Lesion Explorer (LE) är en halvautomatisk, bild-bearbetning rörledning utvecklats för att erhålla regionalt hjärnvävnad och subkortikala hyperintensity lesion Volumetrics från strukturell MRI av Alzheimers sjukdom och normala äldre. För att säkerställa en hög grad av noggrannhet och tillförlitlighet, följande är en video-styrd, standardiserat protokoll för LE: s manuella rutiner.
Att få in vivo mänsklig hjärnvävnad Volumetrics från MRT är ofta kompliceras av olika tekniska och biologiska frågeställningar. Dessa utmaningar förvärras när betydande hjärnan förtvinar och åldersrelaterade vita förändringar materia (t.ex. Leukoaraiosis) är närvarande. Lesion Explorer (LE) är en korrekt och tillförlitlig neuroradiologiska pipeline speciellt utvecklad för att ta upp sådana frågor som vanligen observeras på MRI av Alzheimers sjukdom och normala äldre. Rörledningen är en komplex uppsättning av halvautomatiska förfaranden som tidigare har godkänts i en rad interna och externa tillförlitlighetstester 1,2. Dock är LE: s noggrannhet och tillförlitlighet mycket beroende av rätt utbildade manuella operatörer att utföra kommandon, identifiera olika anatomiska landmärken, och manuellt redigera / verifiera olika datorgenererade segmente utgångar.
LE kan delas in i tre huvudkomponenter, var och en kräver en uppsättning kommandon och manuell operationer: 1) Brain-Sizer, 2) SABRE, och 3) Lesion-Seg. Brain-Sizer s manuella operationer involverar redigering av den automatiska skallen-avskalade totala intrakraniell valv (TIV) utvinning mask, benämning på kammar cerebrospinalvätska (vCSF), och avlägsnande av subtentorial strukturer. I SABRE-komponenten kräver kontroll av bildjustering längs den främre och bakre kommissuren (ACPC)-planet, samt identifiering av flera anatomiska landmärken som krävs för regional parcel. Slutligen innebär Lesion-Seg del manuell kontroll av den automatiska lesion segmentering av subkortikala hyperintensities (SH) för falska positiva fel.
Även utbildning på plats i LE pipeline är att föredra, lättillgängliga visuella pedagogiska verktyg med interaktiva träningsbilder är ett lönsamt alternativ. Utvecklad för att säkerställa en hög grad av exakthet och tillförlitlighet, följande är en steg-för-steg, video-styrda, standardiserat protokoll för LE: s manuella rutiner.
Hjärn bildanalys är en framväxande området neurovetenskap kräver skickliga operatörer med en hög grad av beräknings och neuroanatomiska kompetens. För att erhålla kvantitativ information från magnetisk resonanstomografi (MRT), är en utbildad operatör ofta krävs för att genomföra, övervaka och redigera, datorgenererade imaging utgångar genereras från rå MRI. Medan många "helautomatiska" bildframställning är fritt tillgängliga via Internet, noggrannhet och tillförlitlighet kan ifrågasättas när den tillämpas av en novis operatör som saknar kunskap, utbildning och förtrogenhet med den nedladdade verktyget. Även utbildning på plats är den mest föredra att undervisa, är presentationen av en video-styrd, standardiserat protokoll ett lönsamt alternativ, särskilt om de har en utbildning uppsättning bilder. Dessutom kan utbildning uppsättning bilder användas för kvalitetskontroll, som en off-site inter-rater reliability test.
Lmallenges att utveckla en bildbehandlings pipeline, speciellt när man studerar åldrande och Alzheimers sjukdom (AD), omfattar ett brett spektrum av tekniska och biologiska frågeställningar. Även om vissa tekniska frågor behandlas med efterbehandling korrektionsalgoritmer 3, variabilitet beroende på individuella skillnader och patologiska processer införa mer komplicerade hinder. Hjärnan förtvinar och ventricular utvidgningen kan minska lönsamheten för registrerings skevhet och mall-matchande metoder. Närvaron av åldersrelaterad vita substansen förändras 4 och småkärlssjukdom 5,6, observerades som subkortikal hyperintensities (SH) 7,8, cystiska vätskefyllda lakunära liknande infarkter 9,10 och dilaterade perivaskulära utrymmen 11,12, vidare komplicera segmenteringsalgoritmer. I fall av betydande vit substans sjukdom, kan en enda T1 segmente leda överskattning av grå substans (GM) 13, som bara kan rättas till med en extra SEgmentation användning av protondensiteten (PD), T2-viktad (T2) eller vätska-attenuerade inversionsåtervinning (FLAIR) avbildning. Mot bakgrund av dessa utmaningar, genomför Lesion Explorer (LE) bildbehandling rörledning en halvautomatisk tri-funktionen (T1, PD, T2) metod, som använder utbildade operatörer vid vissa stadier när mänskliga ingrepp är att föredra 1,2.
