fMRI數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)SPM原理與應(yīng)用

StatisticalParametricMapping基本原理與使用北京師范大學(xué)認(rèn)知神經(jīng)科學(xué)與學(xué)習(xí)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室朱朝喆研究員czzhu@現(xiàn)在是1頁\一共有62頁\編輯于星期日fMRI研究框架實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì) 被試招募與 掃描科學(xué)問題結(jié)果解釋

實(shí)驗(yàn)假設(shè) 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì) 分析SPM,AFNI,FSL,VoxBo現(xiàn)在是2頁\一共有62頁\編輯于星期日SPM版本歷史TheforthcomingversionisSPM5ThecurrentversionisSPM2PreviousversionsSPM2breleased21stNovember2002SPM99released25thJanuary2000SPM96released9thApril1997http://www.fil.ion.ucl.ac.uk/spm/現(xiàn)在是3頁\一共有62頁\編輯于星期日線性代數(shù)統(tǒng)計(jì)理論GLM模型隨機(jī)場模型MR成像信號(hào)處理計(jì)算神經(jīng)解剖學(xué)神經(jīng)科學(xué)現(xiàn)在是4頁\一共有62頁\編輯于星期日SPM數(shù)據(jù)分析基本流程現(xiàn)在是5頁\一共有62頁\編輯于星期日預(yù)處理部分模型構(gòu)建與參數(shù)估計(jì)常用工具與參數(shù)設(shè)置現(xiàn)在是6頁\一共有62頁\編輯于星期日講座提綱SPMI:PreprocessingSPMII:Single-subjectanalysesSPMIII:Groupanalyses現(xiàn)在是7頁\一共有62頁\編輯于星期日SPMI:預(yù)處理.Slicetiming–(獲取時(shí)間校正)Realignment-(頭動(dòng)校正)Normalisation-(空間標(biāo)準(zhǔn)化）Smoothing-(空間平滑)現(xiàn)在是8頁\一共有62頁\編輯于星期日MRIvs.fMRI↑neuralactivity↑bloodoxygen↑fMRIsignalMRIfMRIoneimagehighresolution

(1mm)

lowresolution(~3mmbutcanbebetter)fMRI

BloodOxygenationLevelDependent(BOLD)signal indirectmeasureofneuralactivity

…manyimages(e.g.,every2secfor5mins)現(xiàn)在是9頁\一共有62頁\編輯于星期日預(yù)處理–SliceTiming-SPM選擇參考slice拉齊其它slice現(xiàn)在是10頁\一共有62頁\編輯于星期日預(yù)處理–Realign（頭動(dòng)校正）?不同scan之間像素對(duì)應(yīng)關(guān)系遭到破壞。?血液動(dòng)力學(xué)響應(yīng)被頭動(dòng)引起的信號(hào)淹沒。現(xiàn)在是11頁\一共有62頁\編輯于星期日預(yù)處理–Realign（頭動(dòng)校正）剛體變換六個(gè)頭動(dòng)參數(shù)估計(jì):3個(gè)方向的平移(mm) 3個(gè)軸向的旋轉(zhuǎn)現(xiàn)在是12頁\一共有62頁\編輯于星期日預(yù)處理–Realign-SPM將同一被試不同采樣時(shí)間點(diǎn)上的3D腦對(duì)齊現(xiàn)在是13頁\一共有62頁\編輯于星期日空間標(biāo)準(zhǔn)化問題現(xiàn)在是14頁\一共有62頁\編輯于星期日空間標(biāo)準(zhǔn)化問題個(gè)體大腦在形狀、大小等方面存在明顯差異，我們?nèi)绾芜M(jìn)行不同人之間的比較呢？…使不同被試腦圖像中的同一像素代表相同的解剖位置一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)腦空間現(xiàn)在是15頁\一共有62頁\編輯于星期日標(biāo)準(zhǔn)腦空間-Talairach坐標(biāo)系Source:BrainVoyagercourseslidesTalairach&Tournoux,1988?squishorstretchbraininto“shoebox”?extract3Dcoordinate(x,y,z)foreachactivationfocus現(xiàn)在是16頁\一共有62頁\編輯于星期日使不同被試腦圖像中的同一像素代表相同的解剖位置粗配準(zhǔn)–仿射變換精配準(zhǔn)–非線性變換現(xiàn)在是17頁\一共有62頁\編輯于星期日Why使不同被試腦圖像中的同一像素代表相同的解剖位置一個(gè)公共的標(biāo)準(zhǔn)空間How先使用簡單的線性變換進(jìn)行粗配準(zhǔn)再用復(fù)雜的非線性變換精配準(zhǔn)Problems計(jì)算復(fù)雜度（高精度算法配準(zhǔn)一個(gè)腦需要幾個(gè)小時(shí)）個(gè)體之間的腦并非一一映射關(guān)系不可能有完全準(zhǔn)確的配準(zhǔn)Solutions對(duì)空間標(biāo)準(zhǔn)化后的腦圖像進(jìn)行適當(dāng)?shù)钠交褂米冃螆鲂畔㈩A(yù)處理–空間標(biāo)準(zhǔn)化–小結(jié)現(xiàn)在是18頁\一共有62頁\編輯于星期日預(yù)處理–空間標(biāo)準(zhǔn)化-SPM使不同被試腦圖像中的同一像素代表相同的解剖位置將每個(gè)個(gè)體腦放入一個(gè)公共的標(biāo)準(zhǔn)空間現(xiàn)在是19頁\一共有62頁\編輯于星期日TemplateNormalisedImage預(yù)處理–空間標(biāo)準(zhǔn)化–結(jié)果現(xiàn)在是20頁\一共有62頁\編輯于星期日

