Как измерить Корковая Складные от изображения MR: Шаг за шагом Учебник для вычисления локального индекса Gyrification

Краткое содержание

Измерение gyrification (корковой складывающиеся) в любом возрасте представляет собой окно в раннем развитии мозга. Таким образом, мы ранее разработали алгоритм для измерения местных gyrification в тысячах точек по полушарии ¹. В этой статье мы подробно вычисления этого локального индекса gyrification.

Аннотация

Формирование извилин коры (гирификация) происходит в первые месяцы жизни, поэтому неблагоприятные события, случившиеся в этот период, оставляют следы, которые будут идентифицируемы в любом возрасте. Как было недавно рассмотрено Мангином и коллегами², существует несколько методов количественной оценки различных характеристик гирификации. Например, сулькальная морфометрия может быть использована для измерения таких дескрипторов формы, как глубина, длина или индексы межполушарной асимметрии³. Эти геометрические свойства имеют преимущество в простоте интерпретации. Однако сулькальная морфометрия сильно зависит от точной идентификации определенного набора борозд и, следовательно, дает фрагментарное описание гирификации. Более детальная количественная оценка гирификации может быть достигнута с помощью измерений на основе кривизны, при которых сглаженная абсолютная средняя кривизна обычно вычисляется в тысячах точек на поверхности коры⁴. Тем не менее, кривизну не так просто понять, поскольку остается неясным, существует ли прямая связь между степенью искривления и биологически значимым коррелятом, таким как объем или поверхность коры. Чтобы решить различные проблемы, возникающие при измерении складок коры, мы ранее разработали алгоритм для количественной оценки локальной гирификации с исключительным пространственным разрешением и простой интерпретацией. Наш метод вдохновлен индексом гирификации (Gyrification Index)⁵ — методом, первоначально использовавшимся в сравнительной нейроанатомии для оценки различий в складчатости коры у разных видов. В нашей реализации, которую мы назвали локальным индексом гирификации (local Gyrification Index, lGI¹), мы измеряем количество коры, скрытой в бороздах, по сравнению с количеством видимой коры в круговых областях интереса. Учитывая, что кора растет преимущественно за счет радиального расширения⁶, наш метод был специально разработан для выявления ранних дефектов развития коры.

В данной статье мы подробно описываем расчет локального индекса гирификации (lGI), который теперь свободно распространяется в составе программного обеспечения FreeSurfer (http://surfer.nmr.mgh.harvard.edu/, Центр биомедицинской визуализации Мартиноса, Общая больница Массачусетса). FreeSurfer предоставляет набор инструментов для автоматизированной реконструкции поверхности коры головного мозга на основе данных структурной МРТ. Поверхность коры, извлеченная в исходном пространстве изображений с субмиллиметровой точностью, затем используется для создания внешней поверхности, которая служит основой для расчета lGI. Затем на внешней поверхности очерчивается круговая область интереса, и соответствующая ей область на поверхности коры определяется с помощью алгоритма сопоставления, описанного в нашем валидационном исследовании¹. Этот процесс многократно повторяется для значительно перекрывающихся областей интереса, в результате чего создаются карты гирификации коры для последующих статистических сравнений (Рис. 1). Стоит отметить, что другой метод измерения локальной гирификации, основанный на схожем принципе, был предложен Toro и коллегами⁷, где индекс складчатости в каждой точке рассчитывается как отношение площади коры, содержащейся в сфере, к площади диска с тем же радиусом. Эти две реализации различаются тем, что метод Toro и др. основан на евклидовых расстояниях и, следовательно, учитывает разрозненные участки площади коры, тогда как наш метод использует строгий геодезический алгоритм и включает только непрерывный участок площади коры, открывающийся на поверхности мозга в круговой области интереса.

Протокол

1. Реконструкция 3D корковой поверхности

Это первая часть протокола используется стандартный трубопровод FreeSurfer, как описано в вики ( http://surfer.nmr.mgh.harvard.edu/fswiki ). Обратите внимание, что команды подробно описаны здесь описать один из способов достижения корковых реконструкции поверхности, но эквивалентные команды также могут быть использованы.

