Hoe kan ik Corticale Folding Meet vanaf MR Foto's: een stap-voor-stap handleiding voor lokale Gyrification Index Compute

Samenvatting

Het meten van gyrification (corticale vouwen) op elke leeftijd is er een venster in de vroege ontwikkeling van de hersenen. Vandaar dat we reeds ontwikkelde een algoritme om de lokale gyrification meten op duizenden punten over het halfrond ¹. In deze paper wordt detail de berekening van deze lokale gyrification index.

Samenvatting

Corticale vouwen (gyrification) wordt bepaald tijdens de eerste maanden van het leven, zodat de bijwerkingen die tijdens deze periode sporen die zullen te herkennen zijn op elke leeftijd te verlaten. Zoals onlangs beoordeeld door Mangin en zijn collega's ^twee verschillende methoden bestaan ​​om verschillende eigenschappen van gyrification kwantificeren. Zo kan sulcal morfometrie worden gebruikt om vorm te descriptoren zoals de diepte, lengte of indices van inter-hemisferische asymmetrie maat ^3. Deze geometrische eigenschappen hebben het voordeel dat ze gemakkelijk te interpreteren. Echter, sulcal morfometrie steunt stevig op de nauwkeurige identificatie van een bepaalde set van sulci en dus geeft een beschrijving van de gefragmenteerde gyrification. Een meer fijnkorrelige kwantificering van gyrification kan worden bereikt met kromming op basis van metingen, waar glad absolute gemiddelde kromming is meestal berekend op duizenden punten over de corticale oppervlak ^4. De kromming is echter niet straightforward te begrijpen, want het blijft onduidelijk of er een directe relatie tussen de curvedness en een biologisch zinvolle samenhangen, zoals corticale volume of oppervlak. Om de diverse kwesties die door de meting van de corticale vouwen, hebben we eerder ontwikkelde een algoritme om de lokale gyrification kwantificeren met een prachtige ruimtelijke resolutie en van eenvoudige interpretatie. Onze methode is geïnspireerd door de Gyrification Index ^5, een methode die oorspronkelijk gebruikt in de vergelijkende neuroanatomie van de corticale vouwen verschillen tussen de soorten te evalueren. In onze implementatie, die we de naam local Gyrification Index (GI l ^1), meten we de hoeveelheid van de cortex begraven in de sulcal plooien in vergelijking met de hoeveelheid zichtbare cortex in ronde regio's van belang. Gezien het feit dat de cortex voornamelijk groeit door radiale uitbreiding van ^zes, is onze methode speciaal ontworpen om vroegtijdig afwijkingen van de corticale ontwikkeling te identificeren.

In eis artikel, wij detail de berekening van de lokale Gyrification Index, die nu wordt gratis verspreid als onderdeel van de FreeSurfer Software ( http://surfer.nmr.mgh.harvard.edu/ , Martinos Center for Biomedical Imaging, Massachusetts General Hospital) . FreeSurfer biedt een reeks van geautomatiseerde tools reconstructie van corticale de hersenen het oppervlak van structurele MRI data. Het corticale oppervlak onttrokken in de oorspronkelijke ruimte van de beelden met een sub-millimeter nauwkeurig wordt verder gebruikt voor de creatie van een buitenste oppervlak, dat zal dienen als een basis voor de l GI berekening. Een cirkelvormig gebied van belang is dan afgebakend op de buitenkant, en het bijbehorende gebied van de rente op de corticale oppervlak is geïdentificeerd door middel van een matching-algoritme zoals beschreven in ons onderzoek ^een validatie. Dit proces wordt herhaaldelijk herhaald met grotendeels overlappende regio's van belang, wat resulteert in corticale kaarten van gyrification voorr de volgende statistische vergelijkingen (afb. 1). Van de nota, was een andere meting van de lokale gyrification met een vergelijkbare inspiratie voorgesteld door Toro en collega's ^7, waar de vouwen index op elk punt wordt berekend als de verhouding van de corticale regio die in een bol, gedeeld door de oppervlakte van een schijf met dezelfde radius. De twee implementaties verschillen in dat het een door Toro et al.. is gebaseerd op de Euclidische afstand en dus beschouwt discontinue stukken van corticale gebied, terwijl die van ons maakt gebruik van een strenge geodetische algoritme en omvatten alleen de continue patch van corticale gebied opening aan de hersenen oppervlak in een cirkelvormig gebied van belang.

