一个全面协议的内侧颞叶结构的手动分割

Abstract

本论文描述了一个全面的协议集的大脑区域包括内侧颞叶（MTL）的手动跟踪：杏仁核，海马，以及相关的海马旁区（嗅， 嗅和海马旁适当）。可不像其他大多数跟踪协议，通常专注于某些MTL领域（ 如杏仁核和/或海马），通过跟踪目前的指导方针综合的角度允许所有MTL次区域的清晰定位。通过从不同的来源，其中包括现存的跟踪协议分别针对不同MTL结构，组织学报告和脑地图集，并用说明性的视觉材料的补充整合信息，本协议为了解准确，直观，方便的引导MTL解剖。需要这样的跟踪指引还示出了由自动和手动分割协议之间可能存在的差异强调。这种知​​识可以走向不仅涉及结构的MRI调查研究可以应用，而且结构功能的共存与fMRI信号的提取从解剖学上定义的ROI，在健康和临床组的一致好评。

Introduction

内侧颞叶（MTL），整合感觉信息¹的最高水平假定的区域，一直有针对性的分析的常见主题。例如，海马和海马旁相关领域已被广泛研究记忆研究^2-5。此外，杏仁核的作用已被频频强调研究探讨情绪加工与情感认知的相互作用^6-11。最近，各种各样的现代货箱码头地区也受到了关注个性神经，连接这些和其他脑区的结构和功能在个体的人格特质差异¹²的新兴领域。评估MTL结构的解剖和功能可促进退行性疾病，其中具体结构和功能异常可发生在不同的现代货箱码头结构的诊断是非常重要的。例如，在阿尔茨海默病（AD），显著一个内嗅皮质和海马的奖杯可以观察到^13,14，和海马萎缩可预测从轻度认知损害转变到AD ^15。最近的自动分割算法已成为流行的分割皮层和皮层下结构，但与任何工具，这些程序不可避免地在某些情况下会发生错误。在这样的情况下研究者应配备两个的知识和指导方针，识别MTL结构的解剖边界。在现存文献的趋势已经针对个别MTL次区域^16-21，有许多协议趋向于集中在海马^16-19。

不像大多数的现代货箱跟踪可用的出版方针，本协议提供了一套全面的指引，让所有MTL次区域的清晰定位。以下MTL结构跟踪指导方针进行了说明：杏仁核（AMY），海马（HC），边缘皮层（中国），内嗅皮层（ERC）和旁海马皮层（PHC）。阿美与慧聪首先追查，并再其次是海马旁回（PHG）的结构。注意，通称HC此处用来指对HC的形成，这包括对HC正确，下托，以及在钩回^22-24的后段。还请注意，PHG可以分为两部分，前部和后部部分。内PHG的前部，它可以进一步分为外侧和内侧前PHG，其皮层区域对应于中国及ERC，分别。在PHC中，PHG的后侧部分的皮层区域，对应于海马旁皮质正确。为简单起见，我们将使用术语中国和ERC来指外侧和内侧前PHG，和PHC指后PHG。该segme陈述的每个结构始于一个粗定位的前部和后部的边界，以及其他相关的地标，然后接着在冠状面切片进行逐片的实际跟踪，在一个anterior-posterior/rostro-caudal方向。在所有情况下，矢状和轴部分密切监控，以协助解剖界限和标志性建筑的本土化。

需要这样的跟踪准则还示出在数字显示的自动和手动分割协议的输出之间可能存在的差异。一种协议，它描述了所有的MTL结构在当前视觉格式的优点是在变化的解剖结构（ 例如，抵押品沟[CS]深度），可以影响边界定义可以在上下文中与周围的解剖结构（将描述如中国和ERC内侧和外侧边界的位置，具体取决于在CS ²⁵的深度

本协议是在以前的调查，查明差贡献MTL次区域情感²⁶的记忆增强的效果，适用于最近的事态发展在结构磁共振（MR）成像允许更高分辨率的脑图像用于现代货箱跟踪指导方针明确简报。跟踪说明从健康志愿者（女，24岁）获得的扫描，使用的是3T磁共振扫描仪。解剖图像被收购的3D MPRAGE（TR = 1800毫秒，TE = 2.26毫秒; FOV = 256×256毫米，体素大小= 1×0.5×0.5毫米），角平行于AC-PC的收购。如果图像数据被获取具有不同的获取角度，如倾斜取向，该数据应该是章ridded以平行或垂直的方向，以AC-PC，使得解剖标志的描述翻译适当。该图像，然后翻译成NIFTI格式和输入分割软件²⁷手动跟踪。在目前的协议中使用的扫描数据被收集作为被批准的机构审查委员会的一项研究的一部分，并提供了书面同意的志愿者。

