Comment mesurer pliant corticale à partir d'images IRM: un tutoriel pas-à-pas à calculer l'indice gyrification locale

Résumé

Gyrification mesure (pliage corticale) à tout âge représente une fenêtre dans le développement précoce du cerveau. Ainsi, nous avons précédemment développé un algorithme pour mesurer gyrification locales à des milliers de points d'avance sur l'hémisphère ¹. Dans cet article, nous détaillons le calcul de cet indice gyrification locales.

Résumé

Pliage corticale (gyrification) est déterminée au cours des premiers mois de vie, de sorte que les événements indésirables survenant pendant cette période de laisser des traces qui seront identifiables à tout âge. Comme l'a récemment revu par Mangin et ses collègues ^2, plusieurs méthodes existent pour quantifier les différentes caractéristiques des gyrification. Par exemple, morphométrie sulcal peuvent être utilisés pour mesurer les descripteurs de forme tels que la profondeur, la longueur ou les indices d'asymétrie hémisphérique ^inter-3. Ces propriétés géométriques ont l'avantage d'être faciles à interpréter. Toutefois, morphométrie sulcal s'appuie solidement sur l'identification précise d'un ensemble donné de sillons et fournit donc une description fragmentée de gyrification. Une quantification plus fine des gyrification peut être atteint avec des mesures basé sur la courbure, où lissée absolue courbure moyenne est généralement calculée à des milliers de points sur la surface corticale ^4. La courbure n'est cependant pas straightforward à comprendre, comme on ne sait pas s'il ya une relation directe entre la curvedness et un sens biologiquement corrélation telles que le volume cortical ou de surface. Pour répondre aux diverses questions soulevées par la mesure de pliage corticale, nous l'avons déjà développé un algorithme pour quantifier gyrification locale avec une résolution spatiale et de l'exquise interprétation simple. Notre méthode est inspirée de l'indice de ⁵ gyrification, une méthode utilisée à l'origine en neuroanatomie comparative pour évaluer les différences corticales pliage à travers les espèces. Dans notre implémentation, qui nous l ocal nom gyrification Index (l IG ^1), on mesure la quantité de cortex enfoui dans les plis sulcal par rapport à la quantité de cortex visibles dans les régions d'intérêt circulaires. Étant donné que le cortex se développe principalement par l'expansion radiale ^6, notre méthode a été spécialement conçu pour identifier les défauts précoces du développement cortical.

En eest l'article, nous détaillons le calcul de l'indice de gyrification locale, qui est maintenant distribué gratuitement en tant que partie du Logiciel FreeSurfer ( http://surfer.nmr.mgh.harvard.edu/ , Martinos Centre d'imagerie biomédicale, le Massachusetts General Hospital) . FreeSurfer fournit un ensemble d'outils de reconstruction automatique de la surface corticale du cerveau à partir des données structurales IRM. La surface corticale extraite dans l'espace natif des images avec précision sub-millimétrique est ensuite utilisé pour la création d'une surface extérieure, qui servira de base pour le calcul L IG. Une zone circulaire d'intérêt est alors délimité sur la surface extérieure, et de sa région correspondante de l'intérêt sur ​​la surface corticale est identifié en utilisant un algorithme d'appariement tel que décrit dans notre étude de validation ^1. Ce processus est réitéré à plusieurs reprises avec des recoupent largement les régions d'intérêt, résultant en des cartes corticales pour gyrificationr ultérieures comparaisons statistiques (Fig. 1). Fait à noter, une autre mesure de gyrification local avec une source d'inspiration analogue a été proposée par Toro et ses collègues ^7, où l'indice de pliage à chaque point est calculée comme le rapport de l'aire corticale contenue dans une sphère divisée par la surface d'un disque avec les mêmes rayon. Les deux implémentations diffèrent en ce que l'un par Toro et al. est basé sur des distances euclidiennes et considère donc les correctifs discontinue de l'aire corticale, alors que la nôtre utilise un algorithme de stricte géodésiques et ne comprennent que le patch continue de l'ouverture de l'aire corticale à la surface du cerveau dans une zone circulaire d'intérêt.

Protocole

1. Reconstruire des surfaces corticales 3D

Cette première partie du protocole utilise l'oléoduc FreeSurfer standard comme décrit dans le Wiki ( http://surfer.nmr.mgh.harvard.edu/fswiki ). Notez que les commandes détaillées ici décrire un moyen de réaliser les reconstructions de surface corticale, mais les commandes équivalentes peuvent également être utilisés.

1. Importer les premières IRM DICOM dans FreeSurfer et vérifier la qualité de l'image (par exemple, que l'orientation est correcte, le contraste suffisant et les images n'est pas déplacé)....

Discussion

Le protocole ci-dessus décrit comment mesurer l'indice de gyrification local basé sur cérébrale pondérée en T1 IRM et effectuer des comparaisons statistiques de groupe. Notre méthode a été spécialement conçu pour localiser les perturbations tôt dans le processus d'expansion corticale et en tant que telle est d'un intérêt particulier dans beaucoup de conditions neurologiques ou psychiatriques. Des exemples de comparaisons de groupes dans des échantillons cliniques peuvent être trouvés dans des publications pa.......

Matériaux

Matériel: un poste de travail Unix ou Mac avec un processeur de 2 GHz ou plus et un minimum de 4 Go de RAM, avec FreeSurfer installé ( http://surfer.nmr.mgh.harvard.edu/fswiki , de préférence la dernière version, mais pas plus que la version 4.0.3). Afin de calculer l'indice gyrification locales, MATLAB est également nécessaire ( http://www.mathworks.com/ ) avec l'Image Processing Toolbox.

Données: Un échantillon de bonne qualité (haute résolution, un contraste élevé) IRM cérébrale pondérée en T1 données. Votre groupe de sujets doit être de préférence appariés pour l'âge et le sexe. Compte tenu de la normale variabilité inter-individuelle dans la morphologie cérébrale, le nombre de sujets dans chaque groupe devrait être suffisante pour identifier une différence entre les groupes existants (le plus - le meilleur). Une taille minimum raisonnable de l'échantillon se situerait autour de 20 sujetspar groupe (bien que vous pouvez probablement aller pour moins si l'intensité des changements est importante et si vos groupes sont étroitement appariés pour l'âge et le sexe).

Liste des matériaux utilisés dans cet article

Nom	Entreprise	Numéro de catalogue	Commentaires
Nom de l'équipement	Société	Numéro de catalogue	Commentaires
FreeSurfer	Martinos Centre d'imagerie biomédicale, MGH		Version plus récente que 4.0.3
Matlab	Mathworks		Image Processing Toolbox