Segmentação automática de matéria cinzenta Cortical de imagens de T1-Weighted MRI

Resumo

Este protocolo descreve o processo de aplicação de sete ferramentas diferentes segmentação automatizada de varreduras de T1-weighted MRI estruturais para delinear as regiões de substância cinzenta que podem ser usadas para a quantificação do volume de matéria cinzenta.

Resumo

Dentro da pesquisa de neuroimagem, uma série de estudos recentes têm discutido o impacto das diferenças between-estudo volumétrico conclusões que são pensados para resultar do uso de ferramentas de segmentação diferentes para gerar volumes de cérebro. Aqui, o processamento de gasodutos para sete ferramentas automatizadas que podem ser usadas para segmentar a massa cinzenta dentro do cérebro são apresentados. O protocolo prevê uma etapa inicial a pesquisadores com o objetivo de encontrar o método mais preciso para gerar volumes de matéria cinzenta de T1-weighted MRI scans. Passos para realizar o controle de qualidade visual detalhado também estão incluídos no manuscrito. Este protocolo abrange uma gama de potenciais ferramentas de segmentação e incentiva os usuários a comparar o desempenho dessas ferramentas dentro de um subconjunto de seus dados antes de selecionar um para aplicar a uma coorte completa. Além disso, o protocolo pode ser mais generalizado para a segmentação de outras regiões do cérebro.

Introdução

Neuroimagem é amplamente utilizado em ambos os casos clínicos e configurações de pesquisa. Há um movimento atual para melhorar a reprodutibilidade dos estudos que quantificam o volume cerebral de exames de ressonância magnética (RM); assim, é importante que os investigadores compartilham experiências do uso de ferramentas disponíveis de MRI para segmentar ressonâncias em volumes regionais, para melhorar a padronização e otimização de métodos¹. Este protocolo fornece um guia passo a passo para usar sete ferramentas diferentes para segmentar a matéria cinzenta cortical (CGM; matéria cinzenta que exclui as regiões subcorticais) de T1-weighted MRI scans. Estas ferramentas foram usadas anteriormente em uma comparação metodológica da segmentação métodos², que demonstrou desempenho variável entre as ferramentas em uma coorte de doença de Huntington. Desde que o desempenho dessas ferramentas é pensado para variar entre diferentes conjuntos de dados, é importante para os investigadores testar um número de ferramentas antes de selecionar apenas um para aplicar ao seu dataset.

Volume de matéria cinzenta (GM) é usado regularmente como uma medida da morfologia do cérebro. Medidas volumétricas são geralmente confiável e capaz de discriminar entre controles sadios e grupos clínicos³. O volume de tipos de tecido diferentes de regiões cerebrais mais frequentemente é calculado usando ferramentas de software automatizado que identificam esses tipos de tecido. Assim, para criar delimitações. das húmidas da alta qualidade (segmentações) da GM, delimitação exata da matéria branca (WM) e líquido cerebrospinal (CSF) é fundamental para alcançar a precisão da região de GM. Há uma série de ferramentas automatizadas que podem ser utilizados para realizar a segmentação do GM, e cada um necessita de etapas de processamento diferentes e resulta em uma saída diferente. Vários estudos têm aplicado as ferramentas para diferentes conjuntos de dados para compará-los com os outros, e alguns têm otimizado ferramentas específicas^{1,4,5,6,7,8 ,9,10,11}. Trabalhos anteriores têm demonstrado que a variabilidade entre ferramentas volumétricas pode resultar em inconsistências dentro da literatura quando estudando o volume cerebral, e estas diferenças têm sido sugeridas como fatores para conclusões falsas sobre a conduzir condições neurológicas¹.

Recentemente, realizou-se uma comparação de ferramentas de segmentação diferente em uma coorte que incluía tanto os participantes saudáveis de controle e os participantes com a doença de Huntington. A doença de Huntington é uma doença neurodegenerativa genética com um típico início na idade adulta. Atrofia gradual de subcortical e CGM é uma característica proeminente e bem estudada de neuropatológica da doença. Os resultados demonstraram desempenho variável de sete ferramentas de segmentação que foram aplicados para a coorte, apoiando o trabalho anterior que demonstrou variabilidade nos resultados dependendo do software utilizado para calcular volumes de cérebro de ressonâncias. Este protocolo fornece informações sobre o processamento usado em Johnson et al . (2017) ² que incentiva o cuidado metodológica seleção das ferramentas mais adequadas para uso em neuroimagem. Este manual abrange a segmentação do volume de GM, mas não cobre a segmentação das lesões, tais como aqueles vistos na esclerose múltipla.

