Yerel Gyrification Endeksi hesapla Adım Adım Öğretici: MR Görüntüleri Kortikal Katlama nasıl ölçülür

Özet

Ölçüm gyrification (kortikal katlama) herhangi bir yaşta, erken beyin gelişiminde bir pencere temsil eder. Bu nedenle, daha önce yarımkürede üzerinde puan binlerce yerel gyrification ölçmek için bir algoritma geliştirdi ¹. Bu çalışmada, biz detay bu yerel gyrification indeksi hesaplama.

Özet

Kortikal katlama (gyrification) Bu dönemde meydana gelen olumsuz olaylar, herhangi bir yaşta tanımlanabilir olacak izler bırakır ki, yaşamın ilk aylarında belirlenir. Mangin ve arkadaşları ² gibi son zamanlarda tarafından gözden gyrification farklı özellikleri ölçmek için çeşitli yöntemler mevcuttur. Örneğin, sulkal morfometri ³ asimetri, şekil, derinlik, uzunluk ya da inter-hemisferik endeksleri gibi tanımlayıcılar ölçmek için kullanılabilir. Bu geometrik özellikleri yorumlamak kolay olma avantajına sahiptir. Ancak, sulkal morfometri sıkıca sulkuslar belirli bir set doğru tanımlanmasına dayanır ve bu nedenle gyrification parçalanmış bir açıklama sağlar. Gyrification, daha ince taneli kantifikasyon mutlak ortalama eğrilik genellikle kortikal yüzey ⁴ üzerinden binlerce puan hesaplanır düzeltti eğrilik tabanlı ölçümleri ile elde edilebilir. Ancak eğrilik straightforwar değildircurvedness ve biyolojik olarak anlamlı kortikal hacim veya yüzey olarak ilişkilidir arasında herhangi bir doğrudan bir ilişki var ise belirsizliğini koruyor d kavramak. Kortikal katlama ölçümü ile ortaya çeşitli konuları ele almak için, daha önce enfes bir uzaysal çözünürlüğü ve basit bir yorumlama yerel gyrification ölçmek için bir algoritma geliştirdi. Bizim metodumuz Gyrification Endeksi ^5, karşılaştırmalı nöroanatomi aslında türler genelinde kortikal katlanır farklılıklarını değerlendirmek için kullanılan bir yöntem ilham alıyor. Uygulanması, faiz dairesel bölgelerde görünür korteksin miktarı ile karşılaştırıldığında adı l Öcal Gyrification Endeksi (l ^{GI 1),} sulkal kıvrımları içinde gömülü korteks miktarını ölçmek . Korteks öncelikle ⁶ radyal genleşme üzerinden arttığını göz önüne alındığında, bizim yöntem özellikle erken kortikal gelişim kusurları tespit etmek için dizayn edildi.

In thmakale, detay FreeSurfer Yazılım bir parçası (serbestçe dağıtılan yerel Gyrification Endeksi, hesaplama, http://surfer.nmr.mgh.harvard.edu/ , Biyomedikal Görüntüleme Martinos Merkezi, Massachusetts Genel Hastanesi) FreeSurfer beynin kortikal yüzeyi yapısal MRG verileri otomatik olarak yeniden yapılanma araçları kümesi sağlar. Alt milimetre doğruluğu görüntüleri yerli uzayda çıkartılan kortikal yüzey daha sonra l GI hesaplanması için bir temel olarak hizmet verecek bir dış yüzey oluşturulması için kullanılır. Ilgi dairesel bir bölge daha sonra dış yüzeyi tarif ve kortikal yüzey faiz karşılık gelen bölge, ^bizim doğrulama çalışmada 1 açıklandığı gibi bir eşleme algoritması kullanılarak tanımlanır. Bu işlemi art arda gyrification kortikal haritalar, ilgi alanları büyük ölçüde üst üste tekrarlanırr sonraki istatistiksel karşılaştırmalar (Şekil 1). Notu, benzer bir ilham ile yerel gyrification başka bir ölçüm katlama dizin her noktada aynı olan bir disk alanına bölünmüş bir küre bulunan kortikal alan oranı olarak hesaplanır Toro ve arkadaşları ^7, tarafından önerilen yarıçapı. Toro ve ark biri bu iki uygulamaları farklıdır. Öklid mesafeler dayanmaktadır ve bu nedenle, bizim sıkı bir jeodezik algoritması kullanır ve kortikal alan açma ilgi dairesel bir bölgede beyin yüzeyinde sadece sürekli yama ise kortikal alanın süreksiz yamalar göz önünde bulundurur.

