Waiting
Login processing...

Trial ends in Request Full Access Tell Your Colleague About Jove
JoVE Journal Neuroscience
Click here for the English version

Neuroscience

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

Published: December 15, 2023 doi: 10.3791/65341
Automatic Translation
*1,2, *3,4, 1,2, 5,6,7, 1,2,8
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

Summary

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.

Abstract

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.

Introduction

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.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

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.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

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 protocol aantoont.

Problemen met kwaliteitscontrole en 3D-snijmachine-instellingen afhandelen
Voordat u met het segmentatieproces begint, is het noodzakelijk om de kwaliteit van de hersenscan te controleren om er zeker van te zijn dat er geen hoofdbewegingen of artefacten zijn die de handmatige segmentatie verstoren (Figuur 1A). Vervolgens kunnen helderheid en contrast worden aangepast om te helpen bij een betere visualisatie van de plexus choroideus. Sommige hersenscans kunnen hoofdbewegingen hebben en het is belangrijk om te bepalen of het artefact een negatieve invloed zou hebben op de afbakening van de plexus choroideus (Figuur 1B). Bovendien maken afbeeldingen met helderheids- en contrastartefacten het moeilijk om de randen van de plexus choroideus te onderscheiden (Figuur 1C,D). Probeer in dit geval de helderheid en het contrast aan te passen totdat deze geschikt zijn voor handmatige segmentatie. Zorg ervoor dat hersenscans die niet gemakkelijk kunnen worden gesegmenteerd voor de plexus choroideus worden uitgesloten.

Segmentatie van de plexus choroideus van het laterale ventrikel
Zoals te zien is in figuur 2, worden vijf hoofdonderdelen gebruikt om de afbeeldingen te laden en weer te geven (deel 1), verschillende 3D-slicerfuncties te selecteren (deel 2), hulpmiddelen voor het segmenteren van de laterale plexus choroideus (deel 3), de axiale, coronale en sagittale beelden te visualiseren (deel 4), het volume van de plexus choroidus lateraal ventrikel te berekenen (deel 5) en de resultaten van de handmatige segmentatie op te slaan. De T1w-hersenscan kan worden geüpload met behulp van de Welcome to Slicer-interface door voorbeeldgegevens te downloaden van de MRHead-dataset in 3D Slicer (Afbeelding 3) of door het NIFTI- of DICOM-bestand te importeren uit een bestaande dataset (Figuur 4A,B). Er is ook een optie in dit paneel om de helderheid en het contrast van het beeld te bewerken (Figuur 4C). Na het laden van de T1w-hersenscan, wordt deze weergegeven in de slice-weergave-interface en voorbereid op segmentatie van de laterale ventrikel choroideuze plexus. Handmatige segmentatie wordt gemaakt met behulp van de module Segment Editor (Afbeelding 5A) en de naam van het hoofdvolume kan worden bevestigd in Afbeelding 5B. In figuur 5C kunnen de labels voor de rechter en linker laterale ventrikel choroideus plexus worden toegevoegd en gelabeld in verschillende kleuren (Figuur 5C), en het interessegebied zelf kan worden afgebakend met behulp van het gereedschap Tekenen of Schilderen (Figuur 5D). Figuur 6 labelt de plexus choroideus laterale ventrikel en de omliggende hersenstructuren, zoals de nucleus caudatus, hippocampus, fornix en de derde ventrikel, die oriëntatiepunten biedt voor de segmentatie van de plexus choroideus laterale ventrikel in enkele van de meer complexe regio's. Om volumegegevens van de plexus choroideus te genereren en te extraheren uit de handmatige segmentaties, selecteert u de module Segmentstatistieken (Figuur 7A). Er zijn een paar opties om uit te kiezen voor het uitvoeren van de gegevens (Figuur 7B). De nieuwe bestanden met het berekende volume van de plexus choroideus ventrikel kunnen nu worden opgeslagen door op de knop Opslaan te drukken (Figuur 7C).