Protocolo

Nota: Certifique-se que todas as imagens são em formato NifTI. Conversão para NifTI não é coberto aqui.

1. segmentação através do SPM 8: Unificação de segmento

Nota: Este procedimento é realizado através do GUI SPM8 que opera dentro de Matlab. O guia de SPM8 fornece mais detalhes e pode ser encontrada em: http://www.fil.ion.ucl.ac.uk/spm/doc/spm8_manual.pdf.

1. Certifique-se que SPM8 é instalado e definido no caminho do software.
2. Segmentação de SPM é executada usando uma GUI. Para abrir o SPM, abra uma janela de comando e digite 'spm' na linha de comando.
3. Pressione 'PET & VBM' para abrir a caixa de ferramentas MRI estrutural.
4. Pressione a 'Lote' para abrir o Editor do lote. Isto permite a segmentação ser executada em várias digitalizações de cada vez.
5. Selecione ' SPM | Espaciais | Segmento '.
6. Clique em ' dados | Selecione os arquivos. Escolha os scans de T1-weighted como entrada.
   Nota: Os arquivos devem ser descompactados arquivos NifTi, com a extensão sendo '.nii'.
7. Clique em ' arquivos de saída | Matéria de Grey' e certifique-se de que o 'Espaço nativo' está seleccionado, faça o mesmo para a substância branca. Se a segmentação do CSF não é necessária deixe isto como 'None'.
8. Se os exames já foram corrigidos de viés, altere a opção 'Bias corrigido' a 'Não salvar corrigido'. Para a opção 'Limpar qualquer partições', as três opções diferentes de teste e usar visual controle de qualidade (QC, seção 8) para determinar o que funciona melhor para os dados.
9. Deixe as outras configurações como seus padrões. Em seguida, clique na bandeira verde para executar a segmentação.
   Nota: Isto leva cerca de 5 minutos por participante, e a linha de comando dirá, 'Executando o segmento'. Quando terminar, a janela de comando exibirá 'Done'.
10. Execute QC visual sobre o GM (arquivo C1*.nii), conforme descrito na seção 8.

2. segmentação através do SPM 8: novo segmento

Nota: Este procedimento é realizado através do GUI SPM8. O guia de SPM8 fornece mais detalhes e pode ser encontrada em: http://www.fil.ion.ucl.ac.uk/spm/doc/spm8_manual.pdf. Certifique-se que SPM8 é instalado e definido no caminho do software. Abra o software SPM, geralmente executado digitando "spm" em uma linha de comando. Isso abre uma janela de interface (GUI) gráfica do usuário com uma gama de opções que podem ser selecionados para realizar a análise.

1. Pressione 'PET & VBM'.
2. Pressione a 'Lote' para abrir o Editor do lote.
3. Selecione ' SPM | Ferramentas | Novo segmento ' na janela Batch. Selecione os arquivos de imagem de T1 (com extensão '.nii').
4. Defina 'Tecido nativo tipo' para 'Espaço nativo'. Conforme necessário, desativar o tecido diferente classes (por exemplo a CSF) - se não obrigatório - definindo-os como 'None'. Defina 'Tecido entortado' como 'None'.
   Nota: Todas as outras opções podem ser deixadas como a configuração padrão.
5. Clique a bandeira verde para executar a segmentação.
   Nota: A linha de comando dirá, 'Executando o novo segmento'. Uma vez que terminou executando a vontade de linha de comando do MATLAB, 'feito novo segmento'.
6. Execute QC visual sobre o GM (arquivo C1*.nii), conforme descrito na seção 8.

3. segmentação através do SPM 12: segmento

Nota: Este procedimento é realizado através do SPM12 GUI. O guia de SPM12 fornece mais detalhes e pode ser encontrada em: http://www.fil.ion.ucl.ac.uk/spm/doc/manual.pdf.

1. Abra o software SPM digitando 'spm' na janela de comando. Isso abre uma janela de interface (GUI) gráfica do usuário com uma gama de opções que podem ser selecionados para realizar a análise.
2. Pressione 'PET & VBM'. Pressione a 'Lote' para abrir o Editor do lote.
3. Clique em ' SPM | Espaciais | Segmento '. Em seguida, clique em ' dados | Dos volumes.
4. Defina 'Tecido nativo tipo' para 'Espaço nativo'. Desligue as classes de tecido que não são necessárias (por exemplo a CSF) definindo-os como 'None'. Defina 'Tecido entortado' como 'None'.
   Nota: Todas as outras opções podem ser deixadas como configuração padrão.
5. Clique a bandeira verde para executar a segmentação.
   Nota: A janela de comando exibirá: 'Segmento de execução'. Uma vez concluída a execução, ele irá mostrar: 'Feito segmento'.
6. Execute QC visual sobre o GM (arquivo C1*.nii), conforme descrito na seção 8.

