域定位和划分，获得大脑颞叶区域的m个信号节点、大脑额叶区域的m个信号节点；

步骤S30，分别进行信号时序提取和相关系数计算，获得大脑颞叶区域的m个相关系数α、大脑额叶区域的m个相关系数β；

步骤S40，分别对m个相关系数α和m个相关系数β进行t检验，若对应的p值小于设定t检验阈值，获得视觉任务刺激对应的灵长类面孔认知脑功能激活区。

在一些优选的实施例中，步骤S20包括：

步骤S21，结合灵长类脑部解剖图像定位，提取灵长类大脑颞叶区域、大脑额叶区域；

步骤S22，分别将大脑颞叶区域、大脑额叶区域划分为设定区域大小，获得大脑颞叶区域的m个信号节点和大脑额叶区域的m个信号节点。

在一些优选的实施例中，步骤S30包括：

步骤S31，提取每个节点的时间序列信号，获得大脑颞叶区域的m个随时间变化的信号X和大脑额叶区域的m个随时间变化的信号Y；

步骤S32，采用一般线性模型对刺激类型Z分别与颞叶节点信号X和额叶节点信号Y的关系建模，获得m个相关系数α和m个相关系数β。

在一些优选的实施例中，所述关系建模，其方法为：

其中，Cov(Z，X)表示Z，X的协方差，Cov(Z，Y)表示Z，Y的协方差，Var(Z)、Var(X)和Var(Y)分别表示Z，X，Y的方差。

在一些优选的实施例中，所述刺激类型Z，其与颞叶节点信号X和额叶节点信号Y的关系分别表示为：

其中，X

在一些优选的实施例中，所述设定区域大小为1mm×1mm。

在一些优选的实施例中，所述设定t检验阈值为0.05。

本发明的另一方面，提出了一种基于MPI的灵长类面孔认知脑功能激活区提取系统，所述提取系统包括：

图像重建模块，配置为通过MPI成像系统采集视觉任务刺激下的灵长类大脑数据，并进行图像重建，获得视觉任务对应的时间序列图像；

节点划分模块，配置为结合灵长类脑部解剖图像进行区域定位和划分，获得大脑颞叶区域的m个信号节点、大脑额叶区域的m个信号节点；

关系建模模块，配置为分别进行信号时序提取和相关系数计算，获得大脑颞叶区域的m个相关系数α、大脑额叶区域的m个相关系数β；

T检验模块，配置为分别对m个相关系数α和m个相关系数进行t检验，若对应的p值小于设定t检验阈值，获得视觉任务刺激对应的灵长类面孔认知脑功能激活区。

本发明的第三方面，提出了一种电子设备，包括：

至少一个处理器；

以及与至少一个所述处理器通信连接的存储器；

其中，所述存储器存储有可被所述处理器执行的指令，所述指令用于被所述处理器执行以实现上述的基于MPI的灵长类面孔认知脑功能激活区提取方法。

本发明的第四方面，提出了一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机指令，所述计算机指令用于被所述计算机执行以实现上述的基于MPI的灵长类面孔认知脑功能激活区提取方法。

本发明的有益效果：

(1)本发明基于MPI的灵长类面孔认知脑功能激活区提取方法，通过直接扫描超顺磁性氧化纳米粒子(SPION)作为成像示踪剂来定位和量化感兴趣区域的示踪剂，具有线性定量、高灵敏度、高时间分辨率等特点。

(2)本发明基于MPI的灵长类面孔认知脑功能激活区提取方法，将SPION作为示踪剂注射到血液中，MPI可通过检测和跟踪局部SPION浓度，直接监测功能性CBV变化与时间的关系，从而反映功能脑区的激活情况。

附图说明

通过阅读参照以下附图所作的对非限制性实施例所作的详细描述，本申请的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1是本发明基于MPI的灵长类面孔认知脑功能激活区提取方法的流程示意图；

图2是本发明基于MPI的灵长类面孔认知脑功能激活区提取方法的视觉刺激任务的时间顺序示意图；

图3是本发明基于MPI的灵长类面孔认知脑功能激活区提取方法的MPI图像的定位匹配示意图；

图4是本发明基于MPI的灵长类面孔认知脑功能激活区提取方法的节点信号提取示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本申请作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅用于解释相关发明，而非对该发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与有关发明相关的部分。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本申请。

