SPM任务态fMRI数据分析培训课件.ppt

1、张寒张寒 研究员研究员杭州师范大学认知与脑疾病研究中心杭州师范大学认知与脑疾病研究中心2012/10/26SPMSPM任务态任务态fMRIfMRI数据分析培训数据分析培训主要内容 脑成像数据分析软件介绍 Matlab基本知识 SPM基本知识 利用SPM处理任务fMRI数据（原理和操作）任务态fMRI数据处理技巧脑成像数据分析软件 SPM(statistical parametric mapping)Matlab-based Task fMRI,MRI(VBM),PET/SPECT,EEG/MEG Course,manual,Wiki,Email-list AFNI(Analysis of Fu

2、nctional NeuroImages)BrainVoyager FSL&Freesurfer(FMRIB Software Library)Task&rest fMRI,MRI,DTI,cortical surface-based analysis REST/DPARSF(A)http:/www.fmrib.ox.ac.uk/fslcourse/http:/www.fil.ion.ucl.ac.uk/spm/http:/主要内容 脑成像数据分析软件介绍 Matlab基本知识 SPM基本知识 利用SPM处理任务fMRI数据（原理和操作）任务态fMRI数据处理技巧Matlab 6.5,Matl

3、ab 7.1,Matlab 7.3,Matlab 2009a,Matlab 2010a(Matlab 2011,Matlab 2012)Matlab界面的基本组成部分和“我的电脑”一样，这里可以进入文件夹，创建/删除/复制/粘帖等等历史命令在这！命令在这里输入，Matlab输出信息在这里看，报错信息（红字）在这里找跑程序的话，把命令行粘帖在这里运行即可！电脑内存里的变量都存在这里，可以对变量进行删除，查看，作图等操作，关了Matlab这里就清空了！Matlab基本概念:Working DirectoryWorking directory 即 current folder，所有的生成的数据，默认

4、都是放在这里。Matlab会最先搜索这里的文件。打开文件选择窗口，最先到这里。怎么每次要找半天才能找到我的数据所在文件夹？怎么我的程序一会能运行一会不能运行？SPM生成的结果报表ps文件到哪儿去了？相关命令：pwd cd dirMatlab基本概念:Command windowCommand窗口：你和matlab对话的地方。如果在命令结束后不加“；”，matlab就直接打印结果，但是会慢！所以批处理时，一定要记得加“；”。Matlab的报错信息，都会出现在这里，要留意观察！程序怎么没有运行出结果？上面一行红字是什么意思？Matlab基本概念:Workspace,variableWorkspac

5、e内储存“变量”。变量不会存在硬盘里，存在计算机内存中。可以向windows里一样浏览变量，双击则打开变量。内存中的数据，一旦关闭Matlab，不可恢复。可以通过save命令，将workspace的数据转入Working directory中，以写入硬盘的方式存起来。load命令则相反。注意：Workspace的数据，如删除需要用clear XXX删除，如只写clear，将全删。变量编辑窗口可以自由对变量内容进行编辑。类似SPSS，EXCEL界面。自由的复制粘贴。变量太大内存不够了怎么办？Matlab操作:安装插件（SPM,REST.）Matlab安装插件是通过Set Path来实现的。为什么

6、我输入“rest”，没有弹出 REST软件的主界面窗口？Matlab基本操作:search/help/docdocdoc plothelp corrcoefMatlab数据处理常用命令 变量赋值：变量赋值：a=14;b=2 5 8;c=1 2;3 4;5 6;7 8;d=c;e=d;clear e d c改变路径：改变路径：cdcd.cd./.pwddirls输入一列规则的数：输入一列规则的数：1:2:31 等于你输入了 1 3 5 29 3120:-3:1 等于你输入了 20 17 14 5 2运算符：运算符：+,-,*,/,sqrt,(),=,3s)时，不推荐做slice timing；T

