基于稀疏张量分解的动态功能网络分析

静息态功能磁共振成像(RS-fMRI)是目前研究人脑功能的重要技术之一,脑功能连接的动态分析为研究大脑内部状态变化提供了一种有效的手段。文中提出了一种基于稀疏张量CP分解算法的动态脑功能网络分析方法。首先利用静息态fMRI数据不同维度的信息构建张量模型,并对其进行优化求解。然后使用动态检测法对时变网络的状态进行划分,构建脑功能连接网络,并与常用的滑动窗口方法进行对比分析。实验结果表明,该方法能够准确识别出静息态fMRI数据的时间维度信息,捕获静息态fMRI数据中的动态功能连接。     

动态功能脑网络模型的多任务融合Lasso方法

目的 传统的静息态功能性磁共振成像（fMRI）的功能脑网络（FBN）研究是基于在整个扫描过程中FBN固定不变的假设。但是,最近的研究表明FBN是动态变化的,而且其中蕴含着丰富的信息。本文提出一种多任务融合最小绝对值收缩和选择算子（Lasso）方法来构建静息态fMRI的动态FBN。 方法 提出的多任务融合Lasso方法可以在构建动态FBN时,保留网络的稀疏性及子序列的时间平滑性。具体来说,首先用滑动窗方法得到交叠的静息态fMRI子序列;然后用多任务融合Lasso方法联合地估计一个样本的所有子序列的功能连接从而构建动态FBN,用k均值聚类算法得到每类样本子序列的功能连接的聚类中心,并将所有类的聚类中心组成回归矩阵;最后根据回归矩阵求样本的回归系数,将其作为特征进行分类,验证多任务融合Lasso方法对动态FBN建模的有效性。 结果 采用公开的fMRI数据集来验证多任务融合Lasso模型构建动态FBN的分类效果。实验使用阿尔兹海默症神经影像学计划（ADNI）公开的fMRI数据集中的阿尔兹海默症患者、早期轻度认知功能障碍患者和健康被试3组数据,并用准确率、灵敏度和特异度来评估算法的分类性能。在3组二分类实验中,本文方法分别达到了92.31%、80.00%和84.00%的准确率。实验结果表明,与静态FBN模型和其他传统的动态FBN模型相比,本文方法能取得更好的分类效果。结论 本文提出的多任务融合Lasso构建动态FBN的方法,能有效地保留网络的稀疏性和子序列的时间平滑性,同时提高算法的分类效果,在一定程度上为脑部疾病的诊断提供帮助。多任务融合Lasso模型可以用于动态FBN的构建,挖掘功能连接的动态信息,同时整个算法可以用于基于fMRI数据的脑部疾病的分类研究中。     

基于高阶最小生成树的脑网络分析及对阿兹海默氏症患者的分类

利用静息态功能磁共振成像技术来研究大脑的功能连接网络是当前脑疾病研究的重要方法之一。这种方法能准确地检测包括阿兹海默氏症在内的多种脑疾病。然而,传统的网络只是研究两个脑区之间相关程度,而且缺乏对大脑区域之间更深层次的交互信息和功能连接之间关联程度的研究。为了解决这些问题,提出了一种构建高阶最小生成树功能连接网络的方法,该方法不仅保证了功能连接网络的生理学意义,而且研究了网络中更复杂的交互信息,提高了分类的准确率。分类结果显示,基于高阶最小生成树功能连接网络的静息态功能磁共振成像分类方法大幅提高了阿兹海默氏症检测的准确率。     

基于ICA和图论方法的脑电β波静息态功能连接

为了探究正常人脑电β波(13 ～25 Hz)静息态功能连接,提出了一种结合独立成分分析(ICA)、图论、层次聚类、t检验、标准低分辨率电磁断层成像(sLORETA)技术的分析算法.对利用BP Analyzer 64导脑电仪采集的25个健康被试者在闲眼和睁眼静息状态下的高分辨率脑电信号β波(13 ～25 Hz)进行了功能连接研究,结果表明:(a)β波在闭眼状态下的功能连接明显多于睁眼状态;(b)从闭眼状态到睁眼状态,在右侧大脑顶叶、枕叶、颞叶区域β波功能连接明显减弱,而在双侧额叶连接增强;(c)静息态网络中的默认节点网络、视觉网络、运动感觉网络在闭眼状态下显著.因此,证明该算法适用于研究脑电β波静息态功能连接.     