空間平滑的問題使殘差項(xiàng)更符合高斯分布假設(shè)減少標(biāo)準(zhǔn)化后剩余的個(gè)體間差異提高信噪比5-50現(xiàn)在是21頁\一共有62頁\編輯于星期日預(yù)處理–空間平滑-SPM現(xiàn)在是22頁\一共有62頁\編輯于星期日SPM預(yù)處理部分小結(jié).Slicetiming–(adjusttimedifferenceamongdifferentslice)Realignment-(adjustformovementbetweenslices)Normalisation-(warpfunctionaldataintotemplatespace)Smoothing-(toincreasesignaltonoiseratio)現(xiàn)在是23頁\一共有62頁\編輯于星期日LectureOutlineSPMI:PreprocessingSPMII:Single-subjectanalysesSPMIII:Groupanalyses現(xiàn)在是24頁\一共有62頁\編輯于星期日Single-subjectAnalyses基本過程與原理GLMPrincipleofGLMDesignMatrixSolutiontoGLMEffectofInterestandstatistics現(xiàn)在是25頁\一共有62頁\編輯于星期日個(gè)體水平分析的基本過程與目的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)個(gè)體掃描個(gè)體激活區(qū)檢測

SpatialMemoryCondition 500msec 200msec 3000msec Time 1500msec 500msec 3000msec 200msecSpatialControlCondition 1500msec

對(duì)這個(gè)被試，你感興趣的effect在那些腦區(qū)出現(xiàn)，其強(qiáng)度如何？現(xiàn)在是26頁\一共有62頁\編輯于星期日Single-subjectAnalyses基本過程與原理GLMPrincipleofGLMDesignMatrixSolutiontoGLMEffectofInterest&StatisticsExample現(xiàn)在是27頁\一共有62頁\編輯于星期日Single-subjectAnalyses基本過程與原理GLMPrincipleofGLMDesignMatrixSolutiontoGLMEffectofInterest&StatisticsExample現(xiàn)在是28頁\一共有62頁\編輯于星期日InMatrixFormGLM的數(shù)學(xué)表示………β1:βl::…:…:::YJxJ1…xJl…xJLβLεJX

Y=觀測數(shù)據(jù)

