JoVE Logo
Authors
Contact Us

Sign In

A subscription to JoVE is required to view this content. Sign in or start your free trial.

In This Article

  • Summary
  • Abstract
  • Introduction
  • Protocol
  • النتائج
  • Discussion
  • Disclosures
  • Acknowledgements
  • Materials
  • References
  • Reprints and Permissions

Summary

نحن نقدم بروتوكول شبه تلقائي لتحليل الشكل علي هياكل الدماغ ، بما في ذلك تجزئه الصورة باستخدام البرمجيات المفتوحة ، والمزيد من تحليل الشكل المجموعة الحكيمة باستخدام حزمه النمذجة الألى. هنا ، ونحن نظهر كل خطوه من بروتوكول تحليل الشكل 3D مع تقسيم هيبوكامبال من الدماغ MR الصور.

Abstract

وقد استخدم تحليل الشكل الإحصائي لهياكل المخ للتحقيق في العلاقة بين التغييرات الهيكلية والعمليات المرضية. لقد قمنا بتطوير حزمه برامج لنمذجة الشكل دقيقه وقويه وتحليل المجموعة الحكيمة. هنا ، نقدم خط أنابيب لتحليل الشكل ، من النمذجة شكل 3D الفردية إلى تحليل شكل المجموعة الكمية. كما نقوم بوصف خطوات المعالجة المسبقة والتجزئة باستخدام حزم البرامج المفتوحة. هذا الدليل العملي من شانه ان يساعد الباحثين توفير الوقت والجهد في تحليل الشكل 3D علي هياكل الدماغ.

Introduction

وقد برز تحليل الشكل من هياكل الدماغ كاداه مفضله للتحقيق في التغييرات المورفولوجية في اطار العمليات المرضية, مثل امراض الأعصاب والشيخوخة1. علي مدي السنوات العديدة الماضية ، تم إدخال العديد من الطرق في دراسات التصوير العصبي لكل من هذه الخطوات. ومع ذلك ، وعلي الرغم من التطورات الملحوظة في الميدان ، لا توجد أطر كثيره تنطبق علي الفور علي البحوث. في هذه المقالة ، نقوم بوصف كل خطوه من تحليل شكل هياكل الدماغ باستخدام أدوات النمذجة المخصصة للشكل وأداات تقسيم الصور المتاحة للعامة.

هنا ، ونحن نظهر اطار تحليل الشكل للهياكل الدماغ من خلال تحليل الشكل من اليسار واليمين وهيبوكامبي باستخدام مجموعه بيانات من الضوابط الكبار ومرضي مرض الزهايمر. ومن المسلم به ضمور وهيبوكامبي باعتبارها الحيوية التصوير البيولوجي في امراض الأعصاب2,3,4. في اطار عملنا لتحليل الشكل ، نستخدم نموذج القالب للهيكل المستهدف وتسجيل تشوه القالب إلى الصورة في عمليه نمذجة الشكل. يقوم نموذج القالب بترميز خصائص الشكل العام للبنية المستهدفة في المجموعة السكانية ، كما يوفر أساسا لقياس اختلافات الشكل بين النماذج الفردية عبر علاقتها المتعدية مع نموذج القالب. في التسجيل قالب إلى صوره ، قمنا بتطوير أسلوب تشوه سطح laplacian لتناسب نموذج قالب إلى هيكل الهدف في الصور الفردية مع التقليل من تشويه توزيع نقطه في نموذج قالب5،6،7. وقد تم التحقق من جدوى ومتانة الإطار المقترح في دراسات التصوير العصبي الاخيره من الشيخوخة المعرفية8, الكشف المبكر عن ضعف المعرفي خفيفه9, واستكشاف الجمعيات بين التغيرات الهيكلية الدماغ ومستويات الكورتيزول10. هذا النهج من شانه ان يجعل من الأسهل لاستخدام النمذجة الشكل وأساليب التحليل في المزيد من دراسات التصوير العصبي.

Protocol

تم الحصول علي صور الدماغ MR وفقا للبروتوكول الذي وافق عليه مجلس المراجعة المؤسسية المحلية ولجنه الأخلاق.

