كيفية قياس الطي القشرية من صور MR : برنامج تعليمي خطوة بخطوة لحساب الرقم القياسي المحلي Gyrification

Summary

gyrification القياس (القشرية للطي) في أي سن يمثل نافذة على نمو الدماغ في وقت مبكر. وبالتالي ، فإننا التي سبق وضعها لقياس خوارزمية gyrification المحلية على آلاف نقطة خلال النصف ¹. في هذه الورقة ، ونحن من التفصيل في حساب هذا المؤشر gyrification المحلية.

Abstract

Cortical folding (gyrification) is determined during the first months of life, so that adverse events occurring during this period leave traces that will be identifiable at any age. As recently reviewed by Mangin and colleagues², several methods exist to quantify different characteristics of gyrification. For instance, sulcal morphometry can be used to measure shape descriptors such as the depth, length or indices of inter-hemispheric asymmetry³. These geometrical properties have the advantage of being easy to interpret. However, sulcal morphometry tightly relies on the accurate identification of a given set of sulci and hence provides a fragmented description of gyrification. A more fine-grained quantification of gyrification can be achieved with curvature-based measurements, where smoothed absolute mean curvature is typically computed at thousands of points over the cortical surface⁴. The curvature is however not straightforward to comprehend, as it remains unclear if there is any direct relationship between the curvedness and a biologically meaningful correlate such as cortical volume or surface. To address the diverse issues raised by the measurement of cortical folding, we previously developed an algorithm to quantify local gyrification with an exquisite spatial resolution and of simple interpretation. Our method is inspired of the Gyrification Index⁵, a method originally used in comparative neuroanatomy to evaluate the cortical folding differences across species. In our implementation, which we name local Gyrification Index (lGI¹), we measure the amount of cortex buried within the sulcal folds as compared with the amount of visible cortex in circular regions of interest. Given that the cortex grows primarily through radial expansion⁶, our method was specifically designed to identify early defects of cortical development.

In this article, we detail the computation of local Gyrification Index, which is now freely distributed as a part of the FreeSurfer Software (http://surfer.nmr.mgh.harvard.edu/, Martinos Center for Biomedical Imaging, Massachusetts General Hospital). FreeSurfer provides a set of automated reconstruction tools of the brain's cortical surface from structural MRI data. The cortical surface extracted in the native space of the images with sub-millimeter accuracy is then further used for the creation of an outer surface, which will serve as a basis for the lGI calculation. A circular region of interest is then delineated on the outer surface, and its corresponding region of interest on the cortical surface is identified using a matching algorithm as described in our validation study¹. This process is repeatedly iterated with largely overlapping regions of interest, resulting in cortical maps of gyrification for subsequent statistical comparisons (Fig. 1). Of note, another measurement of local gyrification with a similar inspiration was proposed by Toro and colleagues⁷, where the folding index at each point is computed as the ratio of the cortical area contained in a sphere divided by the area of a disc with the same radius. The two implementations differ in that the one by Toro et al. is based on Euclidian distances and thus considers discontinuous patches of cortical area, whereas ours uses a strict geodesic algorithm and include only the continuous patch of cortical area opening at the brain surface in a circular region of interest.

Protocol

1. إعادة بناء السطوح القشرية 3D

هذا الجزء الأول من البروتوكول يستخدم خط أنابيب FreeSurfer القياسية كما هو موضح في ويكي ( http://surfer.nmr.mgh.harvard.edu/fswiki ). علما بأن الأوامر مفصلة هنا وصف طريقة واحدة لتحقيق إعادة بناء السطح القشري ، ولكن قد يستخدم أيضا الأوامر مكافئة لها.

1. استيراد الخام في التصوير بالرنين المغناطيسي DICOM FreeSurfer والتحقق من جودة الصورة (على سبيل المثال أن التوجه هو الصحيح ، وعلى النقيض من كافية ، والصور التي لم تتحرك). هذه العملية تستخدم الأوامر التالية (استبدال النص بين <...>(شامل) مع القيم المناسبة على مثيل محدد ، و "#" يدل تعليق) :
   
   mksubjdirs # إنشاء بنية المجلد المستخدمة من قبل FreeSurfer
   القرص المضغوط / # التصوير بالرنين المغناطيسي تذهب إلى المجلد التصوير بالرنين المغناطيسي من الموضوع الخاص بك
   mri_convert سم 001.mgz تحويل # التصوير بالرنين المغناطيسي الخام في شكل FreeSurfer #
   tkmedit # 001.mgz تصور حجم تحويلها
   
