Segmentazione manuale del plesso coroideo umano mediante risonanza magnetica cerebrale

Funzione del plesso coroideo
Il plesso coroideo è una struttura altamente vascolarizzata nel cervello costituita da capillari fenestrati e un monostrato di cellule epiteliali del plesso coroideo¹. Il plesso coroideo si proietta nel ventricolo laterale, terzo e quarto cerebrale e produce liquido cerebrospinale (CSF), che svolge un ruolo importante nel pattern neurale² e nella fisiologia cerebrale ^3,4. Il plesso coroideo secerne sostanze neurovascolari, comprende un deposito simile a una cellula staminale e funge da barriera fisica per impedire l'ingresso di metaboliti tossici, una barriera enzimatica per rimuovere le parti che aggirano la barriera fisica e una barriera immunologica per proteggere dagli invasori estranei⁵. Il plesso coroideo modula la neurogenesi⁶, la plasticità sinaptica⁷, l'infiammazione⁸, il ritmo circadiano ^9,10, l'asse intestino-cervello¹¹ e la cognizione¹². Inoltre, le citochine periferiche, lo stress e l'infezione (incluso SARS-CoV-2) possono interrompere la barriera emato-liquorale 13,14,15,16. Pertanto, il sistema plesso-CSF coroideo è parte integrante del neurosviluppo, della maturazione del neurocircuito, dell'omeostasi cerebrale e della riparazione¹⁷. Poiché le alterazioni immunitarie, infiammatorie, metaboliche ed enzimatiche hanno un impatto sul cervello, i ricercatori stanno utilizzando strumenti di neuroimaging per valutare il ruolo del plesso coroideo nel corso della vita e nei disturbi cerebrali 18,19,20. Tuttavia, esistono limitazioni negli strumenti automatizzati comunemente usati per la segmentazione del plesso coroideo, come FreeSurfer, che comportano una scarsa segmentazione del plesso coroideo. Pertanto, c'è un bisogno critico di segmentazione manuale del plesso coroideo che possa essere utilizzata per sviluppare uno strumento automatizzato accurato per la segmentazione del plesso coroideo.

Il plesso coroideo nel neurosviluppo e nei disturbi cerebrali
Il ruolo del plesso coroideo nei disturbi cerebrali è stato a lungo trascurato, principalmente perché era considerato un attore di supporto il cui ruolo era quello di ammortizzare il cervello e mantenere un corretto equilibrio salino ^2,21. Tuttavia, il plesso coroideo ha attirato l'attenzione come struttura legata a disturbi cerebrali come le sindromi dolorose²², SARS-CoV-2 16,23,24, disturbi dello sviluppo neurologico 2 e disturbi cerebrali ¹⁹, suggerendo un effetto transdiagnostico nello sviluppo di disturbi comportamentali. Nei disturbi dello sviluppo neurologico, le cisti del plesso coroideo sono state associate a un aumentato rischio di ritardo dello sviluppo, disturbo da deficit di attenzione/iperattività (ADHD) o disturbo dello spettro autistico (ASD)^25,26. Inoltre, è stato riscontrato un aumento del volume del plesso coroideo del ventricolo laterale nei pazienti con ASD²⁷. Nei disturbi cerebrali, le anomalie del plesso coroideo sono state descritte dal 1921 nei disturbi psicotici^28,29. Studi precedenti hanno identificato l'allargamento del plesso coroideo utilizzando la segmentazione FreeSurfer in un ampio campione di pazienti con disturbi psicotici rispetto sia ai loro parenti di primo grado che ai controlli¹⁹. Questi risultati sono stati replicati utilizzando il volume del plesso coroideo segmentato manualmente in un ampio campione di popolazione clinica ad alto rischio di psicosi e hanno scoperto che questi pazienti avevano un volume del plesso coroideo maggiore rispetto ai controlli sani³⁰. C'è un numero crescente di studi che dimostrano l'ingrossamento del plesso coroideo nella sindrome dolorosa regionale complessa²², ictus³¹, sclerosi multipla^20,32, Alzheimer^33,34 e depressione³⁵, con alcuni che dimostrano un legame tra attività immunitaria/infiammatoria periferica e cerebrale. Questi studi di neuroimaging sono promettenti; tuttavia, la scarsa segmentazione del plesso coroideo del ventricolo laterale da parte di FreeSurfer²¹ limita l'affidabilità della stima automatica del volume del plesso coroideo. Di conseguenza, gli studi sulla sclerosi multipla^20,32, sulla depressione³⁵, sull'Alzheimer³⁴ e sulla psicosi precoce³⁶ hanno iniziato a segmentare manualmente il plesso coroideo del ventricolo laterale, ma non ci sono linee guida attuali su come farlo, né la loro guida sulla segmentazione del plesso coroideo del terzo e quarto ventricolo.