ملاحظه: يمكن تحميل أدوات نمذجة الشكل والتحليل من مستودع NITRC: https://www.nitrc.org/projects/dtmframework/. يمكن تنفيذ برنامج واجهه المستخدم الرسوميه (DTMModeling .exe) بعد الاستخراج. انظر الشكل 1.

1. الدماغ MR صوره التجزئة

  1. الحصول علي صور الدماغ MR من المواضيع الفردية وأقنعه تجزئه الدماغ.
    ملاحظه: عاده ، ونحن الحصول علي T1 المرجح الصور MR لتحليل هياكل الدماغ. ونحن نفترض ان الصور MR تتم معالجتها مسبقا لتصحيح الانحدار غير الخطية وتصحيح كثافة التجانس باستخدام N311، وتحسين أساليب N312، أو fsl-FAST13. وترد في الجدول 1بعض الاداات المتاحة بحريه للتقسيم التلقائي لهياكل المخ البشرية.
  2. تصحيح نتائج التجزئة يدويا.
    ملاحظه: يتم سرد برنامج واجهه المستخدم الرسوميه المفتوح الذي يدعم التجزئة اليدوية في الجدول 2. يمكن العثور علي بروتوكولات التجزئة اليدوية لهياكل الدماغ هنا14،15،16. دليل الفيديو علي التقسيم اليدوي لحصين هنا17. نقوم بوصف البروتوكول لهيبوكامبال التجزئة في المقطع التالي.
    1. افتح الرنين المغناطيسي T1 الموزون ونتائج التجزئة التلقائية باستخدام القائمة فتح ملف .
    2. تحميل المساعد تقسيم عن طريق النقر نافذه القائمة | عرض البرنامج | التجزئة.
    3. تصحيح قناع التجزئة باستخدام أدوات الاضافه والطرح والتصحيح في المكون الإضافي للتقسيم .
    4. احفظ قناع التجزئة المصحح بتنسيق نيفتي باستخدام قائمه الحفظ .

2. التحرير اليدوي لهيبوكامبال التجزئة

ملاحظه: نحن نقدم بروتوكولا لتحرير يدويا من تجزئه الدماغ باستخدام برنامج النمذجة واجهه المستخدم الرسوميه استنادا إلى منضدة MITK (http://www.mitk.org/). منضدة MITK يوفر وظائف مختلفه لتقسيم اليدوي والتلقائي والتصور الصور الطبية. نحن نظهر عمليه التحرير اليدوي لوهيبوكامبي الأيمن والأيسر. خطوات للتحرير يدويا18 نتيجة التجزئة التلقائية هيبوكامبال كما يلي.