Protocol

1. Reconstrueren van de 3D-corticale oppervlak

Dit eerste deel van het protocol maakt gebruik van de standaard FreeSurfer pijplijn, zoals beschreven in de Wiki ( http://surfer.nmr.mgh.harvard.edu/fswiki ). Merk op dat de commando's die hier een gedetailleerde manier van het bereiken van de corticale oppervlak reconstructies te beschrijven, maar equivalente commando's kunnen ook worden gebruikt.

1. Importeer de ruwe MRI DICOM in FreeSurfer en controleer de kwaliteit van het beeld (bijvoorbeeld dat de oriëntatie correct is, het contrast voldoende en de beelden niet verplaatst). Dit proces maakt gebruik van de volgende opdrachten (vervang de tekst tussen <...> (inclusief) met waarden geschikt om een ​​specifiek geval, en "#" geeft commentaar):
   
   mksubjdirs # Maak de map architectuur gebruikt door FreeSurfer
   CD / Mri # ga naar de MRI-map van uw onderwerp
   mri_convert-cm tkmedit 001.mgz # visualiseren het geconverteerde volume
   
   
2. Maak de drie-dimensionale corticale mesh modellen ^8,9. Om te gaan met het probleem van begraven sulci, FreeSurfer maakt eerst een unitaire witte stof volume, die wordt gebruikt als uitgangspunt voor de eerste grijs-wit oppervlak. Dit oppervlak wordt vervolgens geoptimaliseerd op basis van de lokale gradiënt van intensiteit en verder uitgebreid om de grijze-CSF-interface.
   
   reconstructie-all-s # Lancering van de corticale oppervlakte-reconstructie
   
   Aan het eind van het proces van wederopbouw, dan krijg je twee mesh modellen bestaat uit ongeveer 150.000 punten voor elk halfrond: een wit (grijs-wit-interface) en een pial (grijs-CSF-interface) oppervlak. Het is belangrijk op te merken dat alle oppervlakken en volumes blijven in de eigen ruimte, waardoor meting zoals volume, oppervlakte, dikte of gyrification index wordt gemeten zonder vervorming.
   
3. Controleer voor de juistheid van deze gereconstrueerd oppervlakken:
   
   tkmedit T1.mgz? H.pial # het witte oppervlak is bedekt in groen en de pial oppervlak in het rood
   
   waarbij h staat voor het halfrond:? lh.pial voor de linker hersenhelft en rh.pial voor de rechter hersenhelft. De Figuur 2 (in twee versies: een geanimeerde gifjes te worden opgenomen in de film en een statisch een voor de website) toont een voorbeeld van de juiste witte en pial oppervlakken reconstructies voor de "bert" onderwerp verdeeld, samen met de FreeSurfer pakket. Als u handmatig te corrigeren het resultaat van het proces van wederopbouw, vindt u een tutorial over het FreeSurfer Wiki ( http://surfer.nmr.mgh.harvard.edu/fswiki/FsTutorial/WhiteMatterEdits ,

2. Bereken de lokale Gyrification Index

Als u tevreden bent met uw oppervlakken, bereken de lokale Gyrification Index (l GI) met het commando:

reconstructie-all-LGI-s

Deze opdracht loopt meestal voor ongeveer 3 uur voor de twee helften van een studie deelnemer, afhankelijk van de kracht van uw werkstation. De verschillende stappen van l GI proces zijn een overzicht gegeven in Fig. 1. De computer begint met de schepping van een buitenste oppervlak met behulp van morfologische het sluiten van de werking. Deze buitenkant, aangeduid? H.pial_outer_smoothed, wordt verder geïllustreerd in Fig. 3. Vervolgens zijn ongeveer 800 overlappende ronde gebieden die van belang zijn gemaakt op de buitenkant. Voor elk van deze regio's, is een overeenkomstige gebied van belang, zoals omschreven opde pial oppervlak. De hele berekening eindigt met de oprichting van een individuele kaart met een l GI-waarde voor elk punt van de corticale oppervlak (dat wil zeggen ~ 150.000 waarden per halfrond).

