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首页Matlab+GUI驱动的脑部磁共振数据分析系统:高效便捷的神经科学研究工具
随着科技的进步和成本的降低,核磁共振(NMR)技术在医疗和科研领域得到了广泛应用,特别是在人脑功能与结构研究中。神经科学研究者需要具备物理学、医学和信号处理分析等多学科知识,这无疑增加了他们的科研挑战。针对这一需求,本篇毕业论文设计了一套基于MATLAB和图形用户界面(GUI)的脑部核磁共振数据统计分析系统。 该系统的核心目标是简化复杂的数据处理流程,从原始的DICOM数据导入开始,经过整理、命名,然后根据不同类型的扫描序列(如fMRI和DTI)进行专业处理。对于fMRI数据,系统实现了感兴趣区域(ROI)信号提取、全脑相关网络分析、网络间相关性研究和功能连接密度测量。在结构MRI处理部分,系统能够解析DTI数据,提取纤维束微结构信息,构建全脑纤维束连接矩阵,并进行网络属性计算以及纤维束方向密度函数(ODF)图分析。 此外,论文还介绍了一个包含实用小工具的功能模块,如低频成分频谱分析、种子点优秀程度评估、全脑模板分割和模板散点去除,这些工具提高了分析效率并降低了用户的操作难度。整个系统以其直观的操作界面、高效的功能整合和高可靠性,成为科研人员处理和分析人脑MRI数据的理想工具,具有很高的推广应用价值。 关键词:MATLAB、图形用户界面(GUI)、医学图像处理、磁共振数据分析。这个系统的设计旨在提高科研工作的效率和精度,是现代脑部研究不可或缺的技术支撑。通过使用该系统,研究者可以更专注于科学研究本身,而不是繁琐的数据处理流程,从而推动神经科学领域的发展。
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第一章 绪论
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实现)
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,更多的分析还需要编程实现。
本论文提出了一个基于Matlab图形用户界面的脑部磁共振数据处理系统,根
据本人及课题组数年的磁共振数据处理经验,将最新最可靠的处理方法融入进此
系统,加上合适的界面设计,为研究者提供了一个简便可靠的系统以进行磁共振
数据的分析。
此系统用于数据后处理,包含如下功能:对fMRI数据,主要涉及相关网络分
析、某个体素或某一mask的信号提取、功能连接密度图分析、网络间相关等;对
DTI数据,主要包括纤维束微结构及连接矩阵分析、连接矩阵网络属性分析、纤维
束方向密度函数图分析等。这些功能已涵盖fMRI和DTI数据的常用处理方法,由于
目前没有可以直接实现全部处理方法的专门软件,所以此系统的开发可为基于磁
共振技术的相关科学研究提供有力支撑。
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电子科技大学硕士学位论文
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第二章 开发平台介绍以及主界面设计
2.1 开发平台介绍
MATLAB(Matrix Laboratory的缩写),是MathWorks公司于 1980 年开始开发的
一个用于数学计算的平台。主要可用于矩阵计算、数据以及函数的可视化、信号
分析、数学建模等。随着版本的更新又增加了用户图形界面开发的功能。由于其
计算功能相当强大,同时支持添加工具包,使其扩展性大大增强。通过添加合适
的工具包,使Matlab在图像处理,统计分析等领域有着极大的优势。
MRI数据处理涉及到很多矩阵运算以及信号的处理。如果用其他平台如C#等
开发此系统可能会在界面设计上更占优势,但是在数据处理效率方面却大大的落
后于Matlab。同时,此系统的核心在于计算,而非管理,所以并不需要很复杂的系
统架构和业务逻辑。此系统也不需要和网络、数据库等系统进行信息交换,没有
必要使用Visual Studio等大型软件开发平台。基于此考虑,将此系统的开发环境设
定于Matlab。
2.2 系统结构
根据数据处理类型,将系统分为 3 个主要模块:fMRI数据处理模块,DTI数
据处理模块,外加一些集成的小工具(图 2-1)。
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第二章开发平台介绍以及主界面设计
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图 2-1 系统模块设计
2.3 系统主界面设计
主界面如下(图 2-2)所示:
图 2-2 系统主界面
系统主界面直观且简单。主界面上部是工具栏,其中含有“小工具”和“其
他信息”两个下拉菜单。其中“小工具”下拉菜单中主要包括一些在数据处理中
比较常用且实用的小工具,比如:用于分析时间序列低频部分(0.01-0.1Hz)所占
功率谱比例的工具;DICOM文件批量改名工具;全脑模板分割工具;种子点优秀
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电子科技大学硕士学位论文
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程度判断工具等。而“其他信息”下拉菜单主要是包含了此系统的说明;版本信
息以及简短的帮助等。
主界面按照左右分成两个部分。左边部分是用于fMRI数据处理的工具:网络
间相关分析(FNC)、选择感兴趣区(ROI)计算大脑相关网络以及功能连接密度
分析;右边部分主要用于处理DTI数据,包括纤维束方向密度函数的计算、通过读
取纤维束追踪结果计算纤维束的微结构信息(FA值MD值等)以及生成纤维束连接
矩阵、对于连接矩阵计算网络属性等。
上述每一个功能的具体实现会在后面章节详细阐述。
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第三章 fMRI 数据处理模块
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第三章 fMRI 数据处理模块
fMRI数据的分析主要依赖于BOLD信号的对比。如引言所述,当大脑某些区
域有激活时,这些区域的供血量会增加,同时氧合血红蛋白的局部聚集会提高局
部的磁敏感性,从而导致T2*信号的增强。受血流速度影响,BOLD信号相对于大
脑的激活有所延迟,这也导致了fMRI采集的时间分辨率不会很高。实际上,磁共
振仪器可以将回波时间设定的比较短,甚至可以达到 300 毫秒。但由于血液动力
学响应的持续时间超过 10 秒,且是一个光滑的连续函数,过度提高采样率对fMRI
数据的挖掘意义不大。一般而言,扫描一个全脑功能图像的时间(TR)为数秒。
fMRI就是通过持续的扫描获得几十至几百个全脑T2*图像(图 3-1a)。对于图像中
的每一个体素,其灰度值的变化就构成了一个包含数个时间的时间序列。通过对
此时间序列的处理分析就可以得到此位置的大脑随着时间激活强度的变化(图 3-1
右)。对于fMRI图像的采集需采取合适的空间分辨率。如果做全脑研究,体素大小
为 2-3 mm³比较合理。因为如果空间分辨率过高,一个体素体积太小那么含有的神
经元也较少,血流量也较少,导致信噪比下降。同时提高分辨率导致同FOV(视
场)内体素增多,延长了TR时间,让被试不适感增强,也会对实验造成影响。
(a). (b).
图 3-1 a图为大脑同一层在不同时间所采集的fMRI图像;b图为左侧顶叶某一体素没经滤
波的原始信号。
本系统的工具主要是用于对静息态fMRI(resting-state fMRI,rs-fMRI)数据的
处理。所谓rs-fMRI是指通过fMRI评估受试者在安静、放松且没有执行特定任务时
大脑的激活模式。它反映的是大脑的自发激活模式,对研究大脑各脑区功能以及
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