Methodenartikel

Handmatige segmentatie van de menselijke plexus choroideus met behulp van hersen-MRI

4.3K weergaven

⸱

DOI:

10.3791/65341

⸱

15 december 2023

 ,  ,  ,  , 
1Department of Psychiatry, Beth Israel Deaconess Medical Center, 2Division of Translational Neuroscience, Beth Israel Deaconess Medical Center, 3Huaxi MR Research Center (HMRRC), Department of Radiology, West China Hospital of Sichuan University, 4Department of Psychiatry and Psychotherapy, Jena University Hospital, 5AI in Medical Imaging, German Center for Neurodegenerative Diseases (DZNE), 6A. A. Martinos Center for Biomedical Imaging, Massachusetts General Hospital, 7Department of Radiology, Harvard Medical School, 8Department of Psychiatry, Harvard Medical School

* These authors contributed equally

In dit artikel

Samenvatting

Ondanks de cruciale rol van de plexus choroideus in de hersenen, zijn neuroimaging-studies van deze structuur schaars vanwege het gebrek aan betrouwbare geautomatiseerde segmentatietools. Het huidige protocol heeft tot doel te zorgen voor een handmatige segmentatie van de plexus choroideus die toekomstige neuroimaging-onderzoeken kan informeren.

Samenvatting

De plexus choroideus is betrokken bij de neurologische ontwikkeling en een reeks hersenaandoeningen. Er zijn aanwijzingen dat de plexus choroideus van cruciaal belang is voor de rijping van de hersenen, de regulatie van het immuunsysteem/de ontsteking en het gedragsmatig/cognitief functioneren. De huidige geautomatiseerde neuroimaging-segmentatietools zijn echter slecht in het nauwkeurig en betrouwbaar segmenteren van de plexus choroideus laterale ventrikel. Bovendien is er geen bestaand hulpmiddel dat de plexus choroideus in de derde en vierde ventrikels van de hersenen segmenteert. Er is dus een protocol nodig dat aangeeft hoe de plexus choroideus in de laterale, derde en vierde ventrikel moet worden gesegmenteerd om de betrouwbaarheid en reproduceerbaarheid te vergroten van studies die de plexus choroideus onderzoeken bij neurologische ontwikkelings- en hersenaandoeningen. Dit protocol biedt gedetailleerde stappen voor het maken van afzonderlijk gelabelde bestanden in 3D Slicer voor de plexus choroideus op basis van DICOM- of NIFTI-afbeeldingen. De plexus choroideus wordt handmatig gesegmenteerd met behulp van de axiale, sagittale en coronale vlakken van T1w-beelden, waarbij ervoor wordt gezorgd dat voxels worden uitgesloten van grijze of witte stofstructuren die grenzen aan de ventrikels. De venstering zal worden aangepast om te helpen bij de lokalisatie van de plexus choroideus en zijn anatomische grenzen. Methoden voor het beoordelen van nauwkeurigheid en betrouwbaarheid zullen worden gedemonstreerd als onderdeel van dit protocol. Gouden standaard segmentatie van de plexus choroideus met behulp van handmatige afbakeningen kan worden gebruikt om betere en betrouwbaardere geautomatiseerde segmentatietools te ontwikkelen die openlijk kunnen worden gedeeld om veranderingen in de plexus choroideus gedurende de levensduur en binnen verschillende hersenaandoeningen op te helderen.

Inleiding

Plexus choroideus functie
De plexus choroideus is een sterk gevasculariseerde structuur in de hersenen die bestaat uit gefenestreerde haarvaten en een monolaag van epitheelcellen van de plexus choroideus1. De plexus choroideus projecteert in de laterale, derde en vierde hersenventrikels en produceert cerebrospinale vloeistof (CSF), die een belangrijke rol speelt bij neurale patronen2 en hersenfysiologie 3,4. De plexus choroideus scheidt neurovasculaire stoffen af, omvat een stamcelachtige opslagplaats en fungeert als een fysieke barrière om de toegang van toxische metabolieten te belemmeren, een enzymatische barrière om delen te verwijderen die de fysieke barrière omzeilen, en een immunologische barrière om te beschermen tegen vreemde indringers. De plexus choroideus moduleert neurogenese6, synaptische plasticiteit7, ontsteking8, circadiaans ritme 9,10, darmhersenas11 en cognitie12. Bovendien kunnen perifere cytokines, stress en infectie (waaronder SARS-CoV-2) de bloed-CSF-barrière verstoren 13,14,15,16. Het choroideus plexus-CSF-systeem is dus een integraal onderdeel van neurologische ontwikkeling, rijping van het neurocircuit, homeostase van de hersenen en herstel17. Aangezien immuun-, inflammatoire, metabole en enzymatische veranderingen van invloed zijn op de hersenen, gebruiken onderzoekers neuroimaging-instrumenten om de rol van de plexus choroideus gedurende de levensduur en bij hersenaandoeningen te beoordelen 18,19,20. Er zijn echter beperkingen in veelgebruikte geautomatiseerde tools voor segmentatie van de plexus choroide, zoals FreeSurfer, waardoor de plexus choroideus slecht gesegmenteerd is. Er is dus een kritieke behoefte aan handmatige segmentatie van de plexus choroideus die kan worden gebruikt om een nauwkeurig geautomatiseerd hulpmiddel voor segmentatie van de plexus choroideus te ontwikkelen.