通过各种不同的协议跟踪这些结构^{18-22,28-31，}以及从解剖分析和地图集^23,32,33图纸信息，本协议提出了一套全面的指引，解决矛盾的现存文献。通过随附的视觉材料的补充，这项工作有望推动现代货箱结构更清晰的认识，并挑起未来的研究兴趣在采用手动分割，无论是作为现代货箱追踪的主要方法还是作为supplementaRy的方法来自动分割。通过提供对于理解现代货箱解剖准确，直观，方便的指南，该协议将有助于研究人员识别出所有MTL次区域的位置，相对于其相邻的结构，即使只有一些MTL结构是专门针对分析。这不仅会增加定位精度，也有利于示踪剂作出明智的决定在形态变异，这是极有可能在MTL的案件。这些准则可以适用于研究涉及MTL的结构和/或功能性磁共振成像研究，包括体积分析和脑异常检测，以及用于功能，解剖定位程序，并tractographic分析，在健康组。本协议也可以被用于通知MTL结构分割为患者（ 例如 ，患有萎缩），如果主要解剖标志相对保留。追踪临床学科s'的数据可以采取额外的时间和精力，这取决于萎缩和/或解剖结构变化的严重程度。

定义的ROI时，需要考虑脑回和皮层之间的区别是很重要的。在解剖学上，带回这里指的是白质和灰质，而皮质指事只有灰色。根据不同的使用目的的投资回报率，分割可能包括白质或排除它。

我们建议跟踪按顺序进行，由子子，一个半球的时间。某些软件程序包³⁴允许跟踪概述了一个片被粘贴到随后的切片，一个功能，可以加速这个过程的边界。它始终是最好根据需要来参考相对的半球，以便检查整个双方一致（ 例如 ，在检测的解剖学界标）。或者，平行两半球内的相同结构的跟踪S可同时被执行。不管跟踪是否串行或并行，一旦这个过程完成后，示踪剂应仔细检查最终结果，并根据需要进行调整，参照两半球​​和多平面意见。取决于示踪剂的经验和成像数据的分辨率，对MTL为健康受试者数据的手动分段可以从8-10小时或更多，在一个新手示踪剂的情况下，以3-4小时，在情况的经验之一。

图1。一个3D概述现代货箱码头，利用本协议的追踪。此处所示的结构是AMY（红色），HC（蓝色），中国（黄色），在ERC（粉红色），和初级卫生保健（绿色） 。

Protocol

1，杏仁核

1. 艾米的前片
   1. 找出其中的阈限岛最初出现，那里的额叶和颞叶之间的白质连接是连续的，可见³⁰的AMY的第一片。在冠状视图中，使用角包作为AMY的下侧壁边界。
   2. 找到视交叉作为一个具有里程碑意义的AMY的外观。用轴向和矢状意见，从周围的钩回区分AMY在其早期片。跟随周边AMY白质束的轴向视图以排除内嗅区^32。
   3. 向后运动，识别第一切片，其中，前连合是贯穿两个半球^28，其中AMY是其典型的形状可见连续的。使用嗅沟作为superomedial地界，从semianular sulcu眼底的假想线追踪逆时针AMY沿白质的AMY作为内下方边框，颞干的外侧缘，并回到嗅沟的下尖s到完成跟踪^31。
2. 在AMY的后片
   1. 请注意，在这个层面上，无论是AMY和HC在同一个片（S）可见。
   2. 仍然在冠状视图，识别AMY，其中结构优于内侧延伸侧脑室³⁶的颞角（或alveus如果心室不存在）和横向于钩突回，突起的最后切片慧聪的头。检查的准确性和一致性跟踪的矢状和轴的意见。
   3. 绘制的假想线从岛的下圆沟的眼底视神经束作为AMY ^31，这也区分它从苍白球和壳核的灰质的上缘。
   4. 沿迹半月回作为superomedial边框和排除钩突回^32。使用侧脑室下角和横向划分的时间干。
3. 在前后方向的AMY连续切片
   1. 使用上述有关指引系统地跟踪AMY片逐片。在AMY的前部部分，使用相同的边界，作为最前片;相反，在AMY的后部，使用相同的边界作为最靠后的切片。
   2. 继续聘请轴向和矢状面的意见，以帮助定义和进一步细化AMY边界。

