Waiting
Login processing...

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

Neuroscience

פילוח ידני של מקלעת הכורואיד האנושית באמצעות MRI מוח

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

למרות התפקיד המכריע של מקלעת הכורואיד במוח, מחקרי דימות מוחי של מבנה זה נדירים בשל היעדר כלי סגמנטציה אוטומטיים אמינים. הפרוטוקול הנוכחי נועד להבטיח פילוח ידני סטנדרטי של מקלעת הכורואיד שיכול לשמש בסיס למחקרי דימות מוחי עתידיים.

Abstract

מקלעת הכורואיד הייתה מעורבת בהתפתחות עצבית ובמגוון הפרעות מוחיות. ראיות מוכיחות כי מקלעת הכורואיד חיונית להבשלת המוח, ויסות חיסוני/דלקתי ותפקוד התנהגותי/קוגניטיבי. עם זאת, כלי הפילוח האוטומטיים הנוכחיים של דימות מוחי אינם מסוגלים לפלח באופן מדויק ואמין את מקלעת כורואיד החדר הצידי. יתר על כן, אין כלי קיים המקטע את מקלעת הכורואיד הממוקמת בחדר השלישי והרביעי של המוח. לפיכך, יש צורך בפרוטוקול המתאר כיצד לפלח את מקלעת הכורואיד בחדר הצידי, השלישי והרביעי כדי להגביר את המהימנות והשכפול של מחקרים הבוחנים את מקלעת הכורואיד בהפרעות נוירו-התפתחותיות ומוחיות. פרוטוקול זה מספק שלבים מפורטים ליצירת קבצים עם תוויות נפרדות ב- 3D Slicer עבור מקלעת הכורואיד בהתבסס על תמונות DICOM או NIFTI. מקלעת הכורואיד תחולק ידנית באמצעות מישורי הציר, הקשת והעטרה של תמונות T1w תוך הקפדה על אי הכללת ווקסלים ממבני חומר אפור או לבן הגובלים בחדרים. החלונות יותאמו כדי לסייע בלוקליזציה של מקלעת הכורואיד וגבולותיה האנטומיים. שיטות להערכת דיוק ומהימנות יודגמו כחלק מפרוטוקול זה. ניתן להשתמש בסגמנטציה סטנדרטית של מקלעת הכורואיד באמצעות תיחום ידני כדי לפתח כלי סגמנטציה אוטומטיים טובים ואמינים יותר שניתן לשתף בגלוי כדי להבהיר שינויים במקלעת הכורואיד לאורך תוחלת החיים ובתוך הפרעות מוחיות שונות.

Introduction

הפונקציה Choroid plexus
מקלעת הכורואיד היא מבנה וסקולרי מאוד במוח המורכב מנימים מופנים וחד-שכבה של תאי אפיתל מקלעת כורואיד1. מקלעת הכורואיד מקרינה לתוך חדרי המוח הצדיים, השלישי והרביעי ומייצרת נוזל מוחי שדרתי (CSF), הממלא תפקיד חשוב בתבניות עצביות2 ובפיזיולוגיה של המוח 3,4. מקלעת הכורואיד מפרישה חומרים נוירו-וסקולריים, מקיפה מאגר דמוי תא גזע, ופועלת כמחסום פיזי המעכב כניסה של מטבוליטים רעילים, מחסום אנזימטי להסרת מואייטים העוקפים את המחסום הפיזי, ומחסום אימונולוגי להגנה מפני פולשים זרים5. מקלעת הכורואיד מווסתת נוירוגנזה6, פלסטיות סינפטית7, דלקת8, שעון ביולוגי 9,10, ציר מוח המעי11 וקוגניציה12. יתר על כן, ציטוקינים היקפיים, מתח וזיהום (כולל SARS-CoV-2) יכולים לשבש את מחסום הדם-CSF 13,14,15,16. לפיכך, מערכת מקלעת הכורואיד CSF היא אינטגרלית להתפתחות עצבית, הבשלה של מעגלים עצביים, הומאוסטזיס מוחי ותיקון17. מאחר ששינויים חיסוניים, דלקתיים, מטבוליים ואנזימטיים משפיעים על המוח, חוקרים משתמשים בכלי דימות מוחי כדי להעריך את התפקיד של מקלעת הכורואיד לאורך תוחלת החיים ובהפרעות מוחיות 18,19,20. עם זאת, קיימות מגבלות בכלים אוטומטיים נפוצים לסגמנטציה של מקלעת כורואידים, כגון FreeSurfer, אשר גורמות לכך שמקלעת הכורואיד מפולחת בצורה גרועה. לפיכך, יש צורך קריטי בסגמנטציה ידנית של מקלעת הכורואיד שניתן להשתמש בה כדי לפתח כלי אוטומטי מדויק לסגמנטציה של מקלעת כורואידים.

מקלעת כורואיד בהתפתחות עצבית והפרעות מוחיות
תפקידו של מקלעת הכורואיד בהפרעות מוחיות הוזנח זה מכבר, בעיקר משום שנחשב לשחקן משנה שתפקידו לרפד את המוח ולשמור על מאזן מלחים תקין 2,21. עם זאת, מקלעת הכורואיד זכתה לתשומת לב כמבנה הקשור להפרעות מוחיות כגון תסמונות כאב22, SARS-CoV-2 16,23,24, נוירו-התפתחותיות2 והפרעות מוחיות19, דבר המצביע על אפקט טרנסדיאגנוסטי בהתפתחות הפרעות התנהגותיות. בהפרעות נוירו-התפתחותיות, ציסטות מקלעת כורואיד היו קשורות לסיכון מוגבר לעיכוב התפתחותי, הפרעת קשב וריכוז (ADHD), או הפרעת ספקטרום האוטיזם (ASD)25,26. בנוסף, נפח מקלעת כורואיד החדר הצידי נמצא מוגבר בחולים עם ASD27. בהפרעות מוחיות, הפרעות מקלעת כורואיד תוארו מאז 1921 בהפרעות פסיכוטיות28,29. מחקרים קודמים זיהו הגדלת מקלעת כורואיד באמצעות סגמנטציה של FreeSurfer במדגם גדול של חולים עם הפרעות פסיכוטיות בהשוואה הן לקרוביהם מדרגה ראשונה והן לקבוצת הביקורת19. ממצאים אלה שוכפלו באמצעות נפח מקלעת כורואיד מקוטעת ידנית במדגם גדול של אוכלוסיית קלינית בסיכון גבוה לפסיכוזה, ומצאו כי לחולים אלה היה נפח מקלעת כורואידי גדול יותר בהשוואה לקבוצת ביקורת בריאה30. ישנם מספר גדל והולך של מחקרים המדגימים הגדלת מקלעת כורואיד בתסמונת כאב אזורי מורכב22, שבץ31, טרשת נפוצה20,32, אלצהיימר33,34 ודיכאון35, כאשר חלקם מראים קשר בין פעילות חיסונית / דלקתית היקפית ומוחית. מחקרי הדמיה מוחית אלה מבטיחים; עם זאת, סגמנטציה לקויה של מקלעת כורואיד החדר הצידי על ידי FreeSurfer21 מגבילה את האמינות של הערכת נפח מקלעת כורואיד אוטומטית. כתוצאה מכך, מחקרים בטרשת נפוצה20,32, דיכאון35, אלצהיימר34 ופסיכוזה מוקדמת36 החלו לפלח ידנית את מקלעת כורואיד החדר הצידי, אך אין הנחיות עדכניות כיצד לעשות זאת, וגם לא ההנחיות שלהם לגבי פילוח מקלעת כורואיד החדר השלישי והרביעי.

