כיצד למדוד מתקפל קליפתיים מתמונות MR: מדריך שלב אחר שלב כדי לחשב מדד Gyrification מקומי

Summary

Gyrification מדידה (קיפול קליפת המוח) בכל גיל מהווה חלון אל התפתחות המוח מוקדם. לפיכך, אנו קודם לכן פיתחו אלגוריתם למדוד gyrification המקומית אלפי נקודות מעל חצי הכדור ¹. במאמר זה, אנו פירוט החישוב של מדד זה gyrification המקומית.

Abstract

קיפול קליפתיים (gyrification) נקבע בחודשים הראשונים של החיים, כך תופעות לוואי שאירעו בתקופה זו להשאיר עקבות, כי יהיה ניתן לזיהוי בכל גיל. הנסקרת כפי לאחרונה על ידי מנז'ין ועמיתיו ^2, קיימות מספר שיטות לכמת מאפיינים שונים של gyrification. למשל, morphometry sulcal ניתן להשתמש כדי למדוד מתארי צורה כגון אורך עומק, או מדדי בין חצאי המוח אסימטריה ^3. אלו תכונות גיאומטריות יש את היתרון של להיות קל לפרש. עם זאת, morphometry sulcal בחוזקה מסתמך על זיהוי מדויק של מערכת נתונה של sulci ולכן מספק תיאור מקוטע של gyrification. כימות יותר פרטניות של gyrification יכולה להיות מושגת באמצעות מדידות עקמומיות מבוססות, שם מוחלק עקמומיות אומר המוחלט מחושב בדרך כלל אלפי נקודות על פני קליפת המוח ^4. עקמומיות היא אך לא straightforwarד להבין, כפי שהיא עדיין לא ברור אם יש קשר ישיר בין curvedness לבין בעל משמעות ביולוגית לתאם כגון נפח משטח קליפת המוח או. כדי לטפל בבעיות שונות שהועלו על ידי מדידה של קיפול קליפת המוח, אנחנו קודם פיתחו אלגוריתם לכמת gyrification המקומי עם רזולוציה מרחבית מעולה של פרשנות פשוטה. השיטה שלנו היא בהשראת מדד Gyrification ^5, שיטה המשמשת במקור neuroanatomy השוואתיים כדי להעריך את ההבדלים מתקפלים קליפת המוח על פני מינים. ביישום שלנו, שבו אנחנו l שם אינדקס ocal Gyrification (l GI ^1), אנחנו מודדים את כמות קליפת קבור בתוך קפלי sulcal לעומת סכום של הקורטקס גלוי באזורים מעגלית של עניין. בהתחשב בכך בקליפת המוח גדל בעיקר באמצעות הרחבת רדיאלי ^6, השיטה שלנו תוכננה במיוחד כדי לזהות מומים מוקדם של התפתחות קליפת המוח.

במאות המאמר זה, אנו בפירוט את חישוב מדד Gyrification המקומי, הנמצא כעת מופץ בחופשיות כחלק התוכנה FreeSurfer ( http://surfer.nmr.mgh.harvard.edu/ , Martinos מרכז ביו הדמיה, בית החולים הכללי של מסצ'וסטס) . FreeSurfer מספק ערכה של כלי שחזור אוטומטי של פני השטח של קליפת המוח מנתונים MRI מבניים. משטח קליפת המוח חילוץ בחלל יליד תמונות עם דיוק תת מילימטר לאחר מכן נעשה שימוש נוסף ליצירת משטח חיצוני, אשר ישמש בסיס לחישוב l העיכול. האזור מעגלי עניין מותווה אז על פני השטח החיצוני, ואת האזור המתאים עניין על פני קליפת המוח מזוהה באמצעות אלגוריתם ההתאמה כמתואר במחקר אימות שלנו ^1. תהליך זה החוזר שוב ושוב עם אזורים חופפים במידה רבה של עניין, וכתוצאה מכך מפות של קליפת המוח gyrification עבורr השוואות סטטיסטיות הבאים (איור 1). ראוי לציין, מדידה נוספת של gyrification המקומי עם השראה דומה הוצע על ידי טורו ועמיתיו ^7, שם המדד מתקפלים בכל נקודה מחושב כיחס בין אזור קליפת המוח הכלול כדור מחולק לאזור של דיסק עם אותו רדיוס. שני מימושים שונים אחד על ידי טורו et al. מבוסס על מרחקים האיאוקלידי ובכך רואה כתמים רציפה של אזור קליפת המוח, בעוד שלנו משתמשת באלגוריתם הגיאודזית קפדנית כוללים רק את תיקון מתמשך של פתיחה באזור קליפת המוח על פני המוח באזור מעגלית של עניין.