2，海马

1. 本地化慧聪
   1. 开始跟踪慧聪时，侧脑室颞角出现沿AMY的下侧壁边界。如果侧脑室颞角已经存在于前一个切片，注意，第Ë发病的HC，然后由侧脑室扩大和伸展superolaterally颞角来表示。
   2. 结束的HC，其最后一个出场的内下方，以侧脑室³¹的三角跟踪。总是利用不同的观点，帮助本地化HC和它的边界。
2. 慧聪的边界定义
   1. 划定对颞角外侧HC。在情况下，侧脑室颞角是不够的感知，从分割排除的体素中的一个行来表示它。
   2. Inferiorly，使用束角（或其假想扩展名）的心室腔慧聪从PHG分开。使用alveus随着伞的上缘。在整个使用相同的定义跟踪慧聪。
   3. 此外，包括下托插入分割，使得其内侧边界的PHG的白质束，优对齐与钩回的曲线，以及主要水平地从HC ³⁷延伸。向后跟踪，维护这些定义，直到距状沟干预。
3. 慧聪的注意到分部
   1. 请注意，HC可分为三个部分：头部，身体和尾巴。
   2. 使用钩回顶点的外观来标记从HC头向HC体的尺寸的过渡，并迅速升高和膨胀，这通常与穹窿的小腿的外观一致，以表示的HC尾巴的外观^23,30,38。
4. 跟踪以下结构时要特别注意。
   1. 包括在分割后钩回。
   2. 省略脉络丛从在冠状切片的分割的alveus以上，虽然这可能是不可能的较低分辨率图像。
   3. 指两个不同的观点，以避免包含了C的尾巴audate和枕在慧聪尾优越的方面。
   4. 通过注意到其出现在穹窿，其中最初它是从海马尾部由片形吸虫灰霉病和更多分离的小腿的水平避免夹杂物的束状回的后部变成灰质优于距状沟^32。

图2。 使用本协议，显示出大脑中的实际位置跟踪的现代货箱码头，并在其主要结构的相对位置的一位代表矢状切片， 即 AMY（红色），HC（蓝色），中国（黄色），在ERC（粉红色），和初级卫生保健（绿色）。

3，海马旁回

1. 对PHG的注意到分部
   1. 注意，PHG约n为分为两个主要部分：前PHG（ 即中国和ERC），和后PHG（ 即 PHC）。
   2. 请注意，在所述前部部分，在中国出现早于ERC，并通过其整个过程横向侧翼它。
   3. 在ERC消失后，注意到，中国涵括其对PHG的地方，并继续对3毫米。
   4. 超出了这个段，跟踪后PHG，其中PHC接管PHG的宽度，直到其端部^30。
2. 对PHG的前片
   1. 定义中国的第一片与CS ^25,39的出现。在ERC来临之前，跟踪中国从内侧边缘在CS的横向银行对施瓦尔贝的回的横向眼底，或内侧之一，如果存在施瓦尔贝两回，或的中点在没有这个回^25,39背temporopolar表面。
   2. 开始追查ERC 5 mm的内六角圆柱的阈限岛^40,41。
   3. 继续使用内侧temporopolar沟作为优良端⁴⁰的眼底，以及半环形沟的眼底的AMY出现之后，或在转角束的假想延伸满足心室腔，如果半环形沟是点跟踪ERC区分^25。请注意，它延伸inferiorly直接满足心室腔或软脑膜表面。
   4. 中国与ERC之间的边界可能会有所不同切片切片。
      1. 当CS为深 （≥1.5公分），从内侧缘此沟的内侧银行追查中国，其横向银行²⁵的中点。
      2. 在一个普通的 CS（深度为1-1.5厘米）的情况下，跟踪中国从抵押品沟的沟²⁵的侧堤的内侧端部的内侧银行的中点的区域。
      3. 以<EM>浅CS（<1公分），跟踪中国从这个沟的眼底的梭状回²⁵冠的中点。
   5. 当CS被中断，通常在钩回顶点的水平，通过新兴从其眼底小回，跟踪中国向外侧沟²⁵的眼底。包括或根据目标投资回报率不包括白质。
   6. 跟踪ERC直到1.5毫米后的钩回顶点，或回intralimbicus ⁴²月底。
   7. 延长中国的跟踪内侧占据ERC其终止，在后者的定义一直持续到4.5毫米后适用于钩回顶点，或回intralimbicus ⁴²结束后的地方。中国然后由PHC ^25,30被取代。
3. 对PHG的后片
   1. 开始跟踪PHC对切片后至中国的末尾，直到4毫米后到t他最后的HC尾^32。从文献的替代定义在讨论部分进行了描述。同样，包含或排除根据目标白质。
   2. 使用ERC消失后中国的后部所描述的同样的方法描出初级卫生保健。也可以使用扣带的白质为上缘，一旦它出现。继续跟踪，以这种方式，直到距状沟，这superomedially限制了初级卫生保健的沟³⁰的下边缘的外观。
   3. 如果一个小沟出现在距状沟的出现之前，它包括在分割，但在从距状沟区分它谨慎。

