一种检测养血清脑丸改善认知功能的脑网络分析方法技术

本发明专利技术属于神经影像学和中药学领域，涉及基于功能磁共振成像fMRI数据的大脑功能网络研究领域，具体涉及一种检测养血清脑丸改善认知功能的脑网络分析方法。一种检测养血清脑丸改善认知功能的脑网络分析方法，包括以下步骤：(1)实验设计：采用静息态fMRI实验，以亚健康人群为研究对象；(2)采集静息状态下的fMRI数据；(3)针对采集到的fMRI数据进行预处理；(4)节点、边的定义及阈值的选择；(5)选择传统脑网络分析方法对fMRI数据进行分析；(6)选择频繁子图挖掘方法对fMRI数据进行分析；(7)分析、比较并整合两种方法的结果，得到养血清脑丸改善认知功能的神经机制。

Brain network analysis method for detecting Yangxue pill for improving cognitive function

The invention belongs to the field of neuroimaging and pharmacology, involving fMRI data of functional magnetic resonance imaging of the brain functional network based on field research, in particular relates to a detection of Yangxue Qingnao pills can improve cognitive function and brain network analysis. A detection of Yangxue Qingnao pills to improve cognitive function of brain network analysis method, which comprises the following steps: (1) experimental design: a resting state fMRI experiment, the sub healthy people as the research object; (2) fMRI data acquisition under resting state; (3) according to the collected fMRI data preprocessing; (4) node, edge definition and threshold selection; (5) choose the traditional brain network analysis methods to analyze fMRI data; (6) choose the frequent methods to analyze fMRI data mining; (7) analysis, comparison and integration of the results of the two methods, get the neural mechanism of Yangxueqingnao pill to improve cognitive function.