Derde en vierde ventrikel choroideus plexus segmentatie
Zoals te zien is in figuur 8, kan de3e ventrikel choroideus clerose gemakkelijk worden bekeken in het paneel linksonder dat het sagittale vlak weergeeft. Met name het foramen van Monro kan worden waargenomen onder het corpus callosum, met de plexus choroideus gemarkeerd in het derde ventrikel in groen. Het derde ventrikel en het derde ventrikel choroideus kunnen ook worden bekeken in het axiale en coronale vlak (respectievelijk linksboven en rechtsonder panelen van figuur 8). Ten slotte wordt een 3D-weergave van de plexus choroideus van het derde ventrikel getoond in het paneel rechtsboven van figuur 8. Figuur 9 labelt de plexus choroideus van het derde ventrikel en de omliggende hersenstructuren, waaronder het corpus callosum, fornix, thalamus, interne cerebrale ader en derde ventrikel, wat oriëntatiepunten biedt voor de segmentatie van de plexus choroideus van het derde ventrikel in enkele van de meer complexe regio's.

De plexus choroideus van het vierde ventrikel is moeilijker te zien en is te zien in figuur 10. De sagittale en coronale vlakken (panelen linksonder en rechtsonder van figuur 10) zorgen voor een optimaal zicht op de structuur. Er moet voor worden gezorgd dat delen van het cerebellum of de vierde ventrikel zelf niet worden afgebakend als plexus choroideus. Figuur 11 labelt de plexus choroideus van het vierde ventrikel en de omliggende hersenstructuren, waaronder de medulla, pons, superieure cerebella-steel, inferieure medullaire glul en vierde ventrikel, die oriëntatiepunten biedt voor de segmentatie van de 4eventrikel choroïde plexus in enkele van de meer complexe regio's.

Nauwkeurigheid, gelijkenis en overeenkomst van segmentatie
Segmentatie van neuroanatomische structuren kan direct worden vergeleken in een beeldviewer, maar de gelijkenis is soms moeilijk visueel te beoordelen. Daarom worden kwantitatieve metingen zoals de DC52, die procentuele overlap meet, en de avgSD53, die afstanden meet tussen de grensvlakken van de afgebakende structuren, gebruikt om voorspellingen te vergelijken met grondwaarheid of handmatige segmentaties over of binnen beoordelaars om de betrouwbaarheid te beoordelen. Zoals weergegeven in figuur 12A, is de DC voor twee 3D-segmentaties G en P gewoon het volume van de overlapping (snijpunt) gedeeld door het gemiddelde volume53:

Equation 1

waar | . | staat voor volume. Het meet overlap op een schaal tussen 0 en 1, waarbij een waarde van 1 exacte overeenstemming aangeeft en 0 disjuncte segmentaties en vaak wordt vermenigvuldigd met 100 om een procentuele overlap weer te geven. De gemiddelde oppervlakteafstand (ASD) meet de gemiddelde afstand (in mm) tussen alle punten x op de grens van G ( bd(G)) tot de grens van P en vice versa (Figuur 12B). Het wordt gedefinieerd als

Equation 2

met een afstand Equation 3 die het minimum van de Euclidische norm53 vertegenwoordigt. In tegenstelling tot de DC duidt een kleinere ASD op een betere opname van de segmentatiegrenzen, waarbij een waarde van nul het minimum is (perfecte match). Merk op dat soms ook de maximale afstand of het 95epercentiel wordt gebruikt in plaats van het gemiddelde, waarbij het maximum zeer gevoelig is voor enkele uitschieters, terwijl het 95epercentiel robuust is maar kleine maar relevante segmentatiefouten kan missen.

