Eine umfassende Protokoll für die manuelle Segmentierung der medialen Temporallappen Structures

Zusammenfassung

The present work provides a comprehensive set of guidelines for manually tracing the medial temporal lobe (MTL) structures. This protocol can be applied to research involving structural and/or combined structural-functional magnetic resonance imaging (MRI) investigations of the MTL, in both healthy and clinical groups.

Zusammenfassung

Der vorliegende Beitrag beschreibt ein umfassendes Protokoll für die manuelle Verfolgung der Satz von Hirnregionen, die den medialen Temporallappen (MTL): Amygdala, Hippocampus, und die damit verbundenen parahippocampal Regionen (perirhinal, entorhinalen und parahippocampalen richtige). Anders als die meisten anderen Tracing Protokolle zur Verfügung, in der Regel die Konzentration auf bestimmte Bereiche MTL (zB Amygdala und / oder Hippocampus), ermöglicht die klare Lokalisierung aller MTL Teilbereiche der durch die vorliegenden Leitlinien verabschiedet Verfolgung integrative Perspektive. Durch die Integration von Informationen aus einer Vielzahl von Quellen, einschließlich erhaltene Verfolgung Protokolle separat Targeting verschiedenen MTL-Strukturen, histologische Berichte, Atlanten und Gehirn, und mit dem Komplement der illustrativen Bildmaterial stellt die vorliegende Protokoll eine präzise, ​​intuitive und komfortable Führung für das Verständnis der MTL Anatomie. Die Notwendigkeit einer solchen Verfolgungs Richtlinienist auch durch die Darstellung mögliche Unterschiede zwischen automatischer und manueller Segmentierung Protokolle hervorgehoben. Dieses Wissen kann in Richtung Forschung, die nicht nur strukturelle MRT-Untersuchungen angewendet werden, sondern auch Struktur-Funktions Kolokalisations-und fMRI-Signal-Extraktion aus anatomisch definierten ROIs, in gesunden und klinischen Gruppen gleichermaßen.

Einleitung

Der mediale Temporallappen (MTL), eine mutmaßliche Bereich der höchsten Ebene der Integration von Sinnesinformation ^1, war ein häufiges Thema der gezielten Analysen. Zum Beispiel Hippocampus und zugehörigen parahippocampal Bereichen wurden ausführlich im Speicher Forschungs ^2-5 untersucht. Auch die Rolle der Amygdala wurde häufig in der Forschung untersucht Emotionsverarbeitung und Emotion-Kognition Wechselwirkungen ^6-11 betont. Kürzlich haben verschiedene MTL Regionen auch in dem neuen Gebiet der Neurowissenschaften Persönlichkeit, die die Struktur und Funktion von diesen und anderen Hirnregionen verknüpft, um individuelle Unterschiede in Persönlichkeitsmerkmale ¹² aufgenommen Aufmerksamkeit. Beurteilung der Anatomie und Funktion der MTL Strukturen können zur Erleichterung der Diagnose von degenerativen Erkrankungen, bei denen spezifische strukturelle und funktionelle Anomalien können in verschiedenen Strukturen auftreten MTL wichtig sein. Zum Beispiel bei Alzheimer-Krankheit (AD), eine bedeutendeTrophäe des entorhinalen Cortex und Hippocampus beobachtet werden ^13,14, und Atrophie des Hippocampus kann den Übergang von der leichten kognitiven Beeinträchtigung AD ¹⁵ vorherzusagen. Automatische Segmentierungsalgorithmen haben vor kurzem populär für die Segmentierung kortikalen und subkortikalen Strukturen geworden, aber wie bei jedem Werkzeug, diese Programme zwangsläufig Fehler auftreten, in einigen Fällen. In solchen Fällen sollte ein Forscher sowohl mit dem Wissen und Richtlinien, um die anatomischen Grenzen der MTL-Strukturen zu erkennen ausgestattet werden. Die Tendenz in der vorhandenen Literatur war es, einzelne Teilbereiche gezielt MTL ^16-21, mit vielen Protokollen eher auf Hippocampus ^16-19 konzentrieren.

