腦磁共振成像、腦網(wǎng)絡(luò)及其分析軟件

周朝 高軍暉

摘 要：本文簡單講述核磁共振成像、腦磁共振成像、腦網(wǎng)絡(luò)及其分析軟件。核磁共振成像是一種生物磁自旋成像技術(shù)，基于腦磁共振成像的復(fù)雜腦網(wǎng)絡(luò)研究是腦科學(xué)研究領(lǐng)域的一個(gè)熱點(diǎn)。在腦網(wǎng)絡(luò)研究中，分析軟件的重要性越來越高。我們收集整理了兩類主要的腦網(wǎng)絡(luò)分析軟件，包括六款功能性磁共振成像軟件和三款擴(kuò)散性磁共振成像軟件，我們給出了九款軟件的簡要介紹、網(wǎng)址、操作系統(tǒng)等信息。

關(guān)鍵詞：核磁共振 腦網(wǎng)絡(luò)功能 磁共振擴(kuò)散 磁共振分析軟件

中圖分類號：R74、R318.04 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1672-3791（2016）06（a）-0000-00

1 核磁共振成像

核磁共振，英文全稱Magnetic Resonance，簡稱MR，是磁矩不為零的原子核，在外磁場作用下自旋能級發(fā)生塞曼分裂，共振吸收某一定頻率的射頻輻射的物理過程。核磁共振成像，英文全稱為Magnetic Resonance Imaging，簡稱MRI，是一種生物磁自旋成像技術(shù)，它是利用原子核自旋運(yùn)動(dòng)的特點(diǎn)，在外加磁場內(nèi)，經(jīng)射頻脈沖激后產(chǎn)生信號，用探測器檢測并輸入計(jì)算機(jī)，經(jīng)過處理轉(zhuǎn)換在屏幕上顯示圖像。

MRI能提供醫(yī)學(xué)影像學(xué)中的其他成像技術(shù)所不能提供的大量信息，并且不同于已有的成像術(shù)，它對疾病的診斷具有很大的潛在優(yōu)越性。它可以直接做出橫斷面、矢狀面、冠狀面和各種斜面的體層圖像，不會產(chǎn)生CT檢測中的偽影；不需注射造影劑；無電離輻射，對機(jī)體沒有不良影響。因?yàn)楹舜殴舱瘢∕RI）的有效性，該技術(shù)已應(yīng)用于全身各系統(tǒng)的成像診斷。效果最佳的是顱腦，及其脊髓、心臟大血管、關(guān)節(jié)骨骼、軟組織及盆腔等。對心血管疾病不但可以觀察各腔室、大血管及瓣膜的解剖變化，而且可作心室分析，進(jìn)行定性及半定量的診斷，可作多個(gè)切面圖，空間分辨率較高，顯示心臟及病變?nèi)玻捌渑c周圍結(jié)構(gòu)的關(guān)系，優(yōu)于其他X線成像、二維超聲、核素及CT檢查。

2 腦網(wǎng)絡(luò)研究

目前，復(fù)雜腦網(wǎng)絡(luò)研究是腦科學(xué)研究領(lǐng)域的一個(gè)熱點(diǎn)，現(xiàn)有的基于腦電圖（EEG）、腦磁圖（EMG）、功能磁共振成像（fMRI）、DTI（diffusion tensor imaging）等腦成像技術(shù)的復(fù)雜腦網(wǎng)絡(luò)研究已經(jīng)表明復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)理論在腦結(jié)構(gòu)和腦功能分析方面是一個(gè)十分強(qiáng)大的工具，能揭示過往分析手段所不能揭示的腦結(jié)構(gòu)和腦功能的機(jī)制和特征。腦網(wǎng)絡(luò)的研究流程、主要研究內(nèi)容和研究方法可歸納為圖1。

腦網(wǎng)絡(luò)的研究可分為兩種思路：基于數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的研究和基于計(jì)算模型的研究。前者基于實(shí)驗(yàn)測量的反映大腦結(jié)構(gòu)性連接的數(shù)據(jù)（如MRI、DTI等）或反映大腦功能性連接的數(shù)據(jù)（如fMRI、EEG、EMG等）計(jì)算預(yù)先定義的各腦區(qū)或節(jié)點(diǎn)的連接關(guān)系，然后構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行分析。后者是基于特定的神經(jīng)計(jì)算模型來進(jìn)行研究，這些模型往往由相互耦合的振子（Oscillator）構(gòu)成，每一個(gè)振子是一個(gè)具有若干狀態(tài)變量的微分方程組，該微分方程組能表征一定的神經(jīng)元或神經(jīng)元集群的動(dòng)力學(xué)行為，振子之間的耦合關(guān)系可以賦值為滿足某種概率分布的隨機(jī)變量，也可以由大腦結(jié)構(gòu)性連接來確定。