כלי פילוח נפוצים אינם כוללים את מקלעת הכורואיד
צינורות סגמנטציה מוחית כגון FreeSurfer37,38,39, FMRIB Software Library (FSL)40, SLANT41 ו-FastSurfer (שפותח על ידי המחבר השותף Martin Reuter)42,43, מפלחים באופן מדויק ואמין מבנים קליפתיים ותת-קליפתיים תוך שימוש בפרדיגמות מבוססות אטלס (FSL), אטלס ופני שטח (FreeSurfer), ופרדיגמות סגמנטציה של למידה עמוקה (SLANT ו-FastSurfer). חולשות של חלק מגישות אלה כוללות מהירות עיבוד, הכללה מוגבלת לסורקים שונים, עוצמות שדה וגדלי ווקסל37,44, ויישור מאולץ של מפת התוויות במרחב אטלס סטנדרטי. עם זאת, היכולת לפלח את מקלעת הכורואיד והתאימות ל-MRI ברזולוציה גבוהה מטופלות רק על ידי FreeSurfer ו-FastSurfer. הרשתות העצביות שמאחורי FastSurfer, מאומנות על תוויות מקלעת הכורואיד של FreeSurfer, כך שהן יורשות את מגבלות האמינות והכיסוי של FreeSurfer שנדונו בעבר, כאשר החדרים השלישי והרביעי מתעלמים21. קיימות גם מגבלות קיימות עבור MRI ברזולוציה גבוהה, אך ניתן להשתמש בזרם45 ברזולוציה גבוהה של FreeSurfer וב- FastSurferVINN43 כדי לטפל בבעיה זו.

כלי סגמנטציה נוכחיים של מקלעת כורואיד
יש רק כלי סגמנטציה אחד זמין בחינם עבור מקלעת הכורואידים, אך דיוק הפילוח מוגבל. פילוח מדויק של מקלעת כורואיד יכול להיות מושפע ממגוון גורמים, כולל (1) שונות במיקום מקלעת כורואיד (לא נייח מרחבית) בשל מיקומו בתוך החדרים, (2) הבדלים בעוצמת הווקסל, ניגודיות, רזולוציה (הטרוגניות בתוך מבנה) עקב הטרוגניות תאית, תפקוד מקלעת כורואיד דינמית, שינויים פתולוגיים או השפעות נפח חלקיות, (3) הבדלי גודל חדרים הקשורים לגיל או פתולוגיה המשפיעים על גודל מקלעת כורואידים, ו-(4) קרבה למבנים תת-קורטיקליים סמוכים (היפוקמפוס, אמיגדלה, קאודטה והמוח הקטן), שגם הם קשים לפילוח. בהתחשב באתגרים אלה, סגמנטים של FreeSurfer לעתים קרובות תחת או מעריכים יתר על המידה, מתייגים או מתעלמים ממקלעת הכורואידים.

שלושה פרסומים אחרונים התייחסו לפער של סגמנטציה אמינה של מקלעת כורואיד עם מודל תערובת גאוסיאנית (GMM)46, Axial-MLP47, וגישות למידה עמוקה מבוססות U-Net48. כל מודל אומן והוערך באמצעות מערכי נתונים פרטיים, מתויגים ידנית של לכל היותר 150 נבדקים עם מגוון מוגבל של סורקים, אתרים, דמוגרפיה והפרעות. בעוד שפרסומים אלה 46,48,49 השיגו שיפורים משמעותיים לעומת סגמנטציית מקלעת הכורואיד של FreeSurfer - לעיתים הכפלת ההצטלבות של חיזוי ואמת קרקעית, אף אחת מהשיטות אינה (1) מאומתת ב- MRI ברזולוציה גבוהה, (2) יש לה ניתוחי הכללה ואמינות ייעודיים, (3) כוללת מערכי נתונים גדולים של אימון ובדיקה מייצגים, (4) מטפלת או מנתחת באופן ספציפי אתגרי סגמנטציה של מקלעת כורואיד כגון אפקטי נפח חלקיים, או (5) זמין לציבור ככלי מוכן לשימוש. לפיכך, "תקן הזהב" הנוכחי לסגמנטציה של מקלעת כורואיד הוא מעקב ידני, למשל באמצעות 3D Slicer50 או ITK-SNAP51, שלא תואר בעבר והיווה אתגר גדול עבור חוקרים המבקשים לבחון את תפקיד מקלעת הכורואיד במחקריהם. 3D Slicer נבחרה לסגמנטציה ידנית בשל היכרותו של המחבר עם התוכנה ומשום שהיא מספקת למשתמש כלים שונים המבוססים על גישות שונות שניתן לשלב כדי להשיג את התוצאה הרצויה. ניתן להשתמש בכלים אחרים, כגון ITK-SNAP, המכוון בעיקר לפילוח תמונות, וברגע שהכלי נשלט, המשתמש יכול להשיג תוצאות טובות. בנוסף, המחברים ערכו מחקר מקרה-ביקורת המדגים את הדיוק והאמינות הגבוהים של טכניקת הפילוח הידנית שלהם באמצעות3D Slicer 30, ומתודולוגיה ספציפית זו מתוארת כאן.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

הפרוטוקול הנוכחי אושר על ידי ועדת הביקורת המוסדית במרכז הרפואי בית ישראל דיקונס. נבדק בריא עם סריקת MRI מוח ללא חפצים או תנועה שימש להדגמת פרוטוקול זה, והתקבלה הסכמה מדעת בכתב. סורק MRI 3.0 T עם סליל ראש של 32 ערוצים (ראה טבלת חומרים) שימש לקבלת תמונות 3D-T1 ברזולוציה של 1 מ"מ x 1 מ"מ x 1.2 מ"מ. נעשה שימוש ברצף נכסי MP-RAGE עם שדה ראייה של 256 x 256, TR/TE/TI=7.38/3.06/400 אלפיות השנייה, וזווית היפוך של 11 מעלות.

1. ייבוא MRI מוח ל-3D Slicer

הערה: 3D Slicer מספק תיעוד הקשור לממשק המשתמש שלו.