本发明提供一种基于MPI的灵长类面孔认知脑功能激活区提取方法，结合磁性纳米粒子成像(MPI)技术，MPI成像是一种新型影像学技术，该技术的原理是通过直接扫描超顺磁性氧化纳米粒子(SPION)作为成像示踪剂来定位和量化感兴趣区域的示踪剂，具有线性定量、高灵敏度、高时间分辨率等特点。在实验中，将SPION作为示踪剂注射到血液中，MPI可通过检测和跟踪局部SPION浓度，直接监测功能性CBV变化与时间的关系，从而反映功能脑区的激活情况。

本发明的一种基于MPI的灵长类面孔认知脑功能激活区提取方法，所述提取方法包括：

步骤S10，通过MPI成像系统采集视觉任务刺激下的灵长类大脑数据，并进行图像重建，获得视觉任务对应的时间序列图像；

步骤S20，结合灵长类脑部解剖图像进行区域定位和划分，获得大脑颞叶区域的m个信号节点、大脑额叶区域的m个信号节点；

步骤S30，分别进行信号时序提取和相关系数计算，获得大脑颞叶区域的m个相关系数α、大脑额叶区域的m个相关系数β；

步骤S40，分别对m个相关系数α和m个相关系数β进行t检验，若对应的p值小于设定t检验阈值，获得视觉任务刺激对应的灵长类面孔认知脑功能激活区。

为了更清晰地对本发明基于MPI的灵长类面孔认知脑功能激活区提取方法进行说明，下面结合图1对本发明实施例中各步骤展开详述。

本发明第一实施例的基于MPI的灵长类面孔认知脑功能激活区提取方法，包括步骤S10-步骤S40，各步骤详细描述如下：

本发明使用新型影像设备MPI对猕猴的大脑成像，通过让猕猴进行不同的视觉刺激实验，连续获得猕猴脑部的MPI图像，从而进行针对面孔特异性响应的脑功能区定位。

第一步，实验设计：

受试者：选择一只8岁，雄性，经过长期行为训练的猕猴，将其固定在实验专用的猴椅上。

设备：使用大孔径的MPI成像设备，孔径为19cm，FOV为15×15cm2，包含激励磁场、梯度磁场和接收磁场。其中激励磁场设置信号的频率为25KHz，大小为5mT。梯度磁场每个方向上设置的梯度为0.2T/m。该设备的成像深度为15cm，成像分辨率为10mm，以10fps的速度实时成像。

猕猴的视觉刺激实验：视觉刺激物是面孔和非面孔的普通物体(如桌子、椅子、书本等)，猕猴在两种条件下采集功能性神经成像：(1)观看一系列快速显示的面孔图片；(2)观看一系列快速显示的非面孔普通物体的图片。实验任务中的图片均采集自真实的人脸和物体，所有图片均为灰度图片，并在亮度和灰度级上完全匹配。图2为本发明基于MPI的灵长类面孔认知脑功能激活区提取方法的视觉刺激任务的时间顺序示意图，将其定义为关于时间的函数X。

第二步，数据处理：

步骤S10，通过MPI成像系统采集视觉任务刺激下的灵长类大脑数据，并进行图像重建，获得视觉任务对应的时间序列图像。

步骤S20，结合灵长类脑部解剖图像进行区域定位和划分，获得大脑颞叶区域的m个信号节点、大脑额叶区域的m个信号节点：

步骤S21，结合灵长类脑部解剖图像定位，提取灵长类大脑颞叶区域、大脑额叶区域；

步骤S22，分别将大脑颞叶区域、大脑额叶区域划分为设定区域大小，获得大脑颞叶区域的m个信号节点和大脑额叶区域的m个信号节点。

如图3所示，为本发明基于MPI的灵长类面孔认知脑功能激活区提取方法的MPI图像的定位匹配示意图，将采集到的MPI数据进行图像重建，得到一系列按时间顺序排列的二维图像。将图像与已有的猕猴脑部解剖图像定位，确定猕猴大脑颞叶、额叶的位置。

步骤S30，分别进行信号时序提取和相关系数计算，获得大脑颞叶区域的m个相关系数α、大脑额叶区域的m个相关系数β：

步骤S31，提取每个节点的时间序列信号，获得大脑颞叶区域的m个随时间变化的信号X和大脑额叶区域的m个随时间变化的信号Y；

步骤S32，采用一般线性模型对刺激类型Z分别与颞叶节点信号X和额叶节点信号Y的关系建模，获得m个相关系数α和m个相关系数β。

图4是本发明基于MPI的灵长类面孔认知脑功能激活区提取方法的节点信号提取示意图，以颞叶为例，将颞叶区域分为m个大小为1mm×1mm的节点，按时间顺序记录相同位置节点的信号大小，得到m个随时间变化的信号Y。