Protocol

1. לשחזר את קליפת המוח משטחים 3D

זה החלק הראשון של הפרוטוקול עושה שימוש בצנרת FreeSurfer סטנדרטי כמתואר Wiki ( http://surfer.nmr.mgh.harvard.edu/fswiki ). שים לב פקודות מפורטות כאן לתאר דרך אחת להשיג את שחזורים משטח קליפת המוח, אבל פקודות המקבילה עשוי לשמש גם.

1. ייבוא ​​הגלם MRI DICOM לתוך FreeSurfer ולאמת את איכות התמונה (למשל, כי הכיוון הוא נכון, את הניגוד מספקת את התמונות לא עברו). תהליך זה משתמש בפקודות הבאות (להחליף את הטקסט בין <...> (כולל) עם ערכים מתאימים למופע מסוים, "#" מציין תגובות):
   
   mksubjdirs # ליצור את האדריכלות התיקייה בשימוש על ידי FreeSurfer
   תקליטור / MRI # ללכת לתיקיית ה-MRI של הנושא שלך
   mri_convert ס"מ 001.mgz # להמיר את ה-MRI גלם בפורמט # FreeSurfer
   tkmedit 001.mgz # להמחיש את עוצמת המרה
   
   
2. יצירת דגמים תלת ממדיים רשת קליפת המוח ^8,9. כדי להתמודד עם בעיית קבור sulci, FreeSurfer הראשונה יוצרת נפח יחידתי החומר הלבן, אשר משמש כנקודת התחלה עבור משטח אפור לבן הראשונית. משטח זה הוא מותאם אז על פי השיפוע המקומי של עוצמת והרחיב עוד יותר ממשק אפור-CSF.
   
   recon-all-s # ההשקה מחדש משטח קליפת המוח
   
   בסופו של תהליך השיקום, תקבל שני מודלים רשת מורכבת על 150.000 נקודות עבור כל חצי הכדור: לבן (אפור לבן ממשק) ומשטח pial (אפור-CSF ממשק). חשוב לציין כי כל משטחי ואמצעי אחסון להישאר במרחב דובר, המאפשר המדידה כגון, עובי נפח, שטח פנים או מדד gyrification כדי להימדד ללא עיוות.
   
3. בדיקת הדיוק של משטחים אלה שיחזר:
   
   tkmedit T1.mgz? H.pial # השטח הלבן הוא מעולף בירוק את פני השטח pial באדום
   
   כאשר h מציין את הכדור? lh.pial עבור rh.pial האונה השמאלית של המוח הימנית. איור 2 (ב 2 גרסאות: תמונה אנימציה gif להיכלל בסרט ואחד סטטי לאתר) מציג דוגמה לבן pial משטחים שחזורים הנכון עבור הנושא "ברט" מופץ יחד עם החבילה FreeSurfer. אם אתה צריך לתקן ידנית את התוצאה של תהליך השיקום, תמצאו הדרכה על Wiki FreeSurfer ( http://surfer.nmr.mgh.harvard.edu/fswiki/FsTutorial/WhiteMatterEdits ,

2. חישוב מדד Gyrification המקומי

כאשר אתה מרוצה עם משטחים שלך, לחשב את מדד Gyrification המקומי (אני GI) באמצעות הפקודה:

הסיור, כל lgi-s

פקודה זו בדרך כלל פועל במשך כ 3 שעות עבור שתי ההמיספרות של אחד המשתתפים במחקר, בהתאם לכוחה של תחנת העבודה שלך. השלבים השונים של תהליך העיכול l הם overviewed באיור. 1. מחשוב מתחיל עם הקמתה של משטח חיצוני באמצעות פעולה סגירת מורפולוגיים. משטח זה החיצוני, מסומן? H.pial_outer_smoothed, מתוארת באיור נוסף. 3. ואז, בערך 800 אזורים עגולים חופפים עניין נוצרות על פני השטח החיצוני. עבור כל אחת באזורים אלה, באזור המקביל עניין מוגדר עלהשטח pial. החישוב כולו מסתיים עם הקמתה של המפה אדם אחד המכיל l GI ערך עבור כל נקודה על פני קליפת המוח (כלומר ~ 150,000 ערכים בכל חצי הכדור).