Plexus choroideus bij neurologische ontwikkeling en hersenaandoeningen
De rol van de plexus choroideus bij hersenaandoeningen is lange tijd verwaarloosd, vooral omdat het werd beschouwd als een ondersteunende speler wiens rol het was om de hersenen op te vangen en een goede zoutbalans te handhaven 2,21. De plexus choroideus heeft echter aandacht gekregen als een structuur die verband houdt met hersenaandoeningen zoals pijnsyndromen22, SARS-CoV-216,23,24, neurologische ontwikkeling2 en hersenaandoeningen19, wat wijst op een transdiagnostisch effect bij de ontwikkeling van gedragsstoornissen. Bij neurologische ontwikkelingsstoornissen werden cysten van de plexus choroideus geassocieerd met een verhoogd risico op ontwikkelingsachterstand, aandachtstekortstoornis met hyperactiviteit (ADHD) of autismespectrumstoornis (ASS)25,26. Bovendien bleek het volume van de plexus choroideus lateraal ventrikel verhoogd te zijn bij patiënten met ASS27. Bij hersenaandoeningen zijn sinds 1921 afwijkingen van de plexus choroideus beschreven bij psychotische stoornissen28,29. Eerdere studies hebben verbale plexusvergroting geïdentificeerd met behulp van FreeSurfer-segmentatie bij een grote steekproef van patiënten met psychotische stoornissen in vergelijking met zowel hun eerstegraads familieleden als controles19. Deze bevindingen werden gerepliceerd met behulp van handmatig gesegmenteerd plexusvolume van het vaatvlies in een grote steekproef van de klinische populatie met een hoog risico op psychose en ontdekten dat deze patiënten een groter volume van de plexus choroideus hadden in vergelijking met gezonde controles. Er is een groeiend aantal onderzoeken die vergroting van de plexus choroideus aantonen bij complex regionaal pijnsyndroom22, beroerte31, multiple sclerose20,32, Alzheimer33,34 en depressie35, waarbij sommige een verband aantonen tussen perifere en immuun-/ontstekingsactiviteit in de hersenen. Deze neuroimaging-onderzoeken zijn veelbelovend; een slechte segmentatie van de plexus choroidus choroides laterale ventrikel door FreeSurfer21 beperkt echter de betrouwbaarheid van geautomatiseerde schatting van het volume van de plexus choroideus (choroideus plexus). Als gevolg hiervan zijn studies in multiple sclerose20,32, depressie35, Alzheimer34 en vroege psychose36 begonnen met het handmatig segmenteren van de laterale ventrikel choroideuze plexus, maar er zijn geen huidige richtlijnen voor hoe dit te doen, noch is hun begeleiding voor het segmenteren van de derde en vierde ventrikel choroideuze plexus.

Veelgebruikte segmentatietools sluiten de plexus choroideus uit
Hersensegmentatiepijplijnen zoals FreeSurfer37,38,39, FMRIB Software Library (FSL)40, SLANT41 en FastSurfer (ontwikkeld door de co-auteur Martin Reuter)42,43, segmenteren nauwkeurig en betrouwbaar corticale en subcorticale structuren met behulp van atlasgebaseerde (FSL), atlas- en oppervlaktegebaseerde (FreeSurfer) en deep learning-segmentatieparadigma's (SLANT en FastSurfer). Zwakke punten van sommige van deze benaderingen zijn onder meer verwerkingssnelheid, beperkte generalisatie naar verschillende scanners, veldsterktes en voxelgroottes37,44, en geforceerde uitlijning van de labelkaart in een standaard atlasruimte. De mogelijkheid om de plexus choroideus te segmenteren en de compatibiliteit met MRI met hoge resolutie wordt echter alleen aangepakt door FreeSurfer en FastSurfer. De neurale netwerken achter FastSurfer zijn getraind op FreeSurfer-choroïde plexuslabels, dus ze erven de eerder besproken betrouwbaarheids- en dekkingsbeperkingen van FreeSurfer, waarbij de derde en vierde ventrikels worden genegeerd21. De huidige beperkingen voor MRI met hoge resolutie bestaan ook, maar FreeSurfer's stream45 met hoge resolutie en FastSurferVINN43 kunnen worden gebruikt om dit probleem op te lossen.

Huidige segmentatietools voor plexus choroideus
Er is slechts één vrij beschikbaar segmentatiehulpmiddel voor de plexus choroideus, maar de segmentatienauwkeurigheid is beperkt. Nauwkeurige segmentatie van de plexus choroideus kan worden beïnvloed door verschillende factoren, waaronder (1) variabiliteit in de locatie van de plexus choroideus (ruimtelijk niet-stationair) vanwege de locatie in de ventrikels, (2) verschillen in voxelintensiteit, contrast, resolutie (heterogeniteit binnen de structuur) als gevolg van cellulaire heterogeniteit, dynamische plexusfunctie van het vaatvlies, pathologische veranderingen of gedeeltelijke volume-effecten, (3) leeftijds- of pathologiegerelateerde verschillen in ventriculaire grootte die van invloed zijn op de grootte van de plexus choroideus, en (4) nabijheid van aangrenzende subcorticale structuren (hippocampus, amygdala, caudaat en cerebellum), die ook moeilijk te segmenteren zijn. Gezien deze uitdagingen wordt de plexus choroideus vaak onderschat of overschat of genegeerd door FreeSurfer-segmentaties.