Protokol

1. 3D kortikal yüzeyleri yeniden

Wiki (açıklandığı gibi protokol Bu standart FreeSurfer boru hattının ilk bölümü kullanır http://surfer.nmr.mgh.harvard.edu/fswiki) . Burada ayrıntılı komutları kortikal yüzey rekonstrüksiyonlar ulaşmanın tek yolu tarif unutmayın, ancak eşdeğer komutları de kullanılıyor olabilir.

1. FreeSurfer içine çiğ MR DICOM İthalat ve görüntü kalitesini kontrol (yönünü doğru olduğunu örneğin, yeterli kontrast ve görüntüler taşınır). Bu süreç aşağıdaki komutları (<...> (dahil) arasında belirli bir örneğine uygun değerleri ile metni değiştirmek ve "#" yorum gösterir) kullanır:
   
   mksubjdirs # FreeSurfer tarafından kullanılan klasör mimarisi oluşturmak
   CD / Mri # konu mri klasörüne gidin
   mri_convert-cm 001.mgz # # FreeSurfer formatında ham MR dönüştürmek
   tkmedit 001.mgz # dönüştürülen hacmi görselleştirmek
   
   
2. Üç boyutlu kortikal örgü modelleri ^8,9 oluşturun. Gömüldü sulkuslar sorunu ile başa çıkmak için, FreeSurfer ilk, ilk gri-beyaz yüzey için bir başlangıç ​​noktası olarak kullanılan bir üniter beyaz cevher hacmi oluşturur . Bu yüzey daha sonra yoğunluk yerel degrade göre optimize edilmiş ve gri-CSF arayüzü daha da genişletilir.
   
   Recon Tüm-s # Kortikal yüzey rekonstrüksiyonu başlatmak
   
   Beyaz (gri-beyaz bir arayüz) ve pial (gri-CSF arayüzü) yüzey yeniden yapılanma süreci sonunda, iki örgü modelleri için yaklaşık 150.000 puan her yarımkürede oluşan alacak. Tüm yüzeylerin ve hacimlerin izin vererek, doğal boşluk kalması dikkat etmek önemlidir. hacmi, yüzey alanı, kalınlık veya gyrification endeks ölçümü deformasyon olmadan ölçülebilir.
   
3. Bu yeniden inşa yüzeylerin doğruluğunu kontrol edin:
   
   tkmedit T1.mgz? H.pial # yeşil beyaz yüzey, üst üste ve kırmızı pial yüzey.
   
   h yarımkürede gösterir:? sağ hemisfer, sol hemisfer ve rh.pial lh.pial. Şekil 2 (2 sürümlerinde, film ve statik bir web sitesi için dahil edilecek bir animasyonlu gif görüntü) FreeSurfer paketi ile birlikte dağıtılan "bert" özne için doğru beyaz ve pial yüzeyler rekonstrüksiyonlar bir örnek gösterir . Yeniden yapılanma sürecinin sonucu elle düzeltmek için varsa, (FreeSurfer Wiki bir öğretici bulacaksınız http://surfer.nmr.mgh.harvard.edu/fswiki/FsTutorial/WhiteMatterEdits ,

2. Yerel Gyrification Endeksi Compute

: Yüzeyler memnun olduğunuzda, komutunu kullanarak yerel Gyrification Endeksi (l GI) hesaplamak

Recon Tüm-LGI-s

Bu komut, genellikle iş istasyonunun gücüne bağlı olarak, bir çalışmada katılımcı iki yarımküresinin yaklaşık 3 saat boyunca çalışır. Şekil l GI sürecin farklı adımları gözden. 1. Bilgisayar morfolojik kapatma işlemini kullanarak bir dış yüzey oluşturulması ile başlar. Bu dış yüzeyi, başlar? H.pial_outer_smoothed, daha Şekil gösterilmiştir. 3. Daha sonra, dairesel bölgelerin ilgi yaklaşık 800 üst üste dış yüzeyi oluşturulur. Bu bölgelerin her biri için, faiz karşılık gelen bir bölge tanımlanırpial yüzey. Tüm hesaplama kortikal yüzeyin her noktası için bir l Gİ değeri (yani ~ 150.000 yarımkürede ortalama değerleri) içeren bireysel bir haritanın oluşturulması ile sona erer.