De overeenstemming van volumeschattingen (niet van de segmentaties rechtstreeks) tussen een reeks gepaarde segmentaties kan worden gemeten met behulp van ICC54. Dit kan worden bereikt door meerdere deelnemers te laten beoordelen door meerdere beoordelaars (interclass ICC) of door dezelfde beoordelaar (intraclass ICC) (Figuur 12C). ICC-scores variëren van 0 (slechte betrouwbaarheid) tot 1 (uitstekende betrouwbaarheid). Voor de interbeoordelaarsbetrouwbaarheid wordt voorgesteld om ICC1 (eenrichtingsmodel met vaste effecten) te gebruiken voor datasets waarbij elke segmentatie wordt uitgevoerd door een andere willekeurig geselecteerde beoordelaar. Bovendien wordt voor datasets waarbij meerdere beoordelaars, willekeurig gekozen, aan dezelfde segmentatie werken, aanbevolen om ICC2 (two-way random-effects model) te gebruiken om te testen op absolute overeenstemming in de segmentaties. Ten slotte wordt voor de betrouwbaarheid binnen de beoordelaar aanbevolen ICC3 (two-way mixed effects model) te gebruiken (Figuur 12C).

Figure 1
Figuur 1: Kwaliteitscontrole van de hersenscan. (A) Hersenscan met goed contrast en helderheid, geen bewijs van artefacten en geen hoofdbeweging. (B) Hersenscan die de beweging van het hoofd laat zien (rode pijl). (C) Hersenscan met hoge helderheid en laag contrast of (D) lage helderheid en hoog contrast. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.

Figure 2
Figuur 2: De segmentatie van de plexus choroideus van het laterale ventrikel in 3D Slicer. (1) wordt gebruikt om de DICOM- of NIFTI-beelden te laden en de resultaten op te slaan. (2) bestaat uit een vervolgkeuzemenu dat kan worden gebruikt om de Segment Editor-module (gele pijl) te openen, die wordt gebruikt om de plexus choroideus te segmenteren. De module Kwantificering (blauwe pijl) kan hier ook worden geselecteerd om het volume van de plexus choroideus te berekenen. (3) Toont de segmentwerkbalk, die de gereedschappen Tekenen, Tekenen en Wissen bevat. (4) toont de plexus choroideus in axiale, sagittale en coronale weergaven van het T1w-beeld. De 3D-weergave van de plexus choroideus wordt ook weergegeven in de rechterbovenhoek. (5) geeft de volumeresultaten weer van de handmatige segmentatie van de plexus choroideus, berekend met behulp van de module Segmentstatistieken. De eindresultaten kunnen worden opgeslagen met behulp van de in (1) genoemde knop Opslaan. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.

Figure 3
Afbeelding 3: Voorbeeldgegevens van 3D Slicer laden. In deze afbeelding ziet u hoe u de voorbeeldgegevens kunt downloaden van de 3DSlicer-interface. Eerst moet "Download Sample Data" worden geselecteerd en vervolgens moet "MRHead" worden gekozen, waarmee de axiale, sagittale en coronale weergaven van de hersenscan aan de rechterkant van het scherm worden weergegeven. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.

Figure 4
Figuur 4: Laden van de T1w hersenscan. Deze afbeelding laat zien hoe u de T1w-hersenscan kunt uploaden met behulp van NIFTI- (linkerpaneel) of DICOM-bestanden (rechterpaneel). (A) Voor NIFTI-bestanden moet ofwel "Kies map om toe te voegen" of "Kies bestand(en) om toe te voegen" worden geselecteerd, gevolgd door het selecteren van "OK". (B) Voor DICOM-bestanden moet u "DICOM-gegevens toevoegen" selecteren, gevolgd door "DICOM-bestanden importeren" en vervolgens op "OK" drukken. Deze twee benaderingen geven de axiale, sagittale en coronale weergaven van de hersenscan aan de rechterkant van het scherm weer. (C) Om de helderheid en het contrast van de beelden aan te passen, moet de rode knop worden geselecteerd. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.