3. בדוק את תוצאת החישוב אני GI עבור כל האונה

tksurfer ? H-pial כיסוי / גלישה /? H.pial_lgi-fthresh 1

GI ערכי l הם כיסו על פני קליפת המוח. כאשר אני לתקן ערכים GI מורכב בדרך כלל בין 1 ל 5, קביעת סף מינימום בכל 1 (עם אופציה fthresh) מאפשר בדיקה מהירה: אתה לא צריך לראות את כל אזור בקליפת המוח האפורים. דוגמה תוצאה הפרט הנכון הוא באיור. 4.

4. קבוצת השוואות סטטיסטיים

המטרה היא לכמת את ההשפעה של הקבוצה בכל קודקוד על פני קליפת המוח תוך שליטה על ההשפעה של מגדרהגיל. יהיה עליך לעקוב אחר תהליך זהה אם אתה רוצה להשוות את עובי קליפת המוח בכל קודקוד, אבל נותן? H.pial_lgi במקום? H.thickness. שתי אפשרויות ניתן לחשב את השוואות סטטיסטיות קבוצה: הפקודות הקלאסית הרשומים הראשון, ואת הממשק הגרפי (Qdec) מוזכר בקצרה לאחר מכן.

1. האפשרות הראשונה להשוות את התוצאות אני GI בין הקבוצות להשתמש בפקודות המפורטות להלן, פרטים נוספים ניתן לקבל https://surfer.nmr.mgh.harvard.edu/fswiki/FsTutorial/GroupAnalysis .
   1. ראשית יהיה עליך ליצור תבנית מחקר ספציפי נותן את כל הנושאים שלך קלט:
      
      make_average_subject - נושאים ...
      
      הפקודה הנ"ל תיצור נושא בשם "ממוצע". לחלופין, ניתן להשתמש הנושא "fsaveזעם "מופץ כחלק חלוקת FreeSurfer.
   2. לאחר מכן, ליצור קובץ טקסט המכיל את תיאור הנושאים מעורב במחקר שלך ("FreeSurfer קובץ קבוצת Descriptor"). FSGD.txt שלך צריך להיראות כך:
      
      GroupDescriptorFile 1
      קבוצת Control_Male
      קבוצת Control_Female
      קבוצת Patient_Male
      קבוצת Patient_Female
      משתני גיל
      קלט Patient_Male 20
      קלט Control_Female 23
      <...>
   3. דגימה מחדש העיכול נתונים l במרחב הנושא הממוצע באמצעות הפקודה הבאה עבור כל חצי הכדור:
      
      mris_preproc - FSGD.txt fsgd - היעד הממוצע - חמי h - מדידת pial_lgi - החוצה h.lgi.mgh
      
   4. חלקה את הנתונים על פני קליפת המוח כדי להפחית את אות לרעש:
      
      mri_surf2surf - חמי h - s הממוצע - sval h.lgi.mgh - fwhm 10 - h.10.lg tval?i.mgh
      
   5. Compute ההשוואה קבוצה ברמה של כל קודקוד. לשם כך תצטרך ליצור קובץ טקסט לעומת זאת (למשל במקרה של FSGD.txt המתואר לעיל, "contrast.txt" יכיל את הערכים "1 1 -1 -1 0" כדי לחשב את ההפרש בין הבקרות חולים תוך שליטה על גיל ומין). לבסוף להפעיל את ההשוואה:
      
      mri_glmfit - y h.10.lgi.mgh - fsgd FSGD.txt דוס - glmdir h.lgi.glmdir - ממוצע שעות הגלישה - C contrast.txt
      
   6. דמיינו את התוצאות בנושא הממוצע שלך באמצעות tksurfer:
      
      tksurfer הממוצע? h מנופח
      
      ואז לטעון כשכבת sig.mgh את הקובץ בתיקייה? H.lgi.glmdir / contrast.txt / sig.mgh. שימוש באפשרות "להגדיר כיסוי" תוכל להמשיך לשנות את סף p, כמו גם הנכונות עבור השוואות מרובות באמצעות שיעור גילוי שווא ^10.
      
