Læsion Explorer (LE) er en semi-automatisk, image-forarbejdning rørledning udviklet til at opnå regional hjernevæv og subkortikale hyperintensity læsion volumetrics fra strukturel MRI af Alzheimers sygdom og normal ældre. For at sikre et højt niveau af nøjagtighed og pålidelighed, følgende er en video-guidet, standardiseret protokol for LE manuelle procedurer.
Indhentning in vivo menneskelige hjerne væv volumetrics fra MRI er ofte kompliceret af forskellige tekniske og biologiske problemer. Disse udfordringer bliver forværrede, når betydelige hjerne atrofi og aldersrelaterede hvide substans ændringer (f.eks Leukoaraiosis) er til stede. Læsion Explorer (LE) er en præcis og pålidelig neuroimaging rørledning specielt udviklet til at behandle sådanne spørgsmål almindeligt observerede på MR-scanning af Alzheimers sygdom og normal ældre. Rørledningen er et komplekst sæt af semi-automatiske procedurer, der tidligere er blevet valideret i en række interne og eksterne pålidelighedsløb 1,2. Men er meget afhængig af veluddannede manuelle operatører LE nøjagtighed og pålidelighed til at udføre kommandoer, identificere distinkte anatomiske kendetegn, og manuelt redigere / kontrollere forskellige computer-genereret segmentering udgange.
LE kan opdeles i 3 hovedkomponenter, hver kræver et sæt af kommandoer og manuel operationer: 1) Brain-Sizer, 2) SABRE, og 3) Læsion-seg. Brain-Sizer manuelle operationer involverer redigering af automatiske kraniet-strippet total intrakranielt hvælving (TIV) ekstraktion maske, udpegning af ventrikulær cerebrospinalvæske (vCSF), og fjernelse af subtentorial strukturer. SABRE komponent kræver kontrol af billedet justering langs forreste og bageste commissure (CCAM) plan, og identifikation af adskillige anatomiske kendetegn, der kræves for regional udstykning. Endelig Læsion-Seg komponent involverer manuel kontrol af den automatiske læsion segmentering af subcortical hyperintensities (SH) for falske positive fejl.
Mens uddannelse på stedet af LE rørledningen er at foretrække, let tilgængelige visuelle pædagogiske værktøjer med interaktive uddannelse billeder er et levedygtigt alternativ. Udviklet til at sikre en høj grad af nøjagtighed og pålidelighed, følgende er en trin-for-trin, video-styret, standardiseret protokol for LE manuelle procedurer.
Brain billedanalyse er en nye inden for neurovidenskab kræver dygtige operatører med en høj grad af beregningsmæssige og neuroanatomiske kompetence. For at få kvantitative oplysninger fra magnetisk resonans (MRI) er en uddannet operatør ofte forpligtet til at gennemføre, overvåge og redigere, computer-genereret imaging udgange genereret fra rå MRIs. Mens mange 'fuldautomatiske' billeddiagnostiske værktøjer er frit tilgængelige via internettet, nøjagtighed og pålidelighed er tvivlsom, når den anvendes som en novice operatør mangler viden, uddannelse og kendskab til den downloadede værktøj. Selvom on-site uddannelse er den mest foretrække pædagogiske tilgang, præsentationen af en video-guidet, standardiseret protokol er et levedygtigt alternativ, især hvis de ledsages af en uddannelse sæt billeder. Derudover kan uddannelsen sæt billeder skal bruges til kvalitetskontrol foranstaltninger såsom en off-site inter-rater pålidelighed test.
CHallenges udvikle en billedbehandling rørledning, især når studere aldring og Alzheimers sygdom (AD), omfatter en lang række tekniske og biologiske problemer. Selv om nogle tekniske problemer løses med efterbehandling korrektionsalgoritmer 3, variabilitet på grund af individuelle forskelle og patologiske processer indføre mere komplekse hindringer. Brain atrofi og ventrikulær udvidelsen kan reducere levedygtighed registrering vridning og skabelon-matchende tilgange. Tilstedeværelsen af aldersrelateret hvide substans ændrer 4 og små karsygdom 5,6, observeret som subcortical hyperintensities (SH) 7,8, cystisk væskefyldte lacunar-lignende infarkter 9,10 og dilaterede perivaskulære rum 11,12, yderligere komplicere segmentering algoritmer. I tilfælde af signifikant hvide substans sygdom, kan en enkelt T1 segmentering medføre overvurdering af grå substans (GM) 13, som kun kan afhjælpes med en ekstra selvgmentation hjælp proton tæthed (PD), T2-vægtet (T2), eller væske-svækkede inversion recovery (FLAIR) billeddannelse. I lyset af disse udfordringer, læsionen Explorer (LE) billedbehandling rørledning implementerer en halvautomatisk tri-funktionen (T1, PD, T2) tilgang, udnytte uddannede operatører på bestemte stadier, når menneskelig indgriben er at foretrække 1,2.