Figure 5
Figuur 5: Segmentatie van de plexus choroideus van het laterale ventrikel. Nadat de T1w hersenscan in de 3D Slicer is geladen. (A) Het selecteren van de module "Segmentatie-editor". (B) Bevestiging van de module en het hoofdvolume voor handmatige segmentatie van de plexus choroideus van het laterale ventrikel. (C) Het maken van labels voor de rechter en linker laterale ventrikel choroideuze plexus. (D) Met behulp van de gereedschappen "tekenen" en "schilderen" om de plexus choroideus van het laterale ventrikel handmatig af te bakenen. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.

Figure 6
Figuur 6: Aangrenzende structuren van de plexus choroideus van het laterale ventrikel. Aangrenzende hersenstructuren zijn onder meer de fornix, de nucleus caudatus, de hippocampus en het derde ventrikel. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.

Figure 7
Figuur 7: Volumeberekening. Het berekenen van het volume van de plexus choroideus en het opslaan van de segmenten en volumeresultaten. (A) Het selecteren van de module Segmentstatistieken . (B) Selecteren voor het uitvoeren van de gegevens. (C) Druk op de knop Opslaan om de nieuwe bestanden op te slaan die het berekende volume van de plexus choroideus laterale ventrikel bevatten. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.

Figure 8
Figuur 8: Segmentatie van de plexus choroideus van het derde ventrikel in het ventrikel. Hier afgebeeld zijn de axiale, coronale en sagittale aanzichten van de plexus choroideus van het derde ventrikel die handmatig is gesegmenteerd met behulp van de 3D Slicer. De rechterbovenhoek toont een 3D-weergave van de plexus choroideus van het derde ventrikel. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.

Figure 9
Figuur 9: Aangrenzende structuren van de plexus choroideus van het derde ventrikel. Aangrenzende hersenstructuren zijn onder meer de fornix, de interne hersenader, de thalamus, het corpus callosum en de 3eventrikel . Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.

Figure 10
Figuur 10: Segmentatie van de plexus choroideus van het vierde ventrikel. Hier afgebeeld zijn de axiale, coronale en sagittale aanzichten van de vierde ventrikel choroideuze plexus die handmatig is gesegmenteerd met behulp van de 3D Slicer. De rechterbovenhoek toont een 3D-weergave van de plexus choroideus van het vierde ventrikel. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.

Figure 11
Figuur 11: Aangrenzende structuren van de plexus choroideus van het vierde ventrikel (plexus choroideus fus). Aangrenzende hersenstructuren zijn onder meer de medulla oblongata, pons, cerebellum, cerebellaire vermis en cerebellaire amandelen. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.

Figure 12
Afbeelding 12: Bepalen van de nauwkeurigheid, prestaties en overeenstemming van de segmentatie. (A) Weergeven hoe het overlappingspercentage wordt berekend met behulp van de Dice Coefficient (DC)-score. (B) De gemiddelde oppervlakteafstand (avgSD) meet de afstanden tussen de grensvlakken van de afgebakende structuren om voorspellingen te vergelijken met grondwaarheid, of handmatige segmentaties over of binnen beoordelaars om de betrouwbaarheid te beoordelen. (C) De intraclass-correlatiecoëfficiënt (ICC) kan worden gebruikt voor interbeoordelaars- (herhaalde metingen van dezelfde proefpersoon) of intrabeoordelaar (meerdere metingen van dezelfde beoordelaars) betrouwbaarheidsanalyse. Er wordt een representatief voorbeeld en uitvoer gegeven. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