Brain utvinning (eller skallen stripp) är vanligtvis en av de första som utförs i neuroimaging. Med tanke på detta, noggrannheten av den totala intrakraniell valv (TIV) utvinningsprocessen i hög grad påverkar efterföljande operationer längre ner ledningen. Betydande över erosion, vilket resulterar i förlust av hjärnan, kan leda till överskattning av hjärnan förtvinar. Alternativt betydande under erosion, vilket resulterar i införandet av dura och annan nonbrain materia, kan leda till inflation i hjärnvolymer. LE hjärna-Sizer komponentadresser många av dessa frågor med hjälp av en tri-funktion (T1, T2, och PD) strategi för att genereraen TIV mask, som ger överlägsna resultat jämfört med single-funktionen metoder 1. Dessutom är automatiskt genererade TIV mask manuellt kontrolleras och redigeras med standardiserat protokoll som identifierar områden som är känsliga för skallen strippa fel. Efter hjärn extraktionen segmente utförs på skallen-strippad T1, där varje hjärna voxel är tilldelad till en av tre etiketter: GM, vit substans (WM) eller cerebrospinalvätska (CSF). Segmentering sker automatiskt med hjälp av en robust kurvanpassningsalgoritm appliceras på globala och lokala intensitets histogram; en teknik som utvecklats för att ta itu med intensitet olikformighet artefakt och en minskad uppdelning mellan GM och WM intensitet amplitud i AD fall 14.
Hjärnan-Sizer-komponenten innehåller också rutiner för manuell beteckning av ventriklar och borttagning av subtentorial strukturer. Segmentering av ventrikulär CSF (vCSF) är särskilt viktigt eftersom ventrikeln storlek är en vanligt förekommande BioMarsker för AD demens 15. Dessutom är avgränsning av ventriklar och choroid plexus absolut nödvändigt för korrekt identifiering av periventrikulär hyperintensities (pvSH), som tros spegla en form av små kärl sjukdom som karakteriseras av venös kollagenos 5,16,17. Använda T1 för referens, är manuell ommärkning av CSF voxlar till vCSF åstadkommit med manuella floodfill operationer på den segmenterade bilden. Typiskt är de laterala ventriklarna är lättare att skilja från sulcal CSF. Av denna anledning är det rekommenderat att börja floodfilling i axiell vy, från överlägsna skivor och rörliga nedtill. De mediala delarna av ventrikulära systemet, i synnerhet den 3: e ventrikeln, är svårare att avgränsa och ges speciella anatomi baserade regler som beskrivs i manualen. Brain-Sizer sista steget innefattar avlägsnande av hjärnstammen, lillhjärnan och andra subtentorial strukturer, med manuell spårning förfaranden som beskrivs i en extra uppsättning of anatomi baserade standardiserade protokoll.
Hjärnan Region Extraction (SABRE) komponent halvautomatisk är rörledningens parcelförfarande. Denna etapp kräver utbildade operatörer för att identifiera följande anatomiska landmärken: främre och bakre commissure (AC, PC); posterior hjärnkant; central kanal; sagitalplan; preoccipital hack; occipito-parietal sulcus; centrala sulcus, och; Sylvian spricka. Baserat på dessa landmärke koordinater, är en Talairach liknande 18 rutnät automatiskt och regionala parcel sker 19. Landmärken är lätt identifieras på ACPC linje bilder, som genereras automatiskt och manuellt kontrolleras före SABRE landmärkesförfaranden.
Lesionen-Seg komponenten är den sista etappen av rörledningen där SH identifiering och kvantifiering sker. Den inledande automatiska SH segmente genomför en komplicerad algoritm som inkluderar PD/T2-based SH segmetation, fuzzy c-medel maskering, och ventrikulär dilatation. Dessa operationer resulterar i en automatiskt genererad lesion segmente mask som manuellt kontrolleras och redigeras för falska positiva och andra fel. Som hyper signal på MRT kan bero nonpathological källor (t.ex. rörelseartefakt, normal biologi), är lämplig utbildning som krävs för korrekt identifiering av relevanta SH.
