原理与应用详解

原理与应用详解演示文稿当前1页，总共57页。优选原理与应用当前2页，总共57页。SPM版本历史TheforthcomingversionisSPM5ThecurrentversionisSPM2PreviousversionsSPM2breleased21stNovember2002SPM99released25thJanuary2000SPM96released9thApril1997http://www.fil.ion.ucl.ac.uk/spm/当前3页，总共57页。线性代数统计理论GLM模型随机场模型MR成像信号处理计算神经解剖学神经科学当前4页，总共57页。SPM数据分析基本流程当前5页，总共57页。预处理部分模型构建与参数估计常用工具与参数设置当前6页，总共57页。讲座提纲SPMI:PreprocessingSPMII:Single-subjectanalysesSPMIII:Groupanalyses当前7页，总共57页。SPMI:预处理.Slicetiming–(获取时间校正)Realignment-(头动校正)Normalisation-(空间标准化）Smoothing-(空间平滑)当前8页，总共57页。MRIvs.fMRI↑neuralactivity↑bloodoxygen↑fMRIsignalMRIfMRIoneimagehighresolution

(1mm)

lowresolution(~3mmbutcanbebetter)fMRI

BloodOxygenationLevelDependent(BOLD)signal indirectmeasureofneuralactivity

…manyimages(e.g.,every2secfor5mins)当前9页，总共57页。预处理–SliceTiming-SPM选择参考slice拉齐其它slice当前10页，总共57页。预处理–Realign（头动校正）•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。当前11页，总共57页。预处理–Realign（头动校正）刚体变换六个头动参数估计:3个方向的平移(mm) 3个轴向的旋转当前12页，总共57页。预处理–Realign-SPM将同一被试不同采样时间点上的3D脑对齐当前13页，总共57页。空间标准化问题当前14页，总共57页。空间标准化问题个体大脑在形状、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？…使不同被试脑图像中的同一像素代表相同的解剖位置一个标准脑空间当前15页，总共57页。标准脑空间-Talairach坐标系Source:BrainVoyagercourseslidesTalairach&Tournoux,1988•squishorstretchbraininto“shoebox”•extract3Dcoordinate(x,y,z)foreachactivationfocus当前16页，总共57页。使不同被试脑图像中的同一像素代表相同的解剖位置粗配准–仿射变换精配准–非线性变换当前17页，总共57页。Why使不同被试脑图像中的同一像素代表相同的解剖位置一个公共的标准空间How先使用简单的线性变换进行粗配准再用复杂的非线性变换精配准Problems计算复杂度（高精度算法配准一个脑需要几个小时）个体之间的脑并非一一映射关系不可能有完全准确的配准Solutions对空间标准化后的脑图像进行适当的平滑使用变形场信息预处理–空间标准化–小结当前18页，总共57页。预处理–空间标准化-SPM使不同被试脑图像中的同一像素代表相同的解剖位置将每个个体脑放入一个公共的标准空间当前19页，总共57页。TemplateNormalisedImage预处理–空间标准化–结果当前20页，总共57页。

空间平滑的问题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提高信噪比5-50当前21页，总共57页。预处理–空间平滑-SPM当前22页，总共57页。SPM预处理部分小结.Slicetiming–(adjusttimedifferenceamongdifferentslice)Realignment-(adjustformovementbetweenslices)Normalisation-(warpfunctionaldataintotemplatespace)Smoothing-(toincreasesignaltonoiseratio)当前23页，总共57页。LectureOutlineSPMI:PreprocessingSPMII:Single-subjectanalysesSPMIII:Groupanalyses当前24页，总共57页。Single-subjectAnalyses基本过程与原理GLMPrincipleofGLMDesignMatrixSolutiontoGLMEffectofInterestandstatistics当前25页，总共57页。个体水平分析的基本过程与目的实验设计个体扫描个体激活区检测

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

1500msec

对这个被试，你感兴趣的effect在那些脑区出现，其强度如何？当前26页，总共57页。Single-subjectAnalyses基本过程与原理GLMPrincipleofGLMDesignMatrixSolutiontoGLMEffectofInterest&StatisticsExample当前27页，总共57页。Single-subjectAnalyses基本过程与原理GLMPrincipleofGLMDesignMatrixSolutiontoGLMEffectofInterest&StatisticsExample当前28页，总共57页。InMatrixFormGLM的数学表示………β1:βl::…:…:::YJxJ1…xJl…xJLβLεJX

Y=观测数据

×设计矩阵

β参数+ε

残差x1lx1L

ε1恐惧Y1

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

::Y1x11…x1l

:YJ:x…:Yj=xj1…xjlJ1x1L

:xJlxjL

ε1

:xJL+εjεJYY^当前29页，总共57页。Single-subjectAnalyses基本过程与原理GLMPrincipleofGLMDesignMatrixSolutiontoGLMEffectofInterest&StatisticsExample当前30页，总共57页。TimeTimeGLM：设计矩阵XX2X1