   
2. إنشاء نماذج ثلاثية الأبعاد شبكة القشرية ^8،9. من أجل التعامل مع مشكلة الأتلام دفن FreeSurfer first يخلق الوحدوي حجم المادة البيضاء ، والذي يستخدم كنقطة انطلاق لسطح رمادية بيضاء الأولي. ثم هو الأمثل وفقا لهذا السطح التدرج المحلية من الكثافة والتوسع إلى الواجهة الرمادية - CSF.
   
   ريكون للجميع ليالي # إعادة إطلاق السطح القشري
   
   في نهاية عملية إعادة الإعمار ، وسوف تحصل على نماذج two شبكة مؤلفة من حوالي 150،000 نقطة لكل نصف الكرة الأرضية : أبيض (رمادي أبيض واجهة) وحنوني السطح (رمادي - CSF واجهة). ومن المهم أن نلاحظ أن جميع الأسطح والأحجام تبقى في الفضاء الأصلي ، مما يتيح ويمكن قياس مثل قياس ، وحجم السمك ، ومساحة السطح أو فهرس gyrification دون تشوه.
   
3. التحقق من دقة هذه السطوح بناؤها :
   
   tkmedit T1.mgz؟ h.pial # غير مضافين السطح الأبيض في الخضراء والحمراء في سطح حنوني
   
   ح حيث يدل على نصف الكرة الأرضية؟ lh.pial لنصف الكرة المخية الأيسر وrh.pial لنصف الكرة الأرضية اليمنى. الشكل 2 (2 في الإصدارات : صورة GIF المتحركة ليتم تضمينها في فيلم واحد ثابت للموقع) يوضح مثالا لاعادة البناء الصحيح السطوح البيضاء وحنوني لهذا الموضوع "بيرت" موزعة على طول مع الحزمة FreeSurfer. إذا كان لديك لتصحيح يدويا نتيجة لعملية اعادة الاعمار ، وسوف تجد البرنامج التعليمي على المعرفة FreeSurfer ( http://surfer.nmr.mgh.harvard.edu/fswiki/FsTutorial/WhiteMatterEdits ،

2. حساب مؤشر Gyrification المحلية

عندما كنت راضيا السطوح الخاص بك ، لحساب مؤشر Gyrification المحلية ل (GI) باستخدام الأمر :

ريكون للجميع LGI - S -

هذا الأمر يمتد عادة لمدة 3 ساعات عن لنصفي الكرة الأرضية من المشاركين دراسة واحدة ، اعتمادا على قوة محطة العمل الخاصة بك. وعرض لمختلف الخطوات العملية GI لتر في الشكل. 1. الحوسبة تبدأ إنشاء السطح الخارجي باستخدام المورفولوجية عملية الإغلاق. ويتضح أيضا هذا السطح الخارجي ، والرمز؟ h.pial_outer_smoothed ، في الشكل. 3. ثم ، يتم إنشاء نحو 800 مناطق دائرية تداخل في المصالح على السطح الخارجي. لكل واحدة من هذه المناطق ، وتعرف هذه المنطقة المقابلة لسعر الفائدة علىحنوني السطح. حساب كله ينتهي مع إنشاء مخطط الفردية التي تحتوي على قيمة واحدة ل GI لكل نقطة من السطح القشري (أي 150000 ~ القيم في نصف الكرة الأرضية).

3. تحقق من نتيجة الحساب ل GI لكل نصف الكرة

tksurfer ؟ ح حنوني - التراكب / تصفح /؟ h.pial_lgi fthresh - 1

يتم مضافين على القيم ل GI على سطح القشرة. كما ل الصحيح وتتألف عادة قيم GI بين 1 و 5 ، وتحديد الحد الأدنى في 1 (مع fthresh الخيار) يسمح السريع الاختيار : يجب أن لا نرى أي المنطقة الرمادية القشرية. ويرد مثال على النتيجة الصحيحة في شكل فردي. 4.