进行颞叶区域的相关性计算，采用一般线性模型对刺激类型Z与颞叶节点信号X和额叶节点信号Y的关系建模，分别如式(1)和式(2)所示：

其中，C

刺激类型Z，其与颞叶节点信号X和额叶节点信号Y的关系分别如式(3)和式(4)所示：

/>

其中，X

步骤S40，分别对m个相关系数α和m个相关系数β进行t检验，若对应的p值小于设定t检验阈值，获得视觉任务刺激对应的灵长类面孔认知脑功能激活区。

得到m个α值和m个β值后，针对其进行t检验，如果得到p值小于0.05，则证明具有统计意义。实验效果显著，证明该区域确实因为视觉刺激任务而激活。

获得视觉刺激任务激活的脑区之后，在面孔激活的脑区中减去非面孔物体激活的脑区，最终通过统计学验证猕猴的面孔认知的脑功能区域激活位置。

上述实施例中虽然将各个步骤按照上述先后次序的方式进行了描述，但是本领域技术人员可以理解，为了实现本实施例的效果，不同的步骤之间不必按照这样的次序执行，其可以同时(并行)执行或以颠倒的次序执行，这些简单的变化都在本发明的保护范围之内。

本发明第二实施例的基于MPI的灵长类面孔认知脑功能激活区提取系统，所述提取系统包括：

图像重建模块，配置为通过MPI成像系统采集视觉任务刺激下的灵长类大脑数据，并进行图像重建，获得视觉任务对应的时间序列图像；

节点划分模块，配置为结合灵长类脑部解剖图像进行区域定位和划分，获得大脑颞叶区域的m个信号节点、大脑额叶区域的m个信号节点；

关系建模模块，配置为分别进行信号时序提取和相关系数计算，获得大脑颞叶区域的m个相关系数α、大脑额叶区域的m个相关系数β；

T检验模块，配置为分别对m个相关系数α和m个相关系数β进行t检验，若对应的p值小于设定t检验阈值，获得视觉任务刺激对应的灵长类面孔认知脑功能激活区。

所属技术领域的技术人员可以清楚地了解到，为描述的方便和简洁，上述描述的系统的具体工作过程及有关说明，可以参考前述方法实施例中的对应过程，在此不再赘述。

需要说明的是，上述实施例提供的基于MPI的灵长类面孔认知脑功能激活区提取系统，仅以上述各功能模块的划分进行举例说明，在实际应用中，可以根据需要而将上述功能分配由不同的功能模块来完成，即将本发明实施例中的模块或者步骤再分解或者组合，例如，上述实施例的模块可以合并为一个模块，也可以进一步拆分成多个子模块，以完成以上描述的全部或者部分功能。对于本发明实施例中涉及的模块、步骤的名称，仅仅是为了区分各个模块或者步骤，不视为对本发明的不当限定。

本发明第三实施例的一种电子设备，包括：

至少一个处理器；

以及与至少一个所述处理器通信连接的存储器；

其中，所述存储器存储有可被所述处理器执行的指令，所述指令用于被所述处理器执行以实现上述的基于MPI的灵长类面孔认知脑功能激活区提取方法。

本发明第四实施例的一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机指令，所述计算机指令用于被所述计算机执行以实现上述的基于MPI的灵长类面孔认知脑功能激活区提取方法。

所属技术领域的技术人员可以清楚地了解到，为描述的方便和简洁，上述描述的存储装置、处理装置的具体工作过程及有关说明，可以参考前述方法实施例中的对应过程，在此不再赘述。

本领域技术人员应该能够意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各示例的模块、方法步骤，能够以电子硬件、计算机软件或者二者的结合来实现，软件模块、方法步骤对应的程序可以置于随机存储器(RAM)、内存、只读存储器(ROM)、电可编程ROM、电可擦除可编程ROM、寄存器、硬盘、可移动磁盘、CD-ROM、或技术领域内所公知的任意其它形式的存储介质中。为了清楚地说明电子硬件和软件的可互换性，在上述说明中已经按照功能一般性地描述了各示例的组成及步骤。这些功能究竟以电子硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。本领域技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本发明的范围。

术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不是用于描述或表示特定的顺序或先后次序。

术语“包括”或者任何其它类似用语旨在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备/装置不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其它要素，或者还包括这些过程、方法、物品或者设备/装置所固有的要素。

至此，已经结合附图所示的优选实施方式描述了本发明的技术方案，但是，本领域技术人员容易理解的是，本发明的保护范围显然不局限于这些具体实施方式。在不偏离本发明的原理的前提下，本领域技术人员可以对相关技术特征做出等同的更改或替换，这些更改或替换之后的技术方案都将落入本发明的保护范围之内。