1. Импорт сырой MRI DICOM в FreeSurfer и проверки качества изображения (например, что ориентация правильная, контрастность достаточно и изображения не переехал). Этот процесс использует следующие команды (замените текст между <...> (включительно) со значениями соответствующих конкретном случае, и "#" обозначает комментарии):
   
   mksubjdirs # Создаем папку архитектура используется FreeSurfer
   компакт-диск / МРТ # перейти к МРТ папку тему
   mri_convert см tkmedit 001.mgz # визуализировать преобразованы объеме
   
   
2. Создание трехмерных моделей коры сетки ^8,9. Для того чтобы справиться с проблемой похоронен борозд, FreeSurfer сначала создает унитарное белый объем вещества, которое используется в качестве отправной точки для начальной серо-белой поверхности. Эта поверхность затем оптимизированы в соответствии с местными градиент напряженности и дальнейшее развитие в серо-CSF интерфейс.
   
   Recon-все-ов # Запуск корковых реконструкции поверхности
   
   В конце процесса восстановления, вы получите две сетки моделей включает около 150 000 точек для каждого полушария: белый (серо-белый интерфейс) и мягкой мозговой оболочки (серо-CSF интерфейс) поверхности. Важно отметить, что все поверхности и объемы остаются в родном пространстве, что позволяет измерений, такие как объем, площадь поверхности, толщины или gyrification индекс измеряется без деформации.
   
3. Проверить точность этих реконструированных поверхностей:
   
   tkmedit T1.mgz? H.pial # белую поверхность накладывается в зеленых и пиальных поверхности в красном
   
   где А обозначает полушарии: lh.pial для левого полушария и rh.pial для правого полушария. Рисунок 2 (в 2 вариантах: анимационный рисунок, которые будут включены в фильм и статический для веб-сайта) показывает пример правильной белой и мягкой мозговой оболочки поверхностей реконструкций для "Берта" с учетом распространяется вместе с пакетом FreeSurfer. Если вам нужно вручную исправить результат процесса восстановления, вы найдете учебник по FreeSurfer вики ( http://surfer.nmr.mgh.harvard.edu/fswiki/FsTutorial/WhiteMatterEdits ,

2. Вычислить местных Индекс Gyrification

Когда вы будете удовлетворены своей поверхности, вычислить локальный индекс Gyrification (л GI) с помощью команды:

Recon-все-ЛГИ-х годов

Эта команда обычно длится около 3 часов на два полушария одного участника исследования, в зависимости от мощности вашего компьютера. Различных этапах процесса л ГИ сделал обзор на рис. 1. Вычислительные начинается с создания внешней поверхности с помощью морфологической операции закрытия. Это внешняя поверхность, обозначаемая? H.pial_outer_smoothed, далее иллюстрируется на рис. 3. Затем, около 800 перекрывающихся круговых областях, представляющих интерес, созданный на внешней поверхности. Для каждого из этих регионов, соответствующие интересующей нас области определяется напиальных поверхности. Весь расчет заканчивается создание индивидуальная карта, содержащие один л GI значение для каждой точки поверхности коры (т.е. ~ 150 000 значений в полушарии).

3. Проверьте результат расчета л GI для каждого полушария

tksurfer ? Ч пиальных-оверлей / Surf /? H.pial_lgi-fthresh 1

Л GI значения накладываются на поверхности коры. Как правильный л GI значения, как правило, составляет от 1 до 5, установив минимальный порог в 1 (с опцией fthresh) позволяет быстро проверить: у вас не должно быть видно серое области коры. Пример правильного индивидуальный результат показан на рис. 4.

4. Статистическое сравнение групп

Цель заключается в количественном влиянии группы на каждую вершину по поверхности коры, контролируя при этом на эффект от пола ивозраста. Вы должны будете следовать тем же способом, если вы хотите сравнить толщину корки в каждой вершине, но дает? H.pial_lgi вместо? H.thickness. Возможны два варианта, можно вычислить статистические сравнения группы: классические команды перечислены первыми, и графический интерфейс (Qdec) кратко упомянуто в дальнейшем.

1. Первый вариант сравнить л GI результатов между группами использовать команды, приведенные ниже; Более подробную информацию можно получить на https://surfer.nmr.mgh.harvard.edu/fswiki/FsTutorial/GroupAnalysis .
   1. Сначала вам нужно создать шаблон изучения конкретных давая все ваши предметы на входе:
      
      make_average_subject - субъектов ...
      
