基于磁共振数据的中国儿童脑模板的创建及评估.pdf

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1、2 0 0 6年8月 第 4 2 卷第 4 期 北京师范大学学报(自然科学版)J o u r n a l o f B e ij i n g No r ma l Un i v e r s i t y(Na t u r a l S c i e n c e)Au g 2 0 0 6 Vo 1 4 2 No 4 基 于磁 共振数 据的 中国儿童脑模板 的创建及评估*叶 青 姚 力 王婷婷 武兴春 郭小娟 (北京 师范大学信息科学与技术学院，1 0 0 8 7 5，北京)摘要对 6 9个 中国儿童(7 1 6岁)的脑结构 磁共 振图像，用改 进的优化方 法建立 了中 国儿 童 T1脑模板 和先验概 率图

2、并用整脑覆盖率和基于像素分析这 2种方法评估 了本文建 立 的中 国儿 童脑 模板 评估 过程是：用 1 2个 中国儿 童 个体(不包括在建模板的 6 9 个儿童中)的磁共振结构像分别空间标准化到蒙特利尔神经学院(MNI)的成人模板、辛辛那 提儿 童医院医学 中心(C C HMC)的西方 儿童模板 和中国儿童模 板，并对结果进行 比较 在线性标准化过程 中，用这 3 个模 板的结果很类似，在非线性标准化过程中，用中国儿童模板的形变最小 结果表明：对于中国儿童个体，在空间标准化时，用中国儿童脑模板更合适 这将有助于了解中国儿童脑的结构特点，为中国儿童脑信息处理、分析以及脑疾病的辅助诊 断提供一定

3、的依据 关键 词空间标 准化；脑模板；先 验概率图；磁共振成像；覆盖率 空间标准化是脑 图像处理中重要 的一步，它把个 体脑图像变换到标准空间l_ 1 脑模板 在空 间标准化过 程 中，作为 目标像，定义了标准空 间 显然，模板质量的 好坏对于是否能正确分析脑图像是至关重要的 脑成 像领域 中被广泛 应用的蒙特利尔神经学院(MNI)模 板是基于 1 5 2个成人脑磁共振结构像创建 的 2 _ 3 _，而成 人脑 和儿童脑 的脑组织存在差异(例如：在 4 2 0岁之 间，白质是线性增 加的，灰 质的变化是非线性 的l_ 4 )，于是辛辛那提儿童医院医学 中心(C CHMC)创建 了儿 童模板，他

4、们 的结论是：对于儿童个体，为减少非线性 标准化时的形变，应该用儿童脑模板_ 5 5岁 以后，人 脑的整个脑体积只有很小的变化，但是在儿童时期脑 的发育存在性别差异、脑结构的不对称、脑区细节上的 不均 匀等情况，所 以人 脑 的发 育是个动态 复杂 的过 程_ 6 ，这就导致脑 的内部细节上会有差异 中国、日本 和美国儿童的教育经历是明显不 同的，而环境因素能 导致人脑结构 的改变(例如，神经连接 的生长还是 消 失，是和环境相适应 的 7 )说英语 的高加索人和说中 文的亚洲人在脑形状上是不同的(体现在额 叶、颞 叶、顶叶的一些脑 回 8 )因此，中国和西方儿童脑结构之 间应该存在种族差异

5、但是，C CHMC建立模板所用的 亚洲个体却只 占 3 3 8 ，那么，在标准化 中国儿 童个 体时，如果用 C C HMC的脑模板就不合适 MNI 最初的模板是 MNI 3 0 5，它的创建分 2步：1)利用手动定义 的标志点，把 2 4 1 个成人个体脑手动缩 放、旋转到 T a l a i r a c h坐标；2)把 3 0 5个成人个体脑 与*国家 自然科学基金资助项 目(6 0 2 7 1 0 1 4。6 0 4 7 2 0 1 6)十通讯作者 收稿 日期：2 0 0 6 0 1 1 8 第 1)步生成 的模板 配准 3 目前广泛使用 的 MNI 模 板是 I C B M1 5 2，