Gli strumenti di segmentazione più comuni escludono il plesso coroideo
Le pipeline di segmentazione cerebrale come FreeSurfer^37,38,39, FMRIB Software Library (FSL)⁴⁰, SLANT⁴¹ e FastSurfer (sviluppato dal co-autore Martin Reuter)^42,43, segmentano in modo accurato e affidabile le strutture corticali e sottocorticali impiegando paradigmi di segmentazione basati su atlante (FSL), basati su atlante e superficie (FreeSurfer) e deep learning (SLANT e FastSurfer). I punti deboli di alcuni di questi approcci includono la velocità di elaborazione, la generalizzazione limitata a diversi scanner, le intensità di campo e le dimensioni dei voxel^37,44 e l'allineamento forzato della mappa delle etichette in uno spazio atlante standard. Tuttavia, la capacità di segmentare il plesso coroideo e la compatibilità con la risonanza magnetica ad alta risoluzione sono affrontate solo da FreeSurfer e FastSurfer. Le reti neurali alla base di FastSurfer sono addestrate sulle etichette del plesso coroideo di FreeSurfer, quindi ereditano i limiti di affidabilità e copertura di FreeSurfer discussi in precedenza, con il terzo e il quarto ventricolo ignorati²¹. Esistono anche limitazioni attuali per la risonanza magnetica ad alta risoluzione, ma il flusso ad alta risoluzione⁴⁵ e FastSurferVINN⁴³ di FreeSurfer possono essere utilizzati per gestire questo problema.

Strumenti attuali per la segmentazione del plesso coroideo
Esiste un solo strumento di segmentazione disponibile gratuitamente per il plesso coroideo, ma l'accuratezza della segmentazione è limitata. Un'accurata segmentazione del plesso coroideo può essere influenzata da una varietà di fattori, tra cui (1) variabilità nella posizione del plesso coroideo (spazialmente non stazionario) a causa della sua posizione all'interno dei ventricoli, (2) differenze nell'intensità dei voxel, nel contrasto, nella risoluzione (eterogeneità all'interno della struttura) dovute all'eterogeneità cellulare, alla funzione dinamica del plesso coroideo, ai cambiamenti patologici o agli effetti parziali del volume, (3) differenze di dimensioni ventricolari legate all'età o alla patologia che influiscono sulle dimensioni del plesso coroideo, e (4) vicinanza a strutture sottocorticali adiacenti (ippocampo, amigdala, caudato e cervelletto), anch'esse difficili da segmentare. Date queste sfide, le segmentazioni di FreeSurfer spesso sottostimano o sovrastimano, etichettano erroneamente o ignorano il plesso coroideo.

Tre recenti pubblicazioni hanno affrontato il divario della segmentazione affidabile del plesso coroideo con un modello di miscela gaussiana (GMM)⁴⁶, un Axial-MLP⁴⁷ e approcci di deep learning basati su U-Net⁴⁸. Ogni modello è stato addestrato e valutato utilizzando set di dati privati ed etichettati manualmente di un massimo di 150 soggetti con una diversità limitata di scanner, siti, dati demografici e disturbi. Sebbene queste pubblicazioni 46,48,49 abbiano ottenuto miglioramenti significativi rispetto alla segmentazione del plesso coroideo di FreeSurfer - a volte raddoppiando l'intersezione tra predizione e verità di base, nessuno dei due metodi è (1) convalidato nella risonanza magnetica ad alta risoluzione, (2) ha analisi di generalizzazione e affidabilità dedicate, (3) presenta grandi set di dati rappresentativi di addestramento e test, (4) affronta o analizza in modo specifico le sfide di segmentazione del plesso coroideo come effetti di volume parziale, o (5) è disponibile al pubblico come strumento pronto all'uso. Pertanto, l'attuale "gold standard" per la segmentazione del plesso coroideo è il tracciamento manuale, ad esempio utilizzando 3D Slicer⁵⁰ o ITK-SNAP⁵¹, che non è stato descritto in precedenza e ha rappresentato una sfida importante per i ricercatori che desiderano esaminare il ruolo del plesso coroideo nei loro studi. 3D Slicer è stato scelto per la segmentazione manuale per la familiarità dell'autore con il software e perché mette a disposizione dell'utente vari strumenti basati su diversi approcci che possono essere combinati per ottenere il risultato desiderato. È possibile utilizzare altri strumenti, come ITK-SNAP, che è principalmente orientato alla segmentazione delle immagini e, una volta padroneggiato lo strumento, l'utente può ottenere buoni risultati. Inoltre, gli autori hanno condotto uno studio caso-controllo che dimostra l'elevata precisione e affidabilità della loro tecnica di segmentazione manuale utilizzando 3D Slicer³⁰ e che la metodologia specifica è descritta nel presente documento.