3. Bekijk het resultaat van de l GI berekening per halfrond

tksurfer ? H pial-overlay / Surf /? H.pial_lgi-fthresh een

De l GI-waarden zijn overlay over het corticale oppervlak. Als juist l GI-waarden zijn meestal tussen 1 en 5, waarin de minimale drempel van 1 (met de optie fthresh) kan een snelle check: je moet geen grijze corticale gebied te zien. Een voorbeeld van een juiste individuele resultaat is weergegeven in Fig. 4.

4. Statistische groep vergelijkingen

Het doel is om het effect van de groep te kwantificeren bij elke top over het corticale oppervlak, terwijl correctie voor het effect van geslacht enleeftijd. U moet hetzelfde proces te volgen als je wilt corticale dikte te vergelijken bij elke top, maar geven? H.pial_lgi in plaats van? H.thickness. Twee opties zijn mogelijk om de statistische groep vergelijkingen berekenen: de klassieke commando's worden eerst vermeld, en de grafische interface (Qdec) is kort daarna vermeld.

1. De eerste optie om te l GI resultaten te vergelijken tussen groepen gebruik maken van de commando's hieronder, verdere details zijn te verkrijgen op https://surfer.nmr.mgh.harvard.edu/fswiki/FsTutorial/GroupAnalysis .
   1. Eerst moet je een studie specifieke sjabloon geven van al uw onderwerpen in ingang te maken:
      
      make_average_subject - onderwerpen ...
      
      Het commando hierboven zal leiden tot een onderwerp met de naam "gemiddelde". Als alternatief kunt u gebruik maken van de onderwerp "fsavewoede 'verspreid als een onderdeel van de FreeSurfer distributie.
   2. Maak vervolgens het tekstbestand met de beschrijving van de onderwerpen die betrokken zijn bij je studie (de "FreeSurfer groep Descriptor File"). Uw FSGD.txt ziet er als volgt uit:
      
      GroupDescriptorFile een
      Groep Control_Male
      Groep Control_Female
      Groep Patient_Male
      Groep Patient_Female
      Variabelen leeftijd
      Invoer Patient_Male 20
      Invoer Control_Female 23
      <...>
   3. Resample de l GI gegevens in de ruimte van het gemiddelde onderwerp met behulp van de volgende opdracht voor elk halfrond:
      
      mris_preproc - fsgd FSGD.txt - beoogde gemiddelde -? hemi h - maatre pial_lgi -? out h.lgi.mgh
      
   4. Strijk de gegevens op de corticale oppervlak om het signaal terug te brengen tot geluid:
      
      mri_surf2surf -? hemi h - s gemiddeld -? sval h.lgi.mgh - FWHM 10 -? tval h.10.lgi.mgh
      
   5. Bereken de groep vergelijking op het niveau van elk hoekpunt. Voor dat je nodig hebt om een ​​contrast tekstbestand (bijvoorbeeld te maken in het geval van de FSGD.txt hierboven beschreven, zal de "contrast.txt" bevatten de waarden "1 1 -1 -1 0" om het verschil tussen controles en berekenen patiënten, terwijl correctie voor leeftijd en geslacht). Tenslotte lopen de vergelijking:
      
      mri_glmfit - y h.10.lgi.mgh -? fsgd FSGD.txt Doss -? glmdir h.lgi.glmdir - surf gemiddelde h -? C contrast.txt
      
   6. Visualiseer de resultaten op uw gemiddelde onderwerp met behulp van tksurfer:
      
      tksurfer gemiddelde? h opgeblazen
      
      Dan belasting als overlay de sig.mgh bestand in de map? H.lgi.glmdir / contrast.txt / sig.mgh. Met behulp van de optie "configure overlay" kunt u verder aanpassen van de p drempel als juist voor meerdere vergelijkingen met behulp van valse discovery rate ^10.
      