4. segmentação através de FSL rápido

Nota: Este procedimento é feito na linha de comando. O guia FSL fornece mais detalhes e pode ser encontrada em: https://fsl.fmrib.ox.ac.uk/fsl/fslwiki.

1. Execute a extração do cérebro de aposta. Isto pode precisar de ser otimizado para diferentes conjuntos de dados, mas o comando básico é:
   Aposto que T1_ID.nii bet_T1_ID.nii
2. Execute FSL rápido de segmentação:
   bet_T1_ID.nii rápido
   Nota: Isto produzirá volume parcial mapas e regiões binárias para GM, CSF e WM.
3. Executar QC visual na região da GM (o final do arquivo * _pve_1.nii.gz) conforme descrito na seção 8.

5. segmentação através de FreeSurfer

Nota: Este procedimento é feito na linha de comando. O FreeSurfer guia fornece mais detalhes e pode ser encontrada em: https://surfer.nmr.mgh.harvard.edu/.

1. Defina o diretório onde os dados são digitando:
   Export SUBJECTS_DIR = / caminho/para/Nextel/arquivos
2. Execute a segmentação, executando os comandos:
   Recon-todos - i T1_ID.nii - subjid T1_ID-autorecon1-cw256
   Recon-todos - subjid T1_ID-autorecon2-autorecon3
   Nota: Os comandos levar > 10 h por participante. A - cw256 bandeira é necessária para cortar varreduras com campos de visão maior que 256 até este tamanho para processamento.
3. Verifique que o processamento concluído corretamente ao olhar para o script localizado na ' pasta de saída | roteiros | Recon-all.log'. Verifica que a última linha diz 'recon-todos - s T1_ID acabado sem erro'.
4. Execute QC visual na região da GM, conforme descrito na seção 8.

6. segmentação através de formigas

Nota: Este procedimento é feito na linha de comando. Formigas é um software mais complexo do que as outras ferramentas e isso devem-se notar que o procedimento explicado aqui pode ser ainda mais otimizado para cada coorte melhorar os resultados. Documentação de formigas pode ser encontrada em: http://stnava.github.io/ANTsDoc/. Há duas maneiras para segmentar as imagens em aulas de tecido, conforme descrito abaixo.

