處理多維信號(hào)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 下面一般地涉及信號(hào)處理，并且更具體地涉及用于處理從物理空間捕獲的多維信 號(hào)的計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)的方法、計(jì)算系統(tǒng)和計(jì)算機(jī)程序產(chǎn)品。
【背景技術(shù)】
[0002] 各種裝置可以使用各種技術(shù)來從物理空間捕獲原始多維信號(hào)以用于各種用途。在 數(shù)據(jù)處理的領(lǐng)域中，經(jīng)常一個(gè)目標(biāo)是處理原始多維信號(hào)，以便獲得比當(dāng)在原始形式中時(shí)更 有用的信號(hào)的表示，以用于隨后的處理和其他操作，諸如分類和可視化等。
[0003] 用于處理多維信號(hào)以試圖通過例如通過降維的重建來獲得更有用的表示的各種 技術(shù)包括眾所了解的主成分分析（PCA)和多維尺度（MDS)技術(shù)。PCA和MDS中的每個(gè)是特 征向量技術(shù)，其對(duì)于將在原始多維數(shù)據(jù)中的線性變化建模是有用的。
[0004] 為了將在原始多維數(shù)據(jù)中的非線性變異建模，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)局部線性嵌入（LLE)的無 監(jiān)督技術(shù)有用。Sam Roweis 和 Lawrence Saul 在他們的題目為"Nonlinear dimensionality reduction by locally linear embedding"（Science,v. 290no. 5500,December 2000, pp. 2323-2326)的論文中描述了 LLE。根據(jù)該技術(shù)，在原始多維數(shù)據(jù)中的非線性流形 可以首先被建模為局部線性補(bǔ)丁，該補(bǔ)丁然后在重建中被保護(hù)，使得鄰居在重建后保持為 鄰居。Roweis 和 Saul 隨后在他們的題目為"Think Globally, Fit Locally:Unsupervised Learning of Nonlinear Manifolds"（Technical Report MS CIS-〇2-18, University of Pennsylvania Scholarly Commons, 2003)的論文中描述了用于處理可以是源自LLE的高度 非線性嵌入者的技術(shù)。
[0005] 原始多維信號(hào)的一個(gè)示例是使用功能磁共振成像（fMRI)從在物理空間（在這個(gè) 示例中，三維體積）內(nèi)的多個(gè)點(diǎn)中的每個(gè)捕獲的血氧水平依賴（BOLD)信號(hào)。該物理空間可 以包含患者的大腦，并且fMRI裝置將大腦內(nèi)的順磁性脫氧血紅蛋白用作BOLD對(duì)比。艮口， 用于在該物理空間中的給定點(diǎn)的BOLD強(qiáng)度信號(hào)可以表示在那個(gè)點(diǎn)處的血的隨著時(shí)間的氧 化，其進(jìn)而可以指示在那個(gè)點(diǎn)處的依賴氧氣的神經(jīng)元活動(dòng)。能夠捕獲用于指示在大腦中的 給定點(diǎn)處的神經(jīng)元活動(dòng)的數(shù)據(jù)對(duì)于研宄大腦活動(dòng)和疾病可以是很有用的。
[0006] 已知使用 LLE 來處理 fMRI BOLD 信號(hào)數(shù)據(jù)。在 "Dimensionality Reduction of fMRI Time Series Data Using Locally Linear Embedding" （Magnetic Resonance Material Physics, March 13, 2010, Volume 23 ;Pages 432-338)中公開了：對(duì)于非線性不 例數(shù)據(jù)，LLE不像PCA那樣，其可以在低維度子空間中分離非線性調(diào)制的來源，并且LLE也 可以比非線性PCA執(zhí)行得更好。
[0007] 然而，用于使用LLE來處理fMRI BOLD信號(hào)數(shù)據(jù)的上面引用的技術(shù)進(jìn)行了鄰居選 擇步驟，該步驟實(shí)質(zhì)上基于在數(shù)據(jù)集上的fMRI信號(hào)之間的類似度來建立局部性。因?yàn)檫@一 點(diǎn)，不同病人的fMRI數(shù)據(jù)集的重建可以使用來自被評(píng)估的物理空間（即，包含相應(yīng)的大腦 的三維體積）中的非對(duì)應(yīng)的空間點(diǎn)的fMRI信號(hào)。
