Opracowanie atlasu przepływu krwi w mózgu do mapowania przepływu krwi

Streszczenie

Źródło: Tan, Z., et al., Budowa i zastosowanie atlasu przepływu krwi w mózgu opartym na regionie funkcjonalnym z wykorzystaniem rezonansu magnetycznego i znakowania wirowania tętnic. J. Vis. Exp. (2024).

Ten film przedstawia metodę konstruowania atlasu przepływu krwi w mózgu poprzez integrację danych z rezonansu magnetycznego lub znakowania MRI-spin tętnicy z segmentowanymi obszarami mózgu, wizualizację wzorców przepływu krwi i ilościowe określanie poziomów przepływu w obszarach funkcjonalnych.

Protokół

1. Gromadzenie i przygotowanie danych

UWAGA: Podejście badawcze nie ma wpływu na wariancję parametrów. Do przechowywania danych cyfrowego obrazowania medycznego wykorzystuje się zarówno formaty DICOM (Digital Imaging and Communications in Medicine), jak i Neuroimaging informatics Technology Initiative (NIFTI), przy czym DICOM jest zwykłym wyjściem z urządzeń do obrazowania klinicznego. Jednak format NIFTI jest często preferowany ze względu na wygodę obliczeniową w działalności badawczej. Konwersja z DICOM na NIFTI jest prostą i powszechną praktyką. W tym badaniu uzyskano autentyczne dane DICOM i przekonwertowano je do formatu NIFTI. Dane uzyskano za pomocą skanera rezonansu magnetycznego (MRI) o natężeniu 1,5 Tesli. W procesie rejestracji obrazów krzyżowych w tym badaniu wykorzystano głównie sekwencję odzyskiwania inwersji osłabionej płynem (FLAIR) i połączono ją z obrazami przepływu krwi w mózgu (CBF). Narzędzie CBF Atlas (Table of Materials) użyte w tym badaniu jest oprogramowaniem komercyjnym.

1. Skopiuj dane do wyznaczonego katalogu roboczego.
   1. Skopiuj wszystkie dane NIFTI do dostosowanego katalogu roboczego.
      UWAGA: Katalog roboczy jest taki sam w systemie operacyjnym i laboratorium macierzy (MATLAB). Badania są zgodne ze standardem orientacji prawej przedniej górnej (RAS).
   2. Przejdź do katalogu, w którym znajdują się dane w bieżącym katalogu roboczym programu MATLAB i użyj funkcji niftiread, aby załadować dane FLAIR do obszaru roboczego. Użyj funkcji rozmiaru, aby sprawdzić wymiary sekwencji FLAIR. Wywołaj polecenie Flair_Slice, aby wyświetlić sekwencję FLAIR (jak pokazano na Rysunek 1). Użyj konkretnych poleceń w następujący sposób:
      FLAIR_XLF = niftiread('FLAIR_XFL.nii');
      size(FLAIR_XLF)
      Flair_Slice(FLAIR_XLF);
   3. Patrz Rysunek 1 dla obrazu interaktywnego graficznego interfejsu użytkownika (GUI) dla sekwencji FLAIR. Użyj dolnego paska przewijania, aby szybko przeglądać różne sekwencje.
2. Szybko sprawdzaj obrazy CBF.
   1. Użyj funkcji niftiread, aby załadować dane CBF do obszaru roboczego. Użyj funkcji rozmiaru, aby sprawdzić wymiary sekwencji CBF. Wywołaj CBF_Slice , aby wyświetlić sekwencję CBF (jak pokazano w Rysunek 2). Użyj konkretnych poleceń w następujący sposób:
      CBF_XLF = niftiread('CBF_XFL.nii');
      size(CBF_XLF)
      CBF_Slice(CBF_XLF);
   2. Patrz Rysunek 2 dla interaktywnego zrzutu ekranu GUI sekwencji CBF. Użyj dolnego paska przewijania, aby szybko przeglądać różne sekwencje.
      UWAGA: Na Rysunek 2, zakres wartości CBF wynosi zwykle 0-120 ml/100 g/min. Rysunek 2 wykorzystuje mapę kolorów do przedstawienia różnych poziomów CBF w różnych kolorach.