Det slutliga resultatet av LE-rörledningen är en omfattande volymeprofil innehållande åtta olika vävnads-och organskada Volumetrics vilka parcellated in 26 SABRE hjärnregioner. För att få en personlig operatörs inter-rater reliability prov på annan plats, är det rekommenderat att köra den fulla LE pipeline på träningsuppsättning som medföljer programvaran (http://sabre.brainlab.ca). Med hjälp av volym resultat, inter-klass korrelationskoefficient (ICC) 20 statistik kan beräknas för varje vävnad klass (GM / WM / CSF) i varje SABRE region. Använda segmentation bilder, Likhet Index (SI) 21 statistik kan beräknas för att utvärdera graden av rumslig kongruens. Dessutom kan intra-rater reliability bedömas på samma operatörens resultat, efter en kort tid har gått mellan operatörens 1: a och 2: a segmenteredigeringar. Förutsatt att off-huvudmannen följer filen namngivning som beskrivs i LE manualen, kan tillförlitlighet statistik beräknas på annan plats med hjälp av de grundläggande statistiska programpaket. Med tanke på dessa kvalitetskontroll och video-guidad standardiserade protokoll, kan off-site operatörer har större förtroende för att LE rörledningen appliceras exakt och tillförlitligt.
LE segmentering och parcelförfarande har utvecklats speciellt för att få regionala Volumetrics från MRT av AD och normal äldre. Medan det finns många helautomatiska rörledningar som gäller komplicerade beräkningsalgoritmer för att utföra dessa operationer, dessa verktyg tenderar att sakna den individualiserade noggrannhet och precision som LE: s halvautomatisk pipeline producerar. Avvägningen med halvautomatiska processer är de resurser som krävs för att korrekt utbilda operatörer med den anatomiska kunskaper och beräknings färdigheter som behövs för att tillämpa en sådan omfattande pipeline. Det är dock en av de främsta fördelarna med en individualiserad avbildning pipeline förmågan att erhålla kvantitativa Volumetrics från måttliga till allvarliga fall av neurodegeneration när automatiska rörledningar misslyckas.
Eftersom LE pipeline har tidigare utvärderats och tillämpats på olika äldre och dementa populationer 1,2,13,14,19,22,23, de viktigaste frågorna som are oftast stött av utbildade operatörer har väldokumenterade och sammanfattas nedan.
Den manuella kontrollen och redigering krävs med Brain-Sizer komponent inkluderar TIV utvinning maskeringsförfarande, vCSF omställning och manuellt avlägsnande av hjärnstammen, lillhjärnan och andra subtentorial strukturer. För hjärnan utvinning, är den automatiska TIV utgång i allmänhet en anständig mask under förutsättning att de ursprungliga PD/T2 bilderna är bra kvalitet. Men på grund av de relativa intensitetsvärden för kärl-och nervvävnad medial till sämre timliga stolpar, proximalt halspulsåder, denna region kräver typiskt någon redigering. Dessutom slemhinnor i näshålan tenderar att påverka regionala intensitet histogram, skev intensitet cut-off värden i de främre regionerna frontal, som tenderar att kräva ytterligare manuell redigering av den automatiska TIVauto masken. Slutligen ytterligare manuell redigering normalt krävs i de mest överlägsna regionerna, där global atrofi tenderar att resultera i en ökning av volymen av subaraknoid CSF precis under dura mäter. Alternativt, atrofi i samband med ventricular utvidgningen tenderar att minimera operatörsinsatser som krävs med vCSF omplacering. En annan fördel med att ha en tri-feature coregistration tillvägagångssätt är möjligheten att identifiera cystisk vätskefyllda infarkter proximalt till ventriklarna, potentiellt på grund av periventrikulär venös vaskulopati 5,24-26, som kan identifieras på grund av deras relativa intensitet på PD och T1 ( hyper på PD, hypointense på T1). Dessa hypointensities kan avgränsas från vCSF använda manuella gränser dras i ITK-SNAP_sb innan floodfilling verksamheten. Eftersom vCSF omplacering sker i T1-förvärvsutrymme, i de fall där anpassningen avviker betydligt från CCAM planet, en gräns kan krävas för den 3: e ventrikeln och quadrigeminal cistern, om datorn inte är fullt synliga. Även tentorium är en relativt enkel struktur för att differentiate flera anatomi baserade regler hjälpa till att styra manuellt avlägsnande av hjärnstammen och subtentorial strukturer, särskilt när lokaliserings separationen av de cerebrala stjälkar från den mediala tinningloben.