7、A=TR-TR/SliceNum预处理流程为什么要头动校正？由于头动，不同scan之间像素对应关系遭到破坏。血液动力学响应被头动引起的信号淹没。怎样头动估计与校正?刚体变换六个头动参数估计:3个方向的平移(mm)3个轴向的旋转（而非弧度）如何利用头动校正曲线？剔除头动过大被试数据作为回归协变量进一步消除头动影响预处理常见问题：头动校正 多个run时，头动怎么看：看run内最大头动值，多个run注意分别输入数据。头动过大的剔除原则：按照在一个run 内不超过一个voxel size 的标准。这是一个普遍承认的标准。当然具体研究有具体的标准，需要具体对待（ADHD小孩）。预处理流程空间标准化问题空

8、间标准化问题1.个体大脑在形状、大小等方面存在明显差异，我们如何进行不同人之间的比较呢？2.如何比较不同实验室的结果？n 使不同被试脑图像中的同一像素代表相同的解剖位置n一个标准脑空间标准脑空间-Talairach,MNI(ICBM)Talairach&Tournoux,1988 squish or stretch brain into“shoe box”extract 3D coordinate(x,y,z)for each activation focus 如何将个体图像与标准空间中的模板配准？粗对齐12参数仿射变换（线性）局部变形（非线性）TemplateNormalised Image

9、可以采用哪几种方法标准化？1.mean EPI-EPI template2.T1 coreg with mean EPI,T1-T1 template,Write normalize3.T1 coreg with mean EPI,T1 segment,Write normalize4.DARTEL using SPM Batch Editor 并不是使用并不是使用Coregistration+Segment配准就是最好的！还是要看结果。配准就是最好的！还是要看结果。当EPI像distortion或信号丢失严重时！可能出现额底/颞底/颞内没有对齐的情况！标准化的其他问题 很多时候REST等程序

10、报错的原因是因为在用SPM做Normalization时，选错了Bounding box。推荐不使用SPM 默认的Bounding box，太小！“-90-126-72;90 90 108”Voxel size选择以近似原始数据为佳！配准结果的好坏一定要仔细检查，常见情况如：脑顶过度拉伸，脑顶缺失，部分脑过度拉伸，功能像整体扩大，功能像整体错乱变形。对于有明显病灶的配准，一般设置不做non-linear变换，这样不会造成局部图像的distortion。部分脑不推荐用spm配准。预处理流程为什么要空间平滑使残差项更符合高斯分布假设使残差项更符合高斯分布假设减少标准化后剩余的个体间差异减少标准化后

11、剩余的个体间差异提高信噪比提高信噪比05-5半高全宽个体水平分析的基本过程与目的实验设计实验设计个体扫描个体扫描个体激活区个体激活区检测检测5 50 00 0 m ms se ec c2 20 00 0 m ms se ec c1 15 50 00 0 m ms se ec c5 50 00 0 m ms se ec c2 20 00 0 m ms se ec c1 15 50 00 0 m ms se ec cT Ti im me eSpatial Memory ConditionSpatial Control Condition3 30 00 00 0 m ms se ec c3 30 0

12、0 00 0 m ms se ec c对这个被试，你感兴趣的对这个被试，你感兴趣的effect在那些脑区出现，其强度如何？在那些脑区出现，其强度如何？个体水平统计分析流程GLM：个体水平分析的核心指挥家：克劳斯指挥家：克劳斯-韦瑟韦瑟 GLM的基本概念滥竽充数与激活区检测reference1234nR2有多个指挥怎么办？克劳斯-韦瑟 赫伯特冯卡拉扬 reference1234nGLM：design matrix (X)SPM represents time as going downSPM represents predictors within the design matrix as gr

13、ayscale plots(where black=low,white=high)over timeSPM includes a constant to take care of the average activation level throughout each runTimeX2X1Y=X +XIntensityTimeY个体统计常见问题：onset time onset time的起始时刻应该设为0.设置onset时，需要留意是否之前删除了时间点，要将其考虑进去！Duration常有人问设多少？如果一个刺激持续2s，是否需要设成1个TR的长度？Onset time应该根据具体研究具体