3. Her yarımkürede l GI hesaplama sonucu kontrol edin

tksurfer ? H pial-bindirme / Sörf / h.pial_lgi-fthresh 1

L GI değerleri kortikal yüzey üzerinde üst üste. Herhangi bir gri kortikal alanda olmamalıdır: Doğru l olarak GI değerleri genellikle 1 minimum eşik seçeneği fthresh ile hızlı bir kontrol sağlar, 1 ile 5 arasında oluşmaktadır. Şekil doğru bir sonuç bir örnek gösterilmiştir. 4.

4. İstatistiksel grup karşılaştırmalarında

Amacı, cinsiyet etkisi kontrol ve kortikal yüzey üzerinde her köşe grup etkisini ölçmek içinyaşı. Her köşe kortikal kalınlık karşılaştırmak istiyorum sanki aynı süreci takip etmek gerekiyor, ama vermek olacak? H.pial_lgi yerine? H.thickness. İki seçenek istatistiksel grup karşılaştırmaları hesaplamak mümkündür: klasik komutları ilk listelenir ve grafik arayüzü (Qdec) kısaca ondan sonra belirtilen.

1. Gruplar arasında l GI sonuçları karşılaştırmak için ilk seçenek aşağıdaki komutları kullanmak; Daha fazla bilgi elde edilebilir https://surfer.nmr.mgh.harvard.edu/fswiki/FsTutorial/GroupAnalysis .
   1. İlk giriş tüm konuları veren bir çalışma belirli bir şablon oluşturmak için ihtiyacınız olacak:
      
      make_average_subject - konular ...
      
      Komutu yukarıda, "ortalama" adlı bir konu yaratacaktır. Alternatif olarak, söz konusu "fsave kullanabilirsinizöfke "FreeSurfer dağıtımının bir parçası olarak dağıtılır.
   2. Daha sonra, çalışmada yer alan konular ("FreeSurfer Grup Tanımlayıcısı Dosya") tanımını içeren bir metin dosyası oluşturun. FSGD.txt bu gibi görünmelidir:
      
      GroupDescriptorFile 1
      Grup Control_Male
      Grup Control_Female
      Grup Patient_Male
      Grup Patient_Female
      Değişkenler Yaş
      Giriş Patient_Male 20
      Giriş Control_Female 23
      <...>
   3. L GI ortalama konunun her yarımkürede için aşağıdaki komutu kullanarak uzayda veri resample:
      
      mris_preproc - fsgd FSGD.txt hedef ortalama? hemi saat - ölçüm pial_lgi? dışarı h.lgi.mgh
      
   4. Sinyal gürültü azaltmak için kortikal yüzey üzerinde veri Smooth:
      
      mri_surf2surf -? hemi h - ler ortalama -? sval h.lgi.mgh - FWHM 10 -? tval h.10.lgi.mgh
      
   5. Her köşenin düzeyde grup karşılaştırma hesaplayın. Bunun için, yukarıda açıklanan FSGD.txt durumda kontrast metin dosyasını (örneğin oluşturmanız gerekir, "contrast.txt" değerler "1 1 -1 -1 0" kontrol ve arasındaki fark hesaplamak için içerecektir yaş ve cinsiyet için kontrol) hasta iken. Sonunda karşılaştırma çalıştırın:
      
      mri_glmfit - y h.10.lgi.mgh - - fsgd FSGD.txt düşkünler? glmdir h.lgi.glmdir - sörf ortalama h? C contrast.txt
      
   6. Tksurfer kullanarak ortalama konuyla ilgili sonuçları gözünüzde canlandırın:
      
      tksurfer ortalama? saat şişirilmiş
      
      Sonra bindirme klasöründe bulunan sig.mgh dosya olarak yüklenecek? H.lgi.glmdir / contrast.txt / sig.mgh. "Yapılandırmak overlay" seçeneğini kullanarak yanlış keşif hızı ¹⁰ ile çoklu karşılaştırmalar için p eşik yanı sıra doğru daha da değiştirebilirsiniz .
      