[0008] 對(duì)于fMRI信號(hào)，因在該重建期間丟失了空間信息，所以不能迅速地將在一個(gè)患者 的重建內(nèi)在一個(gè)空間位置處的血液動(dòng)力學(xué)活動(dòng)與在另一個(gè)患者的重建內(nèi)的同一空間位置 處的血液動(dòng)力學(xué)活動(dòng)相比較。因?yàn)檫@一點(diǎn)，對(duì)于識(shí)別在患者之間在心理活動(dòng)上的差別，并且 對(duì)于基于相應(yīng)的重建而進(jìn)行分類或其他隨后的操作，仍然存在困難。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0009] 根據(jù)一個(gè)方面，提供了一種計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)的方法，用于處理從在物理空間中的點(diǎn)捕 獲的多維信號(hào)的數(shù)據(jù)集，所述方法包括：使用計(jì)算系統(tǒng)對(duì)于每個(gè)所述點(diǎn)確定在所述物理空 間中的多個(gè)空間相鄰點(diǎn)；以及使用所述計(jì)算系統(tǒng)基于每個(gè)點(diǎn)的相應(yīng)的空間相鄰點(diǎn)的信號(hào)來 建立所述每個(gè)點(diǎn)的經(jīng)修改的信號(hào)。
[0010] 通過基于空間相鄰點(diǎn)的信號(hào)來建立經(jīng)修改的信號(hào)，可以基于下述部分來在患者數(shù) 據(jù)集上更容易比較結(jié)果產(chǎn)生的經(jīng)修改的信號(hào)：基于來自在相應(yīng)的數(shù)據(jù)集中的所述相同的空 間相鄰點(diǎn)的信號(hào)來重建在給定點(diǎn)處的所有患者的經(jīng)重建的信號(hào)。
[0011] 在實(shí)施例中，多維信號(hào)的所述數(shù)據(jù)集是功能磁共振成像（fMRI) BOLD (血氧水平依 賴）信號(hào)的數(shù)據(jù)集。
[0012] 根據(jù)另一個(gè)方面，提供了一種計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)的方法，用于處理從在物理空間中的點(diǎn) 捕獲的多維信號(hào)的數(shù)據(jù)集，所述方法包括：使用計(jì)算系統(tǒng)對(duì)于每個(gè)所述點(diǎn)確定在所述物理 空間中的多個(gè)空間相鄰點(diǎn)；使用所述計(jì)算系統(tǒng)基于每個(gè)點(diǎn)的相應(yīng)的空間相鄰點(diǎn)的信號(hào)來建 立所述每個(gè)點(diǎn)的經(jīng)修改的信號(hào)。
[0013] 根據(jù)另一個(gè)方面，提供了一種非暫時(shí)性計(jì)算機(jī)可讀介質(zhì)，所述非暫時(shí)性計(jì)算機(jī)可 讀介質(zhì)包含在計(jì)算系統(tǒng)上可執(zhí)行的計(jì)算機(jī)程序，所述計(jì)算機(jī)程序用于處理從在物理空間中 的點(diǎn)捕獲的多維信號(hào)的數(shù)據(jù)集，包括：用于對(duì)于每個(gè)所述點(diǎn)確定在所述物理空間中的多個(gè) 空間相鄰點(diǎn)的計(jì)算機(jī)程序代碼；以及用于基于每個(gè)點(diǎn)的相應(yīng)的空間相鄰點(diǎn)的信號(hào)來建立所 述每個(gè)點(diǎn)的經(jīng)修改的信號(hào)的計(jì)算機(jī)程序代碼。
[0014] 根據(jù)另一個(gè)方面，提供了一種包括至少一個(gè)處理器的計(jì)算系統(tǒng)，所述至少一個(gè)處 理器執(zhí)行用于處理從在物理空間中的點(diǎn)捕獲的多維信號(hào)的數(shù)據(jù)集的指令，所述至少一個(gè)處 理器被配置為：對(duì)于每個(gè)所述點(diǎn)確定在所述物理空間中的多個(gè)空間相鄰點(diǎn)；以及基于每個(gè) 點(diǎn)的相應(yīng)的空間相鄰點(diǎn)的信號(hào)來建立所述每個(gè)點(diǎn)的經(jīng)修改的信號(hào)。
[0015] 根據(jù)另一個(gè)方面，提供了一種計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)的方法，用于處理從在物理空間中的點(diǎn) 捕獲的多維信號(hào)的數(shù)據(jù)集，所述方法包括：對(duì)于所述數(shù)據(jù)集進(jìn)行局部線性嵌入，其中，使用 在所述物理空間內(nèi)的所述點(diǎn)的空間鄰居內(nèi)的空間相鄰點(diǎn)處的信號(hào)來建立在每個(gè)點(diǎn)處的所 述信號(hào)的重建加權(quán)。
[0016] 根據(jù)另一個(gè)方面，提供了一種計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)的方法，用于處理從在物理空間中的點(diǎn) 捕獲的多維信號(hào)的數(shù)據(jù)集，所述方法包括：基于在所述物理空間中的所述點(diǎn)的空間鄰居內(nèi) 的空間相鄰點(diǎn)處的信號(hào)來確定在每個(gè)點(diǎn)處的所述信號(hào)的重建加權(quán)；以及基于所述重建加權(quán) 來使用局部線性嵌入構(gòu)造經(jīng)修改的信號(hào)。
