Высокое разрешение<em&gt; В Vivo</em&gt; Руководство Сегментация Протокол по населенным гиппокампа подполей Использование 3Т Магнитно-резонансная томография

Резюме

The goal of this manuscript is to study the hippocampus and hippocampal subfields using MRI. The manuscript describes a protocol for segmenting the hippocampus and five hippocampal substructures: cornu ammonis (CA) 1, CA2/CA3, CA4/dentate gyrus, strata radiatum/lacunosum/moleculare, and subiculum.

Аннотация

Человека гиппокамп был широко изучен в контексте памяти и нормальной функции мозга и его роль в различных нервно-психических расстройств был сильно изучал. Хотя многие исследования отображения лечения гиппокамп как единый унитарный нейроанатомической структуры, это, по сути, состоит из нескольких подполей, которые имеют сложную трехмерную геометрию. Таким образом, известно, что эти подполя выполнения специализированных функций и дифференциально затронуты через ходе различных болезненных состояний. Магнитно-резонансная (МР) визуализация может быть использован в качестве мощного инструмента для запроса морфологию гиппокампа и его подполей. Многие группы используют современное программное обеспечение и аппаратные средства визуализации (> 3T) к изображению подполей; Однако этот тип технологии может быть легко доступны в большинстве исследований и клинических центров визуализации. Чтобы удовлетворить эту потребность, эта рукопись дает подробный протокол шаг за шагом для сегментации полный передне-задний длинугиппокампа и его подполей: Корню ammonis (ЦА) 1, СА2 / СА3, СА4 / зубчатой ​​извилине (DG), слои radiatum / lacunosum / moleculare (SR / SL / SM), и подлежащая ткань. Этот протокол был применен к пяти предметам (3F, 2М; возраст 29-57, средняя 37.). Надежность Протокол оценивается ресегментировании либо правую или левую гиппокамп каждого предмета и вычислительная перекрытие, используя каппа метрику кости в. Средняя каппа DICE (ассортимент) по пяти предметам: вся гиппокамп, 0,91 (0.90-0.92); СА1, 0,78 (0.77-0.79); СА2 / СА3, 0,64 (0.56-0.73); СА4 / зубчатая извилина, 0,83 (0.81-0.85); слои radiatum / lacunosum / moleculare, 0,71 (0.68-0.73); и подлежащая ткань 0,75 (0.72-0.78). Сегментация Протокол, представленные здесь обеспечивает другие лаборатории с надежным методом для изучения гиппокампа и гиппокампа подполей в естественных условиях, используя доступные инструменты, обычно MR.

Введение

Гиппокамп является широко изучены медиальной височной доли структура, которая связана с эпизодической памяти, пространственного навигации и других познавательных функций ^10,31. Его роль в развитии нейродегенеративных и психоневрологических расстройств, таких как болезнь Альцгеймера, шизофрении и биполярного расстройства хорошо документированы ^{4,5,18,24,30.} Цель этой рукописи является предоставление дополнительной детализации в ручной сегментации протокола, опубликованной ранее ³⁴ для гиппокампа подполей человека на высоком разрешении магнитного резонанса (МР) изображений, полученных в 3Т. Кроме того, видео компонент сопровождающих эту рукопись будет оказывать дальнейшую помощь исследователям, которые желают реализовать протокол на собственных данных.

Гиппокамп можно разделить на подполя на основе различий, наблюдаемых cytoarchitectonic в гистологически подготовлены посмертное образцов ^12,22. Такие посмертные образцы определить Гроуй правда для идентификации и изучения гиппокампа подполей; Однако препараты такого рода требуют специальных навыков и оборудования для окрашивания, и ограничивается наличием фиксированной ткани, особенно в пораженных групп населения. В естественных изображений имеет преимущество гораздо более широкий круг субъектов, а также предоставляет возможность для Следуя до исследований и наблюдений изменений в популяциях. Хотя было показано, что интенсивность сигнала в Т2 взвешенных бывших естественных условиях МРТ отражают плотность клеток ^13, он по-прежнему трудно определить неоспоримые границы между подполей, используя исключительно интенсивности сигнала MR. Таким образом, были разработаны ряд различных подходов к идентификации деталей гистологии уровня по МРТ.