Anders als die meisten der verfügbaren veröffentlichten Richtlinien für MTL Verfolgung, stellt die vorliegende Protokoll eine umfassende Reihe von Richtlinien, die für eine klare Lokalisierung aller MTL Teilbereiche zu ermöglichen. Tracing Leitlinien für die folgenden MTL-Strukturen werden beschrieben: die Amygdala (AMY), der Hippocampus (HC), die perirhinal Kortex (VR China), dem entorhinalen Kortex (ERC) und die parahippocampal Kortex (PHC). AMY und die HC werden zuerst zurückgeführt, und werden dann durch den Gyrus dentatus (PHG) Strukturen verfolgt. Beachten Sie, dass der Oberbegriff HC wird hier verwendet, um die HC-Bildung, die den HC richtige umfasst, der subiculum, und dem hinteren Segment des uncus ^22-24 beziehen. Beachten Sie auch, dass der PHG kann in zwei Segmente, den vorderen Teil und dem hinteren Teil unterteilt werden. Im vorderen Teil des PHG, kann es weiter in die lateralen und medialen Vorder PHG, deren kortikale Bereiche entsprechen der VR China und der ERC bzw. geteilt werden. Die PHC, der kortikale Bereich des hinteren Teils des PHG, entspricht der parahippocampal Kortex richtig. Der Einfachheit halber werden wir mit den Begriffen Volksrepublik China und ERC auf die lateralen und medialen Vorder PHG beziehen und PHC zu der hinteren PHG beziehen. Die segmentation für jede Struktur beginnt mit einer groben Lokalisierung der vorderen und hinteren Ränder, zusammen mit anderen relevanten Landmarken, die dann von der tatsächlichen Spur in der Koronarebene durchgeführt Scheibe-für-Scheibe folgt, in einer anterior-posterior/rostro-caudal Richtung. In allen Fällen werden die sagittalen und axialen Abschnitten eng überwacht werden, um die Lokalisierung der anatomischen Grenzen und Sehenswürdigkeiten unterstützen.

Die Notwendigkeit einer solchen Verfolgungs Richtlinien auch in Zahlen anzeigt mögliche Unterschiede zwischen dem Ausgang der automatischen und manuellen Segmentierung Protokolle dargestellt. Der Vorteil eines Protokolls, das alle der MTL-Strukturen in der visuellen Format beschrieben ist, daß Variationen in der Anatomie (z. B. die Sicherungsfurche [CS]-Anteil), die Grenzdefinitionen beeinflussen kann, kann in Zusammenhang mit der umgebenden Anatomie (beschrieben beispiels , die VR China und ERC medialen und lateralen Grenzen variieren in der Lage, je nach Tiefe der CS ²⁵ ). Dies könnte nicht klar oder verständlich zu einem unerfahrenen Tracer oder einem erfahrenen Tracer, die nur Spuren ein-oder getrennte Strukturen, und nach unserem Wissen nicht so ein umfassender Leitfaden visuell nicht existieren.

Das vorliegende Protokoll ist eine explizite Darstellung von Leitlinien für die MTL-Tracing in einer früheren Untersuchung identifiziert Differenzbeiträge MTL Teilbereiche auf die Speicherfördernde Wirkung von Emotion ^26, um eine höhere Auflösung Gehirn Bilder von den jüngsten Entwicklungen in der strukturellen Magnetresonanz (MR)-Bildgebung erlaubt angepasst verwendet . Die Ablaufverfolgung ist auf Scans von einem gesunden Freiwilligen (weiblich, im Alter von 24) erhalten dargestellt, mit einem 3T MR-Scanner. Mit einem Anschaffungs Winkel parallel zur AC-PC Anatomische Bilder wurden als 3D-MPRAGE (; TE = 2,26 ms;; FOV = 256 x 256 mm Voxelgröße = 1 x 0,5 x 0,5 mm TR = 1800 ms) erworben. Wenn Bilddaten mit einem unterschiedlichen Erfassungswinkel, wie z. B. Schrägorientierung erfasst, sollten die Daten reg seinentledigt zu einem parallel oder senkrecht zur Ausrichtung AC-PC, so dass anatomische Wahrzeichen Beschreibungen übersetzen entsprechend. Die Bilder wurden dann zu NIfTI Format und Eingabe in ²⁷ Segmentierung Software für Handverfolgung übersetzt. Scan-Daten in der aktuellen Protokoll wurde im Rahmen einer Studie, die vom Institutional Review Board genehmigt wurde, und der Freiwilligen mit schriftlicher Einwilligung erhoben.