6、它是把 1 5 2幅成人脑图像 与 MNI 3 0 5 配准得到的l_ 1 C C HMC用 2 0 0个儿童个体创建模板 时，所用方法为：把所有个体脑线性标准化到 MNI 模 板，对其平均、平滑 对这些已标准化的图像进行分割，得到该模板对应的先验概率 图 g 本文在创建 中国儿 童模板时，用的是优化方法 1 但是，优化方法可生成 3个已标准化的整脑图像，这些图像分别基于灰质、白 质、脑脊液的标准化参数，所 以这些整脑图像之间没有 连贯性的约束 1 由于灰质是脑 中最重要 的成分，因 此本文在用优化方法时，只用灰质所对应的参数，可解 决这一问题 另外，本文在创建 中国儿童模板 时，用迭 代的处

7、理策略来最小化成人脑 的影 响 1 迭代前所用 脑模板和先验 概率 图都 是 MNI的，只用 了线性 标准 化，仅在脑 的整体上把所用中国儿童脑变换到 MNI 空 间 在迭代 时，所用模板和先验 概率图是迭代前 生成 的，且用了非线性标准化，非线性标准化能校正脑内局 部的较微小差异，使 生成 的模板能更精确地反映 中国 儿童脑的局部结构 本文称这种方 法为：改进 的优化 方 法 本文首先用上述改进的优化方法及 6 9个 中国儿 童(7 l 6 岁)的脑 结构磁共振 图像，创建 了整脑模板 和先验概率图 然后，针对 MNI 成人模板、C C HMC西 方儿童模板和中国儿童脑模板，分别用 2种方法

8、对 l 2 个中国儿童个体(不包括在建模板 的 6 9 个儿 童中)的 标准化结果进行了定量分析：整脑覆盖率及基于像素 维普资讯 http:/ 第 4期 叶青等：基于磁共振数据的中国儿童脑模板的创建及评估 3 7 3 的分析 1 方法 1 1 被试创建模板所用的 6 9个 中国儿童(女性 3 6 人，男性 3 3人)，7 1 6岁，右利手，健康个体 数据 在 E l s c i n t GE磁共振仪上扫描得到，参数设置如下：TR 为 2 5 ms，T E为 6 ms，f l i p a n g l e 为 2 8。，f i e l d o f v i e w(F OV)为 2 2 0 mm 2

9、 2 0 mm，ma t r i x为 2 2 02 2 0，t h i c k n e s s 为 2 0 mm，v o x e l s i z e为 1 mm1 mm2 mm 以下方 法 的一 部 分 在 S P M2脑 成 像处 理 软件(S P M 2：s t a t i s t i c a l p a r a me t r i c a l ma p p i n g，W e l c o me De p a r t me n t o f Co g n i t i v e Ne u r o l o g y，L o n d o n，UK)中实现，另一部分在 Ma t l a b 6 1中编程

10、实现 1 2 创建中国儿童脑模板预处理过程包括：1)原 始图像重新插值使得分辨率 为 1 mm1 mm1 mm 大小；2)为了对标准化过程提供最佳起始估计_ 5 ，手 MNI模板和先验概率图 动调整图像：前联合移至原点；置前联合、后 联合于 y 轴；沿着各轴调整图像 预处理后的 6 9幅整脑 图像分别进行 如图 1 所示 的处理：1)分割；2)分割得到的灰质图像线性标准 化到 MNI 的灰质先验概率 图上，得到的标准化参数应 用于预处理后 的整脑 图像；3)标准化后 的整脑 图像 被分割，得到灰质、白质和脑脊液图像；4)每个个体 的 b r a i n ma s k图像 由各 自对应的灰质、白