1. Para usar o primeiro método, execute o comando 'antsAtropos.sh' com as configurações padrão e sem incluir antecedentes de tecido.
   Nota: Isto frequentemente executa bem, especialmente quando apenas 3 classes de tecido são necessários: GM, WM, outros.
   1. Defina o caminho para software de formigas, digitando o comando:
      Export ANTSPATH = / caminho/para/formigas/bin /
   2. Execute o pipeline de segmentação digitando o comando:
      antsAtroposN4.sh -d < image_dimension > - um < t1.nii.gz > -c < número de classes de tecido > -o < saída >
      1. Argumentos opcionais para este comando são:
         Máscara de cérebro: - x < mask.nii.gz >;
         Antecedentes de tecido: -p < segmentationPriors%d.nii.gz >.
   3. Isto irá criar uma pasta com a saída incluindo mapas volume parcial e um cérebro extraído. Execute QC visual na região da GM, conforme descrito na seção 8.
2. Para gerar classes de tecido mais (GM, GM subcortical, WM, CSF, outros, etc.) ou executar a segmentação em uma coorte mostrando patologia neural, use antecedentes de tecido específico. Baixe antecedentes de tecido de diferentes sites. Como alternativa, usar um modelo específico do estudo tornar antecedentes - isto é muito mais complexa, mas pode ser benéfico, especialmente em coortes com mudanças patológicas do cérebro.
   1. Para criar um modelo de estudo específico/antecedentes, primeiro crie um modelo específico do estudo:
      modelo de -o -d < image_dimension > antsMultivariateTemplateConstruction.sh < outras opções >< images.nii.gz >
      1. Argumentos opcionais para este comando são:
         -c: controle para computação paralela.
         Se executando no serial, use um 0; -j: número de núcleos; -r: fazer corpo rígido registo de entradas antes de criar o modelo (padrão 0)... 0 = = 1 = = no. Isto só é útil quando um modelo inicial não está disponível.
   2. Baixe um brainmask e antecedentes do site formigas.
      Nota: Esta máscara pode precisar de ser editado para certificar-se de que é uma boa aproximação do cérebro modelo. A brainmask é uma das partes mais importantes do pipeline; Se é pobre, então, extração do cérebro/Atropos irá executar mal. Algumas das opções de download são:
      https://figshare.com/articles/ANTs_ANTsR_Brain_Templates?915436.
      O modelo baixado então deve ser registado para o modelo de estudo.
   3. Calcule o registo, que produzirá uma série de "distorções" que pode então ser aplicado para o modelo baixado para transformá-lo para o espaço do modelo de estudo específico. Para calcular o registro, use o comando:
      antsRegistrationSyNQuick.sh -d 3 -f template.nii.gz -m downloaded_template.nii.gz -o downloaded_to_template - n 6
      1. As opções neste comando são:
         -d: da dimensão (ou seja, exames 3D seria '3'); -f: fixa a imagem (ou seja, o espaço onde as imagens precisam acabar); -imagem em movimento m: (ou seja, a imagem que precisa ser movida); -nome de saída de o: (sem extensão necessária); -n: número de threads.
   4. Aplica o registo de dados:
      antsApplyTransforms -d 3 -i downloaded_template.nii.gz - r template.nii.gz -o downloaded_to_template.nii.gz -t downloaded_to_template1Warp.nii.gz -t downloaded_to_template0GenericAffine.mat.
      1. As opções neste comando são:
         -d: da dimensão (ou seja, exames 3D seria '3'); -i: entrada de imagem (ou seja, a imagem que precisa ser movida); -imagem de r: referência (ou seja, a imagem de referência define o espaçamento, origem, tamanho e direção da imagem distorcida saída); -o nome de saída, este é o modelo baixado no espaço do modelo de estudo específico (extensão necessária neste caso); nome do arquivo -t transform, o arquivo de saída do cálculo de registro.
   5. Verifique visualmente o registo de correspondência entre o modelo específico do estudo e modelo baixado (para fazer isso, abra o modelo específico do estudo em cima do modelo baixado).
   6. Se o registro já trabalhou, aplicar a transformação para os prelados baixados e extraído o cérebro modelo, repetindo o passo 6.2.5.
      Nota: Depois destas etapas, haverá um modelo específico do estudo, um modelo baixado alinhado com o modelo específico do estudo, junto com uma máscara de extração do cérebro baixado e antecedentes de tecido também alinhados com o modelo específico do estudo.
   7. Atravessam o modelo específico de estudo antsCorticalThickness.sh; Isto fornece GM, WM e CSF regiões que podem ser usadas para estudo específico antecedentes:
      antsCorticalThickness.sh -d 3 - um template.nii.gz -e downloaded_to_template.nii.gz -m downloaded_binarised_template_extracted_brain_in_studyspace.nii.gz -p downloaded_labelsPriors%d.nii.gz -o CT_template
      1. As opções neste comando são:
         -d: da dimensão (ou seja, exames 3D seria '3'); -r: imagem para ser segmentados (no caso, o modelo específico do estudo); -modelo e: cérebro (não crânio despojado; neste caso, o modelo baixado que foi registrado para o modelo específico do estudo); -máscara de extração baixado m: cérebro (no caso, o cérebro extraído do modelo baixado que foi registrado para o modelo específico do estudo); -antecedentes de p: especificados usando c-estilo de formatação (por exemplo, labelsPriors%02d.nii.gz -p).
         Nota: O comando assume que os quatro primeiros antecedentes são ordenados da seguinte forma: 1: CSF, 2: GM cortical, 3: WM e 4: GM subcortical (no caso, os antecedentes do modelo baixado que foi registrado para o modelo específico do estudo).
   8. Executar esse comando irá resultar em antecedentes gerados para o modelo, mas precisam de alisamento antes da sua utilização na segmentação de Atropos. O comando de suavização é parte do software de formigas. Alisa todos os Priores usando o comando:
      SmoothImage 3 CT_template_BrainSegmentationPosteriors2.nii.gz CT_template_BrainSegmentationPosteriors_smoothed.nii.gz
   9. Antes da execução de Atropos, execute extração do cérebro em todas as varreduras de espaço nativo. O modelo específico do estudo pode ser usado e extraiu o cérebro gerado a partir de antsCorticalThickness.sh em execução no modelo (passo 6.2.1):
      antsBrainExtraction.sh -d 3 - um T1.nii.gz -e template.nii.gz -m template_BrainExtractionBrain.nii.gz -o T1_brain.nii.gz
      1. As opções neste comando são:
         -dimensões d:; -imagem r: anatômica; -modelo de extração e: cérebro (ou seja, modelo criado, sem crânio de descascamento); -m: estudo brainmask específico utilizado para a extração do cérebro; -prefixo de saída o:.
   10. Em seguida, execute Atropos:
       antsAtroposN4.sh -d 3 - um T1.nii.gz - x T1_brain.nii.gz -c 3 -o Atropos_specific_template
       1. As opções neste comando são:
          -d = dimensões; -imagem r: anatômica; -máscara de extração do cérebro x: gerada a partir da extração do cérebro; -c: número de classes de tecido para segmentar; -prefixo de saída o:; -antecedentes de segmentação específica estudo p: < segmentationPriors%d.nii.gz >
   11. Execute QC visual na região da GM, conforme descrito na seção 8.