Drie recente publicaties gingen in op de lacune van betrouwbare segmentatie van de plexus choroideus met een Gaussiaans mengselmodel (GMM)46, een axiaal-MLP47 en op U-Net gebaseerde deep learning-benaderingen48. Elk model werd getraind en geëvalueerd met behulp van privé, handmatig gelabelde datasets van maximaal 150 proefpersonen met een beperkte diversiteit aan scanners, sites, demografische gegevens en aandoeningen. Hoewel deze publicaties 46,48,49 significante verbeteringen bereikten ten opzichte van FreeSurfer's choroid plexus segmentatie - soms een verdubbeling van de kruising van voorspelling en grondwaarheid, is geen van beide methoden (1) gevalideerd in MRI met hoge resolutie, (2) heeft speciale generalisatie- en betrouwbaarheidsanalyses, (3) beschikt over grote representatieve trainings- en testdatasets, (4) richt zich specifiek op of analyseert choroid plexus segmentatie-uitdagingen zoals gedeeltelijke volume-effecten, of (5) is openbaar beschikbaar als een kant-en-klaar hulpmiddel. De huidige "gouden standaard" voor segmentatie van de plexus choroideus is dus handmatige tracering, bijvoorbeeld met behulp van 3D Slicer50 of ITK-SNAP51, die nog niet eerder is beschreven en een grote uitdaging is geweest voor onderzoekers die de rol van de plexus choroideus in hun studies willen onderzoeken. 3D Slicer werd gekozen voor handmatige segmentatie vanwege de bekendheid van de auteur met de software en omdat het de gebruiker verschillende tools biedt op basis van verschillende benaderingen die kunnen worden gecombineerd om het gewenste resultaat te verkrijgen. Andere tools kunnen worden gebruikt, zoals ITK-SNAP, dat voornamelijk gericht is op beeldsegmentatie, en als de tool eenmaal onder de knie is, kan de gebruiker goede resultaten behalen. Daarnaast hebben de auteurs een case-control studie uitgevoerd die de hoge nauwkeurigheid en betrouwbaarheid van hun handmatige segmentatietechniek met behulp van 3D Slicer30 aantoont, en die specifieke methodologie wordt hierin beschreven.

Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.

Protocol

Het huidige protocol is goedgekeurd door de Institutional Review Board van het Beth Israel Deaconess Medical Center. Een gezonde proefpersoon met een MRI-scan van de hersenen die vrij was van artefacten of beweging werd gebruikt voor deze protocoldemonstratie en er werd schriftelijke geïnformeerde toestemming verkregen. Een 3,0 T MRI-scanner met een 32-kanaals kopspoel (zie Materiaaltabel) werd gebruikt om 3D-T1-beelden te verkrijgen met een resolutie van 1 mm x 1 mm x 1,2 mm. De MP-RAGE ASSET-sequentie met een gezichtsveld van 256 x 256, TR/TE/TI=7.38/3.06/400 ms en een omdraaihoek van 11 graden werd gebruikt.

1. Hersen-MRI importeren naar 3D Slicer

OPMERKING: 3D Slicer biedt documentatie met betrekking tot de gebruikersinterface.

  1. Bereid de MRI-, DICOM- (Digital Imaging and Communications in Medicine) of NIFTI-bestanden (Neuroimaging Informatics Technology Initiative) voor op het importeren in 3D Slicer.
  2. Importeer DICOM-gegevens door op de DCM-knop in de linkerbovenhoek van de werkbalk te klikken. Klik vervolgens op de DICOM-bestanden importeren knop om DICOM-indelingsgegevens te importeren.
  3. Als de MRI-gegevens de NIFTI-indeling hebben, importeert u deze door op de knop DATA in de linkerbovenhoek van de werkbalk te klikken. Selecteer in het pop-upvenster Directory kiezen om toe te voegen aan batchimporteer NIFTI-gegevens in een map of selecteer Kies bestand(en) om toe te voegen om specifieke NIFTI-bestanden te importeren. Klik vervolgens op de OK knop om door te gaan met het uploaden van gegevens naar 3D Slicer.
  4. Na het importeren verschijnen MRI-gegevens in het venster aan de rechterkant met axiale, sagittale en coronale vlakken.
  5. Wijzig de lay-out van de vensters door naar Lay-outs te gaan en een specifieke lay-out te selecteren. Dit kan worden gevonden door te klikken op de afbeelding van de module Lay-outs in de werkbalk van 3D Slicer zelf of via View > Layouts in het toepassingsmenu.

2. DICOM downloaden van voorbeeldgegevens in 3D Slicer

  1. Klik op de knop Voorbeeldgegevens downloaden in het openingsscherm van de sectie Welkom bij Slicer. Selecteer vervolgens de MRHead-knop en het downloadproces wordt gestart, wat enkele minuten kan duren.
  2. Zorg ervoor dat de MRI-gegevens van de hersenen met axiale, sagittale en coronale vlakken in het rechtervenster worden weergegeven.

3. Kwaliteitscontrole en aanpassen van het MRI-beeld

  1. Bepaal kwalitatief de beeldkwaliteit en de aanwezigheid van artefacten als gevolg van hoofdbewegingen of scanproblemen door elk MRI-segment kritisch te bekijken.
  2. Zoom in op het afbeeldingssegment door met de rechtermuisknop te klikken en de muis omhoog of omlaag te bewegen om respectievelijk uit of in te zoomen.
  3. Als u de afbeeldingsschijf wilt verplaatsen, klikt u met de linkermuisknop op de afbeelding, houdt u de Shift-toets ingedrukt en sleept u de muis.
  4. Het aanpassen van de helderheid van het beeld kan helpen bij het bekijken van de plexus choroideus. Om dit te doen, klikt u op Venster / volumeniveau aanpassen in de werkbalk of klikt u met de linkermuisknop op de afbeelding en beweegt u de muis omhoog of omlaag om respectievelijk de helderheid te verhogen of te verlagen.
  5. Het aanpassen van het contrast kan bovendien helpen bij het vinden van de plexus choroideus. Klik met de linkermuisknop op het afbeeldingssegment en beweeg de muis naar links of rechts om respectievelijk het contrast te verhogen of te verlagen. Om het juiste contrast voor de plexus choroideus te bepalen, gebruikt u de diepe grijze stofkernen (centrale massa's grijze stof gerangschikt rond de laterale en derde ventrikels) of de signaalintensiteit die wordt weergegeven in de contrastschaalbalk.
  6. Zodra het gewenste contrast is geselecteerd, handhaaft u hetzelfde contrast tijdens de segmentatie en corrigeert u niet voor mogelijke variaties in supra- en infratentoriale regio's.