[0017] 根據(jù)另一個(gè)方面，提供了一種包括至少一個(gè)處理器的計(jì)算系統(tǒng)，所述至少一個(gè)處 理器執(zhí)行用于處理從在物理空間中的點(diǎn)捕獲的多維信號(hào)的數(shù)據(jù)集的指令，所述至少一個(gè)處 理器被配置為對(duì)于所述數(shù)據(jù)集進(jìn)行局部線性嵌入，其中，使用在所述物理空間內(nèi)的所述點(diǎn) 的空間鄰居內(nèi)的空間相鄰點(diǎn)處的信號(hào)來建立在每個(gè)點(diǎn)處的所述信號(hào)的重建加權(quán)。
【附圖說明】
[0018] 現(xiàn)在參考附圖來描述本發(fā)明的實(shí)施例，在附圖中：
[0019] 圖1A是在三維笛卡爾物理空間中的被建模為黑體的體素連同空間相鄰體素的圖 形描述；
[0020] 圖1B是表示黑體相對(duì)于其空間鄰居的、相對(duì)于原點(diǎn)的空間相鄰點(diǎn)的相對(duì)fMRI BOLD信號(hào)強(qiáng)度的繪圖；
[0021] 圖2是原始fMRI數(shù)據(jù)集的子集和根據(jù)在此公開的發(fā)明重建的fMRI信號(hào)的繪圖；
[0022] 圖3是描述根據(jù)一個(gè)實(shí)施例的用于處理信號(hào)的一般步驟的流程圖；
[0023] 圖4是更詳細(xì)地描述用于確定在每個(gè)點(diǎn)的在物理空間中的鄰居內(nèi)的空間相鄰點(diǎn) 的步驟的流程圖；
[0024] 圖5是更詳細(xì)地描述用于基于每個(gè)點(diǎn)的空間相鄰點(diǎn)的信號(hào)重建該每個(gè)點(diǎn)的信號(hào) 的步驟的流程圖；
[0025] 圖6是部分地基于在圖2的繪圖中描述的原始fMRI信號(hào)的重建的fMRI Z的繪圖； 以及
[0026] 圖7是可以用于實(shí)現(xiàn)在此所述的方法的一個(gè)或多個(gè)實(shí)施例的計(jì)算環(huán)境的方面的 示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0027] 為了容易理解，結(jié)合下述實(shí)施例作出了下面的本發(fā)明的說明，在該實(shí)施例中，多維 信號(hào)的數(shù)據(jù)集是功能磁共振成像（fMRI)BOLD(血氧水平依賴）信號(hào)的數(shù)據(jù)集。然而，可以 理解，本發(fā)明適用于從在物理空間中的點(diǎn)捕獲的其他種類的多維信號(hào)的數(shù)據(jù)集的處理，該 多維信號(hào)諸如是其他時(shí)空信號(hào)，fMRI BOLD信號(hào)是其示例。
[0028] 可以依據(jù)BOLD信號(hào)來表達(dá)fMRI數(shù)據(jù)的局部解釋，該BOLD信號(hào)包括在T個(gè)時(shí)間點(diǎn) 上的BOLD強(qiáng)度值（T大于或等于1)，該T個(gè)時(shí)間點(diǎn)是在被評(píng)估的物理空間中的空間點(diǎn)處觀 察到的T維空間圖案，如由fMRI數(shù)據(jù)中的體素的相應(yīng)點(diǎn)所限定。
[0029] 可以依據(jù)包含T個(gè)均勻間隔的時(shí)間點(diǎn)的fMRI數(shù)據(jù)來表達(dá)fMRI數(shù)據(jù)的全局解釋， 其中，時(shí)間點(diǎn)t G {1，. . .，T}參考物理空間，該物理空間是三維體積，其由V = LxWxH個(gè)點(diǎn) 或體素（體積元素）構(gòu)成，該點(diǎn)或體素具有相應(yīng)的BOLD強(qiáng)度值。即，每個(gè)體素是在空間和 時(shí)間兩者上的大腦的物理機(jī)制的體積測(cè)量?？梢詫⒃摐y(cè)量表達(dá)為四元組（x，y，z，t)。
[0030] 可以使用局部解釋來確定在時(shí)空中的fMRI數(shù)據(jù)的局部配置的數(shù)學(xué)結(jié)構(gòu)，而可以 使用全局解釋來執(zhí)行全局優(yōu)化，該全局優(yōu)化保存局部配置的數(shù)學(xué)結(jié)構(gòu)。表示物理現(xiàn)實(shí)的拓 撲空間必須滿足局部和全局解釋兩者。
[0031] 圖1A是在三維笛卡爾物理空間中的被建模為黑體的體素連同在鄰居內(nèi)的其空間 相鄰體素的數(shù)量（K)的圖示表示。包含空間坐標(biāo)的集可以如在下面的等式1中那樣表示維 度笛卡爾物理空間：
[0032] X = {(x，y，z) :x G {1，? ? ?，L}，y G {1，? ? ?，ff}，z G {1