Brain Infarct Segmentation und Registrierung auf MRT oder CT für Lesion-Symptom Mapping

Die Lesion-Symptom-Mapping ist ein leistungsfähiges Werkzeug, um Gehirnfunktionen zu lokalisieren, indem Patienten mit Hirnläsionen untersucht werden. Ein wichtiger Schritt ist die Bildverarbeitung, einschließlich der Läsionssegmentierung und Registrierung in den Standardbereich. Dieses Protokoll beschreibt ein einheitliches Framework, das mit allen strukturellen Bildgebungsmodalitäten arbeitet und eine konsistente Ausgabe von Läsionen im Standardraum für die Verwendung in Läsions-Symptom-Mapping-Studien bereitstellt.

Die Läsionen müssen in Standardraum umgewandelt werden, um Vergleiche zwischen den Probanden zu ermöglichen. Das Gehirn jedes Patienten muss räumlich ausgerichtet sein, um Unterschiede in der Gehirngröße und -form zu korrigieren. Bei der Verwendung dieser Methode hilft es zu sehen, wie jeder Schritt ausgeführt werden soll, anstatt nur den schriftlichen Anweisungen zu folgen.

Es erfordert auch ein gutes Verständnis von Gehirnbildern, was eine visuelle Demonstration nützlich macht. Dieses Protokoll beschreibt, wie die Verarbeitungsschritte ausgeführt werden, die für die Zuordnung von Läsionssymptomen erforderlich sind. Sobald die Läsionskarten im Standardraum registriert sind, kann die Läsions-Symptom-Zuordnung bei großen Patientengruppen durchgeführt werden.

Wenn alle Läsionskarten in den Standardraum umgewandelt werden, stellt jeder Voxel die gleiche Hirnregion über Alleter hinweg dar. Auf diese Weise können statistische Analysen durchgeführt werden, um beispielsweise zu testen, ob das Vorhandensein einer Läsion in einem bestimmten Voxel mit einem kognitiven Defizit verbunden ist. Beginnen Sie mit dem Sammeln von Hirn-CT- oder MRT-Scans von Patienten mit ischämischem Schlaganfall.

Die meisten Scanner haben die Scans als DICOM-Dateien, die auf eine Festplatte oder einen Server kopiert werden können. Sammeln Sie die klinischen Variablen in einer Datendatei, indem Sie für jeden Fall und jede Spalte für jede klinische Variable separate Zeilen erstellen. Für die Infarktsegmentierung mindestens das Datum des Schlaganfalls und das Datum der Bildgebung oder eine Variable, die das Zeitintervall zwischen Schlaganfall und Bildgebung angibt.

Um die DICOM-Bilder mithilfe des Werkzeugs DICOM-to-NIfTI in unkomprimierte NIfTI-Dateien zu konvertieren, geben Sie den hier auf dem Bildschirm angezeigten Befehl in die Eingabeaufforderung ein, indem Sie den Ordnerpfad zu den DICOM-Dateien verwenden. Ein Beispiel für den Befehl mit den eingefügten Ordnerpfaden finden Sie hier. Mit diesem Befehl wird die ausführbare Datei ausgeführt, die DICOM-Images im ausgewählten Ordner konvertiert und die NIfTI-Dateien in diesem Ordner gespeichert.

Schließlich organisieren Sie die NIfTI-Dateien in einer praktischen Ordnerstruktur mit einem Unterordner für jeden Fall, bevor Sie mit der Infarktsegmentierung beginnen. Stellen Sie zunächst sicher, dass der Scan mindestens 24 Stunden nach Deminstich des Schlaganfallsymptoms durchgeführt wurde. Andernfalls ist der akute Infarkt auf CT nicht oder nur teilweise sichtbar, und der Scan kann nicht für die Segmentierung verwendet werden.

Öffnen Sie den nativen CT mit itK-SNAP-Software, indem Sie Datei auswählen, und öffnen Sie dann das Hauptbild aus dem Dropdown-Menü. Klicken Sie dann auf Durchsuchen, und wählen Sie die Datei aus, um den Scan zu öffnen. Identifizieren Sie nun den Infarkt anhand bildgebender Merkmale.