  1. הכינו את קבצי MRI המוח DICOM (דימות דיגיטלי ותקשורת ברפואה) או NIFTI (Neuroimaging Informatics Technology Initiative) לייבוא לכלי פריסה תלת-ממדי.
  2. ייבא נתוני DICOM בלחיצה על לחצן DCM בפינה השמאלית העליונה של סרגל הכלים. לאחר מכן לחץ על הלחצן Import DICOM files כדי לייבא נתונים בתבנית DICOM.
  3. אם נתוני MRI הם בתבנית NIFTI, יבא אותם על-ידי לחיצה על לחצן DATA בפינה השמאלית העליונה של סרגל הכלים. בתיבת הדו-שיח המוקפצת, בחר בחר ספרייה להוספה כדי לייבא נתוני NIFTI באצווה בתיקייה או בחר בחר קבצים להוספה כדי לייבא קובצי NIFTI ספציפיים. לאחר מכן, לחץ על בסדר כפתור כדי להמשיך בהעלאת נתונים ל- 3D Slicer.
  4. לאחר הייבוא, נתוני MRI יופיעו בחלון מימין המציגים מישורים ציריים, קשת ועטרה.
  5. שנה את פריסת החלונות על-ידי ניווט אל פריסות ובחירת פריסה ספציפית . ניתן למצוא זאת על ידי לחיצה על תמונת מודול הפריסות בסרגל הכלים של 3D Slicer עצמו או באמצעות View > Layouts מתפריט היישום.

2. הורדת DICOM מנתונים לדוגמה ב- 3D Slicer

  1. לחץ על לחצן הורד נתונים לדוגמה במסך הפתיחה של המקטע ברוך הבא לכלי פריסה. לאחר מכן בחר בלחצן MRHead , והוא יתחיל בתהליך ההורדה, שעשוי להימשך מספר דקות.
  2. ודא שנתוני MRI המוח עם מישורים ציריים, קשת ועטרה מוצגים בחלון הימני.

3. בקרת איכות והתאמת תמונת MRI

  1. קבע באופן איכותי את איכות התמונה ואת נוכחותם של חפצים עקב תנועת ראש או בעיות סריקה על ידי סקירה ביקורתית של כל פרוסת MRI.
  2. הגדילו את התצוגה של פרוסת התמונה בלחיצה ימנית והזזת העכבר למעלה או למטה כדי להקטין או להגדיל, בהתאמה.
  3. להזזת פרוסת התמונה ממקום למקום, לחצו לחיצה שמאלית על התמונה, לחצו לחיצה ממושכת על מקש Shift וגררו את העכבר ממקום למקום.
  4. התאמת בהירות התמונה יכולה לסייע בצפייה במקלעת הכורואידים. לשם כך, לחץ על התאם חלון / רמת עוצמת הקול בסרגל הכלים או לחץ לחיצה שמאלית על התמונה והזז את העכבר למעלה או למטה כדי להעלות או להוריד את הבהירות, בהתאמה.
  5. התאמת הניגודיות יכולה גם לסייע במציאת מקלעת הכורואידים. לחץ לחיצה שמאלית על פרוסת התמונה והזז את העכבר שמאלה או ימינה כדי להגדיל או להקטין את הניגודיות, בהתאמה. כדי לקבוע את הניגודיות המתאימה למקלעת הכורואידים, השתמש בגרעיני החומר האפור העמוק (מסות מרכזיות של חומר אפור המסודרות סביב החדר הצידי והחדר השלישי) או בעוצמת האות המוצגת בסרגל סולם הניגודיות.
  6. לאחר בחירת הניגודיות המועדפת, שמרו על אותה ניגודיות לאורך כל הסגמנטציה ואל תתאימו את עצמכם לשינויים פוטנציאליים באזורים על-קרקעיים ואינפרא-טטוריאליים.

4. יצירת המקטעים הידניים של מקלעת הכורואיד

  1. כדי להתחיל בפילוח של מקלעת כורואיד החדר הצידית, השלישית והרביעית, צור את קבצי הסגמנטציה במודול עורך הסגמנטים . כדי לנווט לשם, לחץ על עורך הסגמנטים בסרגל הכלים או עבור לתפריט הנפתח מודולים: ובחר עורך סגמנטים.
  2. לחץ על התפריט הנפתח עבור פילוח כדי לבחור פילוחים שונים (אם נוצרו פילוחים מרובים) ולשנות את שם הפילוח שנבחר כעת.
  3. השתמש ברשימה הנפתחת Master Volume כדי לבחור אילו ערכות NIFTI או DICOM זקוקות לעריכה. רק כאשר קובץ אמצעי האחסון נבחר, המשתמש יכול להתחיל לפלח/לערוך.
  4. לחץ על כפתור הוסף פעמיים כדי להוסיף שני מקטעים עבור מקלעת כורואיד החדר הצידי. כדי לשנות את שמם, לחץ פעמיים על השם ושנה אותם למקלעת כורואיד החדר הצידי הימני ולמקלעת כורואיד החדר הצידי השמאלי.
  5. לחץ שוב על הלחצן הוסף כדי להוסיף מקטעים עבור מקלעת כורואיד החדר השלישי והרביעי, ושנה את שמם ל"מקלעת כורואיד החדרהשלישי" ו"מקלעת כורואיד החדר הרביעית".

5. צפייה בפרוסות ופילוחים שונים

  1. לפני העריכה, בצעו מחקר רקע כדי לדעת כיצד לעבור בין פריסות בחלון התצוגה וכיצד לשנות את התצוגה או האטימות של הסגמנטציות.
  2. בחלק העליון של חלון הצפייה ומשמאל למחוון הפרוסה, לחץ על סמל הסיכה. פעולה זו תפתח תפריט נפתח, שעשוי להשתנות בהתאם לפריסה הספציפית שבה נמצא החלון.
    הערה: שימוש בפריסות שונות יכול להיות מועיל בעת פילוח מקלעת הכורואיד מכיוון שהמבנה שלה יכול להשתנות בין אנשים. לדוגמה, הפריסה 'קונבנציונלית' מאפשרת למשתמש להציג בו זמנית את כל שלוש הפרוסות ותצוגה תלת ממדית של הסצנה. בחירה באפשרות 'פרוסה אדומה/צהובה/ירוקה בלבד' מעניקה למשתמש מבט מקרוב על הפרוסה הדו-ממדית כדי לאפשר פילוח מדויק יותר של מקלעת הכורואידים.

6. תיחום ROI של מקלעת כורואיד חדרית צידית

הערה: רישום תמונה לתבנית אינו הכרחי לצורך פילוח ידני.