Il presente protocollo è stato approvato dall'Institutional Review Board presso il Beth Israel Deaconess Medical Center. Per questa dimostrazione del protocollo è stato utilizzato un soggetto sano con una risonanza magnetica cerebrale priva di artefatti o movimenti ed è stato ottenuto il consenso informato scritto. Per acquisire immagini 3D-T1 con una risoluzione di 1 mm x 1 mm x 1,2 mm è stato utilizzato uno scanner MRI da 3,0 T con una bobina di testa a 32 canali (vedi Tabella dei materiali). È stata utilizzata la sequenza MP-RAGE ASSET con un campo visivo di 256 x 256, TR/TE/TI=7,38/3,06/400 ms e un angolo di ribaltamento di 11 gradi.

1. Importazione della risonanza magnetica cerebrale in 3D Slicer

NOTA: 3D Slicer fornisce la documentazione relativa all'interfaccia utente.

1. Preparare i file DICOM (Digital Imaging and Communications in Medicine) o NIFTI (Neuroimaging Informatics Technology Initiative) per la risonanza magnetica cerebrale per l'importazione in 3D Slicer.
2. Importare i dati DICOM facendo clic sul pulsante DCM nell'angolo in alto a sinistra della barra degli strumenti. Quindi fare clic sul pulsante Importa file DICOM per importare i dati in formato DICOM.
3. Se i dati MRI sono in formato NIFTI, importarli facendo clic sul pulsante DATA nell'angolo in alto a sinistra della barra degli strumenti. Nella finestra di dialogo a comparsa, selezionare Scegli directory da aggiungere per importare in batch i dati NIFTI in una cartella o selezionare Scegli file da aggiungere per importare file NIFTI specifici. Quindi, fare clic sul pulsante OK per procedere con il caricamento dei dati in 3D Slicer.
4. Dopo l'importazione, i dati della risonanza magnetica appariranno nella finestra a destra che mostra i piani assiale, sagittale e coronale.
5. Modificare il layout delle finestre passando a Layout e selezionando un layout specifico. Questo può essere trovato facendo clic sull'immagine del modulo Layout nella barra degli strumenti di 3D Slicer o tramite Visualizza > Layout dal menu dell'applicazione.

2. Download di DICOM dai dati di esempio in 3D Slicer

1. Fare clic sul pulsante Scarica dati di esempio nella schermata di apertura della sezione Benvenuto in Slicer. Quindi seleziona il pulsante MRHead e avvierà il processo di download, che potrebbe richiedere alcuni minuti.
2. Assicurarsi che i dati della risonanza magnetica cerebrale con i piani assiale, sagittale e coronale siano visualizzati nella finestra di destra.

3. Controllo di qualità e regolazione dell'immagine MRI

1. Determina qualitativamente la qualità dell'immagine e la presenza di artefatti dovuti al movimento della testa o a problemi di scansione esaminando criticamente ogni sezione di risonanza magnetica.
2. Ingrandire la porzione di immagine facendo clic con il pulsante destro del mouse e spostando il mouse verso l'alto o verso il basso per rimpicciolire o ingrandire, rispettivamente.
3. Per spostare la porzione di immagine, fare clic con il pulsante sinistro del mouse sull'immagine, tenere premuto il tasto Maiusc e trascinare il mouse.
4. La regolazione della luminosità dell'immagine può aiutare a visualizzare il plesso coroideo. Per fare ciò, fai clic su Regola finestra/livello di volume nella barra degli strumenti o fai clic con il pulsante sinistro del mouse sull'immagine e muovi il mouse verso l'alto o verso il basso per aumentare o diminuire rispettivamente la luminosità.
5. La regolazione del contrasto può inoltre aiutare a trovare il plesso coroideo. Fare clic con il pulsante sinistro del mouse sulla porzione di immagine e spostare il mouse a sinistra o a destra per aumentare o diminuire il contrasto, rispettivamente. Per determinare il contrasto appropriato per il plesso coroideo, utilizzare i nuclei di sostanza grigia profonda (masse centrali di materia grigia disposte attorno al ventricolo laterale e al terzo ventricolo) o l'intensità del segnale mostrata nella barra della scala di contrasto.
6. Una volta selezionato il contrasto preferito, mantenere lo stesso contrasto per tutta la segmentazione e non regolare le potenziali variazioni nelle regioni sovra- e infra-tentoriali.

4. Creazione dei segmenti manuali del plesso coroideo

1. Per iniziare la segmentazione del plesso coroideo laterale, del terzo e del quarto ventricolo, create i file di segmentazione nel modulo Editor segmenti . Per navigare, fai clic sull'editor dei segmenti nella barra degli strumenti o vai al menu a discesa Moduli: e seleziona Editor dei segmenti.
2. Fare clic sul menu a discesa per la segmentazione per selezionare diverse segmentazioni (se sono state create più segmentazioni) e rinominare la segmentazione attualmente selezionata.
3. Utilizzare il menu a discesa Volume principale per scegliere quali set NIFTI o DICOM devono essere modificati. Solo quando il file del volume è selezionato, l'utente può iniziare la segmentazione/modifica.
4. Fare clic due volte sul pulsante Aggiungi per aggiungere due segmenti per il plesso coroideo del ventricolo laterale. Per rinominarli, fare doppio clic sul nome e modificarli in Plesso coroideo del ventricolo laterale destro e Plesso coroideo del ventricolo laterale sinistro.
5. Fare nuovamente clic sul pulsante Aggiungi per aggiungere segmenti per il plesso coroideo del terzo e quarto ventricolo e rinominarli in "plesso coroideo del 3^° ventricolo" e "plesso coroideo del 4^° ventricolo".