Representative Results

插图手动和自动分割之间可能存在的差异的

手动分割为AMY，慧聪，中国，ERC和肝癌的三维模型如图1所示，和分割的矢状切面示于图2。为了说明手动和自动之间极端的可能差异的目的描记中，艾米从与错误自动分割代表受切片并列手动跟踪（见下图3）。虽然自动分割软件能够识别该结构的核心机构，其分割是相当粗糙的，这就造成了AMY量估计不足，比手动分割。

为便于说明，在一个受人工跟踪的结果与从自动分割ü获得了比较唱一个自动分割程序^43-45;重点是在AMY和HC。两种方法跟踪的AMY和HC体积也纠正了颅内容积的主体（ICV）（ 表1），使用以下两个步骤：1）体积的淀粉酶和HC分割的统计数据：手动分割软件自动计算标记区域的统计量。这一信息检索中的分割菜单中的“音量和统计”时，伴随着它的灰度图像要被检查的分割是输入到软件中。 2）ICV计算：这是完成三个步骤，使用三个程序在标准的自动分割软件^46。一个提取程序来提取从原始图像的脑容量，剥离非脑组织如颅骨。的局部体积的提取工艺用于分离脑脊液（CSF），灰质，以及白质。最后，统计过程来总结部分体积以获得ICV为主题。

图3。手动跟踪（A）和自动分割（B）的结果之间可能存在的差异一个极端的例子，这里显示的是一个冠状切片向AMY的前端。如所表明的比较，自动分割软件仅确认左AMY的一小部分，而忽略以上是可辨认的AMY到专家人眼的一部分所述组织的一半;类似的低估，但在较小的程度上，还发生在右AMY。

虽然图3显示了手动和自动追踪，可能性underestimat之间的极端不匹配的例子体积自动分割离子仍然存在^47。这种差异体现在表1所示，其中比较AMY和HC的手动和自动跟踪的结果。

表1中。 双边AMY和单一学科的HC，从使用本协议并自动分割手动跟踪的代表性体积结果。自动分割低估了四个结构相比的体积。校正量计算为体素的体积和颅内体积（ICV）之间的比率。对于这个问题，ICV =1446616.73毫米^3。 请点击此处查看该图的放大版本。

jove_content“>从这些结果，很明显，自动分割的软件可以是能够提供MTL结构的合理定位，但是其分割的结果，可进一步修饰，并通过手动调整，改进，以应付精度更高的​​水平。

Discussion

传统上，手动分割一直被认为是黄金标准被许多研究者。尽管如此，个别结构的精确划定变得复杂化了MTL结构的高度可变的形态，并通过对周围神经组织和非神经领域这些结构的通常弱的MRI对比。从历史上看，有在文献中已经描述冲突的一些MTL结构。在某些情况下，分割中国，例如，抵押品沟已被描述为中断^40,41，但这种先前已在其他文献中描述为一个短的CS不超过该阈限insulae ³⁰的水平。在解释这种差异导致了对中国不同前缘的定义，这或许可以解释在一定程度上为什么有变化在不同研究中个别结构分割被观察到。这是段的一个方面心理状态，其中手动跟踪可以提供独特的优势，因为目视检查允许改编，这是很难的自动分割来实现。这也可以通过在当前协议用于描绘中国与ERC的标准说明。值得注意的是，然而，一些研究人员建议总是定义中国的内侧缘作为CS的内侧银行的中点，不管沟深度^30。关于肝癌后，由于后PHC边界有时模棱两可的边界，有几个定义在现存文献中描述。在目前的协议，超越慧聪尾部终止的边界是用来反映测量PHC过去慧聪在这两个³²解剖与功能的研究⁴⁸的惯常做法。然而，后PHC边界也被定义为位于更前方，作为1.5毫米后的穹窿⁴²的小腿和作为最后的切片在慧聪位于inferomedially到侧脑室³⁰的三角区。