Brain ekstraktion (eller kranium stripning) typisk en af de første operationer, der udføres i Neuroimaging. På denne baggrund nøjagtigheden af den samlede intrakraniel hvælving (TIV) ekstraktion proces i høj grad påvirker efterfølgende operationer længere nede i rørledningen. Væsentlig over-erosion, hvilket resulterer i tab af hjernen, kan føre til overvurdering af hjernen atrofi. Alternativt betydelig under-erosion, hvilket resulterer i medtagelse af dura og andet nonbrain sag, kan føre til inflation i hjernen mængder. LE Brain-Sizer komponent adresser mange af disse spørgsmål ved hjælp af en tri-funktionen (T1, T2, og PD) tilgang til at generereen TIV maske, som giver bedre resultater i forhold til single-feature metode 1. Derudover er automatisk genereret TIV maske manuelt kontrolleres og redigeres ved hjælp af standardiseret protokol, der identificerer regioner modtagelige for kraniet stripping fejl. Efter hjernen ekstraktion segmentering udføres på kraniet-strippet T1, hvor hver hjerne voxel er tildelt til en af 3 etiketter: GM, hvid substans (WM) eller cerebrospinalvæske (CSF). Segmentering opnås automatisk ved hjælp af en robust kurvetilpasningsprogram algoritme anvendt på globale og lokale intensitet histogrammer; en teknik udviklet til at løse intensitet uensartethed artefakt og en nedsat adskillelse mellem GM og WM intensitet amplitude i antidumpingsager 14.
The Brain-Sizer komponent indeholder også procedurer for manuel udpegning af hjertekamrene og fjernelse af subtentorial strukturer. Segmentering af ventrikulær CSF (vCSF) er særlig vigtig, da ventrikel størrelse er et almindeligt anvendt BioMarker for AD demens 15. Derudover afgrænsning af hjertekamrene og plexus chorioideus er bydende nødvendigt for korrekt identifikation af periventricular hyperintensities (pvSH), som menes at afspejle en form for lille fartøj sygdom karakteriseret ved venøs collagenosis 5,16,17. Brug T1 til reference, er manuel ommærkning af FSR voxel til vCSF opnået med manuelle floodfill operationer på segmenterede billede. Typisk laterale ventrikler er lettere at skelne fra sulcal CSF. Af denne grund anbefales det at begynde floodfilling i aksial, startende fra essentielle skiver og bevæger inferiorly. Den mediale dele af ventrikulære system, især den 3. ventrikel, er vanskeligere at afgrænse og er givet særlige anatomi-baserede regler, som er skitseret i manualen. Brain-Sizer endelige skridt omfatter fjernelse af hjernestammen, lillehjernen og andre subtentorial strukturer ved hjælp af manuelle sporingsforanstaltninger beskrevet i et ekstra sæt of anatomi-baserede standardiserede protokoller.
Den semi-automatiske Brain Region Extraction (SABRE) komponent er rørledningens udstykning procedure. Denne fase kræver uddannede operatører til at identificere de følgende anatomiske kendetegn: forreste og bageste commissure (AC, PC); posterior hjerne kant; central kanal; medio sagittalplan; preoccipital hak; occipito-parietale sulcus; central sulcus, og; Sylvian revne. Baseret på disse skelsættende koordinater, er en Talairach-lignende 18 gitter automatisk genereret og regional udstykning er gennemført 19. Lokaliteter er let identificeres på CCAM afstemt billeder, som er genereret automatisk og manuelt kontrolleres forud for SABRE landmarking procedurer.
Læsionen-Seg komponenten er den sidste fase af rørledningen, hvor identifikation og kvantificering SH er gennemført. Den indledende automatiske SH segmentering implementerer en kompleks algoritme, som omfatter PD/T2-based SH segmentation, fuzzy c-midler maskering, og ventrikulær dilatation. Disse operationer resulterer i en automatisk genereret læsion segmentering maske, der manuelt kontrolleret og redigeret for falske positiver og andre fejl. Som hyperintense signal på MRI kan skyldes nonpathological kilder (f.eks bevægelsesartefakt, normal biologi), er en ordentlig uddannelse, der kræves for præcis identifikation af relevant SH.
