Yüksek çözünürlük<em&gt; İn Vivo</em&gt; 3T Manyetik Rezonans Görüntüleme kullanma İnsan hipokampal alanlar için Manuel Segmentasyon Protokolü

Özet

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.

Özet

Insan hippocampusu genel olarak, bellek ve normal beyin fonksiyonu ve farklı nöropsikiyatrik rolü bağlamında incelenmiştir yoğun olarak araştırılmıştır. Birçok görüntüleme çalışmaları, tek bir yekpare nöro anatomik yapı olarak hipokampus tedavi olsa da, karmaşık bir üç boyutlu geometriye sahip birçok alt alanlardan oluşan aslında,. Bu nedenle, bu alt alanlar özel işlevleri yerine getirmek ve diferansiyel olarak, farklı hastalık durumlarının kurs boyunca etkilendiği bilinmektedir. Manyetik rezonans (MR) görüntüleme hipokampus ve alt alanlardan morfoloji sorgulamak için güçlü bir araç olarak kullanılabilir. Birçok grup altbaşlıklarla görüntü gelişmiş görüntüleme yazılım ve donanım (> 3T) kullanın; ancak teknolojinin bu tip en araştırma ve klinik görüntüleme merkezlerinde hazır olmayabilir. Bu ihtiyacı karşılamak için, bu yazının tam ön-arka uzunluğu segmentlere yönelik ayrıntılı bir adım-adım protokolü sağlarCornu ammonis (CA) 1, CA2 / CA3, CA4 / dentat girus (DG), tabakalar radiatum / lacunosum / moleculare (SR / SL / SM) ve subiculum: hipokampus ve alt alanlardan. Bu protokol, beş olgu (; yaş 29-57, ort 37. 3F, 2M) uygulanmıştır. Protokol güvenilirliği Dice kappa metrik kullanarak üst üste sağ ya da her konunun sol hipokampus ya resegmenting ve bilgisayar tarafından değerlendirilir. Beş konular arasında Dice Kappa (aralık) ortalama şunlardır: Bütün hipokampus, 0.91 (0,90-0,92); CA1, 0.78 (0,77-0,79); CA2 / CA3, 0.64 (0,56-0,73); CA4 / dentat girus, 0.83 (0,81-0,85); tabakalar radiatum / lacunosum / moleculare, 0.71 (0,68-0,73); 0.75 (0.72-0.78) subiculum. Burada sunulan segmentasyon protokolü yaygın olarak bulunan MR araçlarını kullanarak in vivo hipokampus ve hipokampal dalından incelemek için güvenilir bir yöntem ile diğer laboratuvarlar sağlar.

Giriş

Hipokampus epizodik bellek, mekansal navigasyon ve diğer bilişsel işlevler ^10,31 ile ilişkili yaygın olarak çalışılan medial temporal lob yapıdır. Alzheimer hastalığı, şizofreni, bipolar bozukluk ve nörodejeneratif ve nöropsikiyatrik rahatsızlıklarda rolü ^4,5,18,24,30 iyi belgelenmiştir. Bu yazının amacı 3T edinilen yüksek çözünürlüklü manyetik rezonans (MR) görüntüleri insan hipokampal alanlar için daha önce ³⁴ yayınlanmış manuel segmentasyon protokolüne ek ayrıntı sağlamaktır. Ayrıca, bu yazının eşlik video bileşeni kendi veri setlerinde protokolü uygulamak isteyen araştırmacılara daha fazla yardım sağlayacaktır.

Hipokampus histolojik olarak hazırlanmış otopsi gözlenen sitoarkitektonik farklılıklara dayalı altbaşlıklarla ayrılabilir ^12,22 numune. Böyle otopsi örnekleri grou tanımlamaknd belirlenmesi ve hipokampal alanlar çalışması için gerçeği; Bu nitelikteki hazırlıklar boyama beceri ve donanım uzman gerektirir ve özellikle hastalıklı toplumlarda, sabit doku durumu ile sınırlıdır, ancak. in vivo görüntüleme konularda çok daha büyük bir havuz avantajı vardır, ve de izlenmek için fırsat sunuyor çalışmalar ve toplumlarda gözlemleyerek değişiklikleri kadar. O T2 ağırlıklı ex vivo MR görüntülerde bu sinyal yoğunlukları gösterilmiş olmasına rağmen hücresel yoğunluk ^13, bu sadece MR sinyal şiddetlerini kullanarak altbaşlıklarla arasında tartışmasız sınırları belirlemek hala zor yansıtmaktadır. Bunun gibi, MR görüntülerinde histoloji düzeyinde detay belirlenmesi için farklı yaklaşımlar bir dizi geliştirilmiştir.