  1. افتح صوره السيد T1 الموزونة ونتائج التجزئة التلقائية لهيبوكامبال باستخدام برنامج منضدة الطاولة MITK.
  2. تحميل المساعد التجزئة في منضدة MITK بالنقر علي نافذه القائمة | إظهار العرض | التجزئة.
  3. حدد طريقه العرض الاكليليه بالنقر علي أيقونه الجانب الأيمن التي تظهر في الجانب العلوي الأيسر من نافذه العرض .
  4. تحرير قناع ثنائي من كل الحصين (اي ، اليسار واليمين) في طريقه العرض الاكليليه ، بدءا من هيبوكامبال head إلى الجسم علي النحو التالي.
    1. التمرير في جميع انحاء وحده التخزين حتى يتم العثور علي uncus. وتشمل اونيوس في قناع هيبوكامبال حيث انها موجودة.
    2. تحرير قناع الجسم الهيبوكامبال بعد ان انحسرت uncus باستخدام وظيفة أضافه وطرح في المساعد تقسيم .
    3. متابعه تحرير قناع هيبوكامبال حتى يتم العثور علي ذيل هيبوكامبال. كما النواة هوز من المهاد تنحي متفوقة علي الحصين ، يظهر قبو الملتحمة.
    4. الانتهاء من تحرير الشريحة الاخيره الاكليليه من الحصين في الذي طول قبو الملتحمة مرئية ولكن ليست مستمرة بعد مع الطحال من callosum الجسم.
      ملاحظه: يمكن احتواء مساحات السائل النخاعي داخل المناطق الهيبوكامباله. يمكن أزاله المساحات السائل الدماغي الشوكي من أقنعه هيبوكامبال باستخدام أداه طرح في المكون المساعد تقسيم منضدة mitk. قد يكون من الأسهل لتحديد المناطق هيبوكامبال تماما ومن ثم الذهاب من خلال جميع شرائح الاكليليه من الراس هيبوكامبال إلى الذيل لأزاله المساحات السائل الدماغي الشوكي.
    5. اتبع نفس العملية لتحرير أقنعه ثنائيه من كلا وهيبوكامبي.
      ملاحظه: يمكن استخدام أدوات الاضافه والطرح والتصحيح الخاصة بالمكون الإضافي للتقسيم في منضدة mitk للتحرير اليدوي. أداه التصحيح من السهل التعامل مع الأخطاء الصغيرة في قناع التقسيم عن طريق تنفيذ الجمع والطرح وفقا لإدخال المستخدم وقناع التجزئة دون تحديد أداه اضافيه.
  5. احفظ الاقنعه الثنائية لوهيبوكامبي الأيمن والأيسر بتنسيق نيفتي (نيي أو نيي. gz) باستخدام قائمه الحفظ في برنامج منضدة الطاولة.
    ملاحظه: يجب حفظ الاقنعه الثنائية لوهيبوكامبي الأيمن والأيسر بشكل منفصل للخطوات التالية لنموذج هيبوكامبال شكل.

3. بناء قالب المجموعة

ملاحظه: بعد التجزئة والتحرير اليدوي لجميع المواضيع ، يتطلب تصميم الشكل الفردي نموذج قالب البنية المستهدفة. نحن نبني نموذج قالب من قناع ثنائي متوسط للسكان ، المكتسبة باستخدام "شابموديلينغ" المساعد في منضدة MITK. خطوات بناء نموذج قالب باستخدام برنامج واجهه المستخدم الرسوميه هي كما يلي.

  1. تحميل المساعد شابموديلينج باستخدام وظيفة القائمة: نافذه | إظهار العرض | نمذجة الشكل.
  2. فتح دليل يحتوي علي أقنعه ثنائيه من السكان دراسة بالنقر فوق الزر "فتح الدليل " في المكون المساعد.
  3. انقر فوق الزر إنشاء قالب في المكون المساعد.
  4. تحقق من شبكه الشكل المتوسط واحفظها في تنسيق الطباعة المجسمة (STL) باستخدام قائمه الحفظ .

4. أعاده بناء الشكل الفردي

ملاحظه: في هذه الخطوة ، ونحن تنفيذ النمذجة الشكل للمواضيع الفردية باستخدام بدء النموذج الشكل زر في "شابموديلينغ" المساعد. نحن قائمه المعلمات البرمجيات من هذا البرنامج المساعد في الجدول 3. ويمكن الاطلاع علي شرح مفصل علي كل معلمه هنا5. خطوات أعاده بناء الشكل الفردي باستخدام برنامج واجهه المستخدم الرسوميه هي كما يلي.