Indem Informationen aus verschiedenen separaten Verfolgung Protokolle für diese Strukturen ^18-22,28-31, als auch von anatomischen Analysen und Atlanten ^23,32,33, präsentiert das vorliegende Protokoll eine umfassende Reihe von Richtlinien, die Ungereimtheiten in der vorhandenen Literatur zu adressieren. Durch die begleitenden visuellen Materialien Ergänzt wird diese Arbeit voraussichtlich klareres Verständnis der MTL-Strukturen fördern und wecken Interesse der Zukunftsforschung bei der Annahme manuelle Segmentierung, entweder als primäre Methode der MTL-Tracing oder als Ergänzungry-Methode, um die automatische Segmentierung. Durch eine genaue, intuitive und komfortable Führung für das Verständnis der Anatomie MTL, wird dieses Protokoll helfen Forscher identifizieren die Lage aller Teilbereiche MTL, relativ zu ihren benachbarten Strukturen, auch wenn nur einige MTL-Strukturen sind speziell für gezielte Analysen. Dies wird nicht nur Lokalisierungsgenauigkeit zu erhöhen, sondern wird auch dazu beitragen Tracer fundierte Entscheidungen in Fällen von morphologischen Veränderung, die in der MTL sehr wahrscheinlich ist. Diese Richtlinien können angewendet werden, um Forschung an strukturellen und / oder funktionellen MRT Untersuchungen der MTL, einschließlich volumetrische Analysen und Gehirn Anomalie-Erkennung, sowie Lokalisierung von Verfahren für die funktionelle oder anatomische und tractographic Analysen bei gesunden Gruppen. Dieses Protokoll kann auch verwendet werden, um die Segmentierung der MTL Strukturen für Patienten (z. B. Patienten mit Atrophie) zu informieren, wenn die großen anatomischen Orientierungspunkte werden relativ beibehalten. Tracing klinischen Themas 'Daten können zusätzliche Zeit und Mühe nehmen, abhängig von der Schwere der Atrophie und / oder anatomische Veränderungen.

Es ist wichtig, den Unterschied zwischen Kortex und Gyrus berücksichtigen bei der Festlegung der ROI. Anatomisch, bezieht sich hier sowohl Gyrus weißen Substanz und grauen Substanz, während Kortex bezieht sich auf Materie nur grau. Abhängig von der beabsichtigten Verwendung des ROI kann Segmentierungen weißen Substanz einschließen oder ausschließen.

Wir empfehlen die Rückverfolgung nacheinander durchgeführt werden, Unterbau Unterbau, eine Hemisphäre zu einem Zeitpunkt. Bestimmte Software-Pakete ^{34 sorgen} für eine Verfolgung grenzt auf einer Scheibe skizziert auf nachfolgende Scheiben, ein Feature, das beschleunigt den Prozess eingefügt werden. Es ist immer ratsam, um die gegenüberliegende Hemisphäre Referenz nach Bedarf, um die für die Konsistenz zwischen den beiden Seiten (zB in anatomischen Landmarken Erkennung) zu überprüfen. Alternativ parallel Verfolgung der gleichen Strukturen innerhalb der beiden Halbkugels kann auch durchgeführt werden. Unabhängig davon, ob die Ablaufverfolgung ist sequentiell oder parallel, sobald der Prozess abgeschlossen ist, sollte die Tracer überprüfen Sie die End-Ergebnis und Anpassungen nach Bedarf, verweisen beide Hemisphären und Mehrfachebene Blick. Je nach Erfahrung des Tracers und der Auflösung der Bilddaten, manuelle Segmentierung des MTL für gesunden Probanden Daten können von 8 bis 10 h oder mehr im Falle eines Novizen Tracer zu 3-4 Stunden in die zu nehmen,,,, Bei einem erfahrenen ein.

Abbildung 1. Ein 3D-Überblick über die MTL, verfolgt mit dem vorliegenden Protokoll. Strukturen hier dargestellt sind die AMY (rot), der HC (blau), die VR China (gelb), der Europäische Forschungsrat (pink) und der PHC (grün) .