      Выше команда будет создавать тему под названием "средний". Кроме того, вы можете использовать тему «fsaveярости "распространяется как часть FreeSurfer распределения.
   2. Затем создайте текстовый файл, содержащий описание субъектов, вовлеченных в исследование ("FreeSurfer Группа дескрипторов файлов"). Ваш FSGD.txt должна выглядеть следующим образом:
      
      GroupDescriptorFile 1
      Группа Control_Male
      Группа Control_Female
      Группа Patient_Male
      Группа Patient_Female
      Переменные Возраст
      Вход Patient_Male 20
      Вход Control_Female 23
      <...>
   3. Resample л И. данных в пространстве среднего тему, используя следующую команду для каждого полушария:
      
      mris_preproc - fsgd FSGD.txt - целевые среднем -? геми ч - МЭС pial_lgi? - из h.lgi.mgh
      
   4. Гладкая данные о поверхности коры, чтобы снизить уровень сигнала к шуму:
      
      mri_surf2surf? - геми ч - сек в среднем? - sval h.lgi.mgh - FWHM 10 -? tval h.10.lgi.mgh
      
   5. Вычислить группы сравнения на уровне каждой вершины. Для этого вам нужно будет создать файл контрастность текста (например, в случае FSGD.txt описано выше, "contrast.txt" будет содержать значения "1 1 -1 -1 0", чтобы вычислить разницу между элементами управления и пациентов, контролируя при этом на возраст и пол). Наконец запустить сравнения:
      
      mri_glmfit - у h.10.lgi.mgh -? fsgd FSGD.txt ночлежный -? glmdir h.lgi.glmdir - серфинга средняя ч - ° С contrast.txt
      
   6. Визуализация результатов на среднем предмет использования tksurfer:
      
      tksurfer среднем? ч завышенным
      
      После этого загрузите в качестве оверлея sig.mgh файл, расположенный в папке? H.lgi.glmdir / contrast.txt / sig.mgh. С помощью опции "настройки наложения" можно дополнительно модифицировать р порог, а также поправки на множественные сравнения использованием ложных открытий ^10.
      
2. Альтернативным вариантом для группы комСравнение является использование Qdec, графический пользовательский интерфейс реализован в FreeSurfer. Использование Qdec с местными Индекс Gyrification подразумевает для предварительного сглаживания л И. данных:
   
   Recon-все-QCache-мера pial_lgi среднего -Е годы
   
   С Qdec, FreeSurfer Группа дескрипторов файлов заменяется немного другую версию, таблицы данных (qdec.table.dat), который включает описание различных групп и других вмешивающихся факторов, таких как возраст. Подробное описание использования Qdec обеспечивается при http://surfer.nmr.mgh.harvard.edu/fswiki/FsTutorial/QdecGroupAnalysis .
   Следует отметить, что если л И. недоступна в список зависимых переменных в Qdec, необходимо добавить следующую строку в Qdecrc файл, расположенный в Вашем домашнем каталоге.:
   
   MEASURE1 = pial_lgi

5. Анализ

Кроме того, статистический анализ в конечном счете может быть вычислен на уровне корковых parcellation интегрированы в FreeSurfer ^11. Для этой цели, средняя л GI значения могут быть извлечены для круговорота 34 регионах, представляющих интерес для каждого полушария, и эти измерения могут быть сопоставлены между различными группами. Этот участок стрелке анализа (в отличие от вершины стрелки анализа, описанного выше) может быть привлекательным, поскольку он ограничивает объем статистических сравнений. Тем не менее, л И. в каждой точке количественно gyrification в окружающем круговые области, так что средняя И. л в круговорот региона представляет интерес и в определенной степени отражает gyrification в соседних регионах, представляющих интерес.

Наконец, хотя наиболее важные вопросы были описаны в этот протокол, решение других проблем, которые могут возникнуть во время FreeSurfer или л И. обработки можно найти в архивах списка рассылки FreeSurfer ( http://surfer.nmr.mgh.harvard.edu/fswiki/FreeSurferSupport ).

6. Представитель Результаты

Как описано в разделе 1с протокола, вы должны тщательно проверить точность реконструкции корковых поверхностей перед л GI вычисления. Хотя прокрутка между лобной и затылочной доли, обратите особое внимание, что сосуды и мембраны, не включаются в пиальных поверхности. Проверьте также, что белая поверхность точно следует серо-белый интерфейс. Пример правильного реконструкции приводится на рис 2 (см. рисунок анимированный GIF за весь объем).

В конце л GI вычисления, вы также должны проверить результат для обоих полушарий каждому предмету.Там не должно быть какой-либо области коры с результатом Г. И. л меньше, чем 1. Раздела 3 протокола и рисунке 4 показано, как проверить правильно, если выход л GI вычисления правильны.


