神經影像資料處理/處理/步驟/層間時間校正

層間（採集）時間校正

為了採集整個大腦的資料，一個典型的脈衝序列可能會在整個重複時間TR（例如 3 秒）內採集 30 個（或更多）層。一種方法是使用升序/降序層間採集，其中層間依次採集。然而，大多數 fMRI 研究現在使用交錯層間採集，其中掃描器首先採集所有奇數層的層，然後採集所有偶數層的層（避免層間激發）。

由於連續或交錯層間採集，大腦的相鄰部分在某個重複時間內以不同的時間點採集。換句話說，大腦不同層上的血氧水平依賴訊號BOLD在不同的時間點進行取樣。因此，在最後採集的層（重複時間後期）中獲得的訊號（血流動力學反應）似乎比周圍層（重複時間早期採集）的訊號更早達到峰值，即使潛在的活動是相同的。如果不校正每個層的採集時間，時間程序在層間似乎會有所不同。

但我們真的希望在同一時間點獲得整個體積的訊號！

我是否需要進行層間時間校正？

有時層間時間校正被認為是預處理中的一個可選步驟，以及在配準之前還是之後進行（旨在克服頭部運動帶來的問題）也存在爭議。通常，論點是，使用短重複時間時，層間時間校正不是強制性的，因為血流動力學反應比較緩慢。然而，對此也有一些反對意見，Sladky 等人（2011）表明，在最壞的情況下，它不會改變結果，但在大多數情況下，它會改善結果——尤其是在事件相關設計中。

SPM 的建議！

SPM 對這些問題提供了一些建議。

• 使用順序層間順序

• 輕微頭部運動：先配準，然後進行層間時間校正
• 顯著頭部運動：先進行層間時間校正，然後配準

• 使用交錯層間順序

關於是否應該使用層間時間校正存在很大爭議，尤其是在存在嚴重頭部運動時。

• 執行動態因果模型 (DCM)

如果要使用 DCM，則層間時間校正是一個必要的步驟。

FSL 的建議

通常，他們不建議將層間時間校正用於 GLM 分析。相反，他們建議在模型中使用時間導數。如果您仍然選擇進行層間時間校正，他們建議在運動校正之後進行（這也是在 FEAT 工作流程中實現的方式）。

解決方案：時間插值

可以透過時間插值來校正層間時間差異。時間插值是指使用來自附近時間點的資料來估計未原始採集的訊號在某個時間點的值。換句話說，插值使用來自附近時間點的資訊來估計每個層的 MR 訊號在重複時間內單個時間點的幅度。通常選擇重複時間的第一個時間點，即體積的第一個層採集的時間，或中間時間點，即在 TA/2 採集的體積的層，作為參考層。選擇第一個時間點具有簡單易行的優勢，例如，然後可以使用體積起始作為時間資訊來執行 GLM 分析。使用中間時間點可能更準確，因為需要的插值較少（最大時間差為 TA/2 與完整的 TA），但必須在對訊號/事件起始進行建模時考慮這一點。標準演算法在時間點之間使用 sinc 插值。

侷限性

任何恢復缺失資訊的嘗試都將受到實驗資料變異性的限制，特別是與任務無關的變異性。

替代方法

為每個層建立單獨的分析模型，然後將其作為資料分析的一部分，而不是預處理。

靜息態 fMRI

當使用標準的EPI序列時，靜息態 fMRI 的層間時間校正與基於任務的 fMRI 相同。然而，一些靜息態 fMRI 研究使用多波段序列 這使得層間時間校正 a) 由於非常短的重複時間而可能變得過時 b) 更加棘手，因為並非所有層都被單獨採集。

實現

AFNI

3dTshift 是 AFNI 中進行層間時間校正的命令。-tzero nn 選項可用於定義所有層應重新取樣到的時間偏移量。或者，可以使用選項 -slice n 來插值到體積的第 n 個層。預設插值是傅立葉插值，據說（在 AFNI 頁面上）它是最準確但最慢的，但也可以進行調整。請參閱手冊頁以獲取更多選項和詳細資訊。用於將 z 方向（alt+z）交錯採集的層的層間時間校正到時間點零，並且重複時間為 2.3 秒的命令如下所示