2. Het alternatief voor groep comvergelijking is het gebruik van Qdec, een grafische user interface geïmplementeerd in FreeSurfer. Het gebruik van Qdec met de lokale Gyrification Index betekent dat je vooraf een soepele de l GI gegevens:
   
   reconstructie-all-qcache-maat pial_lgi-gemiddelde -S
   
   Met Qdec, is de FreeSurfer Groep descriptorbestand vervangen door een iets andere versie, de Data Table (qdec.table.dat) dat de beschrijving van de verschillende groepen en andere verstorende variabelen zoals leeftijd omvat. Een gedetailleerde beschrijving van het gebruik van Qdec wordt gegeven aan http://surfer.nmr.mgh.harvard.edu/fswiki/FsTutorial/QdecGroupAnalysis .
   Van de nota, indien de l GI is niet beschikbaar in de lijst van de afhankelijke variabelen in Qdec, moet u de volgende regel toe te voegen aan het Qdecrc bestand in uw home directory.:
   
   MEASURE1 = pial_lgi

5. Analyse

Als alternatief zou de statistische analyses uiteindelijk worden berekend op het niveau van de corticale parcellation geïntegreerd in FreeSurfer ^11. Voor dat doel, kan de gemiddelde l GI-waarden worden gehaald voor de 34 gyral regio's van belang zijn voor elk halfrond, en deze metingen verder kunnen worden vergeleken tussen de verschillende groepen. Dit pakket-wise analyse (in tegenstelling tot de vertex-wise analyse hierboven beschreven) kan aantrekkelijk zijn omdat het beperkt de hoeveelheid statistische vergelijkingen. Echter, de GI l op elk punt kwantificeert de gyrification in de omgeving cirkelvormige gebied, zodat de gemiddelde GI l in een gyral regio van belang ook weerspiegelt tot op zekere hoogte de gyrification in de naburige regio's van belang.

Ten slotte, hoewel de belangrijkste kwesties zijn beschreven in dit protocol, een oplossing voor de andere problemen die zich kunnen voordoen tijdens het FreeSurfer of de l GI verwerking kan worden gevonden in het archief van de FreeSurfer mailing list ( http://surfer.nmr.mgh.harvard.edu/fswiki/FreeSurferSupport ).

6. Representatieve resultaten

Zoals beschreven in paragraaf 1c van het protocol, moet u altijd zorgvuldig te controleren van de juistheid van de reconstructie van de corticale oppervlak voorafgaand aan de l GI berekening. Terwijl u tussen de frontale en de occipitale kwab, bijzondere aandacht schenken dat schepen en membraan niet zijn opgenomen in de pial oppervlak. Controleer ook of het witte oppervlak nauwkeurig de grijs-witte interface volgt. Een voorbeeld van correcte reconstructie wordt gegeven in figuur 2 (zie de animated gif cijfer voor het hele volume).

Aan het einde van de l GI berekening, dan heb je ook het resultaat voor beide hemisferen van elk onderwerp te controleren.Er mag geen corticale gebied met een l GI resultaat kleiner dan 1. De sectie 3 van het protocol en het cijfer 4 te laten zien hoe te corrigeren controleren of de uitvoer van de l GI berekening correct is.


Figuur 1. Overzicht van de l GI berekening. Eerst drie-dimensionale corticale mesh modellen zijn gereconstrueerd op basis van de ruwe beelden met behulp van de standaard FreeSurfer pijplijn. Deze reconstructie algoritmes gebruiken een binair witte stof volume als uitgangspunt om de kwestie van begraven sulci te overwinnen. De corticale mesh modellen omvat typisch ongeveer 150.000 punten en zijn klassiek gebruikt om corticale dikte te berekenen op ieder punt. Ook zullen de lokale Gyrification Index (l GI) worden berekend bij elke top. Voor dat doel, is een buitenkant gemaakt. Dan overeenkomstige ronde regio's van belang zijn geïdentificeerd op de buitenste eend corticale oppervlak met behulp van matching-algoritme. Na ongeveer 800 van het genereren van overlappende regio's van belang, het proces resulteert in de creatie van de individuele kaarten van l GI. Deze kaarten kunnen gemakkelijk worden geïnterpreteerd: een index van 5 betekent dat er vijf keer meer corticale oppervlak binnen de sulci geïnvagineerde in de omgeving dat de hoeveelheid zichtbare corticale oppervlak; een index van 1 betekent dat de cortex plat in de omgeving . Tot slot, zijn statistische groep vergelijkingen berekend op het niveau van elke top, vergelijkbaar met corticale dikte van vergelijkingen.