  1. עבור מקלעת כורואיד החדר הצידית, התחל במישור הצירי וודא שהתמונות ממוקמות על בסיס הקו הדו-קומיסורי. לאחר מכן השתמש ב- trigonum collaterale כנקודת התייחסות לאיתור מקלעת כורואיד החדר הצידי.
    1. לאחר ביצוע העריכות במישור הצירי, עברו לשאר התצוגות (קשת ועטרה) כדי לוודא שהסגמנטציה הידנית של מקלעת כורואיד החדר הצידי אינה לוכדת את פרנכימת המוח או CSF שמסביב.
  2. כדי להתחיל לערוך, לחץ על הקטע לעבוד עליו, ושם הקטע יודגש.
  3. לחץ על הכלי צייר או צייר באזור אפקטים של עורך הסגמנטים כדי להתחיל בפילוח ידני.
    הערה: עדיף להתחיל בפילוח במישור אחד (קורונלי, צירי או קשת), ולאחר השלמת הפילוח בכל הפרוסות, לעבור למישורים אחרים כדי לבדוק ולחדד את הסגמנטציה הידנית. מוצע כי המשתמש מתחיל עם מישור הציר או העטרה כמו מקלעת כורואיד החדר הצידי נראה בקלות רבה יותר בתצוגות אלה.
  4. בעת שימוש בכלי ציור , לחץ לחיצה שמאלית והחזק כדי לצייר קו מתאר בגבול מקלעת כורואיד החדר הצידי. לאחר המעקב, לחץ באמצעות לחצן העכבר הימני כדי למלא את האזור המצויר.
  5. בשעת שימוש בכלי צביעה , בחרו תחילה בקוטר המברשת שתשמש לצביעה. מברשת של 3% או 5% מוצעת לתיחום מדויק יותר של מקלעת הכורואידים, בעוד 10% יכולה להיות שימושית לבחירות גדולות יותר.
  6. לכל אחד מהכלים, השתמשו ב'צבע ' או ' מחק ' לתיקון תיחום שגוי על-ידי הוספה או הסרה של בחירות.
    הערה: התייחסות למישורי ראייה אחרים יכולה לסייע בזיהוי מבנה מקלעת כורואיד החדר הצידי לעומת מבני מוח אחרים, כגון החומר האפור שמסביב, הפורניקס, כפיס המוח או ההיפוקמפוס. אנו מעודדים את המשתמש לא לכלול סריקות מוח שבהן מזוהות ציסטות מקלעת כורואיד.
  7. השתמש ברמת הגרעין האדום כנקודת ציון לעצירת הסגמנטציה של מקלעת הכורואיד בחדרים הצדיים.

7. הגדרת מקלעת כורואיד בחדר השלישי והרביעי ROIs

הערה: תמונות T1w ברזולוציה גבוהה יותר (כגון 0.7 או 0.8 מ"מ) ואלה המתקבלות ב- MRI 7T יספקו פילוח ידני מדויק ואמין יותר של מקלעת כורואיד החדר השלישי והרביעי. פילוח מקלעת כורואיד החדר השלישי והרביעי קשה יותר מאשר מקלעת כורואיד החדר הצידית מכיוון שאזורים אלה יכולים להיות קטנים בהרבה ועם פחות ווקסלים לתיחום.

  1. עבור מקלעת כורואיד החדר השלישי, התחל במישור הקשת והשתמש בפתח של מונרו, פורניקס, קורפוס קלוסום, תלמוס ווריד מוחי פנימי כנקודות התייחסות כדי לאתר את מקלעת הכורואיד בחדרהשלישי . מעבר בין פרוסות באותו מישור יכול לסייע בקביעה אם אזור מסוים הוא פורניקס, תלמוס, וריד או מקלעת כורואיד החדר השלישי.
    1. לאחר ביצוע העריכות במישור הסגיטלי, נווט אל התצוגות הנותרות (צירית ועטרתית) כדי לוודא שהסגמנטציה הידנית של מקלעת כורואיד החדר השלישי אינה בוחרת את פרנכימת המוח או CSF שמסביב.
  2. באופן דומה, עבור מקלעת כורואיד החדר הרביעי, יש להתחיל במישור הקשת ולהשתמש בפדונקל המוח הקטן העליון, פונס ומדולה כנקודות ייחוס כדי לאתר את מקלעת הכורואיד בחדר הרביעי. מעבר בין פרוסות באותו מישור יכול לסייע בקביעה אם אזור הוא המוח הקטן, שקדים cerebellar, velum medullary נחות או מקלעת כורואיד החדר הרביעי.
    1. לאחר השלמת העריכות במישור הסגיטלי, עבור לתצוגות הנותרות (צירית ועטרה) כדי לוודא שהסגמנטציה הידנית של מקלעת כורואיד החדר הרביעית אינה בוחרת פרנכימה מוחית או CSF שמסביב.

8. חישוב נפחי מקלעת הכורואיד

  1. מהתפריט הנפתח מודולים , נווט אל כימות ובחר סטטיסטיקת סגמנטים.
  2. תחת קלט, בחר את מפת הפילוח החדשה לכימות תחת הכלי סגמנטציה ובחר את אמצעי האחסון MRI מאמצעי האחסון Scalar. עבור טבלת פלט (תחת פלט), בחר באפשרות טבלה . לאחר שתסיים, לחץ על החל, וטבלה המכילה את עוצמת הקול של מקלעת הכורואיד תופיע ביחידות שונות.

9. שמירת המקטעים ותוצאות הנפח

  1. לחץ על להציל כפתור בפינה השמאלית העליונה של סרגל הכלים כדי לשמור קבצים שנוצרו.
  2. שמור את קבצי הסגמנטציה כ - .nrrd (קובץ כלי פריסה תלת-ממדי), .nii.gz (קובץ NIFTI) או .tsv (קובץ טבלה).

10. קביעת דיוק, ביצוע והסכמה של הפילוח

הערה: מומלץ להשתמש באריזת MONAI (ראה טבלת חומרים), המתארת את מקדם הקוביות (DC) ואת מרחק פני השטח הממוצע של DeepMind (avgSD). פרטים על DC ו- avgSD מתוארים להלן. על מנת לחשב מדדים אלה, הקוראים יצטרכו לדעת כיצד לתכנת (למשל, פיתון, לקרוא תמונות מהדיסק, לפרמט מחדש את הנתונים למערכי הקלט המתאימים עבור פונקציות אלה). אין חבילה ידידותית למשתמש הכוללת את כל המדדים הללו.

  1. ציון DC הוא גישה סטנדרטית לכימות החפיפה בין שני תחומים גאומטריים. כדי לחשב את ציון DC הממוצע בין שני סגמנטציות, ספק שני טנזורים y_pred ו- y, כלומר תמונות מרובות פריימים עם מסגרת אחת לכל תמונת תווית בינארית. טנזורים y_pred ו-y עשויים להכיל פילוחים של שני מדרגים ידניים שונים, סגמנטציות חוזרות של אותו מעריך, או חיזוי אוטומטי ואמת קרקעית ידנית.
    1. השתמש בפונקציה monai.metrics.compute_meandice כדי לחשב את ציון DC הממוצע.
    2. צור טנזורי תוויות בינאריים מתאימים עם monai.transforms.post.
      הערה: ניתן להגדיר את הפרמטר include_background ל- False כדי לא לכלול את הקטגוריה הראשונה (אינדקס ערוצים 0) בחישוב DC, שלפי המוסכמה מניחים שהוא רקע.
  2. קחו בחשבון את ציון ממוצע SD פחות נפוץ, ושימו לב שהגישה יכולה להיות שונה מכיוון שקיימות הגדרות מרובות למרחק פני השטח. לדוגמה, השתמש במרחק המרבי (הידוע גם כמרחק האוסדורף, רגיש מאוד לחריגים), המרחק הממוצע (כמתואר כאן) והאחוזון ה -95 (חזק מאוד) כמדדים הנמצאים בשימוש תכוף.
    1. השתמש בפונקציה compute_average_surface_distance כדי לחשב את התוצאה הממוצעת.
    2. ודא שפונקציה זו מחשבת את מרחק פני השטח הממוצע מ- y_pred ל - y תחת הגדרת ברירת המחדל.
    3. בנוסף, אם symmetric = True, ודא שמרחק פני השטח הסימטרי הממוצע בין שני קלטים אלה מוחזר.
  3. ניתן לבצע את הניתוח הסטטיסטי של ציון DC ו- avgSD על פני מקרים מרובים באמצעות מבחן Wilcoxon signed-rank החזק לניתוח זוגי.
  4. שקול להשתמש במקדם מתאם תוך מעמדי (ICC) כשיטה נפוצה נוספת כדי לקבוע אם ניתן לדרג משתתפים מרובים באופן מהימן על ידי מעריכים שונים. זכור כי ICC פועל על סדרה של מדידות זוגיות (למשל, נפח) של סגמנטציות ולא על תמונות הסגמנטציה ישירות. כדי לחשב ICC, השתמש בתוכנת R וב- R Studio (ראה טבלת חומרים), מה שהופך את התהליך לפשוט.
    1. הורד את החבילה באמצעות install.packages("psych") וטען את library(psych).
    2. הזן את מסגרת הנתונים, הכוללת את המשתתפים (שורות) ומעריך בכל עמודה, באמצעות < הנתונים - data.frame(df). לאחר מכן הצג באופן חזותי את המדידות באמצעות התוויית (נתונים).
    3. כדי להפעיל את ICC, השתמש ב- ICC(Data), אשר יוצר טבלה של הסוגים השונים של ICC, לדוגמה, כדי לקבל את הציונים הבין-מדרגיים או הפנימיים.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