11、质和脑脊液 得到 最后，分别对 6 9个个体 的灰质、白质、脑脊液和 b r a i n ma s k进行 平均、平 滑，得到迭代前 的先验概率 图；6 9个个体已标准化的整脑图像被平均、平滑，得到 迭代前的脑模板_】对预处理后的 6 9幅整脑 图像重复(迭代)以上过 程，迭代时所用脑模板和先验概率 图是迭代前生成 的(不是 MNI 的)，第 2)步中的标 准化过程采用非线性 标准化 迭代后生成 的结果就是 中国儿童脑模板 和先 验概率图 分割 I=爿 I 线性标准化(只用灰质参数)I=分割 迭代前的模板 迭代前的先验概率 非线性标准化(只用灰质参数)I c=分割 中国儿童脑模板(中国儿童先验

12、概率图 图 1 创 建中国儿童脑模板流程 1 3 评估中国儿童脑模板本文用了 2 种评估方法：雅克 比行列式进行了统计分析 在标准化时，若像素的 1)整脑覆盖率；2)基 于像素的分析 采用了 1 2个 中 体积减小，则它对应的雅克比行列式 的值大于 1；若像 国儿童个体(不包括在建模板 的 6 9 个儿童中)比较 了 素的体积增 大，则 它对应 的雅克 比行列式 的值小 于 MNI 成人模板、C C HMC儿童模板 和中国儿 童模板的 1 _ 5 雅克比行列式 的值越接 近 1，表 明该像 素在标 准 标准化结果 化时的体积变化越小 方法如下：(1)将个体脑非线性 在整脑覆盖率的方法 中，用了

13、其 中的 1 0个个体，标准化到模板，得到标准化参数；(2)根据标准化参数 步骤如下：(1)将个体脑线性标准化到模板；(2)求出标 得到雅克 比行列式 的值，同时去除线性标准化参数的 准化后的个体整脑的 b r a i n ma s k图像，将标准化后 的 影响；(3)用单样本 T检验进行统计分析 个体脑分割，并利用分割得到的灰质、白质和脑脊液生 成 b r a i n ma s k；(3)用 2幅图像相加强度值为 2的体元 个数与两幅图像相加强度值大于 0的体元个数之 比，来计算模板对应 的 b r a i n ma s k与个体脑 b r a i n ma s k 的覆盖率 在基于像素分析

14、的方法 中，对个体脑每个像素的 2 结果及讨论 整脑覆盖率的结果见表 1 2幅图像的覆盖率愈 高，表明二者匹配得愈好 H 为显示模板的全局特征，在整脑覆盖率的方法中，我们只用了线性变换 表 1数 据说 明：当只用线性标准化 的时候，MNI，C C HMC和 维普资讯 http:/ 3 7 4 北京师范大学学报(自然科学版)第 4 2卷 中国儿童模板对于中 国儿童个体 的结果相 当 5岁 以 后的整个人脑体积只有很小的变化，表 1中 MNI 成 人模 板和中国儿童模 板的结果一致，验证 了这一点 表 1 3种模板对应 的整脑覆盖率 个体编号 MNI 成人模板 C CHMC儿童模板 中国儿童模 板

15、 平均值 9 9 8 9 C CHMC西方儿童模板和中国儿童模板的结果相似，提示：东西方儿童脑的整体形状相似 基于像素分析的结果见图 2，粗线条区域：体积增 大；细线 条 区域：体积 减小 其 设 置如 下：P一0 0 5，F wE校正，宽度阈值为 5 O个像素 当中国儿童个体标 准化到 MNI 模板时，在双侧颞 叶、脑干处，形变(体 积 减小)明显；当标准化 到 C C HMC模板时，在双侧颞 叶、脑干处体 积减小明显，在 双侧 额顶叶体积增大 明 显；当标准化到中国儿童模 板时，在单侧颞叶、单侧前 额叶处只有很小区域 的明显形变 对于中国儿童个体 的非线性标准化，用中国儿童模板的形变最小

16、非线性 标准化校正的是脑内部细节的差异，因此，图 2提示：中国儿童脑与成人脑在 内部有差异，中国儿童脑和西 方儿童脑 内部结构也存在差异 图 2 3种模板对应的雅克 比行 列式统计 分析结果 从左到右 第 1，2列 为 MNI 成人模板结果 第 3 4列为 C C HMC儿童模板结果 第 5 6列为中国儿童模板结 果 粗线条 区域 表示体积增 大，细线条 区域表示体积减小 3 结论 我们首先用 6 9个中国儿童的磁共振数据，通过改 进的优化方法建立 了中国儿童脑模板 然后，用 2种方 法评估了中国儿童脑模板 结果提示：中国儿童脑与成 人脑、西方儿童脑的整体形状相似；中国儿童脑与成人 脑、西方儿