Figuur 1B. Individuele corticale kaart van l GI. Dit filmpje toont een 360-graden rotatie van een individuele corticale LGI kaart zoals getoond in Fig. 1. Het is opvallend dat de corticale gebieden met een hoger l GI-waarden komen overeen met de eerste vouw worden gemaakt tijdens de in utero leven: de Sylvian spleet, de superieure temporale sulcus en de intraparietal sulcus op de laterale opname van de hersenen, en de parietooccipitalis sulcus aan de mediale uitzicht op de hersenen. View movie


Figuur 2. Voorbeeld van een geschikte corticale oppervlakte-reconstructie (een coronale gedeelte). Na het einde van het proces van wederopbouw, het corticale oppervlak moet nauwkeurig worden gecontroleerd in de gehele cerebrale volume. De binnenste corticale oppervlak (aangeduid wit oppervlak, in het groen op de afbeelding) moet nauwkeurig volgen van de grijs-witte interface. De buitenste corticale oppervlak (dwz grijs-CSF-interface, aangeduid pial oppervlakte, hier in rood) mogen geen een stuk van het schip of membraan. Van de nota, het voorbeeld hier gepresenteerde maakt gebruik van de "bert" onderwerp verdeeld, samen met de FreeSurfer pakket.

Figuur 2B. Voorbeeld van een geschikte corticale oppervlak reconstructie (volledige volume). Deze geanimeerde GIF-afbeelding toont de corticale oppervlak van de linker hemisfeer van de "bert" onderwerp op elk coronale gedeelte, zoals gezien door te bladeren van de meest frontale tot de meest occipital coronale secties met FreeSurfer. View movie


Figuur 3. Voorbeeld van de buitenkant berekend als een onderdeel van het l GI-proces (een coronale gedeelte). De eerste stap in de L-GI berekening is het creëren van een buitenkant omhult het halfrond. Dit oppervlak (aangeduid? H.pial_outer_smoothed in FreeSurfer) kan worden gecontroleerd met behulp tkmedit. Hier is de "bert" onderwerp gedistribueerd met FreeSurfer als voorbeeld gebruikt.

Figuur 3B. Voorbeeld van de buitenkant berekend als een deel van het GI l proces (volledige volume). Deze geanimeerde gifjestoont de buitenkant van de linker hemisfeer op elke coronale gedeelte, gezien door te bladeren van de meest frontale tot de meest occipital coronale secties met tkmedit in FreeSurfer. View movie


Figuur 4. Voorbeeld van de juiste l GI-uitgang zoals ze worden weergegeven met FreeSurfer. Verschillende oriëntaties van de corticale oppervlak van de "bert" onderwerp met l GI-waarden bedekt. De kleur-code is de standaard "warmte" overlay zoals te zien is met tksurfer in FreeSurfer. Met behulp van een minimum van 1, moeten alle hoekpunten worden gekleurd en er geen corticale gebied moet appeer in het grijs. Van de nota, kan de kleur overlay worden gewijzigd met behulp van de optie "Configure Overlay" in tksurfer, waar de minimale en maximale waarden, evenals het histogram van de totale verdeling van de l GI kan ook worden gecontroleerd.

Discussie

Het protocol hiervoor wordt beschreven hoe u de lokale Gyrification Index te meten op basis van cerebrale T1-gewogen MRI en het gedrag statistische groep vergelijkingen. Onze methode is speciaal ontworpen om te lokaliseren vroeg onderbreking in de corticale expansie-proces en als zodanig is van bijzonder belang in veel neurologische of psychiatrische aandoeningen. Voorbeelden van de groep vergelijkingen in klinische monsters zijn te vinden in de publicaties van onze groep ^1,12 of door anderen ^13-16.

Materialen

Lijst van materialen gebruikt in dit artikel

Naam	Bedrijf	Catalogusnummer	Opmerkingen
Naam van het apparaat	Vennootschap	Catalogus nummer	Reacties
FreeSurfer	Martinos Center for Biomedical Imaging, MGH		Versie nieuwer dan 4.0.3
Matlab	MathWorks		Image Processing Toolbox