Beachten Sie zunächst, dass Infarte ein niedriges Signal im Vergleich zu normalem Hirngewebe haben. Im akuten Stadium können große Infarkte Massenwirkung verursachen, was zu Einer Verschiebung des umgebenden Gewebes, Kompression von Ventrikeln, Mittellinienverschiebung und Auslöschung von Sulci führt. Es kann eine hämorrhagische Transformation geben, die als Regionen mit hohem Signal im Infarkt sichtbar ist.

Im chronischen Stadium besteht der Infarkt aus einem hypodichten, kavitierten Zentrum, mit einer ähnlichen Dichte wie die Zerebrospinalflüssigkeit, und einem weniger hypodichten Rand, der geschädigtes Hirngewebe darstellt. Bei großen Infarkten kann es zu einer Ex-Vakuumvergrößerung der angrenzenden Sulzien oder Ventrikel kommen. Segmentieren Sie das infarktierte Hirngewebe mithilfe des Paintbrush-Modus von der Hauptsymbolleiste, indem Sie mit der linken Maustaste zeichnen und mit der rechten Maustaste zum Löschen klicken.

Alternativ können Sie den Polygonmodus verwenden, um Ankerpunkte an den Rändern der Läsion zu platzieren, und halten Sie die linke Maustaste gedrückt, während Sie die Maus über die Ränder der Läsion bewegen. Sobald alle Punkte verbunden sind, klicken Sie auf Akzeptieren, um den abgegrenzten Bereich zu füllen. Speichern Sie die Segmentierung nach Abschluss der Segmentierung als binäre NIfTI-Datei im selben Ordner wie der Scan, indem Sie im Dropdownmenü auf Segmentierung und Segmentierungsbild speichern klicken, und speichern Sie dann die Segmentierung, indem Sie ihr den genau gleichen Namen wie der segmentierte Scan mit der Erweiterung der Läsion geben.

Stellen Sie zunächst sicher, dass der DWI-Scan innerhalb von sieben Tagen nach Schlaganfallbeginn durchgeführt wurde. Infarte sind auf DWI innerhalb weniger Stunden nach Schlaganfallbeginn sichtbar, und ihre Sichtbarkeit auf DWI nimmt nach etwa sieben Tagen allmählich ab. Als Nächstes identifizieren und kommentieren Sie das infarktierte Hirngewebe basierend auf dem hohen Signal auf DWI und einem niedrigen Signal auf der ADC-Karte.

Verwechseln Sie kein hohes Diffusionssignal in der Nähe von Schnittstellen zwischen Luft und Gewebe oder Knochen, die ein häufig beobachtetes Artefakt auf DWI sind. Überprüfen Sie bei der FLAIR-Bildgebung zunächst, ob der Scan 48 Stunden nach Demintersten des Schlaganfallsymptoms durchgeführt wurde. Im hyperakuten Stadium ist der Infarkt in der Regel nicht sichtbar, oder die genauen Grenzen sind unklar.

Öffnen Sie als Nächstes das FLAIR-Image in ITK-SNAP sowie den T1-gewichteten Scan in einem separaten Fenster als Referenz, sofern verfügbar. Im akuten Stadium ist der Infarkt als eine etwas homogene hyperintensive Läsion mit oder ohne Schwellung und Massenwirkung sichtbar. Wenn verfügbar, verwenden Sie das DWI, um zwischen dem akuten Infarkt und chronischen Läsionen, wie z. B. Hyperintensitäten der weißen Materie, zu unterscheiden.

Um Bilder zu registrieren, laden Sie zuerst RegLSM herunter und verwenden Sie dieses Tool, um CT-Scans oder jede Art von MRT-Sequenz zu verarbeiten. Das Registrierungsverfahren ist in der hier gezeigten Abbildung zu sehen. Öffnen Sie als Nächstes MATLAB Version 2015a oder höher, legen Sie den aktuellen Ordner auf RegLSM fest, und aktivieren Sie dann SPM, indem Sie addpath gefolgt vom Ordnernamen für SPM eingeben.

Geben Sie als Nächstes RegLSM ein, um die grafische Benutzeroberfläche zu öffnen. Um die Registrierung für einen einzelnen Fall durchzuführen, wählen Sie testmode im Dropdownmenü Registrierung aus. Verwenden Sie dann die Schaltfläche Bild öffnen, um den segmentierten Scan, die Anmerkung und optional das T1 auszuwählen, und wählen Sie das gewünschte Registrierungsschema aus.