Некоторые группы предприняли усилия по восстановлению и оцифровке гистологические наборов данных, а затем использовать эти реконструкции вместе с методами регистрации изображений по локализации гиппокампа подполе neuroanatмики на в естественных условиях MR ^{1,2,8,9,14,15,17,32.} Хотя это эффективный метод для отображения версии гистологического первом истины непосредственно на МРТ, реконструкции такого рода трудно, чтобы закончить. Такие проекты, как они ограничены наличием интактных медиальной височной доли, образцов гистологических методов, потери данных во время обработки, гистологического и основных морфологических несоответствий между фиксированной и в мозгах естественных условиях. Другие группы использовали высокого полевые сканеры (7T или 9.4T), с тем чтобы приобрести в естественных условиях или экс VIVO изображения с достаточно мал (0,20-0,35 мм изотропной) размер воксела визуализировать пространственно локализованы различия в контрасте изображения, которые используются для вывод границы между подполей ^35,37. Даже при 7Т-9.4T и с таким малым размером воксела, что cytoarchitectonic характеристики гиппокампа подполей не видны. Таким образом, ручные протоколы сегментации были разработаны, чтоpproximate известные гистологические границы на МРТ. Эти протоколы определяют границы подполей, интерпретируя местные различия контрастности изображения и определения геометрических правил (например, прямых линий и углов) по отношению к видимой структуры. Хотя изображения, снятые на высоком поля можем предложить детальный анализ в гиппокампе подполей, высокого поле сканеры еще не распространены в клинических или исследовательских установок, так и 7T 9.4T протоколы в настоящее время ограничены применимость. Подобные протоколы были разработаны для изображений, собранных на 3Т и 4T сканеров ^{11,20,21,23,24,25,28,33.} Многие из этих протоколов на основе изображений с суб-1 мм размеры вокселей вексельных в поперечной плоскости, но имеют большой кусок толщиной 0.8-3 мм () ^{11,20,21,23,25,28,33} или большие расстояния между срезами ^20,28, оба из которых приведет к значительному предвзятости измерения в оценке объемов отдельных подполей. Кроме того, многие из существующих протоколов 3Tисключить подполя всего или части гиппокампа головы или хвоста ^20,23,25,33 или не предоставлять подробные сегментации важных подструктур (т.е. объединить DG с СА2 / СА3 или не включать слои radiatum / lacunosum / moleculare из СА) ^{11,20,21,23,24,25,28,33.} Существует Следовательно, существует потребность в области для подробного описания протокола, который может надежно определить соответствующие подполя всей головы, тела, хвоста и гиппокампа, который основан на сканер обычно доступны в клинических и исследовательских установок. Настоящее время предпринимаются усилия по гиппокампа ПОДПОЛЯ группы (www.hippocampalsubfields.com), чтобы согласовать гиппокампа подполе сегментации процесс между лабораториями, похож на существующий усилий по гармонизации для всей гиппокампа сегментации ^{6 и} начальной бумаги по сравнению 21 существующих протоколов были недавно опубликованы ³⁸ , Работа этой группы будет способствовать дальнейшему выяснить оптимальную сегментации процедур.

Эта рукопись содержит подробные письменные инструкции и видео для надежной реализации гиппокампа протокол подполе сегментации описанный ранее Уинтерберн и коллег ³⁴ на с высоким разрешением 3T МРТ. Протокол был реализован на пяти изображений здоровых для всей гиппокампе и пять гиппокампа подполей (СА1, СА3 СА2 /, СА4 / зубчатой ​​извилине, слои radiatum / lacunosum / moleculare, и подлежащая ткань). Эти сегментированные изображения доступны для общественности онлайн (cobralab.ca/atlases/Hippocampus~~HEAD=pobj). Протокол и сегментированные изображения будут полезны для групп, которые хотят учиться подробную гиппокампа нейроанатомии в МРТ.

протокол

Учебные Участники

Протокол в этой рукописи был разработан в течение пяти представительных изображений с высоким разрешением, полученных от здоровых добровольцев (3F, 2М; возраст 29-57, ср. 37), которые были свободны от неврологических и нервно-психических расстройств и случаев тяжелой травмой головы. Все субъекты были набраны в Центре наркомании и психического здоровья (CAMH). Исследование было одобрено Советом по этике исследований CAMH и было проведено в соответствии с Хельсинкской декларацией. Все субъекты дали письменное информированное согласие на приобретение и обмен данными. Для получения подробной информации о последовательности приобретения, используемой для сбора этих изображений, пожалуйста, обратитесь к Уинтерберн др., 2013 и парк и др., 2014 ^26,34 картинки на всех пяти субъектов были проверены на качество и сохраняется. Гиппокамп натянутое в среднем 118 корональных ломтиками в этих изображениях.