4. مقارنات المجموعة الإحصائية

والغرض من ذلك هو قياس تأثير المجموعة في كل قمة على سطح القشرة مع التحكم عن تأثير نوع الجنس والعمر. سوف تحتاج إلى اتباع نفس العملية كما لو كنت تود المقارنة بين سمك القشرية في كل قمة ، ولكن إعطاء؟ h.pial_lgi بدلا من؟ h.thickness. خيارين من الممكن لحساب المجموعة المقارنات الإحصائية : يتم سرد الأوامر الكلاسيكية الأولى ، ويذكر لفترة وجيزة واجهة رسومية (Qdec) بعد ذلك.

1. الخيار الأول لمقارنة النتائج ل GI بين الجماعات استخدام الأوامر المذكورة أدناه ، ويمكن الحصول على مزيد من التفاصيل في https://surfer.nmr.mgh.harvard.edu/fswiki/FsTutorial/GroupAnalysis .
   1. أولا ستحتاج إلى إنشاء قالب دراسة محددة تعطي كل ما تبذلونه من الموضوعات في الإدخال :
      
      make_average_subject -- الموضوعات ...
      
      الأمر سيخلق أعلاه موضوعا يسمى "متوسط". بدلا من ذلك ، يمكنك استخدام هذا الموضوع "fsaveالغضب "وزعت كجزء من توزيع FreeSurfer.
   2. ثم ، إنشاء ملف نصي يحتوي على وصف للموضوعات المشاركة في الدراسة الخاص بك ("ملف واصف FreeSurfer المجموعة"). ينبغي FSGD.txt الخاص تبدو هذه :
      
      GroupDescriptorFile 1
      المجموعة Control_Male
      المجموعة Control_Female
      المجموعة Patient_Male
      المجموعة Patient_Female
      متغيرات السن
      مساهمة Patient_Male 20
      مساهمة Control_Female 23
      <...>
   3. إعادة تشكيل GI البيانات لتر في فضاء يخضع المتوسط ​​باستخدام الأمر التالي للحصول على كل الكرة الأرضية :
      
      mris_preproc -- fsgd FSGD.txt -- المعدل المستهدف -- نصفي ح -- الاتفاقات pial_lgi -- خارج h.lgi.mgh
      
   4. سلسة البيانات الموجودة على سطح القشرة للحد من إشارة إلى الضجيج :
      
      mri_surf2surf -- نصفي ح -- ق المتوسط ​​-- sval h.lgi.mgh -- fwhm 10 -- h.10.lg tval؟i.mgh
      
   5. حساب المجموعة المقارنة على مستوى كل قمة. لذلك سوف تحتاج إلى إنشاء ملف النص المقابل (مثلا في حالة FSGD.txt الموصوفة أعلاه ، فإن "contrast.txt" تحتوي على قيم "1 1 0 -1 -1" لحساب الفرق بين الضوابط و بينما المرضى مراقبة العمر والجنس). أخيرا تشغيل المقارنة :
      
      mri_glmfit -- ذ h.10.lgi.mgh -- fsgd FSGD.txt دوس -- glmdir h.lgi.glmdir -- تصفح متوسط ​​ح -- C contrast.txt
      
   6. تصور النتائج على الموضوع الخاص بك باستخدام متوسط ​​tksurfer :
      
      تضخم tksurfer المتوسط؟ ح
      
      ثم تحميل الملف كما تراكب sig.mgh الموجود في المجلد؟ h.lgi.glmdir / contrast.txt / sig.mgh. باستخدام الخيار "تكوين التراكب" يمكنك تعديل مزيد من عتبة ع فضلا الصحيح للمقارنات متعددة باستخدام كاذبة معدل اكتشاف ^10.
      
2. الخيار البديل عن مجموعة كومparison هو استخدام Qdec ، واجهة المستخدم الرسومية تنفيذها في FreeSurfer. استخدام Qdec مع فهرس Gyrification المحلية يعني ما قبل تمهيد GI بيانات ل :
   
   ريكون للجميع ، qcache pial_lgi القياس المتوسط ليالي
   
   مع Qdec ، يتم استبدال ملف FreeSurfer اصف الفريق من إصدار مختلف قليلا ، وجدول البيانات (qdec.table.dat) يتضمن وصفا لمختلف الفئات ومتغيرات خارجية أخرى مثل العمر. وتقدم وصفا مفصلا لاستخدام Qdec في http://surfer.nmr.mgh.harvard.edu/fswiki/FsTutorial/QdecGroupAnalysis .
   من الملاحظة ، إذا كان ل GI غير متوفر في قائمة المتغيرات التي تعتمد في Qdec ، يجب إضافة السطر التالي إلى الملف الموجود في الدليل Qdecrc منزلك :
   