7. segmentação através de Salm-EM

1. Para executar EM Salm-, abra uma janela de terminal, altere o diretório para o diretório de instalação do MALP-EM e digite:
   . / malpem-proot - i T1_scan.nii -o. / optional_brain_mask_final.nii.gz -m -f 3T -t - 6C
2. Uma vez que o comando foi concluído, verifique se existe uma pasta de saída, com aulas de tecido e segmentações regionais.
3. Execute QC visual sobre a GM, conforme descrito na seção 8.

8. visual controle de qualidade

Nota: O controle Visual da qualidade deve ser executada em todas as regiões segmentadas para ser usado na análise. Controle de qualidade garante que as segmentações são de alto padrão e representam a segmentação confiável do CGM. Para executar o controle de qualidade, cada scan for aberto e sobreposto do T1 original para comparar a região gerada para o CGM visível na tomografia.

1. SPM, FSL, formigas e Segmentações de Salm-EM
   1. Execute QC visual usando FSLeyes:
      https://Users.fmrib.Ox.AC.uk/~PaulMc/fsleyes_userdoc/
      Nota: O FSLview (um visualizador mais velho) também pode ser usado da mesma forma.
   2. Abra uma janela de terminal e abra o T1 e as regiões de GM sobrepostas do T1. Para fazer isso, digite:
      fsleyes T1.nii Region1.nii Region2.nii.
   3. Uma vez que FSLeyes abre, use a alternância de opacidade no painel superior para ajustar/reduzir a opacidade e permitir a visualização da imagem T1 debaixo da região da GM. Altere a cor da sobreposição segmentação através de 'cor dropdown guia' no painel superior.
   4. Percorra cada fatia no cérebro.
      Nota: Aqui, isso é feito usar o vista coronal, mas os usuários deve usar a visão que eles têm mais experiência com.
   5. Verifique cada fatia para regiões de sob - ou over - estimation da região sendo inspeccionada.
      Nota: Consulte a seção de resultados representativos para exemplos de boas e más segmentações.
2. FreeSurfer QC
   1. Efetuar QC visual usando TDT.
      Nota: Consulte a documentação aqui:
      https://Surfer.NMR.MGH.Harvard.edu/fswiki/FreeviewGuide/FreeviewGeneralUsage/FreeviewQuickStart.
   2. Abra uma janela de terminal. Para exibir a região de GM volumétrica sobreposta sobre o T1, altere o diretório para a pasta do tema e tipo:
      Freeview./mri/T1.mgz./mri/aparc+aseg.mgz:colormap=lut:opacity:.3
   3. Percorra cada fatia no cérebro.
      Nota: Aqui, isso é feito usar o vista coronal, mas os usuários deve usar a visão que eles têm mais experiência com.
   4. Verifique cada fatia para regiões de sob - ou over - estimation da região sendo inspeccionada.
      Nota: Consulte a seção de resultados representativos para exemplos das Segmentações.

Resultados

Cérebro médio volumes de 20 participantes de controle, juntamente com informações demográficas, é mostrado na tabela 1. Isto age como um guia para valores esperados ao usar estas ferramentas. Os resultados devem ser analisados no contexto da imagem original T1.nii. Todas as regiões da GM devem ser inspecionadas conforme os passos descritos na seção 8. Ao executar o QC visual, é importante comparar diretamente as regiões da GM para a verificação de T1 por visu...

Discussão

Recentemente, pesquisas têm demonstrado que a utilização de diferentes métodos volumétricos pode ter implicações importantes para estudos de neuroimagem^1,2. Por protocolos de publicação que ajudam os usuários novatos guia em como aplicar ferramentas diferentes de neuroimagem, bem como como executar QC sobre a saída de resultados por essas ferramentas, pesquisadores podem selecionar o melhor método para aplicar ao seu dataset.