5. Visualizzazione di diverse sezioni e segmentazioni

1. Prima di apportare modifiche, eseguire uno studio in background per sapere come spostarsi tra i layout nella finestra di visualizzazione e come modificare la visualizzazione o l'opacità delle segmentazioni.
2. Nella parte superiore della finestra di visualizzazione e a sinistra del cursore della sezione, fai clic sull'icona a forma di puntina. Si aprirà un menu a discesa, che può variare a seconda del layout specifico in cui si trova la finestra.
   NOTA: L'utilizzo di layout diversi può essere utile quando si segmenta il plesso coroideo poiché la sua struttura può variare da individuo a individuo. Ad esempio, il layout "Convenzionale" consente all'utente di visualizzare contemporaneamente tutte e tre le sezioni e una vista 3D della scena. Scegliendo "Solo fetta rossa/gialla/verde" si ottiene all'utente una vista ravvicinata della fetta 2D per consentire una segmentazione più precisa del plesso coroideo.

6. Delineare le ROI del plesso coroideo del ventricolo laterale

NOTA: la registrazione dell'immagine in un modello non è necessaria per la segmentazione manuale.

1. Per il plesso coroideo del ventricolo laterale, iniziare sul piano assiale assicurandosi che le immagini siano posizionate in base alla linea bicommissurale. Quindi utilizzare il trigonum collaterale come punto di riferimento per localizzare il plesso coroideo del ventricolo laterale.
   1. Una volta apportate le modifiche sul piano assiale, passare alle viste rimanenti (sagittale e coronale) per assicurarsi che la segmentazione manuale del plesso coroideo del ventricolo laterale non catturi il parenchima cerebrale circostante o il liquido cerebrospinale.
2. Per iniziare a modificare, fai clic sul segmento su cui lavorare e il nome del segmento verrà evidenziato.
3. Fai clic sullo strumento Dipingi o Disegna nella sezione Effetti dell'Editor segmenti per avviare la segmentazione manuale.
   NOTA: è consigliabile iniziare la segmentazione su un piano (coronale, assiale o sagittale) e, dopo aver completato la segmentazione in tutte le sezioni, passare ad altri piani per controllare e perfezionare la segmentazione manuale. Si suggerisce che l'utente inizi con i piani assiali o coronali poiché il plesso coroideo del ventricolo laterale è più facilmente visibile in queste viste.
4. Quando si utilizza lo strumento Disegna , fare clic con il pulsante sinistro del mouse e tenere premuto per disegnare un contorno al contorno del plesso coroideo del ventricolo laterale. Una volta tracciato, fare clic con il pulsante destro del mouse per riempire l'area disegnata.
5. Quando si utilizza lo strumento Disegno , selezionare prima il diametro del pennello da utilizzare per dipingere. Si consiglia un pennello al 3% o al 5% per una delineazione più precisa del plesso coroideo, mentre il 10% può essere utile per selezioni più ampie.
6. Per entrambi gli strumenti, utilizzare Dipingi o Cancella per correggere eventuali delineazioni errate aggiungendo o rimuovendo selezioni.
   NOTA: Fare riferimento ad altri piani visivi può aiutare a identificare la struttura del plesso coroideo del ventricolo laterale rispetto ad altre strutture cerebrali, come la materia grigia circostante, il fornice, il corpo calloso o l'ippocampo. L'utente è incoraggiato a escludere le scansioni cerebrali in cui sono state identificate cisti del plesso coroideo.
7. Utilizzare il livello del nucleo rosso come punto di riferimento per arrestare la segmentazione del plesso coroideo nei ventricoli laterali.

7. Delineare le ROI del plesso coroideo del terzo e quarto ventricolo

NOTA: Le immagini T1w a risoluzione più elevata (come 0,7 o 0,8 mm) e quelle ottenute su una risonanza magnetica 7T fornirebbero una segmentazione manuale più accurata e affidabile del plesso coroideo del terzo e quarto ventricolo. La segmentazione del plesso coroideo del terzo e quarto ventricolo è più difficile rispetto al plesso coroideo del ventricolo laterale poiché queste regioni possono essere molto più piccole e con meno voxel da delineare.