Protokoll

1. Amygdala

1. Anterior Scheiben des AMY
   1. Identifizieren Sie die erste Scheibe der AMY, in dem die limen Insula zunächst angezeigt, in dem die weiße Substanz Verbindung zwischen dem Frontal-und Temporallappen ist kontinuierlich und sichtbar ^30. In der Frontalansicht stehen die Winkelbündel als inferolateralen Grenze des AMY.
   2. Suchen Sie das Chiasma als Wahrzeichen für das Erscheinungsbild des AMY. Verwenden Sie die axiale und sagittale Ansichten, die Amy in seinen frühen Scheiben von der umgebenden uncus unterscheiden. Folgen Sie dem weißen Substanz Wege rund um den AMY in axialer Ansicht, um den entorhinalen Bereich ³² auszuschließen.
   3. Verschieben nach hinten, identifizieren Sie die erste Scheibe, in der der vorderen Kommissur ist während beider Halbkugeln ^28, wo die AMY in seine typische Form sichtbar ist kontinuierlich. Verfolgen Sie die AMY gegen den Uhrzeigersinn mit dem entorhinalen Sulcus als superomedial Grenze, die gedachte Linie von der Fundus des semianular sulcus entlang der weißen Substanz an der unteren Spitze des AMY als inferomedialen Grenze, die zeitliche Stamm wie die laterale Grenze, und wieder zurück zum entorhinalen Sulcus, um die Rückverfolgung ³¹ abzuschließen.
2. Hintere Scheiben des AMY
   1. Beachten Sie, dass auf dieser Ebene, die sowohl AMY und HC in der gleichen Scheibe (n) sichtbar sind.
   2. Noch im koronalen Ansicht, identifizieren die letzte Scheibe der AMY dem die Struktur über dem medialen Verlängerung der zeitlichen Horn lateralen Ventrikel ³⁶ (oder der alveus wenn der Ventrikel nicht vorhanden ist) und lateral von der hakenförmigen dentatus, der Ausstülpung der Kopf des HC. Überprüfen Sie die sagittalen und axialen Ansichten für genaue und konsistente Ablaufverfolgung.
   3. Ziehen Sie eine imaginäre Linie vom Fundus der unteren kreisförmigen Sulcus der Insula zur optischen Trakt wie der obere Rand des AMY ^31, die auch unterscheidet sie von der grauen Substanz des Globus pallidus und Putamen.
   4. Trace entlangdie halbmondförmigen Gyrus als superomedial Grenze und schließen die Gyrus uncinatus ^32. Verwenden Sie das Unterhorn des lateralen Ventrikel und die zeitliche Stammzellen für die seitliche Abgrenzung.
3. Fortlaufende Scheiben des AMY in anterior-posteriorer Richtung
   1. Systematisch verfolgen die AMY Stück-für-Stück mit den einschlägigen Richtlinien über. Am vorderen Teil des AMY, verwenden Sie die gleichen Grenzen wie für die meisten der anterior-Scheibe; Umgekehrt, am hinteren Abschnitt der AMY, die gleichen Grenzen wie bei der hintersten Scheibe.
   2. Weiter, um die axialen und sagittalen Ansichten beschäftigen, um zu definieren und zu präzisieren die AMY Grenzen.