1. Программное обеспечение Настройка

1. Открыть Дисплей: Из терминала с помощью следующей команды: Показать image_name.mnc-метка label_name.mnc. Программа откроет 3 окна: окно визуализации 3D, 3-ориентация изображения окно просмотра и окно навигации. Терминал также будет использоваться для запуска программы. Увеличить корональной вид, как сегментация будет выполняться коронки. Нажмите на гиппокампе. Выберите F (сегментирование) в окне навигации. Выберите F (XY Радиус: 0,1). Терминал окно запросит пользователю "Введите ху размер кисти:". Установите 0,1. Это позволит установить размер вашего кисти. Теперь пользователь может начать рисовать гиппокамп на МР изображении.

2. Всего Гиппокамп Руководство Сегментация

1. Настройка: Используя T1-взвешенные изображения, выделите передне-самых корональной кусочек гиппокампе. Для продвижения ломтики в передней направлении, используйте клавиши «+»; использовать '-' клавишу, чтобы двигаться в направлении задней.
2. фрагмент A: Передняя-Мост фрагмент: Использование правой кнопкой мыши на мыши, нарисуйте внешний наиболее границу гиппокампа серого вещества, где он встречает окружающий височной белое вещество и использовать высокой интенсивности белого вещества Алвойсе для оказания помощи в верхней границы, где гиппокамп отвечает миндалину ^12,22. Используйте ключ Е (этикетки Fill) в меню сегментации окна навигации, чтобы заполнить в ярлыке внутри границы. Продолжить, чтобы применить эти границы на протяжении передней гиппокампа голове.
3. Фрагмент B: гиппокампа Глава 1 (1В):
   1. Улучшенные, уступает, боковой, средний границы: Продолжайте рисовать границы, как описано в шаге 2.2, используя белое вещество височной доли и Алвойсе в качестве ориентира.
   2. Supero-медиальная граница: Для этого, используя осевое, нарисовать горизонтальную линию от переднего края латеральной гиппокампа ^29, и включают в себя все, что ниже этой линии, как гиппокамп.ПРИМЕЧАНИЕ: Supero-медиальная граница становится более неоднозначным в этих срезах, где серое вещество гиппокампа сочетается с серым веществом миндалины.
4. Фрагмент C: гиппокампа Глава 2 с Dentations: В зависимости от субъекта, dentations гиппокампа могут быть видны в течение 3-4 ломтиков (обычно, они более заметны на Т2-взвешенных против T1-взвешенных изображениях). В этих кусочков, продолжают использовать белое вещество в Алвойсе и височной доле направлять пограничный сегментации ^12,22. Для получения более подробной информации, выполните шаги 2.5.1-2.5.2.
5. Фрагмент Д: гиппокампа Глава 3:
   1. Улучшенные, уступает, боковой, средний границы: Ничья нижнюю границу гиппокампа в белом веществе височной доли, боковой границе в нижней рога бокового желудочка, в верхней границы, следуя кривой в dentations, на белое вещество Alveus / бахромки и медиальная граница на hypointense Regioп окружающего цистерны ^12,22.
   2. Supero-медиальной и InFero медиальной границы: Продолжить, чтобы определить Supero медиальной границы, как описано в шаге 2.3.2. Нарисуйте нижнюю часть медиальной границы, где гиппокамп редеет слегка простирается в умеренно гиперинтенсивного серого вещества коры энторинальной ^12,22.
6. Фрагмент Е: гиппокампа Глава 4 с Ункус: Продолжать рисовать низшие, боковые и превосходные границы, описанные в шагах 2.5.1-2.5.2. Включить Ункус (который расположен медали к основному корпусу гиппокампа и окружен низкой интенсивности CSF) в гиппокампе сегментации ^{12,2 2.}
7. Фрагмент F: гиппокампа кузова: Продолжайте рисовать низшие, боковой, средний и превосходные границы, описанные в шагах 2.5.1-2.5.2. Нарисуйте InFero медиальной границы в точке, где гиппокамп редеет, как он переходит в энторинальной коры / пара-гиппокампа извилины ^12,22.Не включать низкой интенсивности CSF из подавленной гиппокампа борозды в сегментации.
8. Фрагмент G: гиппокампа Хвост 1: Начните сегментации срезах гиппокампа хвост типа, когда голени свода является первым видимым. Исключить пучковой извилины (серый структуры независимо от того, который сливается с гиппокампа в части гиппокампа хвост) из сегментации путем экстраполяции форму пучковой извилины гиппокампа в хвост из более передних срезов ^12,22. Это экстраполяция возможна только в течение 2-3 кусочков, после чего две структуры не может быть точно различают; в этой точке, лечения всех видимых серое вещество в этой области, как гиппокамп.
9. Фрагмент Н: гиппокампа Хвост 2: Сегмент низкая интенсивность серое вещество заднего гиппокампа хвост из окружающего высокой интенсивности белого вещества.
10. Кусочек я: Задний-Мост фрагмент: Сегмент малого Остальная площадь гиппокампа серого вещества изокружающая белого вещества височной доли.