3 兩類腦網(wǎng)絡(luò)分析軟件

作為MRI的兩個(gè)分支，fMRI和DTI（dMRI）在現(xiàn)今的腦網(wǎng)絡(luò)研究、醫(yī)療中起著至關(guān)重要的作用。本文接下來簡單介紹這兩種方法，并收集和整理對應(yīng)的分析軟件。

3.1功能性磁共振成像及其分析軟件

功能性磁共振成像，英文全稱functional magnetic resonance imaging，簡稱fMRI。fMRI的特點(diǎn)是其極高的分辨率，不光時(shí)間分辨率高，就連空間分辨率也可達(dá)到毫米水平。借助fMRI，對大腦的研究便可擴(kuò)展至記憶、注意力、決定；在某些情況下，fMRI技術(shù)甚至能夠識別研究對象所見到的圖像或者閱讀的詞語。表1列舉了幾款流行的fMRI的分析軟件。

SPM，從時(shí)間或分類等多個(gè)方面分析數(shù)據(jù)，并展示圖像，特點(diǎn)是免費(fèi)，并且自帶有關(guān)如何使用的教學(xué)視頻。

AFNI，提供一系列的 C programs為了更好地處理，分析和展示功能性核磁共振的數(shù)據(jù)，特點(diǎn)是免費(fèi)，并且自帶Matlab的數(shù)據(jù)庫。

FreeSurfer，提供整套的數(shù)據(jù)分析工具并把結(jié)構(gòu)性與功能性的腦成像數(shù)據(jù)可視化，特點(diǎn)是內(nèi)含一個(gè)完全自動(dòng)的結(jié)構(gòu)型數(shù)據(jù)流。

FMRIB，注重于核磁共振，特點(diǎn)是由牛津大學(xué)的研究小組研發(fā)的軟件。

BrainVoyage，能讓觀察者在進(jìn)行腦補(bǔ)核磁共振掃描時(shí)觀察使用者的腦部活動(dòng)情況，特點(diǎn)是能被簡單處理和使用，并且包含各種功能。

REST，顯示出每一步的計(jì)算過程以及得到的數(shù)據(jù)，特點(diǎn)是該軟件是由北京大學(xué)的研究小組研發(fā)出的免費(fèi)腦科學(xué)研究輔助軟件。

3.2 擴(kuò)散性磁共振成像及其分析軟件

擴(kuò)散性磁共振成像，英文全稱diffusionresonance imaging，簡稱dMRI。dMRI是MRI中的另外一種特殊形式；在描述大腦結(jié)構(gòu)的時(shí)候，它可以顯示出可以顯示神經(jīng)纖維束的走向。有些學(xué)者也把dMRI成為DTI（ Diffusion Tensor Imaging，彌散張量成像）。表2列舉了幾款流行dMRI的分析軟件。

4 總結(jié)

本文重點(diǎn)討論的是功能性磁共振成像（fMRI，functional magnetic resonance imaging）與擴(kuò)散性磁共振成像（dMRI，diffusionresonance imaging）。雖說是原本的MRI派生出的新研究領(lǐng)域，fMRI和dMRI仍舊吸引了廣泛學(xué)者和醫(yī)生的關(guān)注，尤其是在腦神經(jīng)方面。

鑒于fMRI和dMRI廣泛的有效性與應(yīng)用性，專門為其設(shè)計(jì)的軟件也是不計(jì)其數(shù)。為了更好的幫助讀者利用這個(gè)技術(shù)，本文特地對于那些五花八門的技術(shù)進(jìn)行了歸類整理，并制作成表格。

參考文獻(xiàn)

[1] Sebastian Seung原著，孫天喬譯，《連接組——造就獨(dú)立無二的你》，清華大學(xué)出版社，2015年11月第1版。

[2] 孫俊峰，洪祥飛，童善保，《復(fù)雜腦網(wǎng)絡(luò)研究進(jìn)展——結(jié)構(gòu)、功能、計(jì)算與應(yīng)用》，復(fù)雜系統(tǒng)與復(fù)雜性科學(xué)，第7卷第4期，2010年12月。

[3] 梁夏、王金輝、賀永，《人腦連接組研究： 腦結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)和腦功能網(wǎng)絡(luò)》，科學(xué)通報(bào)，第55卷第16期，2010年8月。

[4] 朱朝星，擴(kuò)散核磁共振成像數(shù)學(xué)物理原理與數(shù)據(jù)處理分析，浙江大學(xué)碩士學(xué)位論文，2013年.