4. Het maken van de manuele segmenten van de plexus choroideus

  1. Om te beginnen met segmentatie van de laterale, derde en vierde ventrikel choroideuze plexus, maakt u de segmentatiebestanden in de module Segmenteditor . Om daarheen te navigeren, klikt u op de Segment Editor in de werkbalk of gaat u naar het vervolgkeuzemenu Modules: en selecteert u Segment Editor.
  2. Klik op het vervolgkeuzemenu voor segmentatie om verschillende segmentaties te selecteren (als er meerdere segmentaties zijn gemaakt) en de naam van de momenteel geselecteerde segmentatie te wijzigen.
  3. Gebruik de vervolgkeuzelijst Hoofdvolume om te kiezen welke NIFTI- of DICOM-sets moeten worden bewerkt. Pas als het volumebestand is geselecteerd, kan de gebruiker beginnen met segmenteren/bewerken.
  4. Klik twee keer op de knop Toevoegen om twee segmenten toe te voegen voor de plexus choroideus van het laterale ventrikel. Om deze te hernoemen, dubbelklikt u op de naam en wijzigt u ze in Rechter laterale ventrikel choroïde plexus en Linker laterale ventrikel choroideus plexus.
  5. Klik nogmaals op de knop Toevoegen om segmenten toe te voegen voor de plexus van het derde en vierde ventrikel choroideus en hernoem ze naar "3e ventrikel choroideus plexus" en "4e ventrikel choroideus plexus".

5. Verschillende segmenten en segmentaties bekijken

  1. Voer voor het bewerken een achtergrondonderzoek uit om te weten hoe u tussen lay-outs in het weergavevenster kunt schakelen en hoe u de weergave of dekking van de segmentaties kunt wijzigen.
  2. Klik bovenaan het weergavevenster en links van de schuifregelaar op het speldpictogram. Hierdoor wordt een vervolgkeuzemenu geopend, dat kan variëren afhankelijk van de specifieke lay-out waarin het venster zich bevindt.
    OPMERKING: Het gebruik van verschillende lay-outs kan nuttig zijn bij het segmenteren van de plexus choroideus, omdat de structuur ervan tot persoon kan verschillen. De 'Conventionele' lay-out stelt de gebruiker bijvoorbeeld in staat om alle drie de segmenten tegelijkertijd en een 3D-weergave van de scène te bekijken. Door 'Alleen rode/gele/groene plak' te kiezen, krijgt de gebruiker een close-up van de 2D-plak om een nauwkeurigere segmentatie van de plexus choroideus mogelijk te maken.

6. Afbakening van ROI's van laterale ventrikel choroideuze plexus

OPMERKING: Afbeeldingsregistratie op een sjabloon is niet nodig voor handmatige segmentatie.

  1. Begin voor de plexus choroideus laterale ventrikel in het axiale vlak en zorg ervoor dat de beelden worden gepositioneerd op basis van de bicommissurale lijn. Gebruik vervolgens de trigonum collaterale als referentiepunt voor het lokaliseren van de plexus choroideus van het laterale ventrikel.
    1. Zodra er bewerkingen zijn gemaakt in het axiale vlak, gaat u naar de resterende weergaven (sagittaal en coronaal) om ervoor te zorgen dat de handmatige segmentatie van de plexus choroideus laterale ventrikel het omringende hersenparenchym of CSF niet vastlegt.
  2. Om te beginnen met bewerken, klikt u op het segment waaraan u wilt werken en de naam van het segment wordt gemarkeerd.
  3. Klik op het gereedschap Tekenen of Tekenen in het gedeelte Effecten van de Segmenteditor om handmatige segmentatie te starten.
    OPMERKING: Het is het beste om te beginnen met segmenteren in één vlak (coronaal, axiaal of sagittaal) en nadat de segmentatie in alle segmenten is voltooid, naar andere vlakken te gaan om de handmatige segmentatie te controleren en te verfijnen. Er wordt gesuggereerd dat de gebruiker begint met de axiale of coronale vlakken, aangezien de plexus choroideus van het laterale ventrikel in deze weergaven gemakkelijker te zien is.
  4. Wanneer u het gereedschap Tekenen gebruikt, klikt u met de linkermuisknop en houdt u deze ingedrukt om een contour te tekenen op de grens van de plexus choroideus van het laterale ventrikel. Eenmaal getraceerd, klikt u met de rechtermuisknop om het getekende gebied in te vullen.
  5. Wanneer u het gereedschap Schilderen gebruikt, selecteert u eerst de diameter van het penseel dat u wilt gebruiken om te schilderen. Een penseel van 3% of 5% wordt aanbevolen voor een nauwkeurigere afbakening van de plexus choroideus, terwijl 10% nuttig kan zijn voor grotere selecties.
  6. Gebruik voor beide gereedschappen Paint of Erase om foutieve afbakeningen te corrigeren door selecties toe te voegen of te verwijderen.
    OPMERKING: Verwijzen naar andere gezichtsvlakken kan helpen bij het identificeren van de structuur van de plexus choroideus van het laterale ventrikel versus andere hersenstructuren, zoals de omringende grijze stof, de fornix, corpus callosum of hippocampus. De gebruiker wordt aangemoedigd om hersenscans uit te sluiten waarbij cysten van de plexus choroideus zijn geïdentificeerd.
  7. Gebruik het niveau van de rode kern als een oriëntatiepunt voor het stoppen van de segmentatie van de plexus choroideus in de laterale ventrikels.