×設(shè)計(jì)矩陣

β參數(shù)+ε

殘差x1lx1L

ε1恐懼Y1

:x11:Yj=xj1×β1+...+xjl×βl+...+xjL×βL+εj

::Y1x11…x1l

:YJ:x…:Yj=xj1…xjlJ1x1L

:xJlxjL

ε1

:xJL+εjεJYY^現(xiàn)在是29頁\一共有62頁\編輯于星期日Single-subjectAnalyses基本過程與原理GLMPrincipleofGLMDesignMatrixSolutiontoGLMEffectofInterest&StatisticsExample現(xiàn)在是30頁\一共有62頁\編輯于星期日TimeTimeGLM：設(shè)計(jì)矩陣XX2X1

Y=X?β+εSPMrepresentstimeasgoingdownSPMrepresentspredictorswithinthedesignmatrixasgrayscaleplots(whereblack=low,white=high)overtimeSPMincludesaconstanttotakecareoftheaverageactivationlevelthroughouteachrunXIntensityY現(xiàn)在是31頁\一共有62頁\編輯于星期日G(刺激因素）DesignmatrixXG1H(干擾因素)H1Globalactivity:E.g.headmotionparametersHcLineartrendsGcstimulusGLM：設(shè)計(jì)矩陣X的結(jié)構(gòu)現(xiàn)在是32頁\一共有62頁\編輯于星期日血氧系統(tǒng)對(duì)單次刺激的響應(yīng)現(xiàn)在是33頁\一共有62頁\編輯于星期日刺激序列HRF設(shè)計(jì)矩陣中的刺激因素X現(xiàn)在是34頁\一共有62頁\編輯于星期日G(stimulating)DesignmatrixXG1H(non-interesting)H1E.g.(1)headmotionparameters (2)breathing (3)heartbeatHcLineartrends

duetoMRIscannerGlobalactivity:GcstimulusGLM：設(shè)計(jì)矩陣X的結(jié)構(gòu)現(xiàn)在是35頁\一共有62頁\編輯于星期日為什么要考慮這些干擾因素？LinearTrendProbableRespirationArtifactheadmotion parametersEffect/Error現(xiàn)在是36頁\一共有62頁\編輯于星期日Single-subjectAnalyses基本過程與原理GLMPrincipleofGLMDesignMatrixSolutiontoGLMEffectofInterestandstatistics現(xiàn)在是37頁\一共有62頁\編輯于星期日0100-10+10012-0.01+0.01=+*5+…+Y=X1*β1+…+Xn*μ+e*50FittingXtoYgivesyouoneβ(parameterestimate)foreachcolumnofX,aμande.BetasprovideinformationaboutfitofregressorXtodata,Y,ineachvoxel現(xiàn)在是38頁\一共有62頁\編輯于星期日GLM求解的幾何表示：勾股定理E用X線性組合Y^近似表達(dá)Y現(xiàn)在是39頁\一共有62頁\編輯于星期日Single-subjectAnalyses基本過程與原理GLMPrincipleofGLMDesignMatrixSolutiontoGLMEffectofInterest&statistics多重比較Example現(xiàn)在是40頁\一共有62頁\編輯于星期日

構(gòu)造Contrast對(duì)感興趣的解釋變量進(jìn)行比較X2X1Y=X?β+ε

=β1?X1+β2?X2+β3?X3+…+βN?XN+ε

[X1X2X3…XN] [β1β2β3…βN]

T檢驗(yàn)：構(gòu)造Contrast向量

F檢驗(yàn)：構(gòu)造Contrast矩陣實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)=〉感興趣effect=〉contrast所以contrast在數(shù)據(jù)采集之前就定下了！現(xiàn)在是41頁\一共有62頁\編輯于星期日

本質(zhì)Effects?解釋空間Xs?contrast向量[1-1]x1–x2??

Ex1–x2

(x1–x2)現(xiàn)在是42頁\一共有62頁\編輯于星期日Single-subjectAnalyses基本過程與原理GLMPrincipleofGLMDesignMatrixSolutiontoGLMEffectofInterest&statisticsMultipleComparisons現(xiàn)在是43頁\一共有62頁\編輯于星期日TimeY=X?β+εIntensityYPreprocessing...TheProblemofMultipleComparisons

T>ToPo=0.01現(xiàn)在是44頁\一共有62頁\編輯于星期日200activated噪聲腦的“激活”