【技术实现步骤摘要】
一种检测养血清脑丸改善认知功能的脑网络分析方法
本专利技术属于神经影像学和中药学领域，涉及基于功能磁共振成像fMRI数据的大脑功能网络研究领域，具体涉及一种检测养血清脑丸改善认知功能的脑网络分析方法。
技术介绍
养血清脑丸是天津天士力制药股份有限公司研制、生产的国家三类中药新药，以宋代中医名著《太平惠民和剂局方》的“四物汤”为基础加味并采用最新工艺研制而成的标本兼治的制剂，具有“养血活血、平肝潜阳”的作用。其主要成分是当归、川芎、白芍、熟地黄、钩藤、鸡血藤、夏枯草、决明子、珍珠母、延胡索、细辛。药理研究表明，养血清脑丸具有改善软脑膜微循环、增加脑血流量、缓解血管痉挛、止痛等药理作用，现已成为治疗头晕、头痛、脑供血不足、高血压、眩晕、失眠等疾病的中药特效药。更有一些研究表明，养血清脑丸可以改善由局部缺血或精神疾病等引起的认知功能损害，同时也能够改善亚健康人群的心理状态。目前，虽然对养血清脑丸的药理作用已有一定认识，但养血清脑丸改善亚健康人群认知功能的潜在神经生理机制仍是未知的。功能磁共振成像(fMRI)技术是一种基于磁共振成像的、非介入的、无创伤且非常有效的脑功能成像技术，其原理是通过磁共振造影量测神经元活动引起的血液动力的改变。由于它具有可靠的理论基础、良好的时空分辨率等诸多特性，近年来，从神经影像中发现对中药敏感的生物标记物和功能连接特性已成为一个新的研究热点。在fMRI数据分析方法上，脑功能网络分析已经发展成为fMRI数据分析领域的一个重要的分支，它能够在全脑水平上进行功能连接分析并获取脑功能网络的拓扑属性。除脑功能网络分析外，目前还存在有基于种子点的功能连接分析、局部一致性分析、独立成分分析等功能连接方法，但是这些方法都不能实现对网络的拓扑属性进行分析。相比较而言，脑网络分析方法能够绘制同一时间内的所有大脑单元间的连接模式，并能够用于探讨该连接模式干预前后的变化。最常用的脑网络分析方法是传统脑网络分析，它能有效地在全脑范围内评估节点间连接的组间差异。除此之外，基于数据挖掘技术对脑网络进行分析并从中发现规律，也已成为新的研究趋势。频繁子图挖掘作为一种分析方法已逐渐开始被应用于脑影像领域，该方法主要用于寻找一个图集中的共有子图，并根据组间的子图频度差对数据进行特征分类。
技术实现思路
本专利技术要解决的技术问题是：利用传统脑网络分析和频繁子图挖掘方法分析fMRI数据，进而得到养血清脑丸改善认知功能的神经生理机制。为了解决上述技术问题，本专利技术采用的技术方案为：一种检测养血清脑丸改善认知功能的脑网络分析方法，包括以下步骤：(1)实验设计：采用静息态fMRI实验，以亚健康人群为研究对象；(2)采集静息状态下的fMRI数据；(3)针对采集到的fMRI数据进行预处理；(4)节点、边的定义及阈值的选择；(5)选择传统脑网络分析方法对fMRI数据进行分析；(6)选择频繁子图挖掘方法对fMRI数据进行分析；(7)分析、比较并整合两种方法的结果，得到养血清脑丸改善认知功能的神经机制。本专利技术所述步骤(1)还包括以下步骤：(1.1)筛选符合要求的亚健康人员组成一组；(1.2)对入组的亚健康人员进行第一次静息态fMRI扫描和认知测评，记录第一次静息态fMRI扫描和认知测评结果；(1.3)对入组亚健康人员进行药物干预；(1.4)干预结束后对入组亚健康人员进行第二次静息态fMRI扫描和认知测评，记录第二次静息态fMRI扫描和认知测评结果。本专利技术所述步骤(2)的具体方法为：使用德国西门子公司生产的3T全身磁共振成像系统，收集被试的全脑fMRI数据，采集回波平面成像序列，横断位从下到上隔层扫描，32层，层厚＝4毫米，层间隔＝0毫米，脉冲重复时间TR＝2500毫秒，脉冲回波时间TE＝30毫秒，采集矩阵＝64×64，翻转角度FA＝90度，扫描视野FOV＝240mm，针对每个被试，采集212个时间点，扫描持续时间8分57秒。本专利技术所述步骤(3)还包括以下步骤：(3.1)所有的预处理操作都是使用统计参数图SPM软件包完成；(3.2)为避免磁共振机器每个session启动时的匀场效应及受试者初入环境的不适应可能对结果造成一定影响，删除每个被试每个session前十帧功能图像；(3.3)剔除fMRI数据中头部挪动幅度超过2.5mm或三维旋转角度超过2.5°的被试；(3.4)针对fMRI数据进行层间时间校正；(3.5)针对fMRI数据进行头动校正；(3.6)针对fMRI数据进行空间标准化处理；(3.7)利用4mm半宽高的高斯核函数对fMRI数据进行空间平滑处理；(3.8)利用0.01-0.08Hz频率区间对fMRI数据进行时域滤波；(3.9)针对fMRI数据进行回归头动参数和脑脊液平均信号。本专利技术所述步骤(4)还包括以下步骤：(4.1)节点的定义：使用标准脑解剖图谱AAL模板作为脑节点的定义方法，对全脑进行区域级别的节点定义，共定义90个节点；(4.2)边的定义：使用皮尔逊相关系数作为网络中边的定义，对于所得到的每个脑的时间序列，进行多元线性回归，以去除头动影响，之后，利用所得到的残差，两两之间进行皮尔逊相关计算，得到90×90的关联矩阵，最后，根据预先设定的阈值，将关联矩阵转化为二值的邻接矩阵；(4.3)阈值的选择：使用稀疏度S进行阈值设置，稀疏度为网络中实际存在的边数与网络中可能存在的最大边数的比值。利用小世界属性这一脑网络的基本特性进行阈值空间的设定，以满足在保证小世界属性的同时最大程度的去掉伪连接，根据此规则，计算得到阈值空间为S∈(5％，40％)，随后的网络分析均在此空间中进行，且间隔设置为0.01。本专利技术所述步骤(5)还包括以下步骤：(5.1)对于每个阈值，分析三个节点指标：度、节点效率和中间中心度；(5.2)计算在阈值范围内的曲线下面积，为每个节点指标提供一个总标量；(5.3)使用非参数置换检验分析比较用药前后两组数据的组间差异，使用多元线性回归去除统计过程中性别和年龄的影响。本专利技术所述步骤(6)使用gSpan算法进行频繁子图挖掘。本专利技术所述的步骤(1.3)的药物干预为：采用由天津天士力公司生产的养血清脑丸进行药物干预，商品规格是2.5g×15袋，批准文号是国药准字Z20063808，入组亚健康人员每日3次，每次1袋，口服，连续服用12周。本专利技术一种检测养血清脑丸改善认知功能的脑网络分析方法具有下述优点：本专利技术将传统脑网络分析和频繁子图挖掘两种脑网络分析方法结合起来，从全脑网络和频繁子网络两个角度探讨药物干预前后被试脑功能网络的改变，进而探寻养血清脑丸改善亚健康人群认知功能的神经生理机制，具有原理简单、流程规范、实现简便、被试内结果稳定性高等优点。附图说明图1为本专利技术实施方法的基本流程示意图；图2为本专利技术实施例中，分别使用药物干预前后采集的fMRI数据构建的脑功能网络图；图3为本专利技术实施例中，使用传统脑网络分析方法发现的药物干预前后脑功能网络节点属性的差异图；图4为本专利技术实施例中，使用频繁子图挖掘方法发现的药物干预前后频繁子网络的差异图；图5为本专利技术实施例中，全脑网络和子网络分析的结果整合图。具体实施方式如图1－图5所示，本实施例检测养血清脑丸改善认知功能的脑网络分析方法，包括以下步骤：(1)实验设计：采用静息态fMRI实验，以本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种检测养血清脑丸改善认知功能的脑网络分析方法，其特征是包括以下步骤：(1)实验设计：采用静息态fMRI实验，以亚健康人群为研究对象；(2)采集静息状态下的fMRI数据；(3)针对采集到的fMRI数据进行预处理；(4)节点、边的定义及阈值的选择；(5)选择传统脑网络分析方法对fMRI数据进行分析；(6)选择频繁子图挖掘方法对fMRI数据进行分析；(7)分析、比较并整合两种方法的结果，得到养血清脑丸改善认知功能的神经机制。