השיטה המוצעת עברה עידון איטרטיבי עבור מקלעת כורואיד החדר הצידי, הכוללת בדיקות מקיפות על עוקבה של 169 בקרות בריאות ו -340 חולים עם סיכון קליני גבוה לפסיכוזה30. באמצעות הטכניקה שתוארה לעיל, המחברים השיגו דיוק ואמינות תוך מדרגים גבוהים עם DC = 0.89, avgHD = 3.27 מ"מ3, ו- ICC יחיד = 0.9730, המדגים את חוזק הפרוטוקול המתואר כאן.

טיפול בבעיות בקרת איכות והגדרות 3D Slicer
לפני תחילת תהליך הסגמנטציה, יש צורך לבדוק את איכות סריקת המוח כדי לוודא שאין תנועת ראש או ממצאים שמפריעים לסגמנטציה ידנית (איור 1A). לאחר מכן, ניתן לכוונן את הבהירות והניגודיות כדי לסייע בהדמיה טובה יותר של מקלעת הכורואידים. סריקות מוח מסוימות עשויות לכלול תנועת ראש, וחשוב לקבוע אם החפץ ישפיע לרעה על תיחום מקלעת הכורואיד (איור 1B). נוסף על כך, תמונות עם ארטיפקטים של בהירות וניגודיות מקשות להבחין בגבולות מקלעת הכורואיד (איור 1C,D). במקרה זה, נסה להתאים את הבהירות והניגודיות עד שהוא מתאים לסגמנטציה ידנית. ודא כי סריקות מוח שלא ניתן לפלח בקלות עבור מקלעת כורואיד אינן נכללות.

סגמנטציה של מקלעת כורואיד חדרית צידית
כפי שניתן לראות באיור 2, חמישה חלקים עיקריים משמשים לטעינה ולהצגה של התמונות (חלק 1), לבחירת פונקציות שונות של כלי פריסה תלת-ממדיים (חלק 2), לכלים לפילוח מקלעת הכורואיד הצידית (חלק 3), להמחשת התמונות הצירית, העטרה והקשת (חלק 4), לחישוב נפח מקלעת כורואיד החדר הצידי (חלק 5), ולשמירת התוצאות מהסגמנטציה הידנית. ניתן להעלות את סריקת המוח T1w באמצעות ממשק Welcome to Slicer על-ידי הורדת נתונים לדוגמה מערכת הנתונים MRHead ב-3D Slicer (איור 3) או ייבוא קובץ NIFTI או DICOM מערך נתונים קיים (איור 4A,B). יש גם אפשרות בחלונית זו לערוך את הבהירות והניגודיות של התמונה (איור 4C). לאחר טעינת סריקת המוח T1w, היא תוצג בממשק תצוגת הפרוסה ותוכן לסגמנטציה של מקלעת כורואיד החדר הצידי. פילוח ידני נוצר באמצעות מודול עורך הסגמנטים (איור 5A), וניתן לאשר את שם אמצעי האחסון הראשי באיור 5B. באיור 5C, ניתן להוסיף ולתייג את התוויות של מקלעת כורואיד החדר הצידי הימני והשמאלי בצבעים שונים (איור 5C), וניתן לתחום את אזור העניין עצמו באמצעות כלי הציור או הצבע (איור 5D). איור 6 מסמן את מקלעת כורואיד החדר הצידי ואת מבני המוח הסובבים אותו, כמו למשל הגרעין הקאודטי, ההיפוקמפוס, פורניקס והחדר השלישי, מה שמספק ציוני דרך לסגמנטציה של מקלעת כורואיד החדר הצידי בכמה מהאזורים המורכבים יותר. כדי להפיק ולחלץ נתוני נפח של מקלעת כורואיד מהסגמנטציות הידניות, בחר את מודול סטטיסטיקת המקטעים (איור 7A). יש כמה אפשרויות לבחירה להפקת הנתונים (איור 7B). כעת ניתן לשמור את הקבצים החדשים המכילים את נפח מקלעת הכורואיד הצידית המחושבת על-ידי לחיצה על כפתור השמירה (איור 7C).

סגמנטציה של מקלעת כורואיד החדר השלישי והרביעי
כפי שניתן לראות באיור 8, ניתן לראות בקלות את מקלעת כורואיד החדר השלישי בלוח השמאלי התחתון המתאר את מישור הקשת. יש לציין כי ניתן לראות את הפורמן של מונרו מקושת מתחת לכפיס המוח, כאשר מקלעת הכורואיד מודגשת בתוך החדר השלישי בירוק. ניתן לצפות במקלעת הכורואיד של החדר השלישי והשלישי גם במישור הצירי ובמישור העטרה (הפאנל השמאלי העליון והימני התחתון באיור 8, בהתאמה). לבסוף, עיבוד תלת-ממדי של מקלעת כורואיד החדר השלישי מוצג בלוח הימני העליון של איור 8. איור 9 מסמן את מקלעת כורואיד החדר השלישי ואת מבני המוח הסובבים אותו, כולל כפיס המוח, פורניקס, תלמוס, וריד מוחי פנימי וחדר שלישי, מה שמספק ציוני דרך לסגמנטציה של מקלעת כורואיד החדר השלישי בכמה מהאזורים המורכבים יותר.

מקלעת כורואיד החדר הרביעית קשה יותר לצפייה, וניתן לראות אותה באיור 10. מישורי הקשת והעטרה (הפאנלים השמאלי התחתון והימני התחתון באיור 10) מאפשרים צפייה מיטבית במבנה שלו. יש להקפיד על כך שחלקים של המוח הקטן או החדר הרביעי עצמו לא יסומנו כמקלעת כורואידים. איור 11 מסמן את מקלעת כורואיד החדר הרביעית ואת מבני המוח הסובבים אותה, כולל המדולה, פונס, פדונקל צרבלה עליון, ולום מדולרי נחות והחדר הרביעי, מה שמספק ציוני דרך לסגמנטציה של מקלעת כורואיד החדר הרביעי בכמה מהאזורים המורכבים יותר.