静息态脑功能网络的社团结构研究

为了探索人脑的工作机制,提出将社团划分算法应用于人脑功能网络。利用功能磁共振(fMRI)采集28名健康被试静息态脑功能数据,构建了基于时间序列的脑功能网络;根据模块度和网络全连接理论对网络中的边数划定阈值范围,利用层次聚类算法和贪心算法对脑网络进行社团划分,实验结果证明两种算法的划分结果基本一致,验证了人脑功能网络具有模块化结构;进而分析了脑网络社团结构在跨阈值范围内的差异化表现,提出了研究脑功能网络的边数有效阈值范围是180至320条边。挖掘脑网络的社团结构有助于研究脑病变机理,以辅助脑疾病的诊断治疗。     

多模态网络融合在轻度认知障碍分类中的应用

针对早期轻度认知障碍（MCI）根据医学诊断认知量表评估极有可能无法判断的问题,提出了一种多模态网络融合的MCI辅助诊断分类方法。基于图论的复杂网络分析方法在神经影像领域的应用已得到广泛认可,但采用不同模态的成像技术研究脑部疾病对大脑网络拓扑结构属性的影响会产生不同结果。首先,使用弥散张量成像（DTI）与静息态功能磁共振成像（rs-fMRI）数据构建大脑结构和功能连接的融合网络。然后,融合网络的拓扑属性被施以单因素方差分析（ANOVA）,选择具有显著差异的属性作为分类特征。最后,利用支持向量机（SVM）留一法交叉验证对健康组和MCI组分类,估算准确率。实验结果表明,所提方法的分类结果准确率达到94.44%,相较单一模态数据法的分类结果有明显提高。所提方法诊断出的MCI患者在扣带回、颞上回以及额叶和顶叶部分区域等许多脑区表现出显著异常,与已有研究结果基本一致。     

基于静息态fMRI低频振幅的首发抑郁症与功能脑区关联研究

利用功能磁共振成像(Functional magnetic resonance imaging, fMRI)技术,研究静息态下首发抑郁症患者脑功能的改变。 采用Siemens3.0T磁共振仪对5名首发抑郁症患者和1名性别年龄相仿的正常对照志愿者进行 静息态fMRI采集,采用低频振幅（Amplitude of low frequency fluctuation, ALFF）的 方 法分析数据,进行双样本t检验后分析静息态脑功能的差异。结果发现,抑郁症组大脑 左侧小脑6区、左侧颞下回、双侧尾状核、右侧舌回、左侧眶部额上回、右侧中央沟盖、右 侧前扣带和旁扣带脑回、右侧额中回、右侧岛盖部额下回、右侧补充运动区、左侧顶上回、 右侧中央后回、右侧背外侧额上回ALFF降低。首发抑郁症患者大脑的额叶、颞叶、扣带回及 尾状核等位置存在功能异常,这些区域的异常与情绪、认知、记忆等领域有关,与抑郁症息 息相关。     

基于动态功能连接的运动任务大脑状态表达

针对传统静态功能连接分析技术不能准确反映大脑动态功能状态的问题,提出了一种基于全脑动态功能连接(DFC)分析对大脑的状态变化进行表达的方法。首先,利用个体的弥散张量成像(DTI)数据构建高精确度全脑网络,将运动任务下功能磁共振成像(fMRI)数据映射到相应DTI空间后,提取各节点fMRI信号;然后,采用滑动时间窗口方法计算随时间变化的全脑功能连接强度矩阵,并提取动态功能连接向量(DFCV)样本;最后,将所有个体的DFCV样本通过基于Fisher准则的字典学习(FDDL)算法进行稀疏表达和分类。共得到8个该运动任务下全脑功能连接状态模式,各模式的功能连接强度空间分布具有明显差异,模式1、模式2和模式3占据了大部分样本分布(77.6%),且与平均静态功能连接强度矩阵之间的相似度明显高于其他5个模式。此外,大脑在各模式之间的状态迁移遵循一定的规律。实验结果表明,采用全脑DFC和FDDL学习相结合的方法,能够有效地对任务态下大脑的功能状态变化进行表达,为研究脑动态信息处理机制提供基础。     

