论文总字数：14005字

目 录

1绪论 1

1.1课题研究背景研究意义 1

1.2脑功能磁共振成像原理 1

1.3 SPM软件的特性 2

1.4 应用SPM 的脑功能磁共振成像（fMRI） 数据处理技术 3

1.5 SPM 的数据处理方法与步骤 3

2实验设计 4

2.1实验程序设计的理论框架 4

2.1.1实验程序设计的基本原则 4

2.1.2实验控制的三要素 4

2.2进行 fMRI 研究时的实验设计 5

2.3 FMRI刺激任务设计模式 6

3 应用SPM软件分析视觉刺激功能核磁数据 6

3.1 实验数据 6

3.2 数据处理方法 7

3.2.1 空间位置校正 7

3.2.1空间平滑 11

3.3模型设计 12

4结果分析与讨论 13

参考文献 13

致谢 15

应用SPM软件分析视觉刺激功能核磁数据

刘佳欢

,China

Abstract:The study of fmri visual stimulation experimental design and data analysis method of visual information ( such as color, depth, etc. ) in the visual center is how to deal with, not yet clear. A cell with a specific reaction to some color or a depth has been detected in the visual cortex. But the material remains trivial. Fmri in order to make people more objective and accurate understanding of human brain response and changes, using high spatial resolution technology very timely to show the activity of the brain region performance, in color and style as the main examples of this aspect of visual analysis, and the analysis of this part of the experimental data processing, for the following description of the content to do a simple exposition. The function of software is different, for example, the stimulation data of visual stimulation need to be drawn with MATLAB, and the data processing and analysis by SPM. This topic is selected to study the stimuli received by the people's brain, and to record the experimental data, the activated region of the brain, and the bold curve close to the previous research results, as well as the experimental design and data processing and the results of the experiment. These materials can be used as follow-up materials to the subject, and can provide great help before the beginning of the experiment or during the design experiment.

Key words:Brain functional imaging; Functional magnetic resonance imaging ( fmri ); Spm package;

1绪论

1.1课题研究背景研究意义

脑科学研究其中一大方向即脑功能研究，其包含神经科学、认知科学、信息处理和脑成像技术。近年来,脑功能成像的的功能被国际官方关注，并且取得了不小进展。现如今，这项技术主要包括以下三种技术，即正电子发射断层项（PET）、单光子发射断层成像( SPECT )、功能磁共振成像( FMRI)等。这些技术广泛被应用于临床诊断、基础研究和治疗评价，并且，此技术作为非侵入方法，对人体损害较小。在各种成像技术中具有良好的时间和空间分辨率。近年来,由于良好的时间和空间分辨率,功能磁共振成像( FMRI)技术发展迅速,在脑功能研究中占有重要地位。视觉皮层的人的研究是将功能磁共振脑功能成像作为最开始研究的方向。不过在国内，对于这一方面的研究很少，相应的报导也很少。

SPM这一软件用于处理数据，为了能够更好的满足人们的需求，现如今还在不断的进行更新。可以说，这一软件在业内受到的好评度很高，已经在全世界范围内都非常流行。以前，在对与大脑有关的实验进行分析时，经常要人手动圈画感兴趣的范围，而后再测量数计值，接着用如Excel表格这类数据统计处理软件来比较其差异。不过，人为误差只可改变，整体几乎没办法比较。故SPM在测试和参考及数据统计方法上，总体来说，减少了人为误差的可能。本文介绍这一方面的内容是从原理开始介绍的，然后再对这一方面进行具体的研究，最后通过相应的软件处理数据，得出结论。

1.2脑功能磁共振成像原理

FMRI是一种无创性的方法，它能够保证人们在做脑部实验的研究时，尽可能的降低仪器对人们脑部的创伤。不过，在刚开始使用这种方法时，由于相关的技术还不够先进，所以使得这种方法仅仅只是对人体的某一部份起到相应的作用。这种情况，在一九九零年以后，被小川等人对此方面的研究以及大胆的尝试所打破，人们不再需要通过体外造影剂来获取图像。这种获得图像的方法，备受世界的广泛关注。