1. Per il plesso coroideo del terzo ventricolo, iniziare dal piano sagittale e utilizzare il forame di Monro, il fornice, il corpo calloso, il talamo e la vena cerebrale interna come punti di riferimento per individuare il plesso coroideo nel 3^° ventricolo. Spostarsi tra le fette all'interno dello stesso piano può aiutare a determinare se una regione è il fornice, il talamo, la vena o il plesso coroideo del terzo ventricolo.
   1. Una volta apportate le modifiche sul piano sagittale, passare alle viste rimanenti (assiale e coronale) per assicurarsi che la segmentazione manuale del plesso coroideo del terzo ventricolo non selezioni il parenchima cerebrale circostante o il liquido cerebrospinale.
2. Allo stesso modo, per il plesso coroideo del quarto ventricolo, iniziare sul piano sagittale e utilizzare il peduncolo cerebellare superiore, il ponte e il midollo come punti di riferimento per individuare il plesso coroideo nel quarto ventricolo. Spostarsi tra le fette all'interno dello stesso piano può aiutare a determinare se una regione è il cervelletto, la tonsilla cerebellare, il velum midollare inferiore o il plesso coroideo del 4^° ventricolo.
   1. Una volta completate le modifiche sul piano sagittale, passare alle viste rimanenti (assiale e coronale) per assicurarsi che la segmentazione manuale del plesso coroideo del quarto ventricolo non selezioni il parenchima cerebrale circostante o il liquido cerebrospinale.

8. Calcolo dei volumi del plesso coroideo

1. Dal menu a discesa Moduli , vai a Quantificazione e seleziona Statistiche segmento.
2. In Ingressi, selezionare la nuova mappa di segmentazione per la quantificazione nello strumento Segmentazione e scegliere il volume MRI dal volume scalare. Per Tabella di output (in Output), scegli l'opzione Tabella . Una volta completato, premere Applica e apparirà una tabella contenente il volume del plesso coroideo in varie unità.

9. Salvataggio dei risultati dei segmenti e del volume

1. Fare clic sul pulsante Salva nell'angolo in alto a sinistra della barra degli strumenti per salvare i file generati.
2. Salvare i file di segmentazione come .nrrd (file di slicer 3D), .nii.gz (file NIFTI) o .tsv (file di tabella).

10. Determinazione dell'accuratezza, delle prestazioni e dell'accordo della segmentazione

NOTA: Si consiglia di utilizzare il pacchetto MONAI (vedere la tabella dei materiali), che descrive il coefficiente dei dadi (DC) e la distanza superficiale media di DeepMind (avgSD). I dettagli su DC e avgSD sono descritti di seguito. Per calcolare queste metriche, i lettori dovranno sapere come programmare (ad esempio, python, leggere le immagini dal disco, riformattare i dati negli array di input appropriati per queste funzioni). Non esiste un pacchetto user-friendly che includa tutte queste metriche.

1. Il punteggio DC è un approccio standard per quantificare la sovrapposizione di due domini geometrici. Per calcolare il punteggio medio DC tra due segmentazioni, fornisci due tensori y_pred e y, ovvero immagini multi-frame con un fotogramma per ogni immagine di etichetta binarizzata. I tensori y_pred e y possono contenere segmentazioni di due diversi valutatori manuali, segmentazioni ripetute dello stesso valutatore o previsioni automatiche e verità di base manuali.
   1. Utilizzare la funzione monai.metrics.compute_meandice per calcolare il punteggio DC medio.
   2. Genera tensori di etichette binari adatti con monai.transforms.post.
      NOTA: il parametro include_background può essere impostato su False per escludere la prima categoria (indice canale 0) dal calcolo DC, che, per convenzione, si presume sia uno sfondo.
2. Si consideri il punteggio medio meno comune e si noti che l'approccio può differire in quanto esistono più definizioni per la distanza superficiale. Ad esempio, utilizzare la distanza massima (nota anche come distanza di Hausdorff, altamente sensibile ai valori anomali), la distanza media (come descritto qui) e il 95° percentile (altamente robusto) come misure utilizzate di frequente.
   1. Utilizzare la funzione compute_average_surface_distance per calcolare il punteggio avgSD.
   2. Assicurarsi che questa funzione calcoli la distanza media della superficie da y_pred a y in base all'impostazione predefinita.
   3. Inoltre, se symmetric = True, assicurarsi che venga restituita la distanza media della superficie simmetrica tra questi due input.
3. L'analisi statistica del punteggio DC e avgSD in più casi può essere eseguita utilizzando il robusto test di rango con segno di Wilcoxon per l'analisi a coppie.
4. Prendere in considerazione l'utilizzo del coefficiente di correlazione intraclasse (ICC) come un altro metodo comunemente usato per determinare se più partecipanti possono essere valutati in modo affidabile da valutatori diversi. Ricorda che ICC opera su una serie di misurazioni accoppiate (ad esempio, il volume) delle segmentazioni e non direttamente sulle immagini di segmentazione. Per calcolare ICC, usare il software R e R Studio (vedere Tabella dei materiali), che semplifica il processo.
   1. Scaricare il pacchetto usando install.packages("psych") e caricare la libreria(psych).
   2. Immettere il frame di dati, che include i partecipanti (righe) e un valutatore in ogni colonna, utilizzando Data <- data.frame(df). Quindi visualizzare le misurazioni utilizzando il grafico (Dati).
   3. Per eseguire ICC, utilizzare ICC(Data), che genera una tabella dei diversi tipi di ICC, ad esempio per ottenere i punteggi inter- o intra-rater.