דיוק סגמנטציה, דמיון והסכמה
פילוח של מבנים נוירו-אנטומיים ניתן להשוות ישירות בצופה תמונות, אבל הדמיון לפעמים קשה להעריך חזותית. לכן, מדדים כמותיים כגון DC52, מדידת אחוז חפיפה, ו- avgSD53, מדידת מרחקים בין משטחי הגבול של המבנים המסומנים, משמשים להשוואת תחזיות עם אמת קרקעית או פילוחים ידניים לרוחב או בתוך המעריכים כדי להעריך אמינות. כפי שמתואר באיור 12A, DC עבור שני סגמנטים תלת-ממדיים G ו-P הוא פשוט נפח החפיפה (הצטלבות) חלקי הנפח הממוצע53:

Equation 1

איפה | . | מייצג נפח. הוא מודד חפיפה בסולם שבין 0 ל-1, כאשר ערך של 1 מציין הסכמה מדויקת ו-0 פילוחים לא משותפים, ולעתים קרובות מוכפל ב-100 כדי לייצג חפיפה באחוזים. מרחק פני השטח הממוצע (ASD) מודד את המרחק הממוצע (במ"מ) בין כל הנקודות x על הגבול של G ( bd(G) ) לגבול של P ולהיפך (איור 12B). הוא מוגדר כ

Equation 2

כאשר המרחק Equation 3 מייצג את המינימום של הנורמה האוקלידית53. בניגוד ל-DC, ASD קטן יותר מצביע על תפיסה טובה יותר של גבולות הסגמנטציה, כאשר ערך של אפס הוא המינימום (התאמה מושלמת). שימו לב שלפעמים משתמשים גם במרחק המקסימלי או באחוזוןה-95 במקום הממוצע, כאשר המקסימום רגיש מאוד לחריגים בודדים, ואילו האחוזוןה-95 חזק אך עלול להחמיץ טעויות פילוח קטנות אך רלוונטיות.

הסכמה של אומדני נפח (לא של הפילוחים ישירות) בין קבוצה של פילוחים זוגיים ניתנת למדידה באמצעות ICC54. ניתן להשיג זאת על-ידי דירוג משתתפים מרובים על-ידי מספר מעריכים (ICC בין-מחלקתי) או על-ידי אותו מעריך (ICC תוך-מחלקתי) (איור 12C). ציוני ICC נעים בין 0 (אמינות ירודה) ל-1 (אמינות מעולה). עבור אמינות בין-מדרגית, מוצע להשתמש ב-ICC1 (מודל חד-כיווני של אפקטים קבועים) עבור מערכי נתונים שבהם כל פילוח נעשה על ידי מעריך אחר שנבחר באקראי. בנוסף, עבור מערכי נתונים שבהם מספר מדרגים, שנבחרו באקראי, עובדים על אותו סגמנטציה, מומלץ להשתמש ב-ICC2 (מודל אפקטים אקראיים דו-כיווני) כדי לבדוק הסכמה מוחלטת בסגמנטציות. לבסוף, למהימנות תוך-מדרגית, מומלץ להשתמש ב-ICC3 (מודל אפקטים מעורבים דו-כיווני) (איור 12C).

Figure 1
איור 1: בקרת איכות של סריקת מוח. (A) סריקת מוח עם ניגודיות ובהירות טובות, ללא עדות לממצאים וללא תנועת ראש. (B) סריקת מוח שמראה תנועת ראש (חץ אדום). (C) סריקת מוח עם בהירות גבוהה וניגודיות נמוכה או (D) בהירות נמוכה וניגודיות גבוהה. אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של איור זה.

Figure 2
איור 2: סגמנטציה של מקלעת כורואיד החדר הצידי ב-3D Slicer. (1) משמש לטעינת תמונות DICOM או NIFTI ולשמירת התוצאות. (2) מורכב מתפריט נפתח שניתן להשתמש בו כדי להיכנס למודול עורך הסגמנטים (חץ צהוב), המשמש לפלח את מקלעת הכורואידים. ניתן לבחור כאן גם את מודול הכימות (חץ כחול) כדי לחשב את עוצמת הקול של מקלעת הכורואידים. (3) מציג את סרגל הכלים של המקטעים, הכולל את הכלים ציור, צביעה ומחיקה. (4) מדגים את מקלעת הכורואיד בתצוגות ציריות, סגיטליות ועטרה של תמונת T1w. העיבוד התלת-ממדי של מקלעת הכורואיד מוצג גם בפינה הימנית העליונה. (5) מציג את תוצאות עוצמת הקול מפילוח מקלעת כורואיד ידנית, המחושבת באמצעות מודול סטטיסטיקת סגמנטים. ניתן לשמור את התוצאות הסופיות באמצעות לחצן השמירה המוזכר בסעיף (1). אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של איור זה.

Figure 3
איור 3: טעינת נתונים לדוגמה של כלי פריסה תלת-ממדיים. איור זה מדגים כיצד להוריד את הנתונים לדוגמה מממשק 3DSlicer. ראשית, יש לבחור "הורד נתונים לדוגמה", ולאחר מכן לבחור "MRHead", המציג את התצוגות הצירית, הקשת והעטרה של סריקת המוח בצד ימין של המסך. אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של איור זה.

Figure 4
איור 4: טעינת סריקת המוח T1w. איור זה מדגים כיצד להעלות את סריקת המוח T1w באמצעות קבצי NIFTI (פאנל שמאלי) או DICOM (פאנל ימני). (A) עבור קובצי NIFTI, יש לבחור באפשרות "בחר ספרייה להוספה" או "בחר קבצים) להוספה", ולאחר מכן לבחור באפשרות "אישור". (B) לקובצי DICOM, יש צורך באפשרות "Add DICOM Data", ולאחר מכן באפשרות "Import DICOM" ולאחר מכן בלחיצה על "OK". שתי גישות אלה יציגו את המבט הצירי, הקשת והעטרה של סריקת המוח בצד ימין של המסך. (C) כדי להתאים את הבהירות והניגודיות של התמונות, יש לבחור בלחצן האדום. אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של איור זה.

Figure 5
איור 5: סגמנטציה של מקלעת כורואיד חדרית צידית. לאחר סריקת המוח T1w נטען לתוך 3D Slicer. (א) בחירת מודול "עורך סגמנטציה". (B) אישור המודול ונפח האב לסגמנטציה ידנית של מקלעת כורואיד החדר הצידי. (C) יצירת תוויות למקלעת הכורואיד הצידית הימנית והשמאלית. (D) שימוש בכלי "ציור" ו"צבע" כדי לתחום ידנית את מקלעת כורואיד החדר הצידי. אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של איור זה.

Figure 6
איור 6: מבנים סמוכים למקלעת כורואיד החדר הצידי. מבני מוח סמוכים כוללים את הפורניקס, הגרעין הקאודטי, ההיפוקמפוס והחדר השלישי. אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של איור זה.