【技术特征摘要】
1.一种检测养血清脑丸改善认知功能的脑网络分析方法，其特征是包括以下步骤：(1)实验设计：采用静息态fMRI实验，以亚健康人群为研究对象；(2)采集静息状态下的fMRI数据；(3)针对采集到的fMRI数据进行预处理；(4)节点、边的定义及阈值的选择；(5)选择传统脑网络分析方法对fMRI数据进行分析；(6)选择频繁子图挖掘方法对fMRI数据进行分析；(7)分析、比较并整合两种方法的结果，得到养血清脑丸改善认知功能的神经机制。2.根据权利要求1所述的一种检测养血清脑丸改善认知功能的脑网络分析方法，其特征是所述步骤(1)还包括以下步骤：(1.1)筛选符合要求的亚健康人员组成一组；(1.2)对入组的亚健康人员进行第一次静息态fMRI扫描和认知测评，记录第一次静息态fMRI扫描和认知测评结果；(1.3)对入组亚健康人员进行药物干预；(1.4)干预结束后对入组亚健康人员进行第二次静息态fMRI扫描和认知测评，记录第二次静息态fMRI扫描和认知测评结果。3.根据权利要求1所述的一种检测养血清脑丸改善认知功能的脑网络分析方法，其特征是所述步骤(2)的具体方法为：使用德国西门子公司生产的3T全身磁共振成像系统，收集被试的全脑fMRI数据，采集回波平面成像序列，横断位从下到上隔层扫描，32层，层厚＝4毫米，层间隔＝0毫米，脉冲重复时间TR＝2500毫秒，脉冲回波时间TE＝30毫秒，采集矩阵＝64×64，翻转角度FA＝90度，扫描视野FOV＝240mm，针对每个被试，采集212个时间点，扫描持续时间8分57秒。4.根据权利要求1所述的一种检测养血清脑丸改善认知功能的脑网络分析方法，其特征是所述步骤(3)还包括以下步骤：(3.1)所有的预处理操作都是使用统计参数图SPM软件包完成；(3.2)为避免磁共振机器每个session启动时的匀场效应及受试者初入环境的不适应可能对结果造成一定影响，删除每个被试每个session前十帧功能图像；(3.3)剔除fMRI数据中头部挪动幅度超过2.5mm或三维旋转角度超过2.5°的被试；(3.4)针对fMRI数据进行层间时间校正；(3.5)针对fMRI数据进行头动校正；(3.6)...

【专利技术属性】
技术研发人员：王心明，徐勇，李婧，史俊研，郭晓杰，
申请(专利权)人：天津天士力医药商业有限公司，徐勇，李婧，
类型：发明
国别省市：天津,12