醫(yī)學(xué)院、航天航空學(xué)院與哈佛大學(xué)醫(yī)學(xué)院、河南省人民醫(yī)院等合作, 采用深度學(xué)習(xí)方法解決... 時(shí)間：2020-10-08
功能磁共振成像是通過血氧信號(hào)探測大腦功能活動(dòng)的常用方法，無創(chuàng)而且空間精度高，在腦科學(xué)研究和腦疾病診療中具有廣泛應(yīng)用。然而，功能磁共振采集到的大腦活動(dòng)信號(hào)常常會(huì)受到磁化率偽影、金屬植入物的干擾，造成局部的信號(hào)扭曲甚至缺損。神經(jīng)外科臨床診療中，難治性癲癇患者為了進(jìn)行手術(shù)規(guī)劃而植入的顱內(nèi)電極、帕金森病人為了緩解震顫而植入的深部腦刺激器，這些植入物及其導(dǎo)線和連接器，都會(huì)對(duì)功能磁共振信號(hào)產(chǎn)生干擾，嚴(yán)重妨礙了通過功能磁共振成像評(píng)價(jià)和研究病人的腦功能網(wǎng)絡(luò)，并可能導(dǎo)致對(duì)研究結(jié)果的誤讀。
? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?圖1 功能磁共振成像信號(hào)的扭曲和缺損
日前，清華大學(xué)醫(yī)學(xué)院洪波團(tuán)隊(duì)、航天航空學(xué)院院李路明團(tuán)隊(duì)與河南省人民醫(yī)院王梅云團(tuán)隊(duì)、哈佛大學(xué)醫(yī)學(xué)院Martinos影像中心劉河生團(tuán)隊(duì)合作，采用生成對(duì)抗網(wǎng)絡(luò)(Generative adversarial networks，GAN) 模型，對(duì)臨床上部分信號(hào)缺損的靜息態(tài)功能磁共振信號(hào)的實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確修復(fù)。
生成對(duì)抗網(wǎng)絡(luò)是一種深度學(xué)習(xí)框架，由一組生成器和分類器組成，在圖像人工智能處理領(lǐng)域具有廣泛應(yīng)用。在本研究中，團(tuán)隊(duì)采用深度卷積生成式對(duì)抗網(wǎng)絡(luò)模型，通過對(duì)生成器進(jìn)行正常樣本的對(duì)抗訓(xùn)練，使其學(xué)習(xí)到正常樣本各個(gè)腦區(qū)共同激活的統(tǒng)計(jì)分布，從而可以基于其中一部分腦區(qū)的激活信號(hào)，對(duì)另外一部分腦區(qū)缺損的功能磁共振信號(hào)進(jìn)行預(yù)測。這種基于生成式深度學(xué)習(xí)模型的受損功能磁共振圖像修復(fù)技術(shù)，巧妙解決了現(xiàn)有磁共振預(yù)處理方法無法處理信號(hào)缺損腦功能圖像的難題。該方法不僅可以修補(bǔ)大腦皮層網(wǎng)絡(luò)的連接圖譜，還可以實(shí)現(xiàn)信號(hào)缺損腦區(qū)功能磁共振激活時(shí)間序列的單幀重建，實(shí)現(xiàn)了對(duì)大腦激活磁共振信號(hào)在時(shí)間和空間上的完整重建。該方法在信號(hào)序列波動(dòng)一致性、功能網(wǎng)絡(luò)連接圖譜相似性、以及個(gè)體大腦功能網(wǎng)絡(luò)特異性等方面，都達(dá)到了良好的性能指標(biāo)。植入磁共振兼容腦起搏器的帕金森患者，腦功能圖像通過該方法實(shí)現(xiàn)了準(zhǔn)確修復(fù)。該方法對(duì)于臨床診療和腦科學(xué)科研中，因信號(hào)采集和電極干擾等問題導(dǎo)致的功能磁共振信號(hào)的缺損，提供了一種新穎有效的解決方案。
圖1? 基于生成對(duì)抗網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)缺損功能磁共振信號(hào)修復(fù)的方法
圖2? 植入腦起搏器的帕金森患者大腦缺損磁共振信號(hào)得到準(zhǔn)確修復(fù)
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上述成果10月7日以“采用深度學(xué)習(xí)方法重建個(gè)體大腦缺損的血氧水平依賴信號(hào)”（Reconstructing lost BOLD signal in individual participants using deep machine learning）為題在線發(fā)表于《自然?通訊》（Nature Communications）上。清華大學(xué)醫(yī)學(xué)院洪波教授、航天航空學(xué)院李路明教授、河南省人民醫(yī)院王梅云教授、哈佛大學(xué)醫(yī)學(xué)院劉河生教授是本論文的共同通訊作者，清華大學(xué)醫(yī)學(xué)院博士生閆宇翔、河南省人民醫(yī)院博士后Louisa Dahmani、清華大學(xué)航天航空學(xué)院博士生任建勛為論文的共同第一作者。該研究得到了國家自然科學(xué)基金委、科技部重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃等支持。
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https://www.nature.com/articles/s41467-020-18823-9
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