Figure 7
איור 7: חישוב נפח. חישוב עוצמת הקול של מקלעת הכורואיד ושמירת המקטעים ותוצאות עוצמת הקול. (א) בחירת מודול סטטיסטיקת הסגמנטים . (ב) בחירה להפקת הנתונים. (C) לחיצה על כפתור Save כדי לשמור את הקבצים החדשים המכילים את נפח מקלעת הכורואיד הצידית המחושבת. אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של איור זה.

Figure 8
איור 8: סגמנטציה של מקלעת כורואיד החדר השלישי. מתוארים כאן הנופים הצירים, העטרה והקשת של מקלעת כורואיד החדר השלישי שחולק ידנית באמצעות כלי הפריסה התלת-ממדי. בפינה הימנית העליונה מוצג עיבוד תלת-ממדי של מקלעת כורואיד החדר השלישי. אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של איור זה.

Figure 9
איור 9: מבנים סמוכים למקלעת כורואיד החדר השלישי. מבני מוח סמוכים כוללים את הפורניקס, וריד המוח הפנימי, התלמוס, כפיס המוח והחדרהשלישי . אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של איור זה.

Figure 10
איור 10: סגמנטציה של מקלעת כורואיד החדר הרביעי. מתוארים כאן הנופים הצירים, העטרה והקשת של מקלעת כורואיד החדר הרביעית שחולקה ידנית באמצעות כלי הפריסה התלת-ממדי. בפינה הימנית העליונה מוצג עיבוד תלת-ממדי של מקלעת כורואיד החדר הרביעי. אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של איור זה.

Figure 11
איור 11: מבנים סמוכים למקלעת כורואיד החדר הרביעי. מבני מוח סמוכים כוללים את medulla oblongata, pons, cerebellum, cerebellar vermis, ו cerebellar שקדים. אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של איור זה.

Figure 12
תרשים 12: קביעת דיוק הסגמנטציה, ביצועיה והסכמתה. (A) תיאור אופן חישוב החפיפה באחוזים באמצעות ציון מקדם קוביות (DC). (B) מרחק פני השטח הממוצע (avgSD) מודד את המרחקים בין משטחי הגבול של המבנים המסומנים כדי להשוות תחזיות לאמת קרקעית, או פילוחים ידניים לרוחב או בתוך המעריכים כדי להעריך אמינות. (C) מקדם המתאם התוך-מעמדי (ICC) יכול לשמש לניתוח אמינות בין-מעריץ (מדידות חוזרות של אותו נושא) או תוך-מדרג (מדידות מרובות מאותם מדרגים). דוגמה מייצגת ופלט מסופקים. אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של איור זה.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

שלבים קריטיים של הפרוטוקול
שלושה שלבים קריטיים דורשים תשומת לב מיוחדת בעת יישום פרוטוקול זה. ראשית, בדיקת האיכות והניגודיות של תמונות MR היא המפתח להבטחת פילוח מדויק. אם איכות התמונה ירודה מדי, או שהניגודיות נמוכה מדי או גבוהה מדי, הדבר עלול להוביל לתיחום לא מדויק של מקלעת הכורואידים. ניתן לכוונן את הניגודיות של התמונה על-ידי הצגת ערך גווני האפור של התמונה או על-ידי כיול הערכים כדי לשפר את הניגודיות בין גרעיני החומר האפור לחומר האפור. שנית, המדרגים צריכים להכיר את האנטומיה של מקלעת הכורואיד ולהיות בעלי הכשרה מיוחדת. אם המעריכים אינם מכירים את האנטומיה של מקלעת הכורואיד ואזורי המוח הסמוכים, הם עלולים לפלח את מקלעת הכורואיד בצורה שגויה, מה שהופך את נפח מקלעת הכורואיד ללא מדויקת. לבסוף, חשוב להעריך את יכולת השחזור התוך-מדרגית והבין-מדרגית כדי להבטיח שמעריכים המבצעים סגמנטציה ידנית יוכלו לשחזר את הסגמנטציה שלהם, כמו גם של מדרגים אחרים של מקלעת הכורואידים. מספרים אלה רלוונטיים מאוד גם בעת אימות כלי פילוח אוטומטיים בשלב מאוחר יותר. בנוסף, אם מערך הנתונים קבוע, ואם מספר מעריכים ישמשו לפילוח ידני, מומלץ להשתמש באותה הגדרת חלון כך שהמעריכים יסתכלו על אותה תמונה עם אותה ניגודיות ובהירות. אם הגדרת החלון משתנה בין מעריכים המביטים באותה תמונה, ייתכן שאותה תמונה תחולק באופן שונה.

שינויים ופתרון בעיות
משתמשים יכולים לבצע שינויים מסוימים בפרוטוקול זה. ראשית, רקמת מקלעת כורואיד הממוקמת באזור הפרה-ספטלי והחלק הקדמי-לטרלי של הקרן הרקתית, הסמוכה למחיצה פלוסידום, פורניקס והיפוקמפוס, יכולה להפוך את הסגמנטציה של מקלעת הכורואיד למאתגרת. כדי להתמודד עם קושי זה, הוצע לבצע את הסגמנטציה של מקלעת הכורואיד בכל שלושת המימדים, וניתן התייחסות (איור 6) לקילוח מקלעת הכורואיד באזורים מורכבים אלה. שנית, חשוב גם לדעת מתי להפסיק את הפילוח. עבור מקלעת הכורואיד בחדר הצידי ובחדר השלישי, הגרעין האדום יכול לשמש כנקודת עצירה ואילו עבור מקלעת כורואיד החדר הרביעי, הפתח של מגנדי יכול לשמש כנקודת עצירה. שלישית, אתגרים עשויים להתקיים כאשר מבחינים בין מקלעת הכורואיד לבין CSF בחלק האחורי-בסיסי של החדרים הצדיים. כדי להתמודד עם חשש זה, ניתן להשתמש בעוצמת האות ובשיקולים אנטומיים כדי לסייע למעריך לקבל החלטות סגמנטציה מתאימות. רביעית, אם נעשה שימוש בתמונה ברזולוציה נמוכה, מומלץ להיות שמרניים יותר בהליך הסגמנטציה ולתעדף שימוש בהדמיה משופרת ניגודיות כדי לאמת את הסגמנטציה של מקלעת הכורואיד באזור זמני זה. אם הדמיה משופרת ניגודיות אינה זמינה, יוצע להוציא אזור זה מתהליך הסגמנטציה. עם זאת, אם נעשה שימוש בתמונה ברזולוציה גבוהה, מומלץ להיות ליברליים יותר בהליך הפילוח. כמו כן, אם התיחום בין מקלעת הכורואיד לבין פרנכימה במוח יכול להיעשות על תמונה ברזולוציה גבוהה של הקרן הטמפורלית, אז תמונה משופרת ניגודיות לא יהיה צורך. חמישית, 3D Slicer יכול לפעול במחשב עם מסך מגע שבו ניתן להשתמש בעט אלקטרוני במקום בעכבר כדי לשפר את המעקב אחר מקלעת הכורואידים. עם זאת, תוכנה זו אינה זמינה כרגע ב- iPad. לבסוף, בעיות קריסת תוכנה עשויות להיתקל במחשבים מסוימים כאשר מקלעת הכורואיד של יותר מעשרה נושאים הוגדרה ברצף. במקרה זה, לחיצה על לחצן שמור לעתים קרובות יכולה למנוע אובדן נתונים שנגרם כתוצאה מקריסת התוכנה.