Il metodo proposto è stato sottoposto a un perfezionamento iterativo per il plesso coroideo del ventricolo laterale, che ha comportato test approfonditi su una coorte di 169 controlli sani e 340 pazienti con rischio clinicamente elevato di psicosi30. Utilizzando la tecnica sopra descritta, gli autori hanno ottenuto un'elevata precisione e affidabilità intra-rater con un DC = 0,89, avgHD = 3,27 mm3 e ICC single-rater = 0,9730, dimostrando la forza del protocollo qui descritto.

Gestione dei problemi relativi al controllo qualità e alle impostazioni del filtro dei dati 3D
Prima di iniziare il processo di segmentazione, è necessario controllare la qualità della scansione cerebrale per assicurarsi che non vi siano movimenti della testa o artefatti che interferiscano con la segmentazione manuale (Figura 1A). Successivamente, la luminosità e il contrasto possono essere regolati per aiutare a migliorare la visualizzazione del plesso coroideo. Alcune scansioni cerebrali possono avere un movimento della testa ed è importante determinare se l'artefatto avrebbe un impatto negativo sulla delineazione del plesso coroideo (Figura 1B). Inoltre, le immagini con artefatti di luminosità e contrasto rendono difficile distinguere i bordi del plesso coroideo (Figura 1C,D). In questo caso, prova a regolare la luminosità e il contrasto fino a quando non è adatto per la segmentazione manuale. Assicurarsi che le scansioni cerebrali che non possono essere facilmente segmentate per il plesso coroideo siano escluse.

Segmentazione del plesso coroideo del ventricolo laterale
Come mostrato nella Figura 2, vengono utilizzate cinque parti principali per caricare e visualizzare le immagini (parte 1), selezionare diverse funzioni di slicer 3D (parte 2), strumenti per segmentare il plesso coroideo laterale (parte 3), visualizzare le immagini assiali, coronali e sagittali (parte 4), calcolare il volume del plesso coroideo del ventricolo laterale (parte 5) e salvare i risultati della segmentazione manuale. La scansione cerebrale T1w può essere caricata utilizzando l'interfaccia Welcome to Slicer scaricando i dati di esempio dal set di dati MRHead in 3D Slicer (Figura 3) o importando il file NIFTI o DICOM da un set di dati esistente (Figura 4A,B). In questo pannello è disponibile anche un'opzione per modificare la luminosità e il contrasto dell'immagine (Figura 4C). Dopo aver caricato la scansione cerebrale T1w, verrà visualizzata nell'interfaccia di visualizzazione della fetta e preparata per la segmentazione del plesso coroideo del ventricolo laterale. La segmentazione manuale viene creata utilizzando il modulo Editor segmenti (Figura 5A) e il nome del volume master può essere confermato nella Figura 5B. Nella Figura 5C, le etichette per il plesso coroideo del ventricolo laterale destro e sinistro possono essere aggiunte ed etichettate in diversi colori (Figura 5C) e la regione di interesse stessa può essere delineata utilizzando lo strumento Disegna o Disegna (Figura 5D). La Figura 6 etichetta il plesso coroideo del ventricolo laterale e le strutture cerebrali circostanti, come il nucleo caudato, l'ippocampo, il fornice e il terzo ventricolo, che fornisce punti di riferimento per la segmentazione del plesso coroideo del ventricolo laterale in alcune delle regioni più complesse. Per generare ed estrarre i dati sul volume del plesso coroideo dalle segmentazioni manuali, selezionare il modulo Statistiche segmento (Figura 7A). È possibile scegliere tra alcune opzioni per l'output dei dati (Figura 7B). I nuovi file contenenti il volume calcolato del plesso coroideo del ventricolo laterale possono ora essere salvati premendo il pulsante Salva (Figura 7C).

