基于医学影像数据的中国早产婴儿脑图谱构建

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近年来,各国纷纷开展脑研究计划推动脑科学的发展。脑图谱是一种整合了大脑结构与功能的特征信息的人脑模型,为脑科学研究和影像信息分析提供了重要的指导。脑图谱作为一套人脑结构模板提供的先验知识有助于提高图像分割准确率,为群体脑影像信息分析提供了标准坐标系,方便对不同个体在不同时期的脑影像进行比较分析,有利于病理研究或早期疾病标志物的发现。人种、性别、年龄等因素都会导致大脑的结构与形态存在差异。针对特定人群需要使用专门的脑图谱,否则容易造成识别与定位的误差。通过对国内外相关文献调研发现,国内尚未提供公开的针对0-1岁婴儿进行脑影像分析研究的婴儿脑图谱标准模板,缺乏足量的中国婴儿脑图谱为中国婴儿的脑影像分析研究提供指导。为了推进中国脑研究计划的深入发展,构建中国婴儿脑图谱具有必要性。本研究以现有文献中脑图谱构建理论与相关技术为基础,采用文献调研等方法,选择合适的研究数据与配准技术,再根据实际数据情况,设计出中国早产婴儿脑图谱构建框架。采集了27例中国早产婴儿脑影像数据,通过重定向、颅骨剥离、去噪、偏置校正等预处理操作,提高数据集质量。再根据中国早产婴儿脑图谱构建框架,采用逐组配准的方法,初步构建了由标准模板和组织概率图组成的中国早产婴儿脑图谱。并将构建好的中国早产婴儿脑图谱与公开的西方早产婴儿脑图谱从形态结构、在图像配准任务和图像分割任务上的应用三个方面进行对比研究,来验证本文构建的中国早产婴儿脑图谱的有效性。本研究为中国早产婴儿的脑影像分析研究提供了可用的先验知识,也为后续更为全面和完善的中国婴儿脑图谱构建提供了实践经验。从本文构建的中国早产婴儿脑图谱来看,中西方早产婴儿大脑存在的形态结构差异,与西方早产婴儿大脑相比,中国早产婴儿大脑具有更短、更宽、更矮小的形态结构特点。通过与西方早产婴儿脑图谱在图像配准与图像分割应用上的对比实验,结果表明在图像配准中将中国早产婴儿脑图谱作为参照图像,能保留原始图像的更多形态特征。这说明中国早产婴儿脑图谱确实更能代表中国早产婴儿大脑的结构特征。图像分割实验中,使用本文构建的中国早产婴儿脑图谱先验知识的分割结果与领域专家手动分割标准的平均Dice系数为0.6419±0.0674,而使用西方早产婴儿脑图谱的平均Dice系数为0.5895±0.0502,结果表明使用本文构建的中国早产婴儿脑图谱能图像分割准确率提高了6%-13%(p<0.05)。
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