Come misurare Folding corticale dalle immagini MR: uno step-by-step tutorial per calcolare indice locale Gyrification

Sommario

Gyrification di misura (pieghevole corticale) a qualunque età rappresenta una finestra nello sviluppo cerebrale precoce. Quindi, abbiamo già sviluppato un algoritmo per misurare gyrification locale a migliaia di punti sopra l'emisfero ¹. In questo lavoro, abbiamo dettaglio il calcolo di questo indice gyrification locale.

Abstract

Pieghevole corticale (gyrification) è determinata durante i primi mesi di vita, in modo che gli eventi avversi che si verificano in questo periodo lasciano tracce che saranno identificabili a qualsiasi età. Come recentemente recensito da Mangin e colleghi ^2, esistono diversi metodi per quantificare le diverse caratteristiche del gyrification. Per esempio, morfometria sulcal può essere utilizzato per misurare descrittori di forma come la lunghezza di profondità, o indici di inter-emisferica asimmetria ^3. Queste proprietà geometriche hanno il vantaggio di essere facile da interpretare. Tuttavia, morfometria sulcal si basa solidamente alla individuazione precisa di una data serie di solchi e quindi fornisce una descrizione frammentaria di gyrification. Una quantificazione più capillare di gyrification può essere realizzato con misure di curvatura-based, dove levigate assoluto curvatura media è di solito calcolato in migliaia di punti sulla superficie corticale ^4. La curvatura non è tuttavia straightforward per comprendere, in quanto non è ancora chiaro se esiste un rapporto diretto tra il curvedness e biologicamente significativi correlati come il volume o della superficie corticale. Per affrontare le diverse questioni sollevate dalla misura della piegatura corticale, abbiamo già sviluppato un algoritmo per quantificare gyrification locale con una risoluzione spaziale e squisita di semplice interpretazione. Il nostro metodo si ispira dell'Indice Gyrification ^5, un metodo originariamente utilizzato nella neuroanatomia comparata di valutare le differenze tra le specie corticali pieghevole. Nella nostra implementazione, che abbiamo l nome LOCALE Indice Gyrification (l GI ^1), si misura la quantità di corteccia sepolta tra le pieghe sulcal rispetto alla quantità di corteccia visibile nelle regioni circolari di interesse. Dato che la corteccia si sviluppa principalmente attraverso l'espansione radiale ^6, il nostro metodo è stato specificamente progettato per identificare i difetti precoci dello sviluppo corticale.

In thè l'articolo, abbiamo dettaglio il calcolo dell'Indice Gyrification locale, che ora è distribuita gratuitamente come parte del Software FreeSurfer ( http://surfer.nmr.mgh.harvard.edu/ , Martinos Center for Biomedical Imaging, Massachusetts General Hospital) . FreeSurfer fornisce una serie di strumenti automatizzati ricostruzione della superficie corticale del cervello da dati di risonanza magnetica strutturale. La superficie corticale estratto nello spazio nativo delle immagini con precisione millimetrica è poi ulteriormente utilizzato per la creazione di una superficie esterna, che servirà come base per il calcolo l GI. Una regione circolare di interesse è poi delineato sulla superficie esterna, e la sua regione corrispondente di interesse sulla superficie corticale viene identificato mediante un algoritmo di corrispondenza, come descritto nel nostro studio di validazione ^1. Questo processo viene iterato più volte con gran parte si sovrappongono regioni di interesse, con conseguente mappe corticali di gyrification perr successive comparazioni statistiche (Fig. 1). Da segnalare, un'altra misura di gyrification locale di ispirazione simile è stato proposto dal Toro e colleghi ^7, dove viene calcolato l'indice di ripiegamento in ogni punto come il rapporto tra l'area corticale contenuta in una sfera divisa per l'area di un disco con lo stesso raggio. Le due implementazioni differiscono che quella di Toro et al. è basato su distanze euclidea e ritiene pertanto patch discontinua della zona corticale, mentre il nostro utilizza un algoritmo rigoroso geodetica e includono solo la patch continuo di apertura dell'area corticale alla superficie del cervello in una regione circolare di interesse.