Segmentazione del plesso coroideo del terzo e quarto ventricolo
Come si vede nella Figura 8, il plesso coroideo del 3° ventricolo può essere facilmente visualizzato nel pannello in basso a sinistra che raffigura il piano sagittale. In particolare, il Forame di Monro può essere osservato inarcarsi sotto il corpo calloso, con il plesso coroideo evidenziato all'interno del terzo ventricolo in verde. Il terzo ventricolo e il plesso coroideo del terzo ventricolo possono essere visualizzati anche sul piano assiale e coronale (pannelli in alto a sinistra e in basso a destra della Figura 8, rispettivamente). Infine, un rendering 3D del plesso coroideo del terzo ventricolo è mostrato nel pannello in alto a destra della Figura 8. La Figura 9 etichetta il plesso coroideo del terzo ventricolo e le strutture cerebrali circostanti, tra cui il corpo calloso, il fornice, il talamo, la vena cerebrale interna e il terzo ventricolo, che fornisce punti di riferimento per la segmentazione del plesso coroideo del terzo ventricolo in alcune delle regioni più complesse.

Il plesso coroideo del quarto ventricolo è più difficile da vedere e può essere visto nella Figura 10. I piani sagittale e coronale (pannelli in basso a sinistra e in basso a destra della Figura 10) consentono la migliore visualizzazione della sua struttura. È necessario prestare attenzione per garantire che parti del cervelletto o del quarto ventricolo stesso non siano delineati come plesso coroideo. La Figura 11 etichetta il plesso coroideo del quarto ventricolo e le strutture cerebrali circostanti, tra cui il midollo, il ponte, il peduncolo cerebella superiore, il velum midollare inferiore e il quarto ventricolo, che fornisce punti di riferimento per la segmentazione del plesso coroideo del 4° ventricolo in alcune delle regioni più complesse.

Accuratezza, somiglianza e concordanza della segmentazione
La segmentazione delle strutture neuroanatomiche può essere confrontata direttamente in un visualizzatore di immagini, ma la somiglianza è talvolta difficile da valutare visivamente. Pertanto, misure quantitative come il DC52, che misura la sovrapposizione percentuale, e l'avgSD53, che misura le distanze tra le superfici di contorno delle strutture delineate, vengono utilizzate per confrontare le previsioni con la verità sul terreno o le segmentazioni manuali attraverso o all'interno dei valutatori per valutare l'affidabilità. Come illustrato nella Figura 12A, la DC per due segmentazioni 3D G e P è semplicemente il volume della sovrapposizione (intersezione) diviso per il volume medio53:

dove | . | rappresenta il volume. Misura la sovrapposizione su una scala compresa tra 0 e 1, dove un valore pari a 1 indica un accordo esatto e 0 segmentazioni disgiunte e viene spesso moltiplicato per 100 per rappresentare una sovrapposizione percentuale. La distanza superficiale media (ASD) misura la distanza media (in mm) tra tutti i punti x sul confine di G ( bd(G) ) al confine di P e viceversa (Figura 12B). È definito come

con distanza che rappresenta il minimo della norma euclidea53. A differenza del DC, un ASD più piccolo indica una migliore acquisizione dei limiti di segmentazione, con un valore pari a zero come minimo (corrispondenza perfetta). Si noti che a volte viene utilizzata anche la distanza massima o il 95° percentile invece della media, dove il massimo è altamente sensibile ai singoli valori anomali, mentre il 95° percentile è robusto ma può perdere piccoli ma rilevanti errori di segmentazione.

L'accordo delle stime di volume (non direttamente delle segmentazioni) tra un insieme di segmentazioni appaiate può essere misurato utilizzando l'ICC54. Ciò può essere ottenuto facendo valutare più partecipanti da più valutatori (ICC interclasse) o dallo stesso valutatore (ICC intraclasse) (Figura 12C). I punteggi ICC vanno da 0 (scarsa affidabilità) a 1 (eccellente affidabilità). Per l'affidabilità tra valutatori, si consiglia di utilizzare ICC1 (modello a effetti fissi unidirezionali) per i set di dati in cui ogni segmentazione viene eseguita da un valutatore diverso selezionato a caso. Inoltre, per i set di dati in cui più valutatori, scelti a caso, lavorano sulla stessa segmentazione, si consiglia di utilizzare ICC2 (modello a effetti casuali a due vie) per verificare l'accordo assoluto nelle segmentazioni. Infine, per l'affidabilità intra-rater, si raccomanda di utilizzare ICC3 (modello a effetti misti a due vie) (Figura 12C).

Figura 1: Controllo della qualità della scansione cerebrale. (A) Scansione cerebrale con buon contrasto e luminosità, nessuna evidenza di artefatti e nessun movimento della testa. (B) Scansione cerebrale che mostra il movimento della testa (freccia rossa). (C) Scansione cerebrale con alta luminosità e basso contrasto o (D) bassa luminosità e alto contrasto. Fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