P=0.0120,000voxs

噪聲腦現(xiàn)在是45頁\一共有62頁\編輯于星期日怎么辦？200activated2activated200activated 5activated現(xiàn)在是46頁\一共有62頁\編輯于星期日200activated200activatedUncorrectedp=0.01

我在進(jìn)行探 索性研究！探索性研究現(xiàn)在是47頁\一共有62頁\編輯于星期日Bonferronicorrection 最嚴(yán)格的校正200activated2activatedonevoxelTypeIerrorp=？

numberofvoxels：N=50,000 overallcorrectdetection=(1-p)(1-p)…(1-p)=(1-p)N

overallTypeIerror=1-(1-p)N=~Np DesiredoverallTypeIerror：Np=.05 RequiredonevoxelTypeIerrorp=.05/50,000=.000001現(xiàn)在是48頁\一共有62頁\編輯于星期日BonferroniCorrection的思想及其在fMRI數(shù)據(jù)分析中的問題Bonferroni校正的假設(shè)pvoxel=poverall/NN為獨(dú)立觀測個(gè)數(shù)相鄰體元的BOLD信號(hào)會(huì)相互獨(dú)立的嗎？頭動(dòng)等噪聲對(duì)同一腦區(qū)的影響很相似BOLD信號(hào)本身就對(duì)應(yīng)著一定空間范圍預(yù)處理中的平滑現(xiàn)在是49頁\一共有62頁\編輯于星期日SPM中的多重比較校正的原理根據(jù)數(shù)據(jù)的空間相關(guān)程度計(jì)算獨(dú)立觀測個(gè)數(shù)（獨(dú)立比較的次數(shù)Nindepentent）根據(jù)整體虛警概率poverall和Nindepentent得到單個(gè)體元的pvoxel值pvoxel=poverall/Nindepentent現(xiàn)在是50頁\一共有62頁\編輯于星期日SPM個(gè)體激活區(qū)檢測基本過程現(xiàn)在是51頁\一共有62頁\編輯于星期日個(gè)體水平effect計(jì)算的SPM實(shí)現(xiàn)

（個(gè)體激活區(qū)檢測）模型定義DesignMatrixSpecification

數(shù)據(jù)定義參數(shù)估計(jì)

DataSpecificationParameterEstimation統(tǒng)計(jì)結(jié)果Result現(xiàn)在是52頁\一共有62頁\編輯于星期日參數(shù)估計(jì)常用工具與 參數(shù)設(shè)置

預(yù)處理部分

First-level模型構(gòu)建與Second-level現(xiàn)在是53頁\一共有62頁\編輯于星期日LectureOutlineSPMI:Intro,PreprocessingSPMII:Single-subjectanalysesSPMIII:Groupanalyses現(xiàn)在是54頁\一共有62頁\編輯于星期日Howdowecompareacrosssubjects?建立不同人之間的可比性NormalizationROI多個(gè)被試的統(tǒng)計(jì)分析Fixed-effectsModelRandom-effectsModel現(xiàn)在是55頁\一共有62頁\編輯于星期日Fixed-effectsModelAssumethattheexperimentalmanipulationhassameeffectineachsubjectUsesdatafromallsubjectstoconstructstatisticaltestAveraging/connectingacrosssubjectsbeforeat-testSensitivetoextremeresultsfromindividualsubjectstrongeffectinonesubjectcanleadtosignificanceevenwhenothersshowweakornoeffectsAllowsinferencetosubjectsampleyoucansaythateffectwassignificantinyourgroupofsubjectsbutcannotgeneralizetoothersubjectsthatyoudidn’ttestHowaboutthepopulation?現(xiàn)在是56頁\一共有62頁\編輯于星期日RandomeffectanalysisAssumesthateffectvariesacrossthepopulationAccountsforinter-subjectvarianceinanalysesAllowsinferencestopopulationfromwhichsubjectsaredrawnEspeciallyimportantforgroupcomparisonsRequiredbymanyreviewers/journals現(xiàn)在是57頁\一共有62頁\編輯于星期日SPM雙層統(tǒng)計(jì)First-level：個(gè)體水平effect計(jì)算Second-level：群體水平effect計(jì)算現(xiàn)在是58頁\一共有62頁\編輯于星期日SPM