   MEASURE1 = pial_lgi

5. تحليل

بدلا من ذلك ، يمكن في نهاية المطاف التحليلات الإحصائية أن تحسب على مستوى parcellation القشرية المتكاملة في FreeSurfer ^11. لهذا الغرض ، يمكن استخلاص متوسط ​​قيم ل GI للمناطق 34 gyral التي تهم كل نصف الكرة الغربي ، ويمكن مقارنة هذه القياسات كذلك بين مختلف المجموعات. ويمكن هذا التحليل لا يتجزأ من الحكمة (على عكس التحليل قنة من الحكمة المذكورة أعلاه) تكون جذابة كما أنه يحد من كمية المقارنات الإحصائية. ومع ذلك ، GI لتر عند كل نقطة الكمي gyrification في المنطقة الدائرية المحيطة بها ، بحيث ل GI المتوسط ​​في منطقة gyral الاهتمام يعكس أيضا إلى حد ما gyrification في المناطق المجاورة للاهتمام.

أخيرا ، على الرغم من وصفها أهم القضايا في هذا البروتوكول ، وإيجاد حل للمشاكل الأخرى التي قد تكون مصادفة أثناء الأبويمكن الاطلاع على eeSurfer أو GI تجهيز لتر في محفوظات القائمة البريدية FreeSurfer ( http://surfer.nmr.mgh.harvard.edu/fswiki/FreeSurferSupport ).

6. ممثل النتائج

كما هو موضح في القسم 1C للبروتوكول ، يجب عليك دائما التحقق بعناية من دقة إعادة بناء السطوح القشرية قبل حساب GI ل. أثناء التنقل بين الجبهي والفص القذالي ، وإيلاء اهتمام خاص التي لم يتم تضمينها في السفن وغشاء سطح حنوني. أيضا التحقق من أن السطح الأبيض يلي بدقة واجهة رمادية بيضاء. وقدمت مثالا على إعادة الإعمار في الشكل الصحيح 2 (انظر الشكل GIF المتحركة لحجم كاملة).

في نهاية حساب GI ل ، سيكون لديك أيضا إلى التحقق من النتيجة لنصفي الكرة الأرضية في كل موضوع.ينبغي ألا يكون هناك أي مجال القشرية مع نتيجة ل GI أصغر من 1. الجزء 3 من البروتوكول والشكل 4 تظهر كيفية الاختيار الصحيح إذا إخراج حساب GI l هو الصحيح.


الشكل 1. نظرة عامة على حساب GI ل. يتم بناؤها أولا ، نماذج ثلاثية الأبعاد شبكة القشرية من الصور الخام باستخدام خط أنابيب FreeSurfer القياسية. هذه الخوارزميات إعادة الإعمار استخدام ثنائي حجم المادة البيضاء كنقطة بداية للتغلب على مسألة الأتلام دفن. نماذج القشرية شبكة تضم عادة حوالي 150،000 القمم وتستخدم تقليديا لحساب سمك القشرية في كل نقطة. وبالمثل ، سيتم احتساب مؤشر Gyrification المحلية ل (GI) في كل قمة الرأس. لهذا الغرض ، يتم إنشاء السطح الخارجي. ثم يتم تحديد المناطق الدائرية المقابلة من الفائدة على الخارجي عرضاد السطح القشري باستخدام خوارزمية مطابقة. بعد حوالي 800 من توليد مناطق التداخل في المصالح ، والنتائج العملية في إنشاء خرائط الفردية GI ل. ويمكن تفسير هذه الخرائط بسهولة : فهرس 5 يعني أن هناك أكثر من 5 دوام السطح القشري invaginated داخل الأتلام في المنطقة المحيطة أن كمية المياه السطحية القشرية مرئية ؛ فهرس 1 تعني أن القشرة هي شقة في المنطقة المحيطة . أخيرا ، يتم حسابها مقارنات المجموعة الإحصائية على مستوى كل قمة ، على غرار مقارنات سمك القشرية.