SABRE landmärkes är en stereotaktisk baserat ingrepp som utförs i standard ACPC linje bilder, vilket möjliggör måttligt förutsägbar lokalisering av vissa anatomiska landmärken. Undantag är fall med extrem atrofi och normal variation beroende på individuella skillnader i neuroanatomi. Hjärnan förtvinar resulterar i en total förlust av parenkym, ökad CSF längs mittlinjen som omger falx cerebri, vilket ökar svårigheten att välja lämpliga punkter för att placera landmärken. Regelbaserade protokoll behövs, identifiera fall där det krävs undantag från den allmänna regeln. Normala variationer i anatomin, särskilt när den relativa placeringen av den centrala sulcus och parieto-occipital sulcus, också öka svårigheterty av manuell avgränsning av dessa strukturer. Men det grafiska användargränssnitt som används av SABRE möjliggör realtids rotation av ytan renderade bilder, som avsevärt bistår i beslutsprocessen för visualisering av dessa speciella landmärken. Slutligen har vissa regel-baserat protokoll integrerats programmässigt i programvaran för att förhindra operatörs kränkning t.ex. centrala sulcus avgränsning tvingas flytta posteriort (line spårning hindras från att gå tillbaka till sig själv).
Lesionen-Seg komponentens manuella kontroller som kräver kompetens inom visuell identifiering av relevanta hyperintensities, en visuell perception färdighet som bara förvärvas efter exponering för skanningar med olika grader av SH. Falskt positiva minimeringsalgoritmer hjälpa till med att avlägsna de flesta felen i den ursprungliga segmentering. Men differentiering mellan vidgade perivaskulära utrymmen (Virchow-Robin utrymmen: VRS) i lentiform kärnan och relevant SH i den yttre kapseln, klausur, extrem kapseln och subinsular regioner kan vara svårt. Detta är särskilt svårt i fall med VRS i de basala ganglierna. Ett papper nyligen skisserar rapporteringsstandarder Kärl ändringar på hjärnavbildning (STRIVE), rekommenderas en storlek kriterium för att skilja VRS från lacunes, och beskriva VRS vara mer linjära och CSF intensitet på MRI. För att hantera dessa frågor med VRS identifiering, har LE antagit: a) en anatomi baserad regel som hindrar operatörer från att välja någon hyperintensity som faller inom lentiform kärnan, b) en storlek kriterium för att utesluta hyperintensities mindre än 5 mm i diameter, och c) en relativ intensitet regel för ytterligare uteslutning på grund av den relativa CSF intensiteten på PD, T2 och T1 27. Dessutom kan normala hyper signal hittas längs mittlinjen och falx cerebri, särskilt på FLAIR avbildning, vilket kan vara svårt att skilja mellan relevanta SH längs corpus callosum. I fall avsådan överlappning är anatomi baserade regler tillämpas där endast SH, som sträcker sig ut i periventrikulära regionerna accepteras.
Sammanfattningsvis är det viktigt att inse att denna skriftliga komponent är tänkt att komplettera en video-guidad, standardiserat protokoll offentliggörs i JUPITER ( https://www.jove.com ). Medan traditionella statiska siffror hjälpa till att förklara några begrepp, video-baserade självstudier är mer effektiva på att kommunicera de komplexa metodologiska processer med en omfattande neuroradiologiska pipeline såsom Lesion Explorer.
The authors have nothing to disclose.
Författarna erkänner tacksamt ekonomiskt stöd från följande källor. Utveckling och testning av olika neuroradiologiska analyser stöddes av flera bidrag, främst från den kanadensiska Institutes of Health Research (MOP # 13129), Alzheimer Society of Canada och Alzheimer Association (USA), hjärtat och Stroke Foundation Partnerskap kanadensiska för Stroke Återhämtning (HSFCPSR), och LC Campbell Foundation. JR får lön stöd från Alzheimer Society of Canada; SEB från Sunnybrook Research Institute och institutionerna för medicin vid Sunnybrook och U av T, däribland Brill ordförande i neurologi. Författarna får också lön stöd från HSFCPSR.
Magnetic resonance imaging machine (1.5 Tesla) | General Electric | See Table 1 for acquisition parameters | |
Magnetic resonance imaging machine (3 Tesla) | General Electric | See Table 2 for acquisition parameters |