14、分析。如果研究关注视觉刺激呈现后大脑的反应，则设为刺激开始时刻；如果关注动手时大脑的反应，则设为动手的时刻How long the duration should be set?For ER design,usually you should set it to 0.For studies with events 2 seconds,this makes very little difference(although accuracy is always preferred).For longer events,you start getting larger differences.The

15、duration of the response is what you expect the neural activity to be for the process you are trying to capture-not necessarily the duration of the stimulus.Thus,you really need to think about the cognitive processes and the neural activity associated with them when you choose a event duration.为什么我估

16、计的时候出错了？为什么突然不能看结果了？注意！最容易出问题的地方在于：个体统计生成的SPM.mat 文件包含了所有数据的信息（包括其所在的文件目录）。特别容易发生的情况就是模型建立好（specify 1-st level）后，将数据转移。结果因为SPM找不到数据出错！头动参数作为回归子？不是必须 决定是否将头动参数作为用户自定义回归子。一般情况下，如果被试做动手任务，头动可能和任务设计高度相关。可以将头动曲线和任务设计曲线做相关分析，如果高度相关，则不建议将头动参数作为用户自定义回归子。在文章中说明，一般审稿人会理解。Global scaling和高通滤波设置 Remove global me

17、an选项，一般选none，如果选scaling会出现难以预期的结果，会直接影响激活图结果。高通滤波参数的选择，一般推荐默认的128s，如果想要自定义的话，对于block设计，参数值为2实验周期；对event-related设计，参数值的计算为：找出变化最快的条件，取这种条件的两个间隔最远的trial之间的时间，乘2。组分析1 组分析最复杂的在于ANOVA时的参数指定和contrast设计：组分析2 另外一个非常有用的关于ANOVA如何设计contrast的参考资料：http:/dbm.neuro.uni-jena.de/vbm/contrasts/组分析3 总原则是：If looking fo

18、r difference,the mean of the contrast has to be 0.If just want to tell if the variance induced by A,B or C is significantly relative to total variance,just use which is equal to 1-1 0;0 1-1多重比较校正 什么时候需要多重比较校正？逐体素(voxel-by-voxel)进行假设检验时；多个ROI逐一进行假设检验时；先做完ANOVA，然后做Post-hoc analysis时；有多个生理参数/量表得分需要分别做相

19、关时；怎样避免？通过先验知识，降低voxel/ROI个数多重比较校正（Bonferroni）one voxel Type I error p=？number of voxels：N=50,000 overall correct detection=(1-p)(1-p)(1-p)=(1-p)N overall Type I error=1-(1-p)N =Np Desired overall Type I error：Np=.05 Required one voxel Type I error p=.05/50,000 =.000001一人犯罪，全家抄斩！极其严格，近乎完美！虽然SPM根据随机场

20、理论做了相应的改进，但是仍然没有任何理由的极其严格！。多重比较校正（FDR/AlphaSim）FDR（控制“激活”的体素中，只有少部分为假激活，目标合理！）。FDR的缺点：不同数据可能有不同的阈值。AlphaSim（基于蒙特卡洛模拟：模拟一个噪声脑，经过同样的处理步骤，得到所谓“激活区”的可能。模拟超过10000次。全噪声情况下，“激活”团块越大，越不可能实现）AlphaSim不适合的情况是：p3.7)+(abs(i1)3.7):这个表达式是什么目的？擅于利用ICBM的各种模板有对称的，非对称的，CSF的，白质的，眼部mask，面部mask，大脑mask等利用SPM的一些基本函数，轻松地对数据进行操作 For reading and writing images,you would use these functions:spm_vol spm_slice_vol spm_sample_vol spm_create_vol spm_write_plane spm_write_vol我平时的一些软件/小工具收集 这里列出一些我认为有用的fMRI数据处理软件和小插件，包括：名字 一句话用途 网站或用法链接仍然在收集中。1234谢谢大家！