Figura 2: La segmentazione del plesso coroideo del ventricolo laterale in 3D Slicer. (1) viene utilizzata per caricare le immagini DICOM o NIFTI e per salvare i risultati. (2) consiste in un menu a discesa che può essere utilizzato per accedere al modulo Editor segmenti (freccia gialla), che viene utilizzato per segmentare il plesso coroideo. Il modulo Quantificazione (freccia blu) può essere selezionato anche qui per calcolare il volume del plesso coroideo. (3) Mostra la barra degli strumenti del segmento, che include gli strumenti Disegna, Disegna e Cancella. (4) dimostra il plesso coroideo nelle viste assiali, sagittali e coronali dell'immagine T1w. Nell'angolo in alto a destra viene mostrato anche il rendering 3D del plesso coroideo. (5) visualizza i risultati del volume dalla segmentazione manuale del plesso coroideo, calcolati utilizzando il modulo Statistiche segmenti. I risultati finali possono essere salvati utilizzando il pulsante di salvataggio menzionato in (1). Fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

Figura 3: Caricamento dei dati di esempio di 3D Slicer. In questa figura viene illustrato come scaricare i dati di esempio dall'interfaccia di 3DSlicer. Innanzitutto, è necessario selezionare "Scarica dati di esempio", quindi scegliere "MRHead", che visualizza le viste assiale, sagittale e coronale della scansione cerebrale sul lato destro dello schermo. Fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

Figura 4: Caricamento della scansione cerebrale T1w. Questa figura mostra come caricare la scansione cerebrale T1w utilizzando i file NIFTI (pannello di sinistra) o DICOM (pannello di destra). (A) Per i file NIFTI, è necessario selezionare "Scegli directory da aggiungere" o "Scegli file da aggiungere", seguito da "OK". (B) Per i file DICOM, è necessario selezionare "Aggiungi dati DICOM", seguito da "Importa file DICOM" e quindi premere "OK". Questi due approcci visualizzeranno le viste assiale, sagittale e coronale della scansione cerebrale sul lato destro dello schermo. (C) Per regolare la luminosità e il contrasto delle immagini, è necessario selezionare il pulsante rosso. Fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

Figura 5: Segmentazione del plesso coroideo del ventricolo laterale. Dopo che la scansione cerebrale T1w è stata caricata nello slicer 3D. (A) Selezione del modulo "Editor di segmentazione". (B) Confermare il modulo e il volume master per la segmentazione manuale del plesso coroideo del ventricolo laterale. (C) Creazione di etichette per il plesso coroideo del ventricolo laterale destro e sinistro. (D) Utilizzo degli strumenti "disegna" e "dipingi" per delineare manualmente il plesso coroideo del ventricolo laterale. Fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

Figura 6: Strutture adiacenti al plesso coroideo del ventricolo laterale. Le strutture cerebrali adiacenti includono il fornice, il nucleo caudato, l'ippocampo e il terzo ventricolo. Fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

Figura 7: Calcolo del volume. Calcolo del volume del plesso coroideo e salvataggio dei segmenti e dei risultati del volume. (A) Selezione del modulo Statistiche segmento . (B) Selezione per l'output dei dati. (C) Premendo il pulsante Salva per salvare i nuovi file contenenti il volume calcolato del plesso coroideo del ventricolo laterale. Fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

Figura 8: Segmentazione del plesso coroideo del terzo ventricolo. Qui sono rappresentate le viste assiale, coronale e sagittale del plesso coroideo del terzo ventricolo che è stato segmentato manualmente utilizzando lo Slicer 3D. L'angolo in alto a destra mostra un rendering 3D del plesso coroideo del terzo ventricolo. Fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

Figura 9: Strutture adiacenti al plesso coroideo del terzo ventricolo. Le strutture cerebrali adiacenti includono il fornice, la vena cerebrale interna, il talamo, il corpo calloso e ilterzo ventricolo . Fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

Figura 10: Segmentazione del plesso coroideo del quarto ventricolo. Qui sono rappresentate le viste assiale, coronale e sagittale del plesso coroideo del quarto ventricolo che è stato segmentato manualmente utilizzando lo Slicer 3D. L'angolo in alto a destra mostra un rendering 3D del plesso coroideo del quarto ventricolo. Fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

Figura 11: Strutture adiacenti al plesso coroideo del quarto ventricolo. Le strutture cerebrali adiacenti includono il midollo allungato, il ponte, il cervelletto, il verme cerebellare e le tonsille cerebellari. Fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

Figura 12: Determinazione dell'accuratezza, delle prestazioni e dell'accordo della segmentazione. (A) Rappresentazione di come viene calcolata la sovrapposizione percentuale utilizzando il punteggio del coefficiente di dado (DC). (B) La distanza superficiale media (avgSD) misura le distanze tra le superfici di contorno delle strutture delineate al fine di confrontare le previsioni con la verità di base o le segmentazioni manuali attraverso o all'interno dei valutatori per valutare l'affidabilità. (C) Il coefficiente di correlazione intraclasse (ICC) può essere utilizzato per l'analisi dell'affidabilità tra valutatori (misurazioni ripetute dello stesso soggetto) o intra-valutatori (misurazioni multiple dagli stessi valutatori). Vengono forniti un esempio e un output rappresentativi. Fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

Gli autori non hanno interessi finanziari concorrenti.