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 afbeelding te bekijken of door de waarden te kalibreren om het contrast tussen de grijze stofkernen en grijze stof te verbeteren. Ten tweede moeten de beoordelaars bekend zijn met de anatomie van de plexus choroideus en een gespecialiseerde opleiding hebben gevolgd. Als beoordelaars niet bekend zijn met de anatomie van de plexus choroideus en aangrenzende hersengebieden, kunnen ze de plexus choroideus verkeerd segmenteren, waardoor het volume van de plexus choroideus onnauwkeurig wordt. Ten slotte is het belangrijk om de intra- en interbeoordelaarsreproduceerbaarheid te evalueren om ervoor te zorgen dat beoordelaars die handmatige segmentatie uitvoeren, hun eigen segmentatie en die van andere beoordelaars van de plexus choroideus kunnen reproduceren. Deze cijfers zijn ook zeer relevant bij het valideren van geautomatiseerde segmentatietools in een later stadium. Bovendien, als de gegevensset vast is en als er meerdere beoordelaars worden gebruikt voor handmatige segmentatie, wordt aanbevolen om dezelfde vensterinstelling te gebruiken, zodat de beoordelaars naar hetzelfde beeld kijken met hetzelfde contrast en dezelfde helderheid. Als de vensterinstelling verandert tussen beoordelaars die naar dezelfde afbeelding kijken, kan dezelfde afbeelding anders worden gesegmenteerd.

Wijzigingen en probleemoplossing
Gebruikers kunnen enkele wijzigingen aanbrengen in dit protocol. Ten eerste kan choroideus plexusweefsel in het paraseptale gebied en het inferno-anterieur-laterale deel van de temporale hoorn, dat grenst aan het septum pellucidum, fornix en hippocampus, de segmentatie van de plexus choroideus uitdagend maken. Om dit probleem aan te pakken, zou worden voorgesteld om de segmentatie van de plexus choroideus in alle drie de dimensies uit te voeren, en er wordt een referentie gegeven (figuur 6) voor het segmenteren van de plexus choroideus in deze complexe regio's. Ten tweede is het ook belangrijk om te weten wanneer je de segmentatie moet stoppen. Voor de plexus choroideus in de laterale en derde ventrikels kan de rode kern worden gebruikt als een stoporiëntatiepunt, terwijl voor de plexus choroideus choroideus van het vierde ventrikel het foramen van Magendie als stoppunt kan worden gebruikt. Ten derde kunnen er problemen zijn bij het onderscheiden van de grens tussen de plexus choroideus en CSF in het posterieure-basale deel van de laterale ventrikels. Om dit probleem aan te pakken, kunnen signaalintensiteit en anatomische overwegingen worden gebruikt om de beoordelaar te helpen bij het nemen van de juiste segmentatiebeslissingen. Ten vierde, als een beeld met een lage resolutie wordt gebruikt, wordt aanbevolen om conservatiever te zijn in de segmentatieprocedure en prioriteit te geven aan het gebruik van contrastversterkte beeldvorming om de segmentatie van de plexus choroideus in dit temporale gebied te valideren. Als contrastversterkte beeldvorming niet beschikbaar is, wordt voorgesteld om dit gebied uit te sluiten van het segmentatieproces. Als er echter een afbeelding met een hoge resolutie wordt gebruikt, is het aan te raden om liberaler te zijn in de segmentatieprocedure. Als de afbakening tussen de plexus choroideus en het hersenparenchym kan worden gemaakt op een afbeelding met hoge resolutie van de temporale hoorn, dan zou een contrastversterkt beeld niet nodig zijn. Ten vijfde kan 3D Slicer draaien op een touchscreen-computer waar een styluspen in plaats van een muis kan worden gebruikt om de tracering van de plexus choroideus te verbeteren. Deze software is momenteel echter niet beschikbaar op de iPad. Ten slotte kunnen op sommige computers problemen met het crashen van software optreden wanneer de plexus choroideus van meer dan tien proefpersonen achter elkaar is afgebakend. In dit geval kan het regelmatig klikken op de knop Opslaan gegevensverlies als gevolg van de softwarecrash voorkomen.