  1. تحميل صوره السيد الموزون T1 وقناع التجزئة الخاص به باستخدام القائمة " فتح ملف ".
    ملاحظه: نستخدم صوره السيد T1 الموزونة للتحقق من صحة المرئية.
  2. تحقق من معلمات النمذجة في المساعد الشكلي وتعديل إذا لزم الأمر.
    ملاحظه: إذا لم يكن نموذج القالب مشوها أو كانت المسافة بين نموذج القالب وحدود الصورة كبيره ، فمن المستحسن زيادة نطاق بحث الحدود. إذا تم العثور علي بعض التشوات الهندسية ، زيادة maxAlpha و minAlpha مع الخطوة 0.5 من شانه ان يساعد علي حل هذه المشكلة. من المهم التحقق من كثافة فوكسل للكائن الهدف في قناع التجزئة. إذا كانت القيمة ليست 1 ، يجب تغيير المعلمة كثافة وفقا لذلك.
  3. انقر فوق زر تصميم الشكل لتشغيل عمليه نمذجة الشكل وتحقق من النتيجة في طريقه العرض ثلاثية الابعاد لمنضدة mitk.
  4. كرر الخطوات 4.2 و 4.3 ، عندما لا يتم تركيب طراز القالب إلى حد الصورة عن كثب.
    ملاحظه: يتم تصور نموذج القالب مع قناع التجزئة في العرض السهمي والإكليلي والمحوري والثلاثي الابعاد لمنضدة MITK. لا يتم تشويه سطح القالب عندما تكون المسافة بين نموذج القالب وحدود الصورة اقل من العتبة التي تعد واحده من العشر من أصغر حجم فوكسل.
  5. حفظ نتيجة التصميم في تنسيق الطباعة المجسمة (STL) باستخدام القائمة " حفظ " في اطار عمل mitk.

5. المجموعة الحكيمة الشكل التطبيع والشكل الفرق القياس

ملاحظه: في هذه الخطوة ، نقوم بمحاذاة نماذج الشكل الفردية إلى نموذج القالب وحساب تشوه الشكل النقطي بين القمم المناظرة بين نموذج القالب ونموذج الشكل الفردي. خطوات قياس تشوه الشكل كما يلي.

  1. حدد نموذج الشكل للموضوع في أداره البيانات الخاصة بمنضدة mitk.
    ملاحظه: يمكن للمستخدمين تحديد نماذج متعددة لقياس التشوه.
  2. قم باجراء قياس التشوه بالنقر فوق زر القياس في المكون المساعد.

النتائج

وقد استخدمت عمليه نمذجة الشكل الموصوفة هنا لدراسات التصوير العصبي المختلفة علي الشيخوخة6,8,10 ومرض الزهايمر5,9. خصوصا ، وأظهرت هذه الطريقة النمذجة الشكل دقتها وحساسيتها في تحليل الشكل علي ا...

Discussion

باختصار ، لقد وصفنا خط أنابيب البرمجيات لتحليل الشكل علي هياكل الدماغ بما في ذلك (1) MR تجزئه الصورة باستخدام أدوات مفتوحة (2) أعاده بناء الشكل الفردية باستخدام نموذج قالب تشوه ، و (3) الفرق الشكل الكمي قياس عبر المراسلات شكل متعديه مع نموذج قالب. يتم اجراء التحليل الإحصائي تحت تصحيح معدل الاكت...

Disclosures

ويعلن أصحاب البلاغ انه لا يوجد تضارب في المصالح.

Acknowledgements

وقد تم تمويل العمل من قبل المؤسسة الوطنية للبحوث في كوريا (JP باعتبارها PI). يتم تمويل JK من قبل الصندوق الوطني للبحوث جامعه كيونغبوك; ويتم تمويل MCVH من قبل الامانه الخيرية الصف فوغو والجمعية الملكية في ادنبره. تم تكييف التجزئة الهيبوكامباله من المبادئ التوجيهية الداخلية التي كتبتها الدكتورة كارين فيرغسون ، في مركز علوم الدماغ السريرية ، ادنبره ، المملكة العربية البريطانية.