Det endelige resultat af LE rørledning er en omfattende volumetrisk profil indeholder 8 forskellige væv og læsion volumetrics der parcellated i 26 SABRE hjernen regioner. For at opnå en individuel operatør inter-rater pålidelighed test off-site, anbefales det at udføre den fulde LE rørledningen på uddannelse sæt følger med softwaren (http://sabre.brainlab.ca). Brug af volumetriske resultater, inter-klasse korrelationskoefficient (ICC) 20 statistikker kan beregnes for hver væv klasse (GM / WM / CSF) i hver SABRE region. Brug af segmentation billeder, Similarity Index (SI) 21 statistikken kan beregnes til at vurdere graden af rumlig kongruens. Derudover kan intra-rater pålidelighed vurderes på samme operatørens resultater, efter en kort periode er gået mellem operatørens 1. og 2. segmentering redigeringer. Forudsat at off-site operatør klæber til navngivning konventioner skitseret i LE manual, kan pålidelighed statistik beregnes off-site bruger mest basale statistiske softwarepakker. I betragtning af disse kvalitetskontrol og video-styrede standardiseret protokol, kan off-site operatører har større tillid til, at LE rørledningen anvendes nøjagtigt og pålideligt.
LE segmentering og udstykning procedure blev udviklet specielt til at få de regionale volumetrics fra MR-scanning af AD og normal ældre. Mens der er mange fuldautomatiske rørledninger, der anvender komplekse beregningsmæssige algoritmer til at udføre disse operationer, disse værktøjer tendens til at mangle den individualiserede nøjagtighed og præcision, LE semi-automatisk rørledning producerer. Det trade-off med semi-automatiske processer er de ressourcer, der kræves til korrekt træne operatører med den anatomiske viden og beregningsmæssige færdigheder er nødvendige for at anvende en sådan omfattende pipeline. Men en af de primære fordele ved en individualiseret imaging rørledning er evnen til at opnå kvantitative volumetrics fra moderate til svære tilfælde af neurodegeneration når automatiske rørledninger mislykkes.
Da LE rørledning tidligere er blevet evalueret og anvendt til forskellige ældre og demente befolkninger 1,2,13,14,19,22,23, de vigtigste spørgsmål, der are typisk stødt af trænede operatører er veldokumenterede og er opsummeret nedenfor.
Den manuelle kontrol og redigering påkrævet med Brain-Sizer komponent omfatter TIV udvinding maskering procedure, vCSF omplacering og manuel fjernelse af hjernestammen, lillehjernen og andre subtentorial strukturer. For hjerne udvinding, automatiske TIV output er generelt en anstændig maske forudsat at de oprindelige PD/T2 billederne er af god kvalitet. Men på grund af den relative intensitet værdier af vaskulære og nervevæv mediale til ringere tidsmæssige poler, proximalt til halspulsårerne denne region typisk kræver nogle redigering. Derudover slim i næsehulen tendens til at påvirke regionale intensitet histogrammer, skævvridning intensitet cut-offs værdier i de forreste frontale regioner, som har en tendens til at kræve yderligere manuel redigering af den automatiske TIVauto maske. Endelig er ekstra manuel redigering typisk kræves i de mest overlegne regioner, hvor glObal atrofi tendens til at resultere i en stigning i mængden af subarachnoid CSF lige under dura mater. Alternativt atrofi er forbundet med ventrikelforstørrelse tendens til at minimere operatørens indgreb der er nødvendige med vCSF omplacering. En anden fordel ved at have en tri-feature coregistration fremgangsmåde er evnen til at identificere cystisk væskefyldte infarkter proximale til ventriklerne, eventuelt på grund af periventrikulær venøs vaskulopati 5,24-26, som kan identificeres på grund af deres relativ intensitet på PD og T1 ( hyperintense på PD, hypointense læsioner på T1). Disse hypointensities kan afgrænses fra vCSF bruge manuelle grænser trukket i ITK-SNAP_sb før floodfilling operationer. Da vCSF omplacering udføres i T1-erhvervelse plads i tilfælde, hvor tilpasningen afviger langt fra CCAM flyet, kan kræves en grænse for 3. ventrikel og quadrigeminal cisterne, hvis pc'en ikke er fuldt synlig. Selv tentorium er en forholdsvis let struktur differentiate flere anatomi-baserede regler hjælpe med at vejlede manuel fjernelse af hjernestammen og subtentorial strukturer, især når lokalisering adskillelsen af cerebrale stilke fra den mediale tindingelappen.