2. Segmentacja obszarów funkcjonalnych mózgu z sekwencji FLAIR

UWAGA: Sekwencja FLAIR służy zarówno jako obrazowanie strukturalne, jak i zapewnia doskonałe patologiczne możliwości diagnostyczne. Dlatego połączenie FLAIR z CBF ma ważną wartość diagnostyczną w klinikach. To badanie segmentuje główne obszary funkcjonalne mózgu z sekwencji FLAIR.

1. W obszarze roboczym wywołaj funkcję FLAIR_Segment i uruchom wstępnie wytrenowany program do segmentacji obrazów oparty na sieci 3-D U-Net, aby automatycznie generować trójpłaszczyznowe widoki segmentacji regionów funkcjonalnych mózgu, jak pokazano na Rysunek 3. Każdy kolor w Rysunek 3 reprezentuje odrębny obszar funkcjonalny.
2. Do inspekcji w czasie rzeczywistym różnych obszarów funkcjonalnych mózgu użyj interakcji celownika (Rysunek 3). Kliknij i przeciągnij środek krzyża nitkowanego, aby przeprowadzić dowolne badanie 3D zrekonstruowanej anatomii mózgu.
   UWAGA: GUI w Rysunek 3 umożliwia również regulację zakresu intensywności skali szarości, kontrastu i jasności widoków trójpłaszczyznowych.
3. Naciśnij i przeciągnij lewym przyciskiem myszy nad dowolnym regionem obrazów, aby zmienić poziomy jasności i kontrastu w czasie rzeczywistym. Zwolnij przycisk myszy, aby potwierdzić i sfinalizować regulacje.

3. Trójpłaszczyznowe widoki dystrybucji CBF w regionach funkcjonalnych mózgu

UWAGA: Badanie dystrybucji CBF w różnych regionach funkcjonalnych mózgu ułatwia precyzyjną ocenę kliniczną stanu pacjenta. W ramach obszaru funkcjonalnego z Rysunek 3, uwzględnienie dokładnych wartości CBF z sekwencji CBF i przedstawienie ich w widokach trójpłaszczyznowych umożliwia kompleksową kontrolę lekarza.

1. Wywołaj funkcję CBF_triplanar , aby wygenerować trójpłaszczyznowy widok GUI pokazany w Rysunek 4, wyświetlając rozkład przestrzenny CBF w regionach funkcjonalnych. Przesuń celownik, aby umożliwić zbadanie rozmieszczenia CBF w obszarach zainteresowania.
2. Kliknij przycisk Wskazówki dotyczące danych w prawym górnym rogu graficznego interfejsu użytkownika, aby wyświetlić wartości CBF w dowolnej pozycji.
3. Naciśnij i przeciągnij lewym przyciskiem myszy nad dowolnym regionem obrazów, aby zmienić poziomy jasności i kontrastu w czasie rzeczywistym. Zwolnij przycisk myszy, aby potwierdzić i sfinalizować regulacje.

4. Atlas CBF w głównych regionach funkcjonalnych mózgu

UWAGA: Normalizacja rozkładów prawdopodobieństwa CBF w różnych regionach funkcjonalnych generuje Atlas Mózgowych Regionów Funkcjonalnych CBF, wyrażający poziomy CBF w regionach funkcjonalnych mózgu podmiotu.

1. Wywołaj funkcję CBF_Atlas, aby przekonwertować rozkład przestrzenny CBF pokazany na Rysunek 4 na atlas CBF (jak pokazano na Rysunek 5{).
   UWAGA: W Rysunek 5, oś x reprezentuje różne obszary funkcjonalne mózgu, a oś y reprezentuje różne poziomy CBF; Różne kolory oznaczają różne poziomy prawdopodobieństwa (im bardziej czerwony kolor, tym więcej wokseli).
2. Aby przeskalować częściowe obrazy, kliknij przycisk Powiększ/Pomniejsz w prawym górnym rogu graficznego interfejsu użytkownika pokazanego w Figure 5.
   UWAGA: Krzywa w Rysunek 5 łączy średnią CBF w różnych regionach.

Wyniki

Materiały

Lista materiałów użytych w tym artykule

Nazwa	Firma	Numer katalogowy	Komentarze
CBF Atlas	Inteligentna entropia	CBF Atlas V1.0	Beijing Intelligent Entropy Science & Technology Co Ltd. Modelowanie chorób tarczycy
MATLAB	MathWorks	2023B	Obliczenia i wizualizacja
Urządzenie MRI	Siemens{{TAG_ 34}}	Amria 1.5 T	Skaner MRI