3dTshift -TR 2.3s -tzero 0 -tpattern alt+z -prefix OUTPUTFILE INPUTFILE

要驗證層間時間（例如，層是否以交錯方式採集），可以在 .results 資料夾中執行以下命令，這將為您提供層 0、1、2、... 的偏移量（其中 FILENAME 是當前資料集的名稱，即在層間時間校正之前但在例如丟棄前幾個體積之後，通常類似於 pb00.SUBJECTNAME.RUNNAME.tcat+orig）

3dinfo -VERB FILENAME | grep offsets

您也可以使用afni檢視器中的圖形顯示來檢查切片時間。當時間（索引、值、**at...**）在影像中描繪獲取平面切片的過程中來回跳動時，表示切片是交錯獲取的。切片時間校正後，時間不應該再發生變化，並且在圖形本身中遍歷時間序列時，時間應該從一個體素到另一個體素以TR遞增。請參閱本書“AFNI軟體”部分中提到的教程以獲取更詳細的描述。

使用時間序列圖形檢查切片時間

在**afni_proc.py**中，這是一個預設元件，與第一個TR對齊。令人困惑的是，這裡的標準插值是五次插值。當然，可以使用以下方法調整所有引數

-tshift_interp
-tshift_align_to

SPM

切片時間順序

切片順序是切片時間過程中一個非常重要的引數，對順序的準確描述可以確保校正效果。如果您不確定順序，最好的方法是直接詢問實驗人員並獲取第一手資訊。在大多數掃描器上，EPI將提供以下切片順序：

1. 升序：從負方向到正方向獲取切片，在SPM中可以表示為[1ː1ːnslices]
2. 降序：從正方向到負方向獲取切片，在SPM中可以表示為[nslicesː-1ː1]
3. 交錯：交替地從奇數和偶數切片獲取切片。奇數切片可以表示為[1ː2ːnslices]，偶數切片可以表示為[2ː2ːnslices]。通常在這種模式下，採集順序是升序的。

此外，某些機器可能具有特定的切片順序模式（例如中心、反向中心、最大交錯等），有關更多資訊，請參見SPM/Slice_Timing。

切片時間引數

引數	值	註釋
會話	影像批次	/
切片數	切片數量	整數
TR	重複時間	浮點數
TA	TA = TR-(TR/nslices)	浮點數
切片順序	參見上文	/
檔案字首	帶ä.nii	/

FSL

FSL中的切片時間校正屬於FEAT預統計方法的一部分。它的工作原理是使用（漢寧窗）sinc插值將每個時間序列相對於TR週期的中間移動適當的TR分數。

在FSL GUI中選擇FEAT，然後選擇預統計選項卡。在那裡，您可以將切片時間校正：從無更改為相應的選項，具體取決於切片的獲取方式。如果切片是從大腦底部到頂部獲取的，請選擇常規向上。如果切片是從大腦頂部到底部獲取的，請選擇常規向下。如果切片以交錯順序獲取（0、2、4...1、3、5...），則選擇交錯選項。如果切片不是按常規順序獲取的，則需要使用切片順序檔案或切片時間檔案。如果要使用切片順序檔案，請建立一個文字檔案，每行包含一個數字，其中第一行說明第一個獲取的切片，第二行說明第二個獲取的切片，依此類推。第一個切片編號為1，而不是0。如果要使用切片時間檔案，請在文字檔案的每一行中放置一個值（即每個切片的值）。單位為TR，0.5對應於無偏移。因此，合理的值範圍將在0到1之間。

FEAT GUI預統計選項卡，已選擇交錯切片時間校正

FSL中的命令列選項為slicetimer

slicetimer -i INPUTFILE [options]

您應該考慮指定的選項

       -r,--repeat     Specify TR of data (default is 3s)
       -d,--direction  direction of slice acquisition (x=1,y=2,z=3) (default is z)
       --odd   use interleaved acquisition (default is ascending)
       --down  reverse slice indexing (default is ascending)
       --tcustom       filename of single-column custom interleave timing file
       --ocustom       filename of single-column custom interleave order file (first slice is referred to as 1 not 0)

參考文獻

Huettel, S. A.，Song, A.W. 和 McCarthy, G. (2008)。《功能性磁共振成像》（第二版）。Sinauer Associates, Inc: 美國馬薩諸塞州桑德蘭。

Sladky, R.，Friston, K.，Trostl, J，Cunnington, R.，Moser, E. 和 Windischberger, C. (2011)。功能性磁共振成像中的切片時間效應及其校正。神經影像，58, 588-594