Bazı gruplar hipokampal alt alan neuroanat yerelleştirilmesine yeniden ve histolojik veri kümeleri dijital ortama aktarmak ve daha sonra görüntü kaydı teknikleri ile birlikte bu rekonstrüksiyon kullanmak için çabalarin vivo MR ^{1,2,8,9,14,15,17,32} üzerinde omy. Bu doğrudan MR görüntüleri üzerine histolojik zemin gerçeğin bir versiyonunu haritalama için etkili bir tekniktir olmakla birlikte, bu nitelikteki rekonstrüksiyon tamamlamak zordur. Bu gibi projeler bozulmamış medial temporal lob örneklerinde, histolojik teknikler, histolojik işleme sırasında veri kaybı, sabit ve in vivo beyinleri arasındaki temel morfolojik tutarsızlıklar durumu ile sınırlıdır. Diğer gruplar, in vivo olarak elde etmek için bir çaba yüksek alan tarayıcılar (7T ya 9.4T) kullandık ya da ex bir yeterince küçük olması (0,20-0,35 mm izotropik) voksel boyutu ile in vivo ve görüntüler mekansal için kullanılan görüntü kontrastında farklılıkları lokalize görselleştirilme altbaşlıklarla ^35,37 arasındaki sınırları anlaması. Hatta 7T-9.4T de ve bu tür küçük voksel boyutu ile hipokampal alt alanlardan sitoarkitektonik özellikleri görünmez. Bu nedenle, manüel bölütleme protokolleri geliştirilmiştirMR görüntülerinde bilinen histolojik sınırlarını pproximate. Bu protokoller, yerel görüntü kontrastı farklılıkları yorumlama ve görünür yapılara göre (örneğin düz çizgiler ve açılar gibi) geometrik kurallar tanımlayarak alt alan sınırları belirler. Yüksek alan gücüne çekilen görüntüler hipokampal alanlar içine ayrıntılı fikir sunabiliyoruz rağmen 7T ve 9.4T protokolleri şu anda uygulanabilirliği sınırlıdır, bu yüzden yüksek alan tarayıcıları, henüz klinik veya araştırma ortamlarında yaygın değildir. Benzer protokolleri 3T ve 4T tarayıcıları ^{11,20,21,23,24,25,28,33} toplanan görüntüler için geliştirilmiştir. Bu protokollerin çoğu koronal planda alt 1mm vokselleri voksel boyutlu görüntüler dayalı, ancak büyük dilim kalınlıkları (0,8-3 mm) ^{11,20,21,23,25,28,33} veya büyük dilim içi mesafeler sahiptir Bireysel alt alanlardan hacimlerinin tahmininde önemli bir ölçüm önyargı neden her ikisi de ^20,28. Buna ek olarak, mevcut 3T protokoller çokhipokampus baş ve kuyruk ^20,23,25,33 tamamı veya bir kısmı alt alanlarını dışlamak ya da önemli altyapılar (yani, CA2 / CA3 ile DG birleştirmek veya tabakalar radiatum / lacunosum / moleculare arasında dahil değildir detaylı segmentasyonlar vermeyin CA) ^{11,20,21,23,24,25,28,33.} Güvenilir klinik ve araştırma ortamlarında yaygın olarak bulunan bir tarayıcı dayanmaktadır hipokampus baş, gövde ve kuyruk boyunca ilgili dalından belirleyebilir bir protokol ayrıntılı bilgi için alanda bir ihtiyaç duyulmaktadır. Çabaları laboratuarlar arasında hipokampal alt alan bölümleme işlemini uyumlaştırılması Hipokampal Alt Dallar Grubu (www.hippocampalsubfields.com) tarafından halen devam etmekte olup, tüm hipokampal segmentasyon ⁶ varolan uyum çabası ve 21 mevcut protokolleri karşılaştıran bir başlangıç ​​kağıda benzer geçenlerde ³⁸ yayınlandı . Bu gruptan eser daha uygun segmentasyon proce açıklamak olacakDURES.

Bu yazının güvenilir yüksek çözünürlüklü 3T MR görüntülerinde Winterburn ve arkadaşları ³⁴ tarafından daha önce açıklanan hipokampus alt alan segmentasyon protokolünü uygulamak için ayrıntılı yazılı ve video yönergeler sağlar. Protokol bütün hipokampus için sağlıklı kontrollerin beş görüntü ve beş hipokampal alanlar (CA1, CA2 / CA3, CA4 / dentat girus, tabakalar radiatum / lacunosum / moleculare ve subiculum) üzerine uygulanmıştır. Bunlar parçalı görüntüler kamu çevrimiçi (cobralab.ca/atlases/Hippocampus) mevcuttur. Protokol ve parçalı görüntüleri MR görüntülerinde ayrıntılı hipokampal nöroanatomisini eğitim almak isteyen gruplar için yararlı olacaktır.