Protocollo

1. Ricostruire le superfici 3D corticale

Questa prima parte del protocollo utilizza l'oleodotto standard di FreeSurfer come descritto nel wiki ( http://surfer.nmr.mgh.harvard.edu/fswiki ). Si noti che i comandi disponibili a questo link descrivere un modo per raggiungere le ricostruzioni superficie corticale, ma i comandi equivalenti, può anche essere usato.

1. Importare le materie prime MRI DICOM in FreeSurfer e verificare la qualità dell'immagine (per esempio, che l'orientamento sia corretto, non è sufficiente e il contrasto delle immagini spostato). Questo processo utilizza i seguenti comandi (sostituire il testo tra <...> (incluso) con i valori appropriati a una specifica istanza, e "#" indica commenti):
   
   mksubjdirs # Creare l'architettura cartella utilizzata da FreeSurfer
   CD / Mri # vai alla cartella mri del soggetto
   mri_convert cm 001.mgz # convertire i raw MRI nel formato # FreeSurfer
   tkmedit 001.mgz # visualizzare il volume convertito
   
   
2. Creare i modelli tridimensionali in rete corticale ^8,9. Al fine di far fronte al problema della sepolto solchi, FreeSurfer prima crea un volume unitario della sostanza bianca, che viene utilizzato come punto di partenza per l'iniziale grigio-bianco di superficie. Questa superficie è poi ottimizzato secondo il gradiente locale di intensità e ulteriormente esteso al grigio-CSF interfaccia.
   
   rico-all-s # Lanciare la ricostruzione della superficie corticale
   
   Al termine del processo di ricostruzione, si ottengono due modelli a rete composta da circa 150.000 punti per ogni emisfero: un bianco (grigio-bianco interfaccia) e un piale (grigio-CSF interfaccia) di superficie. E 'importante notare che tutte le superfici ei volumi rimangono nello spazio nativo, consentendo di misura, quali il volume, superficie, spessore o indice gyrification da misurare senza deformazioni.
   
3. Verificare la precisione di queste superfici ricostruite:
   
   tkmedit T1.mgz? H.pial # la superficie bianca si sovrappone in verde e la superficie piale in rosso
   
   dove h denota l'emisfero: lh.pial per l'emisfero sinistro e rh.pial per l'emisfero destro. La Figura 2 (in 2 versioni: una immagine gif animata da inserire nel film e uno statico per il sito web) mostra un esempio di corretta ricostruzioni bianco e piale superfici per il soggetto "bert" distribuito insieme al pacchetto FreeSurfer. Se si deve correggere manualmente il risultato del processo di ricostruzione, troverete un tutorial sul Wiki FreeSurfer ( http://surfer.nmr.mgh.harvard.edu/fswiki/FsTutorial/WhiteMatterEdits ,

2. Calcolare l'indice locale Gyrification

Quando siete soddisfatti del vostro superfici, calcolare l'indice locale Gyrification (l GI) con il comando:

rico-all-LGI-s

Questo comando esegue di solito per circa 3 ore per i due emisferi di un partecipante allo studio, a seconda della potenza della propria workstation. Le varie fasi del processo l GI sono monitorata in fig. 1. Il calcolo inizia con la creazione di una superficie esterna utilizzando operazione morfologica di chiusura. Questa superficie esterna, indicata? H.pial_outer_smoothed, è ulteriormente illustrato nella fig. 3. Poi, circa 800 regioni di sovrapposizione circolare di interesse sono creati sulla superficie esterna. Per ognuna di queste regioni, una regione corrispondente di interesse è definitola superficie piale. Il calcolo tutto finisce con la creazione di una mappa individuale che contiene un valore l GI per ogni punto della superficie corticale (cioè ~ 150.000 valori per emisfero).