Рисунок 1. Обзор л GI вычисления. Во-первых, трехмерные модели коры сетки восстанавливаются из сырых изображений с помощью стандартного трубопровода FreeSurfer. Эти реконструкции алгоритмы используют двойные белые объем материи как отправная точка, чтобы преодолеть проблемы похоронен борозд. Корковых моделей сетки обычно включает в себя около 150 тысяч вершин и классически используется для расчета толщины коры в каждой точке. Аналогичным образом, местные Индекс Gyrification (л GI) будет вычисляться в каждой вершине. Для этой цели внешней поверхности будет создана. Затем соответствующие круговых областях, представляющих интерес, определили на внешнейг коры поверхности с помощью соответствующих алгоритмов. Примерно через 800 генерации перекрывающиеся области интереса, процесс приводит к созданию индивидуальных карт л GI. Эти карты могут быть легко интерпретированы: индекс 5 означает, что есть в 5 раз больше поверхности коры инвагинационный в борозды в округе, что количество видимых поверхности коры; Индекс 1 означает, что кора квартиру в окрестностях . Наконец, статистические сравнения групп вычисляются на уровне каждой вершине, как и в корковых сравнения толщины.

Рисунке 1b. Индивидуальные корковых карту л GI. Этот небольшой фильм показывает 360-градусов вращения отдельных корковых карте LGI, как показано на рис. 1. Поразительно, отметить, что зоны коры головного мозга с более высокими значениями л И. соответствуют первым раз и создаются в процессе в жизни внутриутробного: латеральной борозды, верхней височной борозды и вtraparietal борозды на боковой вид на мозг, и теменно-затылочной борозды на медиальной зрения мозга. Посмотреть фильм


Рисунок 2. Пример адекватной реконструкции поверхности коры (один корональных раздел). После окончания процесса восстановления, корковой поверхности должны быть тщательно проверены по всей мозговой объема. Внутренней поверхности коры (обозначается белой поверхности, зеленым цветом на изображении), должны четко следовать серо-белый интерфейс. Внешней поверхности коры (т.е. серо-CSF интерфейс, обозначаемый пиальных поверхности, здесь, в красный цвет) не должен включать любую часть судна или мембраны. Следует отметить, что пример, приведенный здесь использует "Берта" с учетом распространяется вместе с FreeSurfer пакета.

Рисунок 2B. Пример адекватной поверхности коры reconstruction (полная громкость). Этот анимированный рисунок показывает поверхности коры левого полушария "Берта" субъект на каждом корональных раздел, как видно, прокручивая из самых фронтальной к наиболее затылочной корональные разделы с FreeSurfer. Посмотреть фильм


Рисунок 3. Пример внешней поверхности рассчитывается как часть процесса л GI (один корональных раздел). Первым шагом в л GI вычисления создание внешней поверхности обертывающей полушарии. Эта поверхность (обозначается? H.pial_outer_smoothed в FreeSurfer) можно проверить с помощью tkmedit. Здесь, "Берта" с учетом распространяется с FreeSurfer используется в качестве примера.

Рис 3B. Пример внешней поверхности рассчитывается как часть процесса л Г.И. (полная громкость). Этот анимированный рисунокпоказывает, наружной поверхности левого полушария на каждом корональных раздел, как видно, прокручивая из самых фронтальной к наиболее затылочной корональные разделы с tkmedit в FreeSurfer. Посмотреть фильм


Рисунок 4. Пример правильного вывода л Г.И., если смотреть с FreeSurfer. Различные ориентации поверхности коры из "Берта" тему с л GI значения накладным. Цвет-код по умолчанию "тепло" Наложение как видно с tksurfer в FreeSurfer. Использование минимального порога 1, все вершины должны быть цветными и не корковой области должны APГруша в сером цвете. Следует отметить, что цвет наложения можно изменить с помощью опции "Настройка Overlay" в tksurfer, где минимальные и максимальные значения, а также гистограмма общее распределение л GI также может быть проверено.

Обсуждение

Протокол выше описано, как для измерения местных Индекс Gyrification на основе мозговой Т1-взвешенной МРТ и проведения статистических сопоставлений группы. Наш метод был специально разработан для локализации раннего нарушения в корковых процесс расширения и, как таковая, представляют особый интерес во многих развития нервной системы и психические расстройства. Примеры группе сравнения в клинических образцах, можно найти в публикациях нашей группы ^1,12 или другими лицами ^13-16. Процесс полностью авт...

Материалы

Список материалов, использованных в этой статье

Имя	Компания	Каталожный номер	Комментарии
Наименование оборудования	Компания	Номер по каталогу	Комментарии
FreeSurfer	Martinos Центра биомедицинской визуализации, MGH		Версия новее, чем 4.0.3
Matlab	Mathworks		Image Processing Toolbox