多站点自杀倾向抑郁症脑功能网络同质化研究

目前来自采集中心的具有自杀倾向的重度抑郁症（Major depressive disorder， MDD）患者脑功能影像存在异质性，从而造成的计算瓶颈影响了分析可靠性。为此，本文借助同质化多站点算法，试图扩充MDD患者静息态功能磁共振成像（Resting-state functional magnetic resonance imaging，rfMRI）的样本体量，探究自杀倾向对MDD脑功能网络的影响。实验纳入3个站点、共99例MDD患者（包括非自杀倾向（Non-suicidal MDD，nMDD）67例、自杀倾向（Suicidal MDD，sMDD）32例）及72例健康对照（Healthy controls，HC）组rfMRI数据，计算Pearson相关性的功能连接并由ComBat技术同质化多站点功能连接；以小世界属性为稀疏度判别标准，以功能连接为边建立脑网络并进行图论分析；在节点度、节点效率指标上采用多重比较校正进行组间显著性对比。实验结果表明，同质化有效清除了站点间功能连接异质性。在小脑下半月小叶及蚓锥体，sMDD组较nMDD组和HC组皆具有组间显著性（p_FDR<0.05），即存在自杀倾向导致的异常脑功能活动。该研究克服了多站点的MDD患者的小样本缺陷，有效地提取了自杀倾向患者脑功能影像标记，有助于评估自杀风险。     

一种基于先验信息的脑功能网络提取方法*

目的 脑功能网络的提取在脑科学研究中具有重要意义,本文提出一种基于先验信息的脑功能网络提取方法。方法该方法首先基于先验信息得到初始的目标和背景种子点,然后基于图论将整个脑图像构建图,最后利用半监督聚类技术提取脑功能网络。基于不同信噪比的模拟数据,本文对提出方法、基于种子点的方法、独立成分分析方法、以及两种聚类方法（归一化最小化割和K均值方法）进行比较。基于真实脑静息态功能核磁共振数据,本文使用提出方法对默认模式网络进行提取。结果 基于模拟数据的实验结果表明提出算法相对于传统的方法可以得到更为准确且鲁棒的脑功能网络。基于静息态功能核磁共振数据得到的默认模式网络在一些重要脑区具有高的稳定性,且不同地点采集数据得到的结果具有较强的一致性。结论 提出方法是一种有效的脑功能网络提取方法。     

认知任务驱动的fMRI脑功能网络构建方法

针对脑功能网络的构建受到特定大脑图谱对兴趣点描述准确度及覆盖度的限制,提出了基于认知任务信息和神经影像数据的脑功能网络构建方法。首先计算fMRI体素对于认知任务的敏感度,然后在此基础上选取兼顾分布均衡和去中心化的大脑兴趣点,从而构建任务驱动的脑功能网络。实验通过在人脸情绪识别认知任务相关的梭状回构造任务驱动的脑功能网络,其度中心性、聚类系数、全局效率、局部效率这四个复杂网络指标均优于典型大脑图谱梭状回中兴趣点构成的网络。结果表明,计算得到的大脑兴趣点具有更强的整合性,更适合用于表征特定认知任务下的脑功能网络。     