3. Controllare il risultato del calcolo l GI per ogni emisfero

tksurfer ? H piale-overlay / Surf /? H.pial_lgi-fthresh 1

I valori di GI l sono sovrapposti sulla superficie corticale. Come l corretti valori di IG sono generalmente compresi tra 1 e 5, stabilendo la soglia minima a 1 (con l'opzione fthresh) consente un rapido controllo: non si dovrebbe vedere una zona grigia corticale. Un esempio di corretto risultato individuale è mostrato in fig. 4.

4. Confronti del gruppo statistico

Lo scopo è quello di quantificare l'effetto di gruppo ad ogni vertice sulla superficie corticale controllando per l'effetto del sesso eetà. Dovrete seguire lo stesso processo se si desidera confrontare spessore corticale ad ogni vertice, ma dando? H.pial_lgi invece di? H.thickness. Due opzioni sono possibili per calcolare i confronti gruppo statistico: i comandi classici sono elencati per primi, e l'interfaccia grafica (Qdec) è brevemente accennato in seguito.

1. La prima opzione di confrontare l GI risultati tra i gruppi di utilizzare i comandi elencati di seguito, maggiori dettagli sono disponibili presso https://surfer.nmr.mgh.harvard.edu/fswiki/FsTutorial/GroupAnalysis .
   1. Per prima cosa sarà necessario creare un modello specifico studio dando a tutti i soggetti in ingresso:
      
      make_average_subject - soggetti ...
      
      Il comando precedente creerà un soggetto chiamato "media". In alternativa, è possibile utilizzare l'argomento "FSAVErabbia ", distribuito come parte della distribuzione FreeSurfer.
   2. Quindi, creare il file di testo contenente la descrizione dei soggetti coinvolti nello studio (il "Gruppo FreeSurfer File Descriptor"). Il tuo FSGD.txt dovrebbe apparire così:
      
      GroupDescriptorFile 1
      Gruppo Control_Male
      Gruppo Control_Female
      Gruppo Patient_Male
      Gruppo Patient_Female
      Variabili Età
      Ingresso Patient_Male 20
      Ingresso Control_Female 23
      <...>
   3. Ricampionare i dati GI l nello spazio del soggetto media utilizzando il seguente comando per ogni emisfero:
      
      mris_preproc - FSGD.txt fsgd - obiettivo medio - emi h - misure pial_lgi -? fuori h.lgi.mgh
      
   4. Liscia i dati sulla superficie corticale per ridurre il rapporto segnale-rumore:
      
      mri_surf2surf - emi h - s media - sval h.lgi.mgh - FWHM 10 - h.10.lg tval?i.mgh
      
   5. Calcolare il confronto di gruppo a livello di ogni vertice. Per questo è necessario creare un file di testo contrasto (ad esempio nel caso del FSGD.txt sopra descritto, il "contrast.txt" conterrà i valori "1 1 -1 -1 0" per calcolare la differenza tra i controlli e tenendo sotto controllo i pazienti per età e sesso). Infine eseguire il confronto:
      
      mri_glmfit - y h.10.lgi.mgh -? fsgd FSGD.txt Doss - glmdir h.lgi.glmdir - media navigare h -? C contrast.txt
      
   6. Visualizzare i risultati sul tema media utilizzando tksurfer:
      
      tksurfer media? h gonfiati
      
      Quindi caricare il file come overlay sig.mgh trova nella cartella? H.lgi.glmdir / contrast.txt / sig.mgh. Usando l'opzione "configure overlay" è possibile modificare ulteriormente la soglia di p così come corretto per confronti multipli utilizzando il tasso di scoperta di falsi ^10.
      