根据不同的投资回报率和图像的分辨率为目的，研究人员可能会选择包括或排除在分割白质。例如，列入白质可能适合在功能磁共振成像的投资回报率使用中，由于功能相对解剖扫描的典型较低的分辨率。这样的一个例子是由先前的研究^1，它显示了一个MTL切片用4×4mm的网格覆盖（一个典型的fMRI分辨率），其中分离白质和灰质是不可能提供的。在解剖学研究，但是，通常是进行白质/灰质分离，但即使在解剖学研究，有时容易划定边界，如果结构被连续地跟踪，这可以导致包括某些白质。如果排除脑白质是首选，跟踪boundarie内秒，而不是在它们，可以调整分割，以避免白质量。

当前协议的目的是为了说明在追踪一名参与者指引，但在实施分割协议，用于研究目的，可靠性评估，应计算，以验证描记是一致的内部和跨示踪剂。根据研究的目的，有多种型号，可用于确定之间和内部信度⁴⁹手动分割追查。对于方法之间的比较，组内相关系数应评估^50。

MR成像数据的手工分割的好处是增加的准确性和适应性的灵活性在跟踪和/或进行基于解剖学的全面指导实施的知识调整所允许的潜能。这种灵活性可以补充自动跟踪。此外，利用体内大脑的磁共振成像，如在当前的例子允许一些方法上的优势，如纵向研究，这可能无法在其他方法（ 如 。，验尸^51）。虽然它可能是很难翻译的细胞结构，以MR图像中承认最近的一篇文章^42，使用著名的地标可以提供上下文指导方针，是跨学科使用。在分割整个现代货箱码头，示踪剂是给定的环境和熟悉周围的结构，它允许的适应性和灵活性，可以提高跟踪精度水平。正如我们在我们的协议大纲，还有关于现代货箱码头结构的边界不一致现存文献。手动分段功能，允许在实施跟踪指导方针，这是不容易达到的，自动分割算法的灵活性。此外，具有相关的解剖标志的工作知识的优势是也是相关的，如果自动分割失败，这样就可以根据有关现代货箱码头的边界（分）区域跟踪指导原则很好理解采取纠正措施，如在我们的协议描述。

虽然速度和效率的提高与训练，大脑结构的人工分割的实际限制是，它需要在大脑解剖额外的专业知识和时间和精力大量投入。因此，在追求更高的效率，自动分段方案也采用交替的ROI分割。然而，在现代货箱手动和自动分割的结果说明在这里，通过自动分割软件所采用的概率估计可以比这些脑区手动逼近少确切。在当前的协议中使用的标准软件是几种常用的选项³⁴ 1，但潜在的优点和手工分割共同缺点mpared自动分割是不管选择了自动分割软件类似。

总的来说，我们的看法是，手动和自动分割可以作为互补的方法。我们建议自动跟踪的结果进行检查，并手动精制，如有必要，通过专家的示踪剂。本协议提供一套高分辨率磁共振图像的现代货箱码头结构的手动跟踪指导。通过取当前图像的更精细的分辨率的优点，结构和地标，可以准确地捕捉，因此，这里提供的指导原则可以应用到广泛的分辨率的图像。随着随附的视觉材料，这项工作预计将提供和促进现代货箱结构的大体解剖更清楚的了解，并鼓励采用手工分割的，无论是作为MTL分割的主要方法还是辅助的方法来自动分割。

Materials

Name	Company	Catalog Number	Comments
ITK-SNAP	ITK-SNAP Team at University of Pennsylvania and University of Utah	ITK-SNAP v2.2
FSL	Functional Magnetic Resonance Imaging of the Brain (FMRIB) Analysis Group	FSL v4.1
Siemens Magnetom Trio 3T MR Scanner	Siemens	Magnetom Trio 3T