מגבלות
בעוד פילוח ידני של מקלעת הכורואיד הוא תקן הזהב לקבלת נתוני נפח מדויקים, ישנן מספר מגבלות הקשורות לסוג ואיכות הסריקה, כמו גם לניסיון של מעריך21. לדוגמה, גודל מקלעת הכורואיד יכול להשתנות בהתאם לגיל או למצב המחלה, מה שעשוי להשפיע על גודל החדר ומקלעת הכורואידים. לפיכך, מקלעת הכורואיד עשויה להיראות קטנה אצל אנשים צעירים ובריאים, מה שמקשה על פליחה ידנית. בעיה זו עלולה להחמיר אם התמונה היא ברזולוציה ירודה יותר (1.2 או 1.5 מ"מ isovoxel) ו / או צולם באמצעות סורק MRI 1.5 T. פילוח ידני של מקלעת הכורואיד עלול להיות מושפע גם מהבהירות והניגודיות של התמונה, מה שמקשה על זיהוי הגבולות, וכתוצאה מכך הערכת יתר או חסר של עוצמת הקול. בנוסף, מקלעת כורואיד החדר השלישי והרביעי הם מבנים קטנים, אשר יכול להיות מאתגר לפלח כראוי אם תמונה ברזולוציה גבוהה יותר אינה זמינה (0.7 או 0.8 מ"מ isovoxel). מגבלה לשימוש ב-3D Slicer במקום תוכנות סגמנטציה ידניות אחרות בקוד פתוח היא חוסר היכולת לבצע פילוח תמונה בו זמנית בתלת מימד, תכונה המוצעת באמצעות ITK-SNAP51 שיכולה לשפר את מהירות פילוח התמונה של מקלעת הכורואידים. בנוסף, סגמנטציה ידנית היא משימה גוזלת זמן ומייגעת, מה שהופך את המחקר של מקלעת כורואיד בקבוצות גדולות עם אלפי או עשרות אלפי אנשים ללא מעשי, מה שמדגיש את הצורך בכלי פילוח אוטומטיים מדויקים של מקלעת כורואידים. לבסוף, ספירה פשוטה של מקלעת מקלעת כורואיד מבלי לקחת בחשבון את השפעות הנפח החלקי של CSF או חומר לבן עלולה לגרום לשגיאות במדידת עוצמת הקול.

משמעויות ביחס לשיטות הקיימות
התלות ב-FreeSurfer לסגמנטציה של מקלעת כורואידים, בעלת דיוק ירוד ואינה מפלחת את מקלעת כורואיד החדר השלישי והרביעי, מגבילה את עבודת היסוד שניתן להשלים כדי להבין טוב יותר את תפקידו של מקלעת הכורואיד בבריאות ובחולי. בנוסף, תיחום מדויק יותר של מקלעת הכורואיד עשוי להיות ממונף גם על ידי קהילת הדימות המוחי של אלצהיימר כדי להפחית את הזיהום של אות טאו PET הרקתי המדיאלי על ידי קשירה מחוץ למטרה במקלעת כורואיד55. בעוד שהתאמות ראשוניות של טכניקות למידת מכונה (GMM) ולמידה עמוקה (3D U-Net, nnU-Net, Axial-MLP 8) לתוויות מקלעת כורואיד שיפרו את דיוק הסגמנטציה על תוויות מקלעת כורואיד 46,48,49 שמקורן ב- FreeSurfer, השיטות למרבה הצער מאומנות ומוערכות רק במערכי נתונים קטנים והומוגניים, לא זמינים לציבור ולא כלים קלים לשימוש ולא שלמים הכוללים רק את מקלעת הכורואיד בתוך החדרים הצדיים. אזהרה אחת היא שבזמן ההגשה מחדש של פרוטוקול זה, היה מאמר שפורסם על ידי יזדאן-פאנה ואחרים שבו הם ערכו פילוח ידני של מקלעת כורואיד החדר הצידי באמצעות ITK-SNAP56. הם השתמשו בתמונות המקוטעות ידנית האלה כדי לאמן U-Net תלת-ממדי דו-שלבי והדגימו DC ממוצע של 0.72 עם האמת הקרקעית, והוא השיג ביצועים טובים יותר מ-FreeSurfer ומקטעים מבוססי FastSurfer56. יכולת ההכללה לרזולוציות אחרות, סורקים, גילאים ומחלות מרובות לא נקבעה והיא, למעשה, בלתי סבירה בהתחשב באתגר של העברת הדומיין.

יישומים עתידיים
בגלל המגבלות שצוינו לעיל, יש צורך בפרוטוקול לפילוח מדויק של מקלעת הכורואידים. יתר על כן, על מנת ליצור כלי סגמנטציה אוטומטי עבור מקלעת הכורואידים, אשר יכול להיות מאתגר לפיתוח בשל אופיו של מבנה זה, יש צורך במערך נתונים מקיף ומבואר של מקלעת הכורואיד המתפרש על פני פרמטרים שונים ומשלב אותו עם סט של חידושים מתודולוגיים עבור תוכנת הקוד הפתוח החדישה, FastSurfer42,43צינור דימות מוחי מתקדם ומדרגי מבוסס למידה עמוקה לסגמנטציה אוטומטית של קליפת המוח ותת-קליפת המוח., הוכח כי FastSurferCNN עולה בביצועיו על מודלים תלת-ממדיים של U-Net, SDNet ו-QuickNAT עבור סגמנטציה קליפתית ותת-קליפתית של קרוב ל-100 מבנים עם DCs ממוצעים > 8542. לפיכך, ביאור גדול ומקיף של מקלעת הכורואיד יכול לשמש עם FastSurfer כדי להרחיב באופן משמעותי ל (1) ארכיטקטורת תלת מימד עם טכניקות הגדלה פנימית משופרות, (2) היכולת גם לחזות - לראשונה - הערכות נפח חלקיות ישירות, כמו גם (3) מקטעי פלט ברזולוציות גבוהות יותר (סופר-רזולוציה) להרמוניזציה של נתונים. המחברים מתכננים להמשיך לעבוד על התאמה ופיתוח של FastSurfer כדי ליצור כלי פילוח מדויק ביותר של מקלעת כורואיד עבור החדרים הצדיים, השלישי והרביעי ולשתף אותו בגלוי עם קהילת המחקר.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

למחברים אין אינטרסים כלכליים מתחרים.

Acknowledgments

עבודה זו נתמכה על ידי פרס המכון הלאומי לבריאות הנפש R01 MH131586 (ל- P.L ו- M.R), R01 MH078113 (ל- M.K), ומענק קרן סידני R בר ג'וניור (ל- P.L).

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

החודש ב-JoVE גיליון 202 מקלעת כורואידים MRI סגמנטציה ידנית אדם נפח דימות מוחי
פילוח ידני של מקלעת הכורואיד האנושית באמצעות MRI מוח
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