2. L'opzione alternativa per il gruppo comconfronto è quello di utilizzare Qdec, un'interfaccia utente grafica implementata in FreeSurfer. L'uso di Qdec con Indice Gyrification locale implica per pre-levigare la l dati GI:
   
   rico-all-qcache misura pial_lgi-media -S
   
   Con Qdec, il Gruppo FreeSurfer File Descriptor è sostituito da una versione leggermente diversa, la tabella dei dati (qdec.table.dat) che include la descrizione dei diversi gruppi e le altre variabili di confondimento come l'età. Una descrizione dettagliata dell'utilizzo di Qdec viene fornito http://surfer.nmr.mgh.harvard.edu/fswiki/FsTutorial/QdecGroupAnalysis .
   Da notare che se il GI l non è disponibile nella lista delle variabili dipendenti in Qdec, è necessario aggiungere la seguente riga al file Qdecrc trova nella vostra home directory.:
   
   Measure1 = pial_lgi

5. Analisi

In alternativa, l'analisi statistica potrebbe alla fine essere calcolata a livello della parcellizzazione corticale integrata nel FreeSurfer ^11. A tal fine, l valori medi GI possono essere estratti per le 34 regioni gyral di interesse per ciascun emisfero, e tali misure possono essere ulteriormente rispetto tra i diversi gruppi. Questo pacco-saggio di analisi (in contrapposizione al vertice-saggio di analisi descritto sopra) potrebbe essere interessante in quanto limita la quantità di confronti statistici. Tuttavia, il GI l in ogni punto quantifica la gyrification nella zona circostante circolare, in modo che il GI l media in una regione gyral di interesse riflette anche in una certa misura il gyrification nelle regioni limitrofe di interesse.

Infine, anche se le questioni più importanti sono stati descritti in questo protocollo, una soluzione per gli altri problemi che si possono incontrare durante la P.eeSurfer o l GI di elaborazione possono essere trovati negli archivi della mailing list FreeSurfer ( http://surfer.nmr.mgh.harvard.edu/fswiki/FreeSurferSupport ).

6. Rappresentante Risultati

Come descritto nella sezione 1c del protocollo, si deve sempre verificare attentamente l'accuratezza della ricostruzione delle superfici corticali prima l GI calcolo. Durante lo scorrimento tra il frontale e il lobo occipitale, prestare particolare attenzione che le navi e la membrana non sono inclusi nella superficie piale. Verificare anche che la superficie bianca segue accuratamente il grigio-bianco interfaccia. Un esempio di corretta ricostruzione è fornita nella Figura 2 (vedere la figura gif animate per l'intero volume).

Alla fine del GI l calcolo, si dovrà anche verificare il risultato di entrambi gli emisferi di ciascun soggetto.Non ci dovrebbe essere qualsiasi area corticale con un risultato l GI minore di 1. La sezione 3 del protocollo e la figura 4 mostra come esatta, se l'uscita della GI l calcolo è corretto.


Figura 1. Panoramica del GI l calcolo. In primo luogo, modelli tridimensionali in rete corticale sono ricostruiti dalle immagini raw tramite la pipeline standard di FreeSurfer. Questi algoritmi di ricostruzione utilizzare un volume binario della sostanza bianca come punto di partenza per superare il problema della sepolto solchi. I modelli a rete corticale comprende tipicamente circa 150.000 vertici e sono classicamente utilizzati per calcolare lo spessore corticale in ogni punto. Allo stesso modo, indice Gyrification locale (l GI) saranno calcolate ad ogni vertice. A tal fine, una superficie esterna è stato creato. Poi corrispondenti regioni circolari di interesse sono identificati sulla esterno unod superficie corticale utilizzando l'algoritmo di corrispondenza. Dopo circa 800 regioni di generare sovrapposizione di interesse, i risultati nel processo di creazione di mappe individuali di l GI. Queste mappe possono essere facilmente interpretato: un indice di 5 significa che ci sono 5 più tempo di superficie corticale invaginata entro i solchi nella zona circostante che la quantità di visibile superficie corticale; un indice di 1 significa che la corteccia è piatta nella zona circostante . Infine, il confronto di gruppo statistici sono calcolati a livello di ogni vertice, analogamente ai confronti spessore corticale.