Alternativ kann der Batch-Modus verwendet werden, um alle Anfragen im ausgewählten Ordner zu registrieren. Stellen Sie sicher, dass RegLSM die resultierenden Registrierungsparameter, die registrierten Scans und die registrierte Läsionszuordnung in den automatisch generierten Unterordnern gespeichert hat. Überprüfen Sie nun die Registrierungsergebnisse, indem Sie In der RegLSM-Schnittstelle Ergebnisse überprüfen auswählen, und navigieren Sie zum Hauptordner mit diesen Ergebnissen.

Blättern Sie durch den registrierten Scan, und überprüfen Sie mit dem Fadenkreuz die Ausrichtung zur MNI152-Vorlage, wobei Sie auf erkennbare anatomische Landmarken achten. Stellen Sie sicher, dass Alle fehlgeschlagenen Erfassungen in einer separaten Spalte in der zuvor erstellten Datendatei für die nachfolgende manuelle Korrektur markiert werden. Öffnen Sie für alle Läsionskarten, die korrigiert werden müssen, die MNI152 T1-Vorlage in ITK-SNAP, wählen Sie dann im Segmentierungsmenü Segmentierung öffnen aus, und wählen Sie die registrierte Läsionskarte aus, die auf die Vorlage überlagert wird.

Öffnen Sie außerdem die Registrierungsergebnisse in einem separaten Fenster als Referenz. Korrigieren Sie die registrierte Läsionskarte in ITK-SNAP für jede Art von Fehlausrichtung, indem Sie die Pinselfunktion verwenden, um Voxel mit Linksklick hinzuzufügen oder Voxel mit Rechtsklick zu entfernen. Speichern Sie schließlich die korrigierte Läsionszuordnung als NIfTI-Datei im selben Ordner wie die nicht korrigierte Läsionszuordnung, und speichern Sie dann die Segmentierung, indem Sie ihr den genau gleichen Namen wie die nicht korrigierte Läsionskarte mit der Erweiterung "korrigiert" geben.

Hier sehen wir CT-Scans für einen einzelnen Patienten. Der anfängliche Scan kann nicht für die Segmentierung verwendet werden, da der Infarkt noch nicht sichtbar ist, obwohl die CT-Perfusionskarten Ischämie zeigen. Die CT am sechsten Tag zeigt eine Schwellung des infarktierten Hirngewebes mit leichter Mittellinienverschiebung und hämorrhagischer Transformation.

Der Scan nach vier Monaten zeigt Hirngewebeverlust mit Ex-Vakuumvergrößerung von Ventrikeln und sulci in der Nähe. Das Ergebnis der Eintragung des KV am sechsten Tag in die Vorlage MNI152 ist hier zu sehen. Der Registrierungsalgorithmus kompensierte die Mittellinienverschiebung und -kompression des linken Ventrikels nicht ausreichend, was eine manuelle Korrektur erforderte.

Nach der Korrektur ist die registrierte Läsionskarte eine genaue Darstellung des Infarkts im nativen Raum und kann für die Pessions-Symptom-Mapping verwendet werden. Hier sehen wir den Vergleich der registrierten DWI-Sequenz und des entsprechenden registrierten Infarkts mit der Vorlage MNI152. Beachten Sie den leichten Fehler am Kopf des rechten Caudate-Kerns.

Dies erforderte eine manuelle Korrektur der Segmentierung im Standardraum. Schließlich zeigt diese Abbildung die Ergebnisse der Registrierung der MRT FLAIR-Sequenz am dritten Tag, die angemessen ist und keine manuelle Korrektur erfordert. Dieses Protokoll behandelt den Prozess der Vorbereitung bildgebender Daten für die Abgrenzung von Läsionssymptomen, einschließlich praktischer Richtlinien für die Durchführung einer genauen Infarktsegmentierung und Registrierung in einer Gehirnvorlage.

Die Läsionskarten können in Läsions-Symptome-Mapping-Studien verwendet werden, um eine bestimmte kognitive Funktion zu lokalisieren oder läsionsposition zu verwenden, um kognitive Ergebnisse bei Schlaganfallpatienten vorherzusagen. Dieses Protokoll beschleunigt und harmonisiert den Workflow für Läsions-Symptome-Mapping-Studien, so dass Forscher große multizentrischen Studien durchführen können, darunter Hunderte bis Tausende von Probanden.