Beperkingen
Hoewel handmatige segmentatie van de plexus choroideus de gouden standaard is voor het verkrijgen van nauwkeurige volumegegevens, zijn er verschillende beperkingen met betrekking tot het type en de kwaliteit van de scan, evenals de ervaring van de beoordelaar21. De grootte van de plexus choroideus kan bijvoorbeeld variëren afhankelijk van leeftijd of ziektetoestand, wat van invloed kan zijn op de grootte van de ventrikel en de plexus choroideus. De plexus choroideus kan dus klein lijken bij jonge, gezonde personen, waardoor het moeilijk is om handmatig te segmenteren. Dit probleem kan worden verergerd als het beeld een slechtere resolutie heeft (1,2 of 1,5 mm isovoxel) en/of is vastgelegd met een 1,5 T MRI-scanner. Handmatige segmentatie van de plexus choroideus kan bovendien worden beïnvloed door de helderheid en het contrast van het beeld, waardoor het moeilijk wordt om de grenzen te identificeren, wat resulteert in over- of onderschatting van het volume. Bovendien zijn de plexus choroideus van het derde en vierde ventrikel kleine structuren, die een uitdaging kunnen zijn om goed te segmenteren als er geen beeld met een hogere resolutie beschikbaar is (0,7 of 0,8 mm isovoxel). Een beperking van het gebruik van een 3D Slicer in plaats van andere open-source handmatige segmentatiesoftware is het onvermogen om beeldsegmentatie tegelijkertijd in drie dimensies uit te voeren, een functie die wordt aangeboden via ITK-SNAP51 en die de snelheid van beeldsegmentatie van de plexus choroideus kan verbeteren. Bovendien is handmatige segmentatie een tijdrovende en vervelende taak, waardoor de studie van de plexus choroideus in grote cohorten met duizenden of tienduizenden individuen onpraktisch is, wat de behoefte aan nauwkeurige automatische segmentatietools voor choroideus plexus benadrukt. Ten slotte kan het simpelweg tellen van de voxels van de plexus choroideus zonder rekening te houden met de partiële volume-effecten van liquor of witte stof leiden tot fouten in de volumemeting.

Betekenis ten opzichte van bestaande methoden
De afhankelijkheid van FreeSurfer voor segmentatie van de plexus choroideus, die een slechte nauwkeurigheid heeft en de plexus choroideus van het derde en vierde ventrikel niet segmenteert, beperkt het fundamentele werk dat kan worden voltooid om de rol van de plexus choroideus in gezondheid en ziekte beter te begrijpen. Bovendien kan een nauwkeurigere afbakening van de plexus choroideus ook worden gebruikt door de neuroimaging-gemeenschap van Alzheimer om de besmetting van het mediale temporale tau-PET-signaal door off-target binding in de plexus choroideuste verminderen 55. Hoewel de eerste aanpassingen van machine learning (GMM) en deep-learning-technieken (3D U-Net, nnU-Net, Axial-MLP 8) aan choroideus plexus-labels de segmentatienauwkeurigheid op FreeSurfer-afgeleide choroid plexus labels 46,48,49 hebben verbeterd, worden methoden helaas alleen getraind en geëvalueerd in kleine, homogene datasets, noch openbaar beschikbaar, noch gebruiksvriendelijke tools en onvolledig met alleen de plexus choroideus in de laterale ventrikels. Een voorbehoud is dat er op het moment van de herindiening van dit protocol een artikel was gepubliceerd door Yazdan-Panah et al. waarin ze handmatige segmentatie van de laterale ventrikel choroideus plexus uitvoerden met behulp van ITK-SNAP56. Ze gebruikten deze handmatig gesegmenteerde beelden om een 2-staps 3D U-Net te trainen en demonstreerden een gemiddelde DC van 0,72 met de grondwaarheid, en het presteerde beter dan FreeSurfer- en FastSurfer-gebaseerde segmentaties56. De generaliseerbaarheid naar andere resoluties, scanners, leeftijden en meerdere ziekten is niet vastgesteld en is in feite onwaarschijnlijk gezien de uitdaging van de domeinoverdracht.