Figura 1B. Individuali mappa corticale del l GI. Questo piccolo film mostra una visione a 360 gradi di rotazione di un individuo mappa corticale LGI come mostrato in fig. 1. E 'sorprendente notare che le regioni corticali con valori più elevati l GI corrispondono alla prima piega da creare durante la vita in utero: la fessura Sylvian, il solco temporale superiore e intraparietal solco sulla vista laterale del cervello, e il solco parieto-occipitale sulla vista mediale del cervello. Visualizza film


Figura 2. Esempio di ricostruzione adeguata superficie corticale (una sezione coronale). Dopo la fine del processo di ricostruzione, la superficie corticale, devono essere accuratamente verificata attraverso l'intero volume cerebrale. La superficie interna della corteccia (indicato superficie bianca, in verde nell'immagine) dovrebbe seguire con precisione il grigio-bianco interfaccia. La superficie esterna della corteccia (cioè grigio-CSF interfaccia, indicata superficie piale, qui in rosso) non deve includere alcun pezzo di nave o di membrana. Da notare che l'esempio qui presentata utilizza il soggetto "bert" distribuito insieme al pacchetto FreeSurfer.

Figura 2B. Esempio di superficie adeguata reconstru corticalection (massimo volume). Questa immagine gif animata mostra la superficie corticale dell'emisfero sinistro del soggetto "bert" su ogni sezione coronale, come si vede scorrendo dal più frontale alle sezioni più occipitale coronale con FreeSurfer. Vista film


Figura 3. Esempio di superficie esterna calcolato come parte del processo di l GI (una sezione coronale). Il primo passo per l'IG l calcolo è la creazione di una superficie esterna che avvolge l'emisfero. Questa superficie (indicato? H.pial_outer_smoothed in FreeSurfer) può essere controllato tramite tkmedit. Qui, il soggetto "bert", distribuito con FreeSurfer viene utilizzato come esempio.

Figura 3B. Esempio di superficie esterna calcolato come parte del processo di GI l (massimo volume). Questa immagine gif animatemostra la superficie esterna dell'emisfero sinistro su ciascuna sezione coronale, come si vede scorrendo dal più frontale alle sezioni più occipitale coronali con tkmedit in FreeSurfer. film View


Figura 4. Esempio di uscita corretta l GI come visto con FreeSurfer. Orientamenti diversi della superficie corticale del soggetto "bert" con l GI valori sovrapposti. Il codice colore è il default overlay "calore" come si è visto con tksurfer in FreeSurfer. Utilizzando una soglia minima di 1, tutti i vertici devono essere colorati e nessuna area corticale dovrebbe appera in grigio. Da notare che la sovrapposizione dei colori possono essere modificati utilizzando l'opzione "Configura Overlay" in tksurfer, dove i valori minimo e massimo, così come l'istogramma della distribuzione complessiva del GI l può anche essere controllato.

Discussione

Il protocollo sopra descrive come misurare Indice locali Gyrification sulla base cerebrale RM pesata in T1 e condurre comparazioni gruppo statistico. Il nostro metodo è stato specificamente progettato per localizzare i disagi nelle prime fasi del processo di espansione corticale e come tale è di particolare interesse in molte condizioni dello sviluppo neurologico o psichiatrico. Esempi di confronto di gruppo in campioni clinici possono essere trovati in pubblicazioni da ^1,12 il nostro gruppo o da altri ^1...

Materiali

Elenco dei materiali utilizzati in questo articolo

Nome	Azienda	Numero di catalogo	Commenti
Nome del materiale	Azienda	Numero di catalogo	Commenti
FreeSurfer	Martinos Center for Biomedical Imaging, MGH		Versione più recente 4.0.3
Matlab	Mathworks		Image Processing Toolbox