7. Het afbakenen van ROI's van de derde en vierde ventrikel choroideuze plexus

OPMERKING: T1w-beelden met een hogere resolutie (zoals 0,7 of 0,8 mm) en beelden verkregen op een 7T MRI zouden een nauwkeurigere en betrouwbaardere handmatige segmentatie van de plexus choroideus van het derde en vierde ventrikel opleveren. Het segmenteren van de plexus choroideus van het derde en vierde ventrikel is moeilijker dan de plexus choroideus van het laterale ventrikel, omdat deze regio's veel kleiner kunnen zijn en met minder voxels om af te bakenen.

  1. Begin voor de plexus choroideus van het derde ventrikel in het sagittale vlak en gebruik het foramen van Monro, fornix, corpus callosum, thalamus en interne cerebrale ader als referentiepunten om de plexus choroideus in de 3eventrikel te lokaliseren. Bewegen tussen plakjes binnen hetzelfde vlak kan helpen bij het bepalen of een regio de fornix, thalamus, ader of plexus choroideus van het derde ventrikel is.
    1. Zodra er bewerkingen zijn gemaakt in het sagittale vlak, navigeert u naar de resterende weergaven (axiaal en coronaal) om ervoor te zorgen dat de handmatige segmentatie van de plexus choroideus van het derde ventrikel niet het omringende hersenparenchym of CSF selecteert.
  2. Evenzo, voor de vierde ventrikel choroïde plexus, begin in het sagittale vlak en gebruik de superieure cerebellaire steel, pons en medulla als referentiepunten om de plexus choroideus in de vierde ventrikel te lokaliseren. Bewegen tussen plakjes binnen hetzelfde vlak kan helpen bij het bepalen of een regio het cerebellum, de cerebellaire amandel, het inferieure medullaire velum of de 4eventrikel choroïde plexus is.
    1. Zodra de bewerkingen in het sagittale vlak zijn voltooid, gaat u naar de resterende weergaven (axiaal en coronaal) om ervoor te zorgen dat de handmatige segmentatie van de plexus choroideus van het vierde ventrikel geen omringende hersenparenchym of CSF selecteert.

8. Berekening van de volumes van de plexus choroideus

  1. Navigeer in het vervolgkeuzemenu Modules naar Kwantificering en selecteer Segmentstatistieken.
  2. Selecteer onder Invoer de nieuwe segmentatiekaart voor kwantificering onder de tool Segmentatie en kies het MRI-volume uit het scalaire volume. Kies bij Uitvoertabel (onder Uitvoer) de optie Tabel . Als u klaar bent, drukt u op Toepassen en verschijnt er een tabel met het volume van de plexus choroideus in verschillende eenheden.

9. Opslaan van de segmenten en volumeresultaten

  1. Klik op de knop Opslaan in de linkerbovenhoek van de werkbalk om gegenereerde bestanden op te slaan.
  2. Sla de segmentatiebestanden op als .nrrd (3D-slicerbestand), .nii.gz (NIFTI-bestand) of .tsv (tabelbestand).

10. Bepalen van de nauwkeurigheid, prestaties en overeenstemming van de segmentatie

OPMERKING: Het wordt aanbevolen om het MONAI-pakket te gebruiken (zie Tabel met materialen), dat de dobbelsteencoëfficiënt (DC) en de DeepMind gemiddelde oppervlakteafstand (avgSD) beschrijft. Details over DC en avgSD worden hieronder beschreven. Om deze metrische gegevens te berekenen, moeten lezers weten hoe ze moeten programmeren (bijv. python, afbeeldingen van schijf lezen, de gegevens opnieuw formatteren naar de juiste invoerarrays voor deze functies). Er is geen gebruiksvriendelijk pakket dat al deze statistieken bevat.

  1. De DC-score is een standaardbenadering om de overlap van twee geometrische domeinen te kwantificeren. Om de gemiddelde DC-score tussen twee segmentaties te berekenen, geeft u twee tensoren y_pred en y, d.w.z. afbeeldingen met meerdere frames met één frame voor elke gebinariseerde labelafbeelding. Tensoren y_pred en y kunnen segmentaties bevatten van twee verschillende handmatige beoordelaars, herhaalde segmentaties van dezelfde beoordelaar of geautomatiseerde voorspelling en handmatige grondwaarheid.
    1. Gebruik de functie monai.metrics.compute_meandice om de gemiddelde DC-score te berekenen.
    2. Genereer geschikte binaire labeltensoren met monai.transforms.post.
      OPMERKING: De parameter include_background kan worden ingesteld op False om de eerste categorie (kanaalindex 0) uit te sluiten van de DC-berekening, die volgens afspraak wordt verondersteld een achtergrond te zijn.
  2. Beschouw de avgSD-score als minder vaak en houd er rekening mee dat de benadering kan verschillen omdat er meerdere definities bestaan voor oppervlakteafstand. Gebruik bijvoorbeeld de maximale afstand (ook bekend als Hausdorff-afstand, zeer gevoelig voor uitschieters), de gemiddelde afstand (zoals hier beschreven) en het 95e percentiel (zeer robuust) als veelgebruikte metingen.
    1. Gebruik de functie compute_average_surface_distance om de gemiddelde SD-score te berekenen.
    2. Zorg ervoor dat deze functie de gemiddelde oppervlakteafstand van y_pred tot y berekent met de standaardinstelling.
    3. Als symmetrisch = True, zorg er dan voor dat de gemiddelde symmetrische oppervlakteafstand tussen deze twee ingangen wordt geretourneerd.
  3. De statistische analyse van de DC- en avgSD-score in meerdere gevallen kan worden uitgevoerd met behulp van de robuuste Wilcoxon-test met ondertekende rang voor gepaarde analyse.
  4. Overweeg het gebruik van de Intraclass-correlatiecoëfficiënt (ICC) als een andere veelgebruikte methode om te bepalen of meerdere deelnemers betrouwbaar kunnen worden beoordeeld door verschillende beoordelaars. Onthoud dat ICC werkt op een reeks gepaarde metingen (bijv. het volume) van segmentaties en niet rechtstreeks op de segmentatiebeelden. Om ICC te berekenen, gebruikt u R-software en R Studio (zie Tabel met materialen), wat het proces eenvoudig maakt.
    1. Download het pakket met install.packages("psych") en laad de library(psych).
    2. Voer het gegevensframe in, dat de deelnemers (rijen) en een beoordelaar in elke kolom bevat, met behulp van Data <- data.frame(df). Visualiseer vervolgens de metingen met behulp van plot (Data).
    3. Om ICC uit te voeren, gebruikt u ICC(Data), dat een tabel genereert met de verschillende soorten ICC, bijvoorbeeld om de inter- of intrabeoordelaarsscores te verkrijgen.

Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.

Resultaten

De voorgestelde methode heeft een iteratieve verfijning ondergaan voor de plexus choroideus van het laterale ventrikel, waarbij uitgebreid is getest op een cohort van 169 gezonde controles en 340 patiënten met een klinisch hoog risico op psychose30. Met behulp van de hierboven beschreven techniek verkregen de auteurs een hoge intra-beoordelaar nauwkeurigheid en betrouwbaarheid met een DC = 0,89, avgHD = 3,27 mm3 en single-rater ICC = 0,9730, wat de kracht van het hierin beschreven proto...

Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.

Discussie

Kritieke stappen van het protocol
Drie cruciale stappen vereisen speciale aandacht bij de implementatie van dit protocol. Ten eerste is het controleren van de kwaliteit en het contrast van MR-beelden essentieel om een nauwkeurige segmentatie te garanderen. Als de kwaliteit van het beeld te slecht is, of het contrast te laag of te hoog, kan dit leiden tot een onnauwkeurige afbakening van de plexus choroideus. Het contrast voor de afbeelding kan worden aangepast door de grijswaardenwaarde van de afbeeld...

Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.

Openbaarmakingen

De auteurs hebben geen concurrerende financiële belangen.

Dankbetuigingen

Dit werk werd ondersteund door een National Institute of Mental Health Award R01 MH131586 (aan PL en MR), R01 MH078113 (aan MK) en een Sydney R Baer Jr Foundation Grant (aan PL).

Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.

Materialen

Lijst van materialen gebruikt in dit artikel
NaamBedrijfCatalogusnummerOpmerkingen
3D Slicer3D Slicerhttps://www.slicer.org/Een gratis, open source software voor visualisatie, verwerking, segmentatie, registratie en analyse van medische, biomedische en andere 3D-beelden en meshes; en planning en navigatie van op beeld gebaseerde procedures.
FreeSurferFreeSurferhttps://surfer.nmr.mgh.harvard.edu/Een open source neuroimaging toolkit voor het verwerken, analyseren en visualiseren van menselijke hersen-MR-beelden
ITK-SNAPITK-SNAPhttp://www.itksnap.org/pmwiki/pmwiki.phpEen gratis, open-source, multi-platform softwaretoepassing gebruikt om structuren in 3D en 4D biomedische beelden te segmenteren. 
Monai PackageMonai Consortiumhttps://docs.monai.io/en/stable/metrics.htmlGebruik voor Dice Coefficient en DeepMind gemiddelde oppervlakteafstand. 
MRI scannerGEDiscovery MR750 
Psych PackageR-Projecthttps://cran.r-project.org/web/packages/psych/index.htmlEen algemeen doel toolbox oorspronkelijk ontwikkeld voor persoonlijkheid, psychometrische theorie en experimentele psychologie.
R SoftwareR-Projecthttps://www.r-project.org/R is een gratis software-omgeving voor statistische berekeningen en grafieken. 
RStudioPosithttps://posit.co/Een RStudio geïntegreerde ontwikkelomgeving (IDE) is een set van tools die zijn gebouwd om u productiever te maken met R en Python. 
Windows of Apple OS Desktop of LaptopElk bedrijfn/aNodig voor het uitvoeren van de software die in dit protocol wordt gebruikt. 