2. Grup com için alternatif bir seçenekparison Qdec FreeSurfer uygulanan bir grafik kullanıcı arabirimi kullanmaktır. Yerel Gyrification Endeksi ile Qdec kullanımı l GI veri öncesi pürüzsüz gelir:
   
   Recon Tüm-qcache-tedbir pial_lgi ortalamanın -S
   
   Qdec ile FreeSurfer Grup Tanımlayıcısı Dosya yaş gibi farklı gruplar ve diğer karıştırıcı değişkenler açıklamasını içerir biraz farklı bir versiyonu, Veri Tablosu (qdec.table.dat) tarafından değiştirilir. Qdec kullanımını ayrıntılı bir açıklaması sağlanmaktadır http://surfer.nmr.mgh.harvard.edu/fswiki/FsTutorial/QdecGroupAnalysis .
   L GI Qdec bağımlı değişkenler listesinde mevcut değilse, not, size kendi ev dizininde bulunan Qdecrc dosyasına aşağıdaki satırı eklemeniz gerekir:
   
   MEASURE1 = pial_lgi

5. Analiz

Alternatif olarak, istatistiksel analizler sonunda FreeSurfer ¹¹ entegre kortikal Parselasyon düzeyinde hesaplanan olabilir. Bu amaçla, ortalama l GI değerleri her yarımkürede 34 giral ilgi bölgeler için ayıklanır, ve bu ölçümlerin daha farklı gruplar arasında mukayese edilebilir. Bu parsel-bilge analizi (yukarıda açıklanan vertex akıllıca analiz karşı) istatistiksel karşılaştırmalar miktarını sınırlar gibi çekici olabilir. Ancak, her noktada l GI bir ilgi giral bölgede ortalama l GI de bir ölçüde ilgi komşu bölgelerde gyrification yansıtır ki, çevresindeki dairesel bir alanda gyrification rakamlarla.

Son olarak, bu protokol, Fr sırasında karşılaşılan diğer sorunlar için bir çözüm açıklanan olmasına rağmen en önemli konulardaneeSurfer veya l GI işleme FreeSurfer e-posta listesi (arşivlerinde bulunabilir http://surfer.nmr.mgh.harvard.edu/fswiki/FreeSurferSupport ).

6. Temsilcisi Sonuçlar

1c protokol bölümünde de açıklandığı üzere, her zaman dikkatli bir şekilde l GI hesaplama önce kortikal yüzeylerin yeniden doğruluğunu kontrol etmelisiniz. Frontal ve oksipital lob arasında hareket ederken, gemi ve membran pial yüzey dahil olmadığını özellikle dikkat. Beyaz bir yüzeye doğru gri-beyaz arayüzü aşağıdaki kontrol ediniz. Doğru yeniden yapılanma bir örneği (bütün hacmi için animasyonlu gif şekle bakın) Şekil 2'de verilmiştir.

L Gİ hesaplama sonunda, ayrıca, her konunun her iki yarımkürede sonucu kontrol etmek olacaktır .1 den küçük bir l GI sonucu herhangi bir kortikal alanı olmamalıdır. Protokol ve bu rakam 4 bölüm 3 l GI hesaplama çıkış doğruysa doğru nasıl kontrol edeceğinizi gösteriyor.


Şekil 1: l GI hesaplama Genel Bakış Öncelikle, üç boyutlu kortikal örgü modelleri standart FreeSurfer boru hattı ile ham görüntüleri yeniden inşa edilir. Bu rekonstrüksiyon algoritmaları gömüldü sulkuslar sorunun üstesinden gelmek için başlangıç ​​noktası olarak ikili bir beyaz cevher hacmi kullanın. Kortikal örgü modelleri genellikle yaklaşık 150.000 köşeleri kapsar ve klasik her noktada kortikal kalınlığı hesaplamak için kullanılır. Benzer şekilde, yerel Gyrification Endeksi (l GI) Her köşe hesaplanacaktır. Bu amaçla, bir dış yüzey oluşturulur. Sonra ilgi karşılık gelen dairesel bölgelerin bir dış tespitd kortikal yüzey eşleştirme algoritması kullanarak. Ilgi örtüşen bölgelerde, l GI bireysel haritaların oluşturulması sürecinin sonuçları üreten yaklaşık 800 sonra. Bu haritalar, kolaylıkla yorumlanabilir: 5 araçlarının bir dizin daha kortikal yüzey çevredeki sulkuslar içinde invajine olduğ u 5 kez olduğunu görünür kortikal yüzey miktarı; 1 araçlarının korteks çevresindeki düz olduğunu bir dizin . Son olarak, benzer kortikal kalınlık karşılaştırmalar istatistiksel grup karşılaştırmaları, her köşenin düzeyinde hesaplanır.