2. Hippocampus

1. Lokalisieren des HC
   1. Verfolgen des HC beginnen, wenn die zeitliche Horn der lateralen Ventrikel inferolateralen erscheint an der Grenze der AMY. Wenn die zeitliche Horn des lateralen Ventrikel bereits vorhanden auf früheren Scheiben, beachten Sie, dass the Beginn der HC wird dann durch die zeitlichen Horn der lateralen Ventrikel Erweiterung und Dehnung superolaterally angegeben.
   2. Beenden Sie die Verfolgung der HC mit seinem letzten Auftritt auf der inferomedialen Trigonum der lateralen Ventrikel ^31. Immer nutzen die alternativen Blick auf die Lokalisierung der HC-und seiner Grenzen.
2. Border-Definitionen des HC
   1. Abgrenzung der seitlichen HC gegen die zeitliche Horn. In Fällen, in denen die zeitliche Horn des lateralen Ventrikel ist nicht genug wahrnehmbar, schließen eine Reihe von Voxel aus der Segmentierung, um es zu bezeichnen.
   2. Inferior, verwenden Sie die Winkelbündel (oder seiner gedachten Verlängerung) an die Herzkammer, um die HC aus dem PHG zu trennen. Verwenden Sie die alveus zusammen mit den Fimbrien als die überlegene Grenze. Verfolgen Sie die HC mit den gleichen Definitionen ganz.
   3. Darüber hinaus gehören die subiculum in der Segmentierung, so dass sie medial grenzt die weiße Substanz Bündel des PHG, souverän ausgerichtetmit der Kurve des uncus und erstreckt sich hauptsächlich horizontal von der HC ^37. Tracing hinten, pflegen diese Definitionen, bis der Sulkus greift.
3. Feststellend Divisionen des HC
   1. Beachten Sie, dass der HC kann in drei Segmente unterteilt werden: Kopf, Körper und Schwanz.
   2. Verwenden Sie das Aussehen des uncal Spitze, um den Übergang von der HC-Kopf auf den HC Körper, und die rasche Expansion in aufsteigender und Größe, die in der Regel mit dem Erscheinen des Crus des Scheidengewölbe übereinstimmt, um das Aussehen des HC Schwanz bedeuten markieren ^23,30,38.
4. Achten Sie besonders bei der Rückverfolgung der folgenden Strukturen.
   1. Fügen Sie die hintere uncus in der Segmentierung.
   2. Lassen Sie die Plexus über dem alveus aus der Segmentierung auf den koronalen Scheiben, obwohl dies nicht möglich sein, auf Bilder mit niedriger Auflösung.
   3. Beziehen sich auf die zwei alternative Ansichten, die Aufnahme des Schwanzes des c vermeidenaudate und die pulvinar am oberen Aspekt der HC Schwanz.
   4. Vermeiden Einbeziehung der faszikulären Gyrus mit der Feststellung ihrer Entstehung auf der Ebene des Crus des Scheidengewölbe, wo zunächst wird es aus dem Hippocampus-Schwanz durch die Fasciola cinerea und mehr getrennt nach hinten wird der grauen Substanz über dem Sulkus ^32.

2. Ein Vertreter Sagittalschnitt des MTL verfolgt unter Verwendung der vorliegenden Protokoll, zeigt seine aktuelle Position im Gehirn, und die relativen Positionen unter seinen Hauptstrukturen, dh die AMY (rot), der HC (blau), die VR China (gelb), der ERC (pink) und der PHC (grün).

