脑磁共振成像、脑网络及其分析软件

周朝 高军晖

摘 要：本文简单讲述核磁共振成像、脑磁共振成像、脑网络及其分析软件。核磁共振成像是一种生物磁自旋成像技术，基于脑磁共振成像的复杂脑网络研究是脑科学研究领域的一个热点。在脑网络研究中，分析软件的重要性越来越高。我们收集整理了两类主要的脑网络分析软件，包括六款功能性磁共振成像软件和三款扩散性磁共振成像软件，我们给出了九款软件的简要介绍、网址、操作系统等信息。

关键词：核磁共振 脑网络功能 磁共振扩散 磁共振分析软件

中图分类号：R74、R318.04 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2016）06（a）-0000-00

1 核磁共振成像

核磁共振，英文全称Magnetic Resonance，简称MR，是磁矩不为零的原子核，在外磁场作用下自旋能级发生塞曼分裂，共振吸收某一定频率的射频辐射的物理过程。核磁共振成像，英文全称为Magnetic Resonance Imaging，简称MRI，是一种生物磁自旋成像技术，它是利用原子核自旋运动的特点，在外加磁场内，经射频脉冲激后产生信号，用探测器检测并输入计算机，经过处理转换在屏幕上显示图像。

MRI能提供医学影像学中的其他成像技术所不能提供的大量信息，并且不同于已有的成像术，它对疾病的诊断具有很大的潜在优越性。它可以直接做出横断面、矢状面、冠状面和各种斜面的体层图像，不会产生CT检测中的伪影；不需注射造影剂；无电离辐射，对机体没有不良影响。因为核磁共振（MRI）的有效性，该技术已应用于全身各系统的成像诊断。效果最佳的是颅脑，及其脊髓、心脏大血管、关节骨骼、软组织及盆腔等。对心血管疾病不但可以观察各腔室、大血管及瓣膜的解剖变化，而且可作心室分析，进行定性及半定量的诊断，可作多个切面图，空间分辨率较高，显示心脏及病变全貌，及其与周围结构的关系，优于其他X线成像、二维超声、核素及CT检查。

2 脑网络研究

目前，复杂脑网络研究是脑科学研究领域的一个热点，现有的基于脑电图（EEG）、脑磁图（EMG）、功能磁共振成像（fMRI）、DTI（diffusion tensor imaging）等脑成像技术的复杂脑网络研究已经表明复杂网络理论在脑结构和脑功能分析方面是一个十分强大的工具，能揭示过往分析手段所不能揭示的脑结构和脑功能的机制和特征。脑网络的研究流程、主要研究内容和研究方法可归纳为图1。

脑网络的研究可分为两种思路：基于数据驱动的研究和基于计算模型的研究。前者基于实验测量的反映大脑结构性连接的数据（如MRI、DTI等）或反映大脑功能性连接的数据（如fMRI、EEG、EMG等）计算预先定义的各脑区或节点的连接关系，然后构建网络进行分析。后者是基于特定的神经计算模型来进行研究，这些模型往往由相互耦合的振子（Oscillator）构成，每一个振子是一个具有若干状态变量的微分方程组，该微分方程组能表征一定的神经元或神经元集群的动力学行为，振子之间的耦合关系可以赋值为满足某种概率分布的随机变量，也可以由大脑结构性连接来确定。

3 两类脑网络分析软件

作为MRI的两个分支，fMRI和DTI（dMRI）在现今的脑网络研究、医疗中起着至关重要的作用。本文接下来简单介绍这两种方法，并收集和整理对应的分析软件。

3.1功能性磁共振成像及其分析软件

功能性磁共振成像，英文全称functional magnetic resonance imaging，简称fMRI。fMRI的特点是其极高的分辨率，不光时间分辨率高，就连空间分辨率也可达到毫米水平。借助fMRI，对大脑的研究便可扩展至记忆、注意力、决定；在某些情况下，fMRI技术甚至能够识别研究对象所见到的图像或者阅读的词语。表1列举了几款流行的fMRI的分析软件。

SPM，从时间或分类等多个方面分析数据，并展示图像，特点是免费，并且自带有关如何使用的教学视频。

AFNI，提供一系列的 C programs为了更好地处理，分析和展示功能性核磁共振的数据，特点是免费，并且自带Matlab的数据库。

FreeSurfer，提供整套的数据分析工具并把结构性与功能性的脑成像数据可视化，特点是内含一个完全自动的结构型数据流。

FMRIB，注重于核磁共振，特点是由牛津大学的研究小组研发的软件。

BrainVoyage，能让观察者在进行脑补核磁共振扫描时观察使用者的脑部活动情况，特点是能被简单处理和使用，并且包含各种功能。

REST，显示出每一步的计算过程以及得到的数据，特点是该软件是由北京大学的研究小组研发出的免费脑科学研究辅助软件。

3.2 扩散性磁共振成像及其分析软件

扩散性磁共振成像，英文全称diffusionresonance imaging，简称dMRI。dMRI是MRI中的另外一种特殊形式；在描述大脑结构的时候，它可以显示出可以显示神经纤维束的走向。有些学者也把dMRI成为DTI（ Diffusion Tensor Imaging，弥散张量成像）。表2列举了几款流行dMRI的分析软件。

4 总结

本文重点讨论的是功能性磁共振成像（fMRI，functional magnetic resonance imaging）与扩散性磁共振成像（dMRI，diffusionresonance imaging）。虽说是原本的MRI派生出的新研究领域，fMRI和dMRI仍旧吸引了广泛学者和医生的关注，尤其是在脑神经方面。

鉴于fMRI和dMRI广泛的有效性与应用性，专门为其设计的软件也是不计其数。为了更好的帮助读者利用这个技术，本文特地对于那些五花八门的技术进行了归类整理，并制作成表格。

参考文献

[1] Sebastian Seung原著，孙天乔译，《连接组——造就独立无二的你》，清华大学出版社，2015年11月第1版。

[2] 孙俊峰，洪祥飞，童善保，《复杂脑网络研究进展——结构、功能、计算与应用》，复杂系统与复杂性科学，第7卷第4期，2010年12月。

[3] 梁夏、王金辉、贺永，《人脑连接组研究： 脑结构网络和脑功能网络》，科学通报，第55卷第16期，2010年8月。

[4] 朱朝星，扩散核磁共振成像数学物理原理与数据处理分析，浙江大学硕士学位论文，2013年.