Şekil 1B l GI bireysel kortikal haritası. Bu küçük film, Şekil gösterildiği gibi ayrı bir kortikal LGI harita 360 derece dönüş gösterir . 1. Utero yaşam sırasında oluşturulan ilk kat daha yüksek l GI değerleri ile kortikal bölgeleri karşılık unutmayın dikkat çekicidir: sylvian fissür, superior temporal sulkus veFilm traparietal beynin lateral görünümde sulkus ve beynin medial parieto-oksipital sulkus.


Şekil 2. Örnek yeterli kortikal yüzey rekonstrüksiyonu (bir koronal bölümü) yeniden yapılanma süreci sona erdikten sonra, kortikal yüzeylerde doğru tüm beyin hacmi üzerinde doğrulanabilir olmalıdır. Iç kortikal yüzey (beyaz yüzey, görüntü yeşil gösterilir) tam gri-beyaz bir arayüz takip etmelidir. Dış kortikal yüzey, gemi veya membran herhangi bir parça içermemelidir (yani gri-CSF arayüzü, pial yüzey, burada kırmızı ile gösteriliyor). Unutmayın ki, burada sunulan örnek FreeSurfer paketi ile birlikte dağıtılan "bert" özne kullanır.

Şekil 2B. Örnek yeterli kortikal yüzey reconstruction (tam ses) Bu animasyonlu gif resmini FreeSurfer ile en oksipital koronal bölümleri için en ön kaydırma tarafından görülen her koronal bölümünde "bert" özne sol hemisfer kortikal yüzey gösterir. film göster


Şekil 3. L GI işlemi (bir koronal bölümü) bir parçası olarak hesaplanan dış yüzey Örnek l GI hesaplamanın ilk adım yarımkürede saran bir dış yüzeyi yaratılması. Bu yüzey (FreeSurfer olarak gösterilir? H.pial_outer_smoothed) tkmedit kullanılarak kontrol edilebilir. Burada FreeSurfer ile dağıtılan "bert" konu bir örnek olarak kullanılır.

Şekil 3B. Bu animasyonlu gif resmini l GI süreci (tam ses) bir parçası olarak hesaplanan dış yüzeyi örneği.Profil film FreeSurfer tkmedit ile en oksipital koronal bölümleri için en ön kaydırma tarafından görülen her koronal bölümünde sol hemisfer dış yüzeyi gösterir.


Şekil 4. FreeSurfer ile görüntülenebilir doğru l GI çıkış Örnek l GI ile "bert" özne kortikal yüzey Farklı yönlerde kaplanan değerleri. Renk kodu gibi FreeSurfer tksurfer görülen varsayılan "ısı" overlay. En az 1 eşik kullanarak, tüm vertices renkli olmalı ve herhangi bir kortikal alanı ap olmalıdırgri armut. Not, renk kaplama seçeneği tksurfer, minimum ve maksimum değerleri, l GI genel dağıtım histogram yanı sıra aynı zamanda kontrol edilebilir "Overlay Yapılandır" kullanılarak değiştirilebilir .

Tartışmalar

Yukarıdaki protokol serebral T1-ağırlıklı MRG dayalı yerel Gyrification Endeksi ölçmek ve istatistiksel grup karşılaştırmaları yapmak için nasıl açıklar. Bizim metodumuz, özellikle kortikal genişleme sürecinde erken bozulması lokalize ve özellikle ilgi çekici olan pek çok nörogelişimsel ya da psikiyatrik durumlar gibi dizayn edilmiştir. Grubumuzun ^1,12 veya diğerleri ^13-16 yayınlarda klinik örneklerde grup karşılaştırmaları örnekleri bulunabilir. Bu süreç iki p...

Malzemeler

Name	Company	Catalog Number	Comments
Ekipman Adı	Şirket	Katalog numarası	Yorumlar
FreeSurfer	Martinos Biyomedikal Görüntüleme, MGH Merkezi		Sürüm 4.0.3 daha yeni
Matlab	Mathworks		Görüntü İşleme Toolbox