3. Gyrus parahippocampalis

1. Feststellend, Abteilungen des PHG
   1. Beachten Sie, dass die PHG ca.der vordere PHG (dh die PRC und ERC) und der hinteren PHG (dh die PHC): n in zwei Segmente aufgeteilt werden.
   2. Beachten Sie, dass im vorderen Segment, wird die VR China früher als der ERC, und Flanken seitlich über den gesamten Verlauf.
   3. Nachdem der ERC verschwindet, beachten Sie, dass die VR China fasst seinen Platz auf dem PHG und weiter auf 3 mm.
   4. Jenseits dieses Segment, Spuren die hintere PHG, wo die PHC kommt in der Breite des PHG bis zu seinem Ende ^30.
2. Anterior Scheiben des PHG
   1. Definieren Sie die erste Scheibe der Volksrepublik China mit dem Erscheinen des CS ^25,39. Vor Beginn des ERC, verfolgen Sie die VR China von der medialen Rand der Seitenbank des CS an der Seiten Fundus des Gyrus von Schwalbe, oder dass der medialen ein, wenn zwei Windungen der Schwalbe vorhanden sind, oder der Mittelpunkt der dorsal temporopolar Oberfläche in Abwesenheit des Gyrus ^25,39.
   2. Start, um den ERC 5 mm eine Spurennterior auf die limen Insula ^40,41.
   3. Weiterhin Verfolgen der ERC mit dem Fundus des medialen temporopolar Sulcus als die überlegene Ende ⁴⁰ und den Fundus des Halbringfurche, nachdem das AMY erscheint, oder die Stelle, wo die gedachte Verlängerung der Winkelbündel trifft die Herzkammer, wenn die Halbringfurche ²⁵ nicht zu unterscheiden. Beachten Sie, dass es inferior erstreckt, um die Herzkammer oder die Pia-Oberfläche direkt zu treffen.
   4. Die Grenze zwischen der VR China und der ERC kann von Scheibe zu variieren, um zu schneiden.
      1. Wenn die CS ist tief (≥ 1,5 cm), verfolgen Sie die VR China von der medialen Rand des medialen Ufer dieses Sulcus, zum Mittelpunkt seiner Seitenbank ^25.
      2. In Fällen mit einem regelmäßigen CS (Tiefe von 1-1,5 cm), verfolgen Sie die VR China als der Bereich vom Mittelpunkt des medialen Bank der Sicherheiten Sulcus an der medialen Ende der seitlichen Bank des Sulcus ^25.
      3. Mit a flache CS (<1 cm), verfolgen Sie die VR China aus dem Fundus des Sulcus zum Mittelpunkt der Krone der spindelförmigen Gyrus ^25.
   5. Wenn die CS unterbrochen, in der Regel auf der Ebene der uncal Spitze von einem kleinen Gyrus, die aus ihrer Fundus, verfolgen Sie die VR China in den Fundus des Sulcus lateralis ^25. Ein-oder ausschließen weißen Substanz nach dem Ziel für die ROI.
   6. Verfolgen Sie die ERC, bis 1,5 mm hinter der Spitze uncal oder Ende des Gyrus intralimbicus ^42.
   7. Verlängern Sie die Rückverfolgung von der VR China medial an die Stelle des ERC nach seiner Beendigung, wobei die Definitionen für die letztere noch bis 4,5 mm hinter der Spitze uncal gelten, oder das Ende des Gyrus intralimbicus ⁴² zu besetzen. Die VR China wird dann von der PHC ^25,30 ersetzt.
3. Hintere Scheiben des PHG
   1. Start, um den PHC auf der Scheibe hinter dem Ende der Volksrepublik China zu verfolgen, bis 4 mm hinter ter am Ende des HC ³² Schwanz. Alternative Definitionen aus der Literatur sind in der Diskussion beschrieben. Wieder ein-oder ausschließen weißen Substanz je nach Ziel.
   2. Abgrenzung der PHC mit der gleichen in den hinteren Teil der Volksrepublik China nach dem Verschwinden des ERC beschriebenen Methode. Nutzen Sie auch die weiße Substanz des Cingulum als die überlegene Grenze, sobald es erscheint. Weiter Tracing auf diese Weise bis zum Erscheinen des Sulkus, die den PHC zum unteren Rand des Sulcus ³⁰ beschränkt superomedially.
   3. Sollte ein Mini-Sulcus vor der Entstehung des Sulkus erscheinen, sind es bei der Segmentierung, aber vorsichtig sein, in die sie aus dem Sulkus.

Ergebnisse

Illustration der möglichen Unterschiede zwischen Manuelle und automatische Segmentierung

Ein 3D-Modell des manuellen Segmentierung der AMY, HC, PRC, ERC und PHC ist in Fig. 1 gezeigt, und ein Sagittalschnitt der Segmentierung ist in Fig. 2 gezeigt. Zum Zweck der Veranschaulichung extreme mögliche Unterschiede zwischen manueller und automatischer Kurven wurden Scheiben des AMY aus einer repräsentativen Thema mit fehlerhaften automatischen ...

Diskussion

Traditionell hat manuelle Segmentierung von vielen Forschern wurde als Goldstandard. Es wurde jedoch eine genaue Abgrenzung der einzelnen Strukturen durch die sehr variable Morphologie der MTL Strukturen erschwert und durch die in der Regel schwach MRI Kontraste dieser Strukturen gegen die umgebenden Nervengewebe und nicht-neuronalen Bereichen. In der Vergangenheit haben einige MTL-Strukturen gab es widersprüchliche Beschreibungen in der Literatur. In einigen Fällen von Segmentieren der PRC zum Beispiel der Sicherungs...

Materialien

Name	Company	Catalog Number	Comments
ITK-SNAP	ITK-SNAP Team at University of Pennsylvania and University of Utah	ITK-SNAP v2.2
FSL	Functional Magnetic Resonance Imaging of the Brain (FMRIB) Analysis Group	FSL v4.1
Siemens Magnetom Trio 3T MR Scanner	Siemens	Magnetom Trio 3T