Referenties

  1. Lun, M. P., Monuki, E. S., Lehtinen, M. K. Development and functions of the choroid plexus-cerebrospinal fluid system. Nature Reviews Neuroscience. 16 (8), 445-457 (2015).
  2. Dani, N., Herbst, R. H., McCabe, C. A cellular and spatial map of the choroid plexus across brain ventricles and ages. Cell. 184 (11), 3056-3074 (2021).
  3. Kaiser, K., Bryj, aV. Choroid plexus: the orchestrator of long-range signalling within the CNS. IJMS. 21 (13), 4760(2020).
  4. Damkier, H. H., Brown, P. D., Praetorius, J. Cerebrospinal fluid secretion by the choroid plexus. Physiological Reviews. 93, 46(2013).
  5. Liddelow, S. A. Development of the choroid plexus and blood-CSF barrier. Frontiers in Neuroscience. 9, 00032(2015).
  6. Gato, A., Alonso, M. I., Lamus, F., Miyan, J. Neurogenesis: A process ontogenically linked to brain cavities and their content, CSF. Seminars in Cell & Developmental Biology. 102, 21-27 (2020).
  7. Spatazza, J., Lee, H. H. C., Di Nardo, A. A. Choroid-plexus-derived Otx2 homeoprotein constrains adult cortical plasticity. Cell Reports. 3 (6), 1815-1823 (2013).
  8. Kim, S., Hwang, Y., Lee, D., Webster, M. J. Transcriptome sequencing of the choroid plexus in schizophrenia. Translational Psychiatry. 6 (11), e964-964 (2016).
  9. Myung, J., Schmal, C., Hong, S. The choroid plexus is an important circadian clock component. Nature Communications. 9 (1), 1062(2018).
  10. Quintela, T., Furtado, A., Duarte, A. C., Gonçalves, I., Myung, J., Santos, C. R. A. The role of circadian rhythm in choroid plexus functions. Progress in Neurobiology. 205, 102129(2021).
  11. Gorlé, N., Blaecher, C., Bauwens, E., et al. The choroid plexus epithelium as a novel player in the stomach-brain axis during Helicobacter infection. Brain, Behavior, and Immunity. 69, 35-47 (2018).
  12. Zappaterra, M. W., Lehtinen, M. K. The cerebrospinal fluid: regulator of neurogenesis, behavior, and beyond. Cellular and Molecular Life Sciences. 69 (17), 2863-2878 (2012).
  13. Cardia, E., Molina, D., Abbate, F. Morphological modifications of the choroid plexus in a rodent model of acute ventriculitis induced by gram-negative liquoral sepsis: Possible implications in the pathophysiology of hypersecretory hydrocephalus. Child's Nervous System. 11 (9), 511-516 (1995).
  14. Coisne, C., Engelhardt, B. Tight junctions in brain barriers during central nervous system inflammation. Antioxidants & Redox Signaling. 15 (5), 1285-1303 (2011).
  15. Szmydynger-Chodobska, J., Strazielle, N., Gandy, J. R. Posttraumatic Invasion of monocytes across the blood-cerebrospinal fluid barrier. Journal of Cerebral Blood Flow & Metabolism. 32 (1), 93-104 (2012).
  16. Pellegrini, L., Albecka, A., Mallery, D. L. SARS-CoV-2 infects the brain choroid plexus and disrupts the blood-csf barrier in human brain organoids. Cell Stem Cell. 27 (6), 951-961 (2020).
  17. Bitanihirwe, B., Lizano, P., Woo, T. Deconstructing the functional neuroanatomy of the choroid plexus: an ontogenetic perspective for studying neurodevelopmental and neuropsychiatric disorders. Review at Molecular Psychiatry. , (2022).
  18. Ramaekers, V., Sequeira, J. M., Quadros, E. V. Clinical recognition and aspects of the cerebral folate deficiency syndromes. Clinical Chemistry and Laboratory Medicine. 51 (3), 0543(2012).
  19. Lizano, P., Lutz, O., Ling, G. Association of choroid plexus enlargement with cognitive, inflammatory, and structural phenotypes across the psychosis spectrum. AJP. 176 (7), 564-572 (2019).
  20. Kim, H., Lim, Y. M., Kim, G. Choroid plexus changes on magnetic resonance imaging in multiple sclerosis and neuromyelitis optica spectrum disorder. Journal of the Neurological Sciences. 415, 116904(2020).
  21. Bannai, D., Lutz, O., Lizano, P. Neuroimaging considerations when investigating choroid plexus morphology in idiopathic psychosis. Schizophrenia Research. 224, 19-21 (2020).
  22. Zhou, G., Hotta, J., Lehtinen, M. K., Forss, N., Hari, R. Enlargement of choroid plexus in complex regional pain syndrome. Scientific Reports. 5 (1), 14329(2015).
  23. Jacob, F., Pather, S. R., Huang, W. K. Human pluripotent stem cell-derived neural cells and brain organoids reveal SARS-CoV-2 neurotropism predominates in choroid plexus epithelium. Cell Stem Cell. 27 (6), 937-950 (2020).
  24. Yang, A. C., Kern, F., Losada, P. M. Dysregulation of brain and choroid plexus cell types in severe COVID-19. Nature. 595 (7868), 565-571 (2021).
  25. Lin, Y. J., Chiu, N. C., Chen, H. J., Huang, J. Y., Ho, C. S. Cranial ultrasonographic screening findings among healthy neonates and their association with neurodevelopmental outcomes. Pediatrics & Neonatology. 62 (2), 158-164 (2021).
  26. Chang, H., Tsai, C. M., Hou, C. Y., Tseng, S. H., Lee, J. C., Tsai, M. L. Multiple subependymal pseudocysts in neonates play a role in later attention deficit hyperactivity and autistic spectrum disorder. Journal of the Formosan Medical Association. 118 (3), 692-699 (2019).
  27. Levman, J., Vasung, L., MacDonald, P. Regional volumetric abnormalities in pediatric autism revealed by structural magnetic resonance imaging. International Journal of Developmental Neuroscience. 71 (1), 34-45 (2018).
  28. Taft, A. E. A note on the pathology of the choroid plexus in general paralysis. Archives of Neurology & Psychiatry. 7 (2), 177(1922).
  29. D, S. R. The choroid plexus in organic diseases of the brain and of schizophreina. The Journal of Nervous and Mental Disease. 56, 21-26 (1921).