2. אפשרות חלופית בקבוצת comparison היא להשתמש Qdec, ממשק המשתמש הגרפי מיושם FreeSurfer. השימוש Qdec עם אינדקס Gyrification המקומית מרמז מראש להחליק את GI נתונים l:
   
   הסיור, כל qcache מידה pial_lgi הממוצע -S
   
   עם Qdec, קובץ קבוצת FreeSurfer Descriptor מוחלפת בגרסה שונה במקצת, את טבלת הנתונים (qdec.table.dat) הכולל את תיאור של קבוצות שונות ומשתנים מבלבלים אחרים כגון גיל. תיאור מפורט של ניצול של Qdec מסופק על http://surfer.nmr.mgh.harvard.edu/fswiki/FsTutorial/QdecGroupAnalysis .
   ראוי לציין, אם אני GI אינו זמין ברשימת המשתנים התלויים ב Qdec, עליך להוסיף את השורה הבאה לקובץ Qdecrc ממוקם בספרייה הביתית שלך.:
   
   MEASURE1 = pial_lgi

5. אנליזה

לחלופין, מנתח את סטטיסטי בסופו של דבר יכול להיות מחושב ברמה של פרצלציה קליפת המוח משולבים FreeSurfer ^11. לשם כך, הממוצע אני ערכים GI ניתן לחלץ עבור 34 אזורים gyral עניין של חצי הכדור כל אחד, מדידות אלה ניתן להשוות נוסף בין הקבוצות השונות. זה ניתוח חבילה חכמה (להבדיל ניתוח קודקוד מבחינת המתואר לעיל) יכול להיות אטרקטיבי כפי שהוא מגביל את כמות השוואות סטטיסטיות. עם זאת, במערכת העיכול אני בכל נקודה מכמת את gyrification באזור עגול סביב, כך אני GI הממוצע באזור gyral עניין גם משקף במידה מסוימת את gyrification באזורים שכנים של עניין.

לבסוף, למרות הנושאים החשובים ביותר תוארו בפרוטוקול זה, פתרון לבעיות אחרות שעשויות להיות נתקל במהלך FreeSurfer או GI אני עיבוד ניתן למצוא בארכיון לרשימת התפוצה FreeSurfer ( http://surfer.nmr.mgh.harvard.edu/fswiki/FreeSurferSupport ).

6. נציג תוצאות

כפי שמתואר בסעיף 1c של הפרוטוקול, אתה תמיד צריך לבדוק היטב את דיוק מחדש של קליפת המוח משטחי לפני אני GI חישוב. בעוד גלילה בין האונה הקדמית העורפית, שימו לב במיוחד, כי הכלים קרום אינם נכללים השטח pial. בדוק גם את המשטח הלבן עוקב במדויק את הממשק אפור לבן. דוגמה השיקום הנכונה היא סיפקה באיור 2 (ראה דמות אנימציה gif עבור נפח כולו).

בסוף העיכול l חישוב, תוכל גם צריך לבדוק את התוצאה עבור שתי ההמיספרות של כל נושא.לא צריך להיות כל אזור בקליפת המוח עם תוצאה l העיכול קטן יותר מאשר 1. בסעיף 3 של פרוטוקול והדמות 4 להראות כיצד לבדוק אם נכון את הפלט של מערכת העיכול l חישוב נכון.


באיור 1. סקירה של GI אני החישוב. ראשית, דגמים תלת ממדיים רשת בקליפת המוח הם משוחזר מהתמונות גלם באמצעות צינור FreeSurfer סטנדרטי. אלגוריתמים אלה שחזור להשתמש נפח בינארי החומר הלבן כמו נקודת ההתחלה כדי להתגבר על סוגיית קבור sulci. המודלים רשת קליפת המוח בדרך כלל מהווה כ 150,000 הקודקודים ומשמשים קלאסי לחשב עובי קליפת המוח בכל נקודה. באופן דומה, מדד Gyrification המקומי (אני GI) יהיה מחושב בכל קודקוד. לשם כך, פני השטח החיצוני נוצר. ואז אזורים מעגלי המתאים עניין מזוהים על החיצוניד משטח קליפת המוח באמצעות אלגוריתם תואם. אחרי בערך 800 של יצירת אזורים חופפים של עניין, את תוצאות התהליך ביצירת מפות בודדים של l העיכול. מפות אלה יכולים להתפרש בקלות: אינדקס של 5 אומר שיש 5 זמן משטח קליפת המוח יותר invaginated בתוך sulci באזור שמסביב כי כמות השטח קליפת המוח לעין, מדד של 1 פירושו שה בקליפת שטוח באזור שמסביב . לבסוף, השוואות סטטיסטיות קבוצה מחושבים ברמה של כל קודקוד, בדומה להשוואות עובי קליפת המוח.