Y=X•β+εSPMrepresentstimeasgoingdownSPMrepresentspredictorswithinthedesignmatrixasgrayscaleplots(whereblack=low,white=high)overtimeSPMincludesaconstanttotakecareoftheaverageactivationlevelthroughouteachrunXIntensityY当前31页，总共57页。G(刺激因素）DesignmatrixXG1H(干扰因素)H1Globalactivity:E.g.headmotionparametersHcLineartrendsGcstimulusGLM：设计矩阵X的结构当前32页，总共57页。血氧系统对单次刺激的响应当前33页，总共57页。刺激序列HRF设计矩阵中的刺激因素X当前34页，总共57页。G(stimulating)DesignmatrixXG1H(non-interesting)H1E.g.(1)headmotionparameters (2)breathing (3)heartbeatHcLineartrends

duetoMRIscannerGlobalactivity:GcstimulusGLM：设计矩阵X的结构当前35页，总共57页。为什么要考虑这些干扰因素？LinearTrendProbableRespirationArtifactheadmotion parametersEffect/Error当前36页，总共57页。Single-subjectAnalyses基本过程与原理GLMPrincipleofGLMDesignMatrixSolutiontoGLMEffectofInterestandstatistics当前37页，总共57页。0100-10+10012-0.01+0.01=+*5+…+Y=X1*β1+…+Xn*μ+e*50FittingXtoYgivesyouoneβ(parameterestimate)foreachcolumnofX,aμande.BetasprovideinformationaboutfitofregressorXtodata,Y,ineachvoxel当前38页，总共57页。GLM求解的几何表示：勾股定理E用X线性组合Y^近似表达Y当前39页，总共57页。Single-subjectAnalyses基本过程与原理GLMPrincipleofGLMDesignMatrixSolutiontoGLMEffectofInterest&statistics多重比较Example当前40页，总共57页。

构造Contrast对感兴趣的解释变量进行比较X2X1Y=X•β+ε

=β1•X1+β2•X2+β3•X3+…+βN•XN+ε

[X1X2X3…XN] [β1β2β3…βN]

T检验：构造Contrast向量

F检验：构造Contrast矩阵实验设计=〉感兴趣effect=〉contrast所以contrast在数据采集之前就定下了！当前41页，总共57页。

本质Effects↔解释空间Xs↔contrast向量[1-1]x1–x2↔↔

Ex1–x2

(x1–x2)当前42页，总共57页。Single-subjectAnalyses基本过程与原理GLMPrincipleofGLMDesignMatrixSolutiontoGLMEffectofInterest&statisticsMultipleComparisons当前43页，总共57页。TimeY=X•β+εIntensityYPreprocessing...TheProblemofMultipleComparisons

T>ToPo=0.01当前44页，总共57页。200activated噪声脑的“激活”

P=0.0120,000voxs

噪声脑当前45页，总共57页。怎么办？200activated2activated200activated 5activated当前46页，总共57页。200activated200activatedUncorrectedp=0.01

我在进行探 索性研究！探索性研究当前47页，总共57页。Bonferronicorrection 最严格的校正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当前48页，总共57页。BonferroniCorrection的思想及其在fMRI数据分析中的问题Bonferroni校正的假设pvoxel=poverall/NN为独立观测个数相邻体元的BOLD信号会相互独立的吗？头动等噪声对同一脑区的影响很相似BOLD信号本身就对应着一定空间范围预处理中的平滑当前49页，总共57页。SPM中的多重比较校正的原理根据数据的空间相关程度计算独立观测个数（独立比较的次数Nindepentent）根据整体虚警概率poverall和Nindepentent得到单个体元的pvoxel值pvoxel=poverall/Nindepentent当前50页，总共57页。SPM个体激活区检测基本过程当前51页，总共57页。个体水平effect计算的SPM实现

（个体激活区检测）模型定义DesignMatrixSpecification

数据定义参数估计

DataSpecificationParameterEstimation统计结果Result当前52页，总共57页。参数估计常用工具与 参数设置

预处理部分

First-level模型构建与Second-level当前53页，总共57页。LectureOutlineSPMI:Intro,PreprocessingSPMII:Single-subjectanalysesSPMIII:Groupanalyses当前54页，总共57页。Howdowecompareacrosssubjects?建立不同人之间的可比性NormalizationROI多个被试的统计分析Fixed-effectsModelRandom-effectsModel当前55页，总共57页。Fixed-effectsModelAssumet