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基于时空双稀疏表示的成人ADHD脑网络检测与分析

已有 328 次阅读 2019-11-29 17:02 |系统分类:博客资讯

成人ADHD相关静息态脑网络是指:通过对一组成人注意力缺陷多动障碍患者的静息态fMRI数据进行分析,获得与ADHD量表诊断分统计相关的、由结构上独立功能上有连接的脑区构成的脑网络。对成人ADHD相关静息态脑网络的研究,有利于提高人们对ADHD的潜在神经机制的了解。 

注意力缺陷多动障碍(attention deficit hyperactivity disorder, ADHD)是一种常见的精神障碍疾病, 主要表现为与发育程度(年龄) 不相符的注意力分散、多动和冲动, 这种疾病往往开始于童年并可能持续到成年。ADHD对患者的生活和学习产生不利的影响, 且成人ADHD 患者更易引发其他的精神障碍与犯罪行为, 因而是一个重要的公共卫生问题。静息态功能核磁共振成像由于操作易、耗时短、性价比高等优点,被广泛应用于探索青少年和成人ADHD患者的脑功能异常,传统的ADHD静息态功能核磁共振成像研究主要分为两类:


(1) 一些学者采用局部一致性、低频振荡等基于体素的指标分析了静息态fMRI数据,认为ADHD患者存在一些异常脑区,例如运动感知脑区,前额、前扣带回和丘脑,楔叶、楔前叶和脑岛等脑区。


(2) 另一些学者则从各脑区(或体素)之间的功能连接角度出发对ADHD静息态fMRI数据进行了分析,发现ADHD患者的前扣带回与楔前叶及后扣带回、楔前叶与默认网络的其他脑区有所减弱等。


虽然上述研究给出了一些与ADHD相关的脑区或脑区间的功能连接,但是ADHD的潜在生理病理机制目前仍不完全明了,需进一步研究验证。本文设计的基于时空双稀疏表示的成人ADHD相关静息态脑网络检测方法,首先采用DTSSR从ADHD的静息态fMRI数据中提取出组脑网络及相应的耦合参数;然后将耦合参数平均池化作为网络的活跃度指标;最后,将活跃度指标与ADHD的量表分进行Spearman相关性分析,检测出与ADHD相关的脑网络。设计的方法整体框图如下: 


图1 基于DTSSR的ADHD相关静息态脑网络(ADHD_RSN)的检测方法整体框图


采用上述方法从大尺度脑网络角度探讨成人ADHD潜在的神经机制,主要结论和发现有:


(1) 一些正常人组上常见的静息态脑网络,在采用时空双稀疏表示方法从ADHD组静息态fMRI数据获得的静息态脑网络中,并不缺失,且两者相对应的静息态脑网络之间具有较高的相关性系数和显著相关性,在空间分布上也高度相似。


(2)对脑网络活跃度指标与ADHD量表分进行Spearman相关性分析,背侧注意网络和执行控制网络(如图2)与ADHD显著相关。这个结果从脑科学角度有合理的解释,在前期的研究中也能找到相应的支持依据。


(3)采用所提方法和指标获得的背侧注意网络和执行控制网络,在不同字典尺寸下具有较高的稳定性。


(4)本文所提方法属于数据驱动的分析方法,与传统方法相比,本方法不需要先验知识(例如,感兴趣脑网络、空域静息态脑网络模板、种子点等)。


图2  ADHD相关静息态脑网络空间分布图 (‘激活’体素采用MELODIC推断)。(a) 背侧注意网络;(b) 执行控制网络。


需要指出的是,ADHD是一种复杂的混合型精神障碍,其潜在神经机制较为复杂,本文研究中没有对ADHD亚型患者进行区分,这将是我们下一步的研究重点。


引用格式:龚军辉, 刘小燕, 周建松, 孙刚. 基于时空双稀疏表示的成人ADHD脑网络检测与分析. 自动化学报, 2019, 45(10): 1903-1914.


链接:http://html.rhhz.net/ZDHXBZWB/html/2019-10-1903.htm



作者简介


龚军辉  湖南大学电气与信息工程学院博士研究生,主要研究方向为医学图像处理与分析,生物信息检测与识别。

E-mail:gongjunhui2003@163.com


刘小燕  湖南大学电气与信息工程学院教授,主要研究方向为医学图像处理与分析, 复杂系统建模与控制。本文通讯作者。

E-mail:xiaoyan.liu@ hnu.edu.cn


周建松  中南大学湘雅二医院精神卫生研究所教授,主要研究方向为青少年精神疾病诊断与研究、精神应激研究。

E-mail:zhoujs2003@aliyun.com


孙刚  湖南大学电气与信息工程学院博士研究生,主要研究方向为医学图像处理与分析。

E-mail:gangsun@hnu.edu.cn@163.com




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