1B الرقم. الخريطة القشرية الفردية GI ل. هذا الفيلم صغير يظهر تناوب 360 درجة لخريطة LGI القشرية الفردية كما هو موضح في الشكل. 1. ومن الملفت للنظر أن نلاحظ أن المناطق القشرية مع ارتفاع قيم GI ل تتوافق مع حظيرة الأولى التي يتم إنشاؤها أثناء الحياة في الرحم : في الشق سيلفيوس ، وتلم متفوقة والزمانية فيالتلم traparietal على وجهة النظر الجانبي للدماغ ، وتلم الجداري القذالي على طريقة العرض الإنسي للدماغ. مشاهدة الفيلم


الشكل 2. سبيل المثال ما يكفي من إعادة الإعمار السطح القشري (مقطع واحد الاكليلية). وبعد انتهاء عملية إعادة الإعمار ، يجب أن تكون السطوح القشرية التحقق بدقة عبر حجم الدماغ بأكمله. يجب على السطح الداخلي القشرية (سطح أبيض يرمز ، في الخضراء على صورة) تتبع بدقة واجهة رمادية بيضاء. (الرمز أي الرمادية - CSF واجهة السطح ، حنوني ، هنا في الحمراء) على السطح الخارجي القشرية يجب أن لا تتضمن أي سفينة أو قطعة من الغشاء. لنلاحظ ، مثلا المقدمة هنا يستخدم "بيرت" موزعة على طول الموضوع مع حزمة FreeSurfer.

الشكل 2B. مثال على السطح القشري كافية وإعction (الحجم الكامل) ، وهذا صورة GIF المتحركة تظهر على السطح القشري من نصف الكرة المخية الأيسر للموضوع "بيرت" في كل مقطع الاكليلية ، كما رأينا عن طريق التمرير من أمامي أكثر إلى أقسام الاكليلية مع معظم القذالي FreeSurfer. مشاهدة الفيلم


الشكل 3. مثال على السطح الخارجي حسابها كجزء من عملية GI لتر (مقطع واحد الاكليلية). الخطوة الأولى في حساب GI l هو تهيئة السطح الخارجي تخيم على نصف الكرة الأرضية. يمكن التحقق من هذا السطح (الرمز؟ h.pial_outer_smoothed في FreeSurfer) باستخدام tkmedit. هنا ، يتم استخدام "بيرت" يخضع توزيعها مع FreeSurfer كمثال على ذلك.

الشكل 3B. مثال على السطح الخارجي حسابها كجزء من عملية GI ل (الحجم الكامل) ، وهذا صورة GIF المتحركةيظهر على السطح الخارجي للنصف الكرة المخية الأيسر على كل قسم الاكليلية ، كما رأينا عن طريق التمرير من أمامي أكثر إلى أقسام الاكليلية مع معظم القذالي tkmedit في FreeSurfer. مشاهدة الفيلم


الشكل 4. مثال الصحيح ل GI الإخراج كما عرض مع FreeSurfer. توجهات مختلفة من السطح القشري للموضوع "بيرت" مع قيم GI ل مضافين. لون رمز هو الافتراضي "الحرارة" ينظر إليها على أنها تراكب مع tksurfer في FreeSurfer. باستخدام الحد الأدنى من 1 ، يجب على جميع القمم تكون ملونة وليس منطقة القشرية ينبغي APالكمثرى في الرمادي. من الملاحظة ، يمكن تعديل لون تراكب باستخدام الخيار "تكوين التراكب" في tksurfer ، حيث يمكن أيضا القيم الدنيا والقصوى ، وكذلك الرسم البياني للتوزيع الشامل للGI ل فحصها.

Discussion

بروتوكول أعلاه توضح كيفية قياس مؤشر Gyrification المحلية على أساس التصوير بالرنين المغناطيسي T1 المرجحة الدماغي وإجراء المقارنات المجموعة الإحصائية. وقد تم تصميمه خصيصا لدينا وسيلة لتوطين تعطل في وقت مبكر من عملية التوسيع والقشرية مثل أهمية خاصة في كثير من الظروف العصبية...

Materials

Name	Company	Catalog Number	Comments
اسم المعدات	شركة	فهرس العدد	تعليقات
FreeSurfer	مارتينوس مركز التصوير الطبية ، MGH		إصدار أحدث من 4.0.3
MATLAB	Mathworks		أدوات معالجة الصور