3. гиппокампа подполя Руководство Сегментация

1. Настройка: Используя T2-взвешенное изображение, выделите передне-самых корональной кусочек гиппокампа (как в шаге 2.1). Чтобы изменить цвет кисти, выберите D (набор Paint LBL :) в меню сегментирования в окне навигации. Команда терминал запросит: "Введите текущую метку краской:". Введите число от 1 до 255. Каждый номер соответствует другим цветом этикетки.
2. Фрагмент A: Передняя-Мост фрагмент: С подполей подразделения еще не видно в передне-самых ломтик, рисовать линии, разделяющей видимое гиппокампа серое вещество вдоль его длинной видимой оси (которое не обязательно параллельно к любому из кардинальных осей) в две равные секции, чтобы приблизить истинное анатомии ^12,22. Этикетка начальнику этих двух разделах, как СА1 и нижнюю секцию как подлежащая ткань по choosiнг другого цвета этикетки для каждого подполе ^23,35.
3. Фрагмент B: гиппокампа Глава 1: Этикетка область низкой интенсивности в середине гиппокампа как SR / SL / SM ^13,37. Когда изгиб вдоль нижнего края гиппокампа становится ясно, используйте эту веху в боковой границе, отделяющей подлежащая ткань из СА1 ^12,22. Продолжайте следить за длинной оси гиппокампа обратить СА1-подлежащая ткань границу на Supero медиальной наконечником ^37.
4. Фрагмент C: гиппокампа Глава 2 с Dentations:
   1. SR / SL / SM, СА4 / Д.Г., и подлежащая ткань: Этикетка SR / SL / SM, СА4 / DG, и подлежащая ткань, как описано для среза D (шаг 3.5.1).
   2. СА2 / СА3 и СА1: Определить границу между СА1 и СА3 СА2 / в 45º угол линии, проходящей в Supero-боковом направлении от наиболее Supero-бокового края SR / SL / SM ^12,22. Продлить Са2 / CA3 медиально вдоль верхнего края к кормушке между Дентаных ^12,22. Добавьте остальную часть верхнего края как СА1 ^12,22.
5. Фрагмент Д: гиппокампа Глава 3
   1. SR / SL / SM, СА4 / Д.Г., и подлежащая ткань: Этикетка темно SR / SL / SM группу первого, который будет следовать кривой СА1 ^37. Добавьте любой высокой интенсивности серого вещества внутри SR / SL / SM как СА4 / DG ^{12,22,23,35,37.} Это не может быть непрерывным область, а на фиг.2С. Продолжить, чтобы определить границу подлежащая ткань-CA1, используя изгиб в нижних гиппокампа ^12,22.
   2. СА2 / СА3 и СА1: Продолжить, чтобы определить CA1 и CA2 / Ca3 границу, как в шаге 3.4.2. Продлить Са2 / CA3 медиально полпути вдоль верхнего края гиппокампе ^12,22 и маркировать другую половину верхнего края, как СА1 ^12,22.
   3. Supero-медиальная головка гиппокампа: В этом срезе, разделить Supero медиальной голову вертикально гиппокампа в половине. Этикетка медиальной вдвое SR / SL / SM ^12. Разделите боковаяполовина на половину, на этот раз по горизонтали. Этикетка превосходную часть, как СА4 / DG и нижнюю часть, как СА2 / СА3 ^12.
6. Фрагмент Е: гиппокампа Глава 4 с Ункус
   1. Боковые гиппокампа головка (подлежащая ткань): В боковой части этих кусочков, определить границы подлежащая ткань-СА1 в виде вертикальной линии, проходящей в направлении нижней от самого медиального края СА4 / DG ^12,22.
   2. Боковые гиппокампа головка (СА1, СА2 / СА3, СА4 / DG, SR / SL / SM.): Определить границы СА1-CA2 / СА3 таким же образом, как на стадии 3.4.2. Продолжить маркировать SR / SL / SM как область низкого интенсивности после кривой регионов Центральной Азии. Этикетка CA4 / DG как центра полости внутри SR / SL / SM, как в шаге 3.5.1.
   3. Uncal гиппокампа головы (SR / SL / SM): Этикетка Ункус гиппокампа в течение примерно 10 кусочков, как гиппокампа головных переходов в гиппокампе тела. В ункуса, маркировать область низкой интенсивности в центре как SR / SL / SM (если это трудно увидеть, приблизить анатомию путем сегментации линию 2-3 вокселы шириной до центра ункуса) ^12.
   4. Uncal гиппокампа головы (СА2 / СА3, СА4 / DG): Нарисуйте линию по верхнему краю SL разделе SR / / SM вдоль InFero-боковая / медиальная Supero-оси ункуса. Добавьте все серое вещество выше этой линии, как СА2 / СА3 ^12. Этикетка любой немеченого серое вещество ниже этой линии (по обе стороны от SR / SL / SM) в качестве СА4 / DG ^12.
7. Фрагмент F: гиппокампа кузова: Продолжить, чтобы применить границы, описанные в шаге 3.6.1-3.6.2.
8. Фрагмент G: гиппокампа Хвост 1: Продолжать применять правила, описанные в шаге 3.6.1-3.6.2. Граница подлежащая ткань-СА1 становится 45º угол линии, проходящей в InFero медиальной направлении от медиального края СА4 / DG ^12,22.
9. Фрагмент Н: гиппокампа Хвост 2: После того, как фасцикулярные извилины не может быть больше не отличить от гиппокампа формирования кп, маркировать всю наружную слой, как СА1, площадь низкой интенсивности внутри этого, как SR / SL / SM (как и в предыдущие ломтиками), и все оставшиеся серое вещество в середине как СА4 / DG ^12,22.
10. Фрагмент I: Задний-Наиболее фрагмент: После того, как темно-SR / SL / SM больше не видны в центре гиппокампа, маркировать всю структуру, как СА1 ^12,22.