SABRE landmarking er en stereotaktisk baseret procedure udført i standard ACPC afstemt billeder, der giver mulighed for moderat forudsigelig lokalisering af bestemte anatomiske kendetegn. Undtagelser fra denne er tilfælde med ekstrem atrofi og normale variabilitet på grund af individuelle forskelle i neuroanatomi. Hjerneatrofi resulterer i et samlet tab af parenkym, øget CSF langs midterlinien omgiver falx cerebri, hvilket øger vanskeligheden ved at vælge passende punkter at placere vartegn. Regelbaserede protokoller er påkrævet, identificere tilfælde, hvor undtagelser fra den generelle regel er påkrævet. Normale variationer i anatomien, især i den relative placering af den centrale sulcus og parieto-occipital sulcus, også øge vanskety manuel afgrænsning af disse strukturer. Men den grafiske brugergrænseflade anvendes af SABRE giver mulighed for real-time rotation af overflade rendered images, som i væsentlig grad bistår i beslutningsprocessen til visualisering af disse særlige vartegn. Endelig har nogle regel-baseret protokol blevet integreret programmering i softwaren for at forhindre operatør overtrædelse f.eks central sulcus afgrænsning er tvunget til at bevæge sig bagud (line sporing er forhindret i at gå tilbage på sig selv).
Læsionen-Seg komponenten manual kontrolprocedure kræver ekspertise i visuel identifikation af relevant hyperintensities, en visuel perception færdighed, som kun erhverves efter udsættelse for scanninger med varierende grader af SH. Falsk-positive minimering algoritmer hjælpe med fjernelse af de fleste fejl i den indledende segmentering. Men differentiering mellem dilaterede perivaskulære rum (Virchow-Robin mellemrum: VRS) i lentiform kernen og reLevant SH i den eksterne kapsel, claustrum, ekstrem kapsel, og subinsular regioner kan være svært. Dette er særligt vanskeligt i tilfælde med VRS i basalganglierne. En nylig papir skitserer standarder for rapportering Vaskulære ændringer på Neuroimaging (STRIVE), anbefalede en størrelse kriterium for at skelne VRS fra lacunes, og beskrive VRS til at være mere lineære og CSF intensitet på MRI. For at løse disse problemer med VRS identifikation, har LE vedtaget: a) en anatomi-baserede regel, der forhindrer virksomhederne i at vælge en hyperintensity der falder inden for lentiform kerne, b) en størrelse kriterium for at udelukke hyperintensities mindre end 5 mm i diameter, og c) en relativ intensitet regel for yderligere udstødelse på grund af den relative CSF intensitet på PD, T2 og T1 27. Derudover kan normal hyperintense signal findes langs midterlinien og falx cerebri, især på FLAIR billedbehandling, hvilket kan være svært at skelne mellem relevant SH langs corpus callosum. I tilfælde afsådan overlapning, er anatomi-baserede regler implementeres, hvor kun SH, som strækker sig ud i periventrikulære regioner accepteres.
Afslutningsvis er det vigtigt at forstå, at denne skriftlige komponent er beregnet til at supplere en video-styret, standardiseret protokol offentliggørelsen i JOVE ( https://www.jove.com ). Mens traditionelle statiske tal hjælpe med at forklare nogle begreber, er mere effektive video-baserede tutorials til at kommunikere de involverede med en omfattende neuroimaging rørledning såsom Læsion Explorer komplekse metodologiske processer.
The authors have nothing to disclose.
Forfatterne takker for finansiel støtte fra følgende kilder. Udvikling og afprøvning af forskellige Neuroimaging analyser blev støttet af flere tilskud, især fra den canadiske Institutes of Health Research (MOP # 13129), Alzheimer Society of Canada og Alzheimers Association (USA), hjertet og slagtilfælde Foundation canadiske Partnerskab for slagtilfælde Recovery (HSFCPSR) og LC Campbell Foundation. JR modtager støtte løn fra Alzheimer Society of Canada; SEB fra Sunnybrook Research Institute og departementer of Medicine på Sunnybrook og U af T, herunder Brill Chair i Neurology. Forfattere får også støtte løn fra 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 |