使用脑部 MRI 手动分割人类脉络丛

摘要

尽管脉络丛在大脑中具有关键作用，但由于缺乏可靠的自动化分割工具，针对该结构的神经影像学研究仍然十分有限。本方案旨在实现脉络丛的金标准手动分割，为未来的神经影像学研究提供依据。

摘要

脉络丛已被证实与神经发育及多种脑部疾病相关。研究表明，脉络丛在大脑成熟、免疫/炎症调节以及行为和认知功能中具有关键作用。然而，目前现有的自动化神经影像分割工具在准确且可靠地分割侧脑室脉络丛方面表现不佳。此外，尚无任何现有工具能够分割位于第三和第四脑室的脉络丛。因此，亟需一种能够对侧脑室、第三脑室和第四脑室脉络丛进行分割的标准化操作流程，以提高针对神经发育障碍和脑部疾病中脉络丛研究的可靠性与可重复性。本实验方案提供了基于DICOM或NIFTI图像，在3D Slicer软件中为脉络丛创建独立标注文件的详细步骤。脉络丛将通过T1加权图像的轴向、矢状和冠状切面进行手动分割，确保排除邻近脑室的灰质或白质结构中的体素。将调整窗宽窗位以辅助识别脉络丛及其解剖边界。本方案还将展示评估分割准确性与可靠性的方法。通过手动勾画建立的脉络丛金标准分割结果，可用于开发更优、更可靠的自动化分割工具，并可公开共享，以揭示脉络丛在整个生命周期及多种脑部疾病中的变化规律。

引言

脉络丛功能
脉络丛是大脑中高度血管化的结构，由有孔毛细血管和单层脉络丛上皮细胞组成¹。脉络丛突入侧脑室、第三脑室和第四脑室，产生脑脊液（CSF），在神经模式形成²和脑生理功能^3,4中发挥重要作用。脉络丛分泌神经血管活性物质，包含类似干细胞的储存库，并作为物理屏障阻止有毒代谢产物进入，作为酶屏障清除绕过物理屏障的分子基团，以及作为免疫屏障抵御外来病原体入侵⁵。脉络丛调节神经发生⁶、突触可塑性⁷、炎症反应⁸、昼夜节律^9,10、肠-脑轴¹¹以及认知功能¹²。此外，外周细胞因子、应激和感染（包括SARS-CoV-2）可破坏血-脑脊液屏障^13,14,....

方案

本方案已获得贝斯以色列女执事医疗中心机构审查委员会的批准。用于演示本方案的受试者为健康个体，其脑部MRI扫描无伪影或运动干扰，并已获取书面知情同意书。采用配备32通道头部线圈的3.0 T MRI扫描仪（见材料表），以1 mm × 1 mm × 1.2 mm分辨率采集三维T1加权图像。扫描序列使用MP-RAGE ASSET，参数设置为：视野256 × 256，TR/TE/TI = 7.38/3.06/400 ms，翻转角为11度。

1. 将脑部 MRI 导入 3D Slicer

注意：3D Slicer 提供与其用户界面相关的文档。

1. 准备用于导入 3D Slicer 的脑部 MRI DICOM（医学数字成像与通信）或 NIFTI（神经影像信息学技术倡议）文件。
2. 通过点击工具栏左上角的 DCM 按钮导入 DICOM 数据。然后点击 Import DICOM files 按钮以导入 DICOM 格式数据。
3. 如果 MRI 数据为 NIFTI 格式，可通过点击工具栏左上角的 DATA 按钮进行导入。在弹出的对话框中，选择 Choose directory to Add

结果

该方法已针对侧脑室脉络丛进行了迭代优化，先后在169名健康对照者和340名临床高精神病风险患者队列中进行了广泛测试³⁰。采用上述技术，作者获得了较高的同一位评定者的准确性和可靠性，其 Dice 系数（DC）为 0.89，平均豪斯多夫距离（avgHD）为 3.27 mm³，单评定者组内相关系数（ICC）为 0.9730，充分证明了本文所述方案的可靠性。

处理质量控制问题及 3D Slicer 设置
在开始分割流程之前，必须检查脑部扫描图像的质量，以确保不存在影响手动分割的头部运动或伪影（图 1A）。接下来，可调整图像的亮度和对比度，以更清晰地显示脉络丛结构。某些脑部扫描图像可能存在头部运动，需判断此类伪影是否会对脉络丛的边界勾画产生不利影响（图 1B）。此外，亮度和对比度存在伪影的图像会使脉络丛边界的识别变得困难（.......

讨论

实验方案的关键步骤
在实施本方案时，有三个关键步骤需要特别注意。首先，必须检查磁共振（MR）图像的质量和对比度，以确保分割的准确性。如果图像质量过差，或对比度过低或过高，可能导致脉络丛边界划分不准确。可通过查看图像的灰度值或校准灰度值来调整图像对比度，从而增强灰质核团与灰质之间的对比。其次，评估人员需熟悉脉络丛的解剖结构，并接受过专业培训。若评估人员对脉络丛及其邻近脑区的解剖结构不熟悉，则可能错误地进行分割，导致脉络丛体积测量不准确。最后，必须评估评估者内部和评估者之间的可重复性，以确保执行手动分割的人员能够重复自身以及其他评估者的分割结果。这些指标在后续验证自动化分割工具时也具有重要意义。此外，若数据集固定，且将由多名评估者进行手动分割，则建议使用相同的窗宽窗位设置，以确保所有评估者观察的是具有相同对比度和亮度的图像。若不同评估者在查看同一图像时使用不同的窗宽窗位设置，则可能导致对该图像的分割结果出现差异。

修改与故障排除
用户可对本方案进行若干调整。首先，位于隔旁区域及颞角前下外侧、紧邻.......

材料

本文使用的材料清单

姓名	公司	目录编号	评论
3D Slicer	3D Slicer	https://www.slicer.org/	一款免费的开源软件，用于医学、生物医学及其他三维图像和网格的可视化、处理、分割、配准与分析，以及图像引导手术的规划与导航。
FreeSurfer	FreeSurfer	https://surfer.nmr.mgh.harvard.edu/	一个开源的神经影像工具包，用于处理、分析和可视化人类大脑磁共振图像。
ITK-SNAP	ITK-SNAP	http://www.itksnap.org/pmwiki/pmwiki.php	一款免费、开源、跨平台的软件应用程序，用于对三维和四维生物医学图像中的结构进行分割。
Monai Package	Monai Consortium	https://docs.monai.io/en/stable/metrics.html	用于计算Dice系数和DeepMind平均表面距离。
MRI scanner	GE	Discovery MR750
Psych Package	R-Project	https://cran.r-project.org/web/packages/psych/index.html	最初为个性心理学、心理测量学理论和实验心理学开发的通用工具箱。
R Software	R-Project	https://www.r-project.org/	R 是一个用于统计计算和图形的自由软件环境。
RStudio	Posit	https://posit.co/	RStudio 集成开发环境（IDE）是一组工具，旨在帮助您更高效地使用 R 和 Python。
Windows 或 Apple 操作系统台式机或笔记本电脑	任意厂商	n/a	运行本实验方案所用软件所需的设备。