4. Протокол Надежность

1. Resegment либо право или влево гиппокамп каждого предмета после ожидания приблизительно один месяц от выполнения оригинальный сегментации. Сегмент все подполей по всей передне-задней длины гиппокампа, пытаясь следовать правилам протокола, как последовательно, как это возможно.
2. Рассчитать каппа кости на исходный и resegmented объемов:
   
   где к = каппа Dice и А и В объемы этикеток.

Результаты

. Результаты теста надежности протокола приведены в таблице 2 для всей двусторонней гиппокампе, значит пространственное перекрытие, как измеряется каппа DICE является 0,91 и колеблется от 0,90 - 0,92. Значения каппа подполей в диапазоне от 0,64 (СА2 / CA3) до 0,83 (СА4 / зубчатой ​​изв...

Обсуждение

Гиппокампа сегментация подполе в МРТ хорошо представлены в литературе. Тем не менее, существующие протоколы исключения частей гиппокампа ^20,23,33,35, применяются только к неподвижным образам ^37, или требовать ультра-высоких сканеры поля для получения изображения ^35,37. Эта р...

Материалы

Name	Company	Catalog Number	Comments
Discovery MR750 3T	GE		Or equivalent 3T scanner
Minc Tool Kit	McConnell Brain Imaging Center, Montreal Neurological Institute		Open source: http://www.bic.mni.mcgill.ca/ServicesSoftware/ServicesSoftwareMincToolKit