17、童脑在 内部结构上存在着一定差异 因此，对 中国儿童个体进行空间标准化 的时候，用 中国儿童 脑模板更合适 中国儿童脑模板的建立将有助于了解 中国儿童脑的结构特点，为中国儿童脑信息处理、分析 以及脑疾病的辅助诊断提供一定的依据 4 参考文献 r 1 Ma t t h e w B，J o h n s r u d e I S，Owe n A MTh e p r o b l e m o f L 妇 m a 一枷 一一 一一 一 一一 一一 一一 一 一 一一一；一一一一 一一 一一一一一一一一一 一 一一一一一一一一一一一 _叶_ 维普资讯 http:/ 第 4期 叶青等：基于磁共振数据的中国儿童脑

18、模板的创建及评估 3 7 5 (1)：4 8 F 6 R e i s s A I Ab r a ms M T，S i n g e r H S，e t a 1 B r a i n d e v e lo p me n t，g e n d e r a n d I Q i n c h i l d r e n J B r a i n，1 9 9 6，1 1 9(5)：1 7 6 3 7 8 9 1 O Ne v i l l e H J B a v e l i e r n S p e c i f i c i t y a n d p l a s t i c i t y i n n e u r o c o g

19、 n i t i v e d e v e l o p me n t i n h u ma n s Ga z z a n i g a M S T h e n e w c o g n i t i v e n e u r o s c i e n c e s M 2 n d e d C a mb r i d g e：Th e M I T Pr e s s，2 0 0 0：8 3 9 9 Ko c h u n o v P，F o x P，I a n c a s t e r J，e t a 1 I o c a l i z e d mo r p h o l o g ic a l b r a i n d i

20、f f e r e n c e s b e t we e n En g l i s h-s p e a k i n g Ca u c a s i a n s a n d C h i n e s e-s p e a k i n g As i a n s：n e w e v i d e n c e o a n a t o mi c a l p l a s t i c i t y l J Ne u r o r e p o r t，2 0 0 3，1 4(7)：9 6 1 W i l k e M，S c h mi t h o r s t V J，Ho l l a n d S K C o n s t r

21、 u c t i o n o f a D e d i a t r i c t e mp l a t e f o r u s e wi t h i n S P M9 9 J C h i l d s Ne r v o u s S y s t e m，2 0 0 2，1 8(1)：9 7 W l i k e M，S c h mi t h o r s t V J，Ho l l a n d S K No r ma t i v e p e d i a t r i c b r a i n d a t a f o r s p a t i a l n o r ma l i z a t i o n a n d 1

22、 1 1 2 1 3 1 4 s e g me n t a t i o n d i f f e r s f r o m s t a n d a r d a d u l t d a t a J M a g n e t i c Re s o n a n c e i n M e d i c i n e 2 0 0 3，5 0(4)：7 4 9 Ke l l e r S S，W l i k e M，W i e s h ma n n U C，e t a 1 Co mp a r i s o n o f s t a n d a r d a n d o p t i mi z e d v o x e l b a

23、 s e d mo r p h o me t r y f o r a n a l y s i s o f b r a i n c h a n g e s a s s o c i a t e d wi t h t e mp o r a l l o b e e p i l e p s y J Ne u r o i ma g e，2 0 0 4，2 3 (3)：8 6 0 Yi n Qi n g j i e，Y e Qi n g，Y a o L i，e t a 1 Co n s t r u c t i n g a n d a s s e s s i n g b r a i n t e mp l a