Toekomstige toepassingen
Vanwege de hierboven genoemde beperkingen is een protocol nodig voor het nauwkeurig segmenteren van de plexus choroideus. Om een geautomatiseerde segmentatietool voor de plexus choroideus te creëren, wat een uitdaging kan zijn om te ontwikkelen vanwege de aard van deze structuur, is bovendien een uitgebreide geannoteerde dataset van de plexus choroideus nodig die verschillende parameters omvat en deze combineert met een reeks methodologische innovaties voor de state-of-the-art open-source software, FastSurfer42,43, een geavanceerde en schaalbare op deep learning gebaseerde neuroimaging-pijplijn voor geautomatiseerde corticale en subcorticale segmentatie. Van FastSurferCNN is aangetoond dat het beter presteert dan 3D U-Net-, SDNet- en QuickNAT-modellen voor corticale en subcorticale segmentatie van bijna 100 structuren met een gemiddelde DC's > 8542. Zo kan een grote en uitgebreide annotatie van de plexus choroideus met FastSurfer worden gebruikt om aanzienlijk uit te breiden tot (1) een 3D-architectuur met verbeterde interne augmentatietechnieken, (2) de mogelijkheid om ook - voor het eerst - gedeeltelijke volumeschattingen rechtstreeks te voorspellen, evenals (3) outputsegmentaties met hogere resoluties (superresolutie) voor gegevensharmonisatie. De auteurs zijn van plan om verder te werken aan het aanpassen en ontwikkelen van FastSurfer om een zeer nauwkeurige choroideus plexus segmentatietool te creëren voor de laterale, derde en vierde ventrikels en delen dit openlijk met de onderzoeksgemeenschap.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

De auteurs hebben geen concurrerende financiële belangen.

Acknowledgments

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).

Materials

Name Company Catalog Number Comments
3D Slicer 3D Slicer https://www.slicer.org/ A free, open source software for visualization, processing, segmentation, registration, and analysis of medical, biomedical, and other 3D images and meshes; and planning and navigating image-guided procedures.
FreeSurfer FreeSurfer https://surfer.nmr.mgh.harvard.edu/ An open source neuroimaging toolkit for processing, analyzing, and visualizing human brain MR images
ITK-SNAP ITK-SNAP http://www.itksnap.org/pmwiki/pmwiki.php A free, open-source, multi-platform software application used to segment structures in 3D and 4D biomedical images. 
Monai Package Monai Consortium https://docs.monai.io/en/stable/metrics.html Use for Dice Coefficient and DeepMind average Surface Distance. 
MRI scanner GE Discovery MR750 
Psych Package R-Project https://cran.r-project.org/web/packages/psych/index.html A general purpose toolbox developed originally for personality, psychometric theory and experimental psychology.
R Software R-Project https://www.r-project.org/ R is a free software environment for statistical computing and graphics. 
RStudio Posit https://posit.co/ An RStudio integrated development environment (IDE) is a set of tools built to help you be more productive with R and Python. 
Windows or Apple OS Desktop or Laptop Any company n/a Needed for running the software used in this protocol. 

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  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).

Tags

Deze maand in JoVE nummer 202 plexus choroide MRI handmatige segmentatie menselijk volume neuroimaging
Handmatige segmentatie van de menselijke plexus choroideus met behulp van hersen-MRI
Play Video
PDF DOI DOWNLOAD MATERIALS LIST

Cite this Article

Bannai, D., Cao, Y., Keshavan, M.,… More

Bannai, D., Cao, Y., Keshavan, M., Reuter, M., Lizano, P. Manual Segmentation of the Human Choroid Plexus Using Brain MRI. J. Vis. Exp. (202), e65341, doi:10.3791/65341 (2023).

Less
Copy Citation Download Citation Reprints and Permissions
View Video

Get cutting-edge science videos from JoVE sent straight to your inbox every month.

Waiting X
Simple Hit Counter