在1990年小川等人第一次对被麻醉的人脑血氧水平依赖性( bold)研究。实验结果表示，大胆的对比机制可以在正常生理条件下对人脑血氧水平进行实时成像,成为类似于正电子发射断层成像的成像办法。随后，在1993年以后，小川等人还对BOLD这一概念进行了全新的解释，即BOLD是通过检测血液中血红蛋白的顺磁性使得脑组织内的氢发生改变，从而引起脑部信号的变化。磁共振信号和血氧含量相关。小川的创见表明,一群神经元存活过程中，由于耗氧量增多,而紧邻静脉中的血红蛋白( oxhb)变少,局部血氧含量的变少增加了该区域的血量,使一部分区域血流增多大概2秒。因为反馈调度的血氧含量比组织耗费的多很多,紧邻静脉中氧血红蛋白(氧)和oxhb的含量迅速变低。又因为两种血红蛋白的磁化特性相异, deoxHb存在顺磁性,能够干扰局部磁场的均匀性,进而加速横向磁场的衰变(缩短衰减时间T2)。T2加权越小, T2加权成像信号越强,磁共振T2加权成像信号可以很容易地检测到局部脑区的兴奋性变化,这种变化就是bold 效应。这一效应，是在进行核磁共振成像时的基础，是必须要首先考虑到的。总的来说，局部boldfmri信号增加,因为耗氧量增加小于局部神经活动中的血流量。因此,不同脑血氧含量的改变可以体现脑活动过程中神经细胞运动的变化。现如今，大部分的医院在临床时，往往都是用的1.5t的FMRI，但是这一类型比3t类型的信噪比要差很多，而高场Mr系统能够提供更好的空间分辨率和更详细的信息。

在对脑部进行功能磁共振之前，与此有关的研究人员必须要有着明确的目的，带着目的去设计研究。( 1)设计刺激信号以方波方式展现,经过反复多次周期测试,促使目标在实验任务设置的周期范围内可以充分地完成,但是相对于其他控制任务,采用的是两个周期轮流的方式进行滚动。是故,它可造成一个与目标任务相关的任务正常脑区域,以增加fmri信号,而fmri信号在控制周期中没有激活而降低。( 2)事件相关设计：检测脑功能成像的一种任务设计。用来刺激信号形式的脉冲，有一些间隔在信号与信号之间。

1.3 SPM软件的特性

Statistical Parametric Mapping：一类统计过程方法。用于测量人脑特定区域的影响。它主要用于定位大脑的反应功能,是描述大脑的病理变化及功能解剖学的必备工具。SPM是分析脑成像数据的一种工具,其关键目的是比较受试者或受试者的不同成像结果,并得出通用的统计结果,数据处理每一步以实现这一目标。

SPM软件最初是由英国Hammersmith医院的Friston等人开发，其统计功能十分强大。可以说，这一软件已经成为了对脑部分析数据进行分析的最权威、使用范围最广的软件。和SPM 94、SPM 99和SPM 2相比, SPM 5主要具有以下特征:①功能结构与EEG的图像融合;②采用改进后的三维球壳模型;③采用基于非皮质表面的改进后的模板网络方案;④在fMRI体素空间重建原始激活点的插值。空间标准化及分割结合了优化算法和用户模板,使通过广义序列取得的成像也可实现空间标准化。一开始贝叶斯R1分析通过调整高斯随机场的噪声参数,提升了FMRI解析的灵敏度。用户界面加上了一个新用户界面,定量设定更容易,操作的定义也很灵活,并且用户界面包含不同选项意义的定义描述。格式数据用的是NIFTI一1格式,原始分析格式依旧可用多个SPM函数读取。MINC和ECAT7的数据格式还是由专用工具使用,以提升数据包和数据包间的互操作性。

1.4 应用SPM 的脑功能磁共振成像（fMRI） 数据处理技术

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