24、t e s f r o m Ch i n e s e p e d i a t r i c MRI d a t a u s i n g S P M C Th e I n t e r n a t i o n a l S o c i e t y f o r Op t i c a l En g i n e e r i n g，2 0 0 5 Go o d C DJ o h n s r u d e I S，As h b u r n e r J，e t a 1 A v o x e l b a s e d mo r p h o me t r i c s t u d y o f a g e i n g i n

25、 4 6 5 n o r ma l a d u l t h u ma n b r a i n s J Ne u r o i ma g e，2 0 0 1，1 4(1)：2 1 Li n L，Ch e n K，Al e x a n d e r G E，e t a 1 Th e c o n s t r u c t i o n o f a mo u s e b r a i n MR I t e mp l a t e u s i n g S P M9 9 I t I s 1 _ ：E l s e v i e r，2 0 0 3 CONS TRUCTI ON AND AS S ES S M ENT OF

26、 CHI NES E PEDI ATRI C BRAI N TEM PLATE BAS ED oN M RI DATA Ye Qi n g Ya o L i Wa n g Ti n g t i n g Wu Xin g c h u n Gu o X i a o j u a n (C 0 1 1 e g e o f I n f o r ma t i o n S c i e n c e a n d Te c h n o l o g y，B e i j i n g No r ma l Un i v e r s i t y，1 0 0 8 7 5，B e ij i n g，C h i n a)Ab s

27、 t r a c t Th e Ch i n e s e p e d i a t r i c T1 b r a i n t e mp l a t e a n d a p r i o r i ma p s a r e c o n s t r u c t e d u s i n g i mp r o v e d o p t i mi z e d p r o t o c o l f r o m s i x t y-n i n e Ch i n e s e c h i l d r e n(7 1 6 y e a r s o l d)ma g n e t i c r e s o n a n c e i

28、ma g i n g(MRI)d a t a Th e n t h e C h i n e s e p e d i a t r i c b r a i n t e mp l a t e i s a s s e s s e d u s i n g t wo me t h o d s：1)Ov e r l a p p i n g r a t i o o f wh o l e b r a i n；2)v o x e l-b a s e d a n a l y s i s Du r i n g t h e s p a t i a l n o r ma l i z a t i o n o f 1 2 C

29、h i n e s e c h i l d r e n(n o t i n c l u d e d i n t h e c h i l d r e n u s e d t o c o n s t r u c t t e mP l a t e)MRI d a t a，t h e M o n t r e a l Ne u r o l o g i c a l I n s t i t u t e(MNI)a d u l t t e mp l a t e，Ci n c i n n a t i Ch i l d r e s Ho s p i t a 1 M e d i c a 1 Ce n t e r(C

30、CHM C)we s t e r n p e d i a t r i c t e mp l a t e a n d Ch i n e s e p e d i a t r i c t e mp l a t e a r e c o m D a r e d The r e s uI t s of t h e t hr e e t e m pl at e s a r e s i mi l a r i n t h e l i ne a r n or ma l i z a t i on Ho we v e r t he d e f o r ma t i o n o f t h e Ch i n e s e

31、 p e d i a t r i c t e mp l a t e i s t h e l e a s t i n t h e n o n l i n e a r n o r ma l i z a t i o n Th e s e r e s u l t s s h o w t h a t t h e Ch i n e s e D e d i a t r i c t e mp l a t e i s mo r e a d e q u a t e t o Ch i n e s e c h i l d r e n i n s p a t i a l n o r ma l i z a t i o n

32、 I t wi l l h e l p r e a l i z i n g t h e s t r u c t u r e c h a r a c t e r i s t i c s o f Ch i n e s e p e d i a t r i c b r a i n s I t wi l l p r o v i d e t h e b a s i s f o r t h e i n f o r ma t i o n p r o c e s s i n g a n d a n a l y s i s o f Ch i n e s e p e d i a t r i c b r a i n s a n d f o r t h e a s s i s t a n t d i a g n o s i s o f b r a i n d i s e a s e s Ke y wo r d s s D a t i a 1 n o r ma l i z a t i o n；b r a i n t e mp l a t e；p r i o r p r o b a b i l i t y i ma g e；MRI；o v e r l a p p i n g r a t i o 维普资讯 http:/