איור 1B. המפה קליפת המוח של הפרט אני העיכול. זה סרט קטן מראה סיבוב של 360 מעלות של המפה lGI בודדים בקליפת המוח, כפי שמוצג באיור. 1. זה מדהים לציין כי אזורים בקליפת המוח עם ערכים אני GI גבוה מתאימות לקפל הראשונה להיווצר במהלך החיים ברחם: סדק סילביוס, מענית הזמני מעולה במענית traparietal על התצוגה לרוחב של המוח, ואת parieto-העורפית מענית על התצוגה המדיאלי של המוח. צפייה בסרט


באיור 2. דוגמה נאותה שחזור משטח קליפת המוח (חלק אחד העטרה). לאחר סיום תהליך השיקום, משטחי קליפת המוח צריך להיות מאומת באופן מדויק על פני נפח המוח כולו. המשטח הפנימי של קליפת המוח (משטח לבן מצוין, בירוק בתמונה) צריך לעקוב במדויק את הממשק אפור לבן. המשטח החיצוני של קליפת המוח (כלומר אפור-CSF ממשק, מסומן השטח pial, כאן באדום) לא צריכה לכלול כל פיסת כלי שיט או קרום. יש לציין, הדוגמה המוצגת כאן משתמשת "ברט" נושא מופץ יחד עם החבילה FreeSurfer.

איור 2B. דוגמה נאותה משטח reconstru קליפת המוחction (ווליום). תמונה זו אנימציה gif מראה את פני השטח של קליפת המוח באונה השמאלית של הנושא "ברט" על כל מקטע העטרה, כפי שניתן לראות מן חזיתית ביותר בסעיפים העטרה העורפית ביותר עם ​​FreeSurfer ידי גלילה. צפייה בסרט


באיור 3. דוגמה של פני השטח החיצוניים מחושב כחלק מתהליך l GI (קטע אחד העטרה). השלב הראשון העיכול אני החישוב הוא יצירת משטח החיצוני העוטף את הכדור. משטח זה (מסומן? H.pial_outer_smoothed ב FreeSurfer) ניתן לבדוק באמצעות tkmedit. כאן, "ברט" נושא מופץ עם FreeSurfer משמש כדוגמה.

איור 3B. דוגמה של פני השטח החיצוניים מחושב כחלק מתהליך l GI (ווליום). תמונה זו אנימציה gifמראה את פני השטח החיצוני של האונה השמאלית על כל מקטע העטרה, כפי שניתן לראות מן חזיתית ביותר בסעיפים העטרה העורפית ביותר עם ​​tkmedit ב FreeSurfer ידי גלילה. צפה בסרט


איור 4. דוגמה של פלט נכון אני GI כפי שנצפו עם FreeSurfer. אוריינטציות שונות של פני השטח של קליפת המוח את הנושא "ברט" אני עם GI ערכים מעולף. צבע קוד ברירת המחדל "חום" כיסוי כפי שניתן לראות FreeSurfer עם tksurfer. שימוש סף מינימלי של 1, כל הקודקודים חייב להיות בצבע ולא באזור קליפת המוח צריך apאגס באפור. ראוי לציין, שכבת צבע יכול להיות שונה באמצעות האופציה "הגדרת כיסוי" ב tksurfer, שבו ערכי מינימום ומקסימום, וכן היסטוגרמה של התפלגות הכולל של GI אני יכול גם להיות מסומנת.

Discussion

הפרוטוקול הנ"ל מתאר כיצד למדוד אינדקס Gyrification מקומיות המבוססות על מוחין T1-משוקלל MRI והתנהגות השוואות קבוצה סטטיסטית. השיטה שלנו תוכנן במיוחד כדי למקם הפרעה בשלב מוקדם של תהליך התרחבות קליפת המוח ובתור שכזה הוא עניין מיוחד בתנאי התפתחותיות או פסיכיאטריות רבות. דוגמ...

Materials

Name	Company	Catalog Number	Comments
שם הציוד	חברה	מספר קטלוגי	תגובות
FreeSurfer	Martinos מרכז ביו הדמיה, MGH		גרסה חדשה יותר 4.0.3
Matlab	Mathworks		עיבוד תמונה ארגז כלים