  30. Bannai, D., Reuter, M., Hegde, R. Linking choroid plexus enlargement with plasma analyte and structural phenotypes in clinical high risk for psychosis: a multisite neuroimaging study. BioRxiv. , (2022).
  31. Egorova, N., Gottlieb, E., Khlif, M. S., Spratt, N. J., Brodtmann, A. Choroid plexus volume after stroke. International Journal of Stroke. 14 (9), 923-930 (2019).
  32. Ricigliano, V. A., Morena, E., Colombi, A. Choroid plexus enlargement in inflammatory multiple sclerosis: 3.0-T MRI and translocator protein PET evaluation. Radiology. 301 (1), 166-177 (2021).
  33. Tadayon, E., Pascual-Leone, A., Press, D., Santarnecchi, E. Choroid plexus volume is associated with levels of CSF proteins: relevance for Alzheimer's and Parkinson's disease. Neurobiology of Aging. 89, 108-117 (2020).
  34. Choi, J. D., Moon, Y., Kim, H. J., Yim, Y., Lee, S., Moon, W. J. Choroid plexus volume and permeability at brain MRI within the Alzheimer Disease clinical spectrum. Radiology. 304 (3), 635-645 (2022).
  35. Althubaity, N., Schubert, J., Martins, D. Choroid plexus enlargement is associated with neuroinflammation and reduction of blood-brain barrier permeability in depression. NeuroImage: Clinical. 33, 102926(2022).
  36. Senay, O., et al. Choroid plexus volume in individuals with early course and chronic psychosis - a magnetic resonance imaging study. Schizophrenia Bulletin. , (2022).
  37. Fischi, B. FreeSurfer. NeuroImage. 62 (2), 774-781 (2012).
  38. Fischl, B., et al. Cortical folding patterns and predicting cytoarchitecture. Cerebral Cortex. 18 (8), 1973-1980 (2008).
  39. Fischl, B., vander Kouwe, A., Destrieux, C. Automatically parcellating the human cerebral cortex. Cerebral Cortex. 14 (1), 11-22 (2004).
  40. Patenaude, B., Smith, S. M., Kennedy, D. N., Jenkinson, M. A Bayesian model of shape and appearance for subcortical brain segmentation. NeuroImage. 56 (3), 907-922 (2011).
  41. Huo, Y., Xu, Z., Xiong, Y. 3D whole brain segmentation using spatially localized atlas network tiles. NeuroImage. 194, 105-119 (2019).
  42. Henschel, L., Conjeti, S., Estrada, S., Diers, K., Fischl, B., Reuter, M. FastSurfer - A fast and accurate deep learning based neuroimaging pipeline. NeuroImage. 219, 117012(2020).
  43. Henschel, L., Kügler, D., Reuter, M. FastSurferVINN: Building resolution-independence into deep learning segmentation methods-A solution for HighRes brain MRI. NeuroImage. 251, 118933(2022).
  44. Jovicich, J., Czanner, S., Han, X. MRI-derived measurements of human subcortical, ventricular and intracranial brain volumes: Reliability effects of scan sessions, acquisition sequences, data analyses, scanner upgrade, scanner vendors and field strengths. NeuroImage. 46 (1), 177-192 (2009).
  45. Zaretskaya, N., Fischl, B., Reuter, M., Renvall, V., Polimeni, J. R. Advantages of cortical surface reconstruction using submillimeter 7 T MEMPRAGE. NeuroImage. 165, 11-26 (2018).
  46. Tadayon, E., Moret, B., Sprugnoli, G., Monti, L., Pascual-Leone, A., Santarnecchi, E. Improving choroid plexus segmentation in the healthy and diseased brain: Relevance for Tau-PET imaging in dementia. Journal of Alzheimer's Disease. 74 (4), 1057-1068 (2020).
  47. Schmidt-Mengin, M., Ricigliano, V. A. G., Bodini, B. Axial multi-layer perceptron architecture for automatic segmentation of choroid plexus in multiple sclerosis. Medical Imaging 2022: Image Processing. SPIE. Išgum, I., Colliot, O. , (2022).
  48. Zhao, L., Feng, X., Meyer, C. H., Alsop, D. C. Choroid plexus segmentation using optimized 3D U-Net. 2020 IEEE 17th International Symposium on Biomedical Imaging (ISBI). IEEE. , 381-384 (2020).
  49. Schmidt-Mengin, M., et al. Axial multi-layer perceptron architecture for automatic segmentation of choroid plexus in multiple sclerosis. arXiv. , (2021).
  50. Egger, J., Kapur, T., Nimsky, C., Kikinis, R. Pituitary adenoma volumetry with 3D Slicer. PLoS ONE. Muñoz-Barrutia, A. 7 (12), 51788(2012).
  51. Yushkevich, P. A., Piven, J., Hazlett, H. C., et al. User-guided 3D active contour segmentation of anatomical structures: Significantly improved efficiency and reliability. NeuroImage. 31 (3), 1116-1128 (2006).
  52. Dice, L. R. Measures of the amount of ecologic association between species. Ecology. 26 (3), 297-302 (1945).
  53. Aydin, O. U., Taha, A. A., Hilbert, A. On the usage of average Hausdorff distance for segmentation performance assessment: hidden error when used for ranking. European Radiology Experimental. 5 (1), (2021).
  54. Shrout, P. E., Fleiss, J. L. Intraclass correlations: Uses in assessing rater reliability. Psychological Bulletin. 86 (2), 420-428 (1979).
  55. Pawlik, D., Leuzy, A., Strandberg, O., Smith, R. Compensating for choroid plexus based off-target signal in the hippocampus using 18F-flortaucipir PET. NeuroImage. 221, 117193(2020).
  56. Yazdan-Panah, A., Schmidt-Mengin, M., Ricigliano, V. A. G., Soulier, T., Stankoff, B., Colliot, O. Automatic segmentation of the choroid plexuses: Method and validation in controls and patients with multiple sclerosis. NeuroImage: Clinical. 38, 103368(2023).

Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.

Herprints en machtigingen

Toestemming aanvragen om de tekst of afbeeldingen van dit JoVE-artikel te hergebruiken

Toestemming aanvragen

Trefwoorden

Segmentatie van de plexus choroideuszijventrikelderde ventrikelvierde ventrikel3D SlicerDICOM beeldenNIFTI beeldensegmentstatistieken

Gerelateerde artikelen