基于独立成分分析功能连接的抑郁症分类研究*

已有的功能连接研究大多根据脑图谱构建全脑功能连接,但目前可选用的脑图谱种类有限且采用不同脑图谱的分析结果可能存在一定的差异。针对上述问题,利用独立成分分析方法研究了抑郁症辅助诊断问题。首先利用组独立成分分析提取独立成分并构建全脑功能连接网络,然后采用BoostFS(Boosting Feature Selection)方法进行特征选择,最后应用多元模式分析方法对20名抑郁症患者和21名健康被试进行分类。实验分类准确率达到95.12%,错分了一名抑郁症患者和一名健康被试。进一步分析表明,具有较强分辨能力的脑网络为感觉运动网络、默认网络和视觉网络,与已有基于脑图谱的研究结果基本一致,从而说明了基于独立成分分析方法的合理性,使其可能成为抑郁症辅助诊断的一种新方法。     

静息态功能脑连接的空间动态分析及分类研究

现有的精神疾病分类模型仅采用脑网络的静态指标作为特征,忽略了脑网络的空间动态信息,导致分类性能不高。为克服这一局限性,提升分类模型的性能,提出了基于功能脑连接空间动态的分类方法。通过高维模板对脑连接进行空间动态分析,提取脑连接空间动态特征。利用统计分析进行特征选择,构建基于静息态功能脑连接的分类模型。通过对抑郁症患者与正常被试的分类实验结果表明,脑连接空间动态特征的分类准确率（83.0%）比传统采用脑网络的静态指标特征的分类准确率（77.8%）高5.2个百分点。     

基于邻域决策粗糙集的脑功能连接生物标记物识别

脑功能连接判别特征可以作为神经精神类疾病诊断的一种生物标记物,利用机器学习方法对其进行识别是脑科学研究中的一项重要课题.已有脑功能连接生物标记物的识别方法大都忽视了脑功能连接数据高维、连续、多噪声的特性对识别性能的影响,导致所得到的生物标记物的分类能力不强.对此,提出一种基于邻域决策粗糙集的脑功能连接生物标记物识别方法.首先,针对脑功能连接数据连续性和高噪声的特点,引入能有效处理连续和高噪声数据的邻域决策粗糙集来识别分类能力更强的脑功能连接判别特征作为生物标记物;其次,针对脑功能连接数据的高维特点,通过快速生成邻域和缩小特征搜索空间来保证邻域决策粗糙集识别脑功能连接生物标记物的效率.在ABIDE I和ADNI数据集上的实验结果表明,所提出方法能够准确快速地获得分类能力更强的脑功能连接判别特征,有望为神经精神类疾病的诊断提供更准确的生物标记物.     

行程时间预测方法研究

行程时间预测,有助于实施高级旅行者信息系统.自20世纪90年代起,已经有多种行程时间预测方法被研发出来.将行程时间预测方法分为模型驱动方法和数据驱动方法两大类.介绍了两种常见的模型驱动方法,即排队论模型和细胞传输模型.数据驱动方法被分类为参数方法和非参数方法：参数方法包括线性回归、自回归集成移动平均和卡尔曼滤波,非参数方法包括神经网络、支持向量回归、最近邻和集成学习方法.对现有行程时间预测方法从源数据、预测范围、准确率、优缺点和适用范围等方面进行了分析总结.针对现有方法的一些缺点,提出了可能的解决方案.给出了一种新颖的数据预处理框架和一个行程时间预测模型,最后指出了未来的研究方向.     

fMRI动态功能网络构建及其在脑部疾病识别中的应用

如何从复杂的fMRI数据中提取 丰富的大脑信息是提高脑部疾病识别精度的关键。传统的静息态功能磁共振成像分析中,功能连接网络被认为是稳定不变的。提出一种基于成组独立成分分析的构建动态功能连接网络的方法,并通过该网络来获取功能网络本身的动态特性。首先,利用成组独立成分分析法提取fMRI数据的空间独立成分作为网络节点,并通过滑动时间窗的方法获取窗口时间序列,构建动态功能连接网络。以动态功能网络作为特征,对精神分裂症患者和正常被试数据进行分类识别。实验结果表明,该方法能够获取fMRI数据的时间维度信息,提高识别效果,在一定程度上能为临床诊断提供客观参照。