Materials

NameCompanyCatalog NumberComments

References

  1. Costafreda, S. G., et al. Automated hippocampal shape analysis predicts the onset of dementia in mild cognitive impairment. NeuroImage. 56 (1), 212-219 (2011).
  2. Platero, C., Lin, L., Tobar, M. C. Longitudinal Neuroimaging Hippocampal Markers for Diagnosing Alzheimer's Disease. Neuroinformatics. , 1-19 (2018).
  3. Valdés Hernández, M. D. C., et al. Rationale, design, and methodology of the image analysis protocol for studies of patients with cerebral small vessel disease and mild stroke. Brain and behavior. 5 (12), e00415 (2015).
  4. Kalmady, S. V., et al. Clinical correlates of hippocampus volume and shape in antipsychotic-naïve schizophrenia. Psychiatry Research: Neuroimaging. 263, 93-102 (2017).
  5. Kim, J., Valdés Hernández, M. D. C., Royle, N. A., Park, J. Hippocampal Shape Modeling Based on a Progressive Template Surface Deformation and its Verification. IEEE Transactions on Medical Imaging. 34 (6), 1242-1261 (2015).
  6. Kim, J., et al. 3D shape analysis of the brain's third ventricle using a midplane encoded symmetric template model. Computer Methods and Programs in Biomedicine. 129, 51-62 (2016).
  7. Kim, J., Ryoo, H., Valdés Hernández, M. D. C., Royle, N. A., Park, J. Brain Ventricular Morphology Analysis Using a Set of Ventricular-Specific Feature Descriptors. International Symposium on Biomedical Simulation. , 141-149 (2014).
  8. Valdés Hernández, M. D. C., et al. Hippocampal morphology and cognitive functions in community-dwelling older people: the Lothian Birth Cohort 1936. Neurobiology of Aging. 52, 1-11 (2017).
  9. Lee, P., Ryoo, H., Park, J., Jeong, Y. Morphological and Microstructural Changes of the Hippocampus in Early MCI: A Study Utilizing the Alzheimer's Disease Neuroimaging Initiative Database. Journal of Clinical Neurology. 13 (2), 144-154 (2017).
  10. Cox, S. R., et al. Associations between hippocampal morphology, diffusion characteristics, and salivary cortisol in older men. Psychoneuroendocrinology. 78, 151-158 (2017).
  11. Sled, J. G., Zijdenbos, A. P., Evans, A. C. A nonparametric method for automatic correction of intensity nonuniformity in MRI data. IEEE Transactions on Medical Imaging. 17 (1), 87-97 (1998).
  12. Tustison, N. J., et al. N4ITK: improved N3 bias correction. IEEE Transactions on Medical Imaging. 29 (6), 1310-1320 (2010).
  13. Zhang, Y., Brady, M., Smith, S. Segmentation of brain MR images through a hidden Markov random field model and the expectation-maximization algorithm. IEEE Transactions on Medical Imaging. 20 (1), 45-57 (2001).
  14. Wardlaw, J. M., et al. Brain aging, cognition in youth and old age and vascular disease in the Lothian Birth Cohort 1936: rationale, design and methodology of the imaging protocol. International Journal of Stroke. 6 (6), 547-559 (2011).
  15. Morey, R. A., et al. A comparison of automated segmentation and manual tracing for quantifying hippocampal and amygdala volumes. NeuroImage. 45 (3), 855-866 (2009).
  16. Boccardi, M., et al. Survey of protocols for the manual segmentation of the hippocampus: preparatory steps towards a joint EADC-ADNI harmonized protocol. Journal of Alzheimer's Disease. 26 (s3), 61-75 (2011).
  17. Winterburn, J., et al. High-resolution In Vivo Manual Segmentation Protocol for Human Hippocampal Subfields Using 3T Magnetic Resonance Imaging. Journal of Visualized Experiments. (105), e51861 (2015).
  18. MacLullich, A., et al. Intracranial capacity and brain volumes are associated with cognition in healthy elderly men. Neurology. 59 (2), 169-174 (2002).
  19. Gower, J. C. Generalized Procrustes analysis. Psychometrika. 40 (1), 33-51 (1975).
  20. Lorensen, W. E., Cline, H. E. Marching cubes: A high resolution 3D surface construction algorithm. ACM Siggraph Computer Graphics. , 163-169 (1987).

Reprints and Permissions

Request permission to reuse the text or figures of this JoVE article

Request Permission

Explore More Articles

153

This article has been published

Video Coming Soon

JoVE Logo

Privacy

Terms of Use

Policies

Contact Us

Recommend to library

JoVE NEWSLETTERS

Research

Education

Authors

Librarians

ABOUT JoVE

Copyright © 2025 MyJoVE Corporation. All rights reserved