Protokol

Çalışma Katılımcılar

Nörolojik ve nöropsikiyatrik bozukluklar ve ağır kafa travması vakalarının özgürdü (yaş 29-57, ort 37. 3F, 2M) bu yazının protokol sağlıklı gönüllüler toplanan beş temsilci yüksek çözünürlüklü görüntüler için geliştirilmiştir. Tüm denekler Bağımlılık ve Ruh Sağlığı Merkezi'nde (CAMH) de alındı. Çalışma CAMH Araştırma Etik Kurulu tarafından onaylanmış ve Helsinki Bildirgesi doğrultusunda gerçekleştirilmiştir. Yazılı sağlanan tüm denekler, veri toplama ve paylaşımı için aydınlatılmış onam. Bu görüntüleri toplamak için kullanılan satın alma dizisi hakkında ayrıntılar için, Winterburn ve diğ., 2013 ve Park ve ark., Beş konular için 2014 ^26,34 Görüntüler kalite kontrol ve muhafaza edildi başvurun. Hipokampus bu görüntüleri 118 koronal dilim ortalama yayılmış.

1. Yazılım Set-up

1. Açık Ekran: ong ​​terminalinden itibaren aşağıdaki komutu kullanarak. Izleme penceresi 3D görselleştirme pencere, 3-yönelim görüntü ve navigasyon penceresi: Program 3 pencere açılacaktır. Terminal aynı zamanda programı çalıştırmak için kullanılır. Segmentasyonlar koronal gerçekleştirilebilir gibi, koronal görünüm büyütün. Hipokampus büyüt. Navigasyon penceresinde F (Segmentlere) seçin. F (0.1 XY Radius) seçin. Kullanıcı "xy fırça boyutunu girin:" için terminal penceresi isteyecektir. 0.1 ayarlayın. Bu fırça boyutunu ayarlamak olacak. Kullanıcı artık MR görüntüsünün üzerine hipokampus çizim başlayabilirsiniz.

2. Tüm Hippocampus Manuel Segmentasyon

1. Set-up: Bir T1 ağırlıklı görüntü kullanarak, hipokampus ön-en koronal dilim ilerleyin. Anterior yönde dilimleri ilerletmek için '+' tuşunu kullanın; posterior yönde hareket ettirmek için anahtar - '' kullanın.
2. Dilim A: Ön-En Slice: fare sağ tıklama kullanarak, çevredeki temporal lob beyaz cevher karşılayan hipokampal gri maddenin dış çoğu sınır çizmek ve Alveus yüksek yoğunluklu beyaz cevher kullanmak hipokampus amigdala ^12,22 karşılayan üstün sınırında, yardımcı olmak için. Sınırları içinde etikete doldurmak için navigasyon penceresinin segmentasyon menüsünden E (Etiket Fill) tuşunu kullanın. Anterior hipokampus baş boyunca bu sınırları uygulamak devam edin.
3. Dilim B: Hipokampal Kafa 1 (Şekil 1B):
   1. Üstün, alt, yan, medial sınırları: Adım 2.2 anlatıldığı gibi bir rehber olarak temporal lob ve Alveus beyaz madde kullanılarak, sınırları çizmek için devam edin.
   2. Supero-medial sınırı: Bunun için, eksenel görünümünü kullanarak, yanal hipokampus ²⁹ ön kenarından yatay bir çizgi çizin ve hipokampus gibi bu çizginin altına hiçbir şey içerir.NOT: supero-medial sınır hipokampusun gri cevher amigdala gri madde ile harmanlayarak bu dilimleri, daha belirsiz hale gelir.
4. Dilim C: Hipokampal Başkanı 2 Dentations ile: Konuyla ilgili olarak, hipokampusun dentations 3-4 dilim görebilir olabilir (genellikle onlar T2 ağırlıklı T1 ağırlıklı görüntülerde karşı daha görünür). Bu dilim, sınır segmentasyon ^12,22 rehberlik Alveus ve temporal lobun beyaz maddeyi kullanmaya devam edin. Daha fazla bilgi için, aşağıdaki adımları izleyin 2.5.1-2.5.2.
5. Dilim D: Hipokampal Kafa 3:
   1. Üstün, alt, yan, medial sınırları: at, dentations eğrisi takip, temporal lob lateral ventrikül, üst sınırın alt boynuz lateral sınırının beyaz cevherde de hipokampusun alt sınır çizin alveus / fimbrial beyaz cevher ve hipointens Regio de medial sınırıOrtam sarnıç ^12,22 n.
   2. Supero-medial ve infero-medial sınırları: Adım 2.3.2 de açıklandığı gibi supero-medial sınırını tanımlamak için devam edin. Hipokampus hafifçe incelir ve entorinal korteks ^12,22 arasında hafif hiperintens gri madde içine uzanan medial sınırın alt kısmını çizin.
6. Dilim E: uncus ile Hipokampal Başkanı 4: 2.5.1-2.5.2 adımlarda açıklanan, alt lateral ve üstün sınırları çizmek için devam edin. Hipokampal (hipokampüsün ana gövdeye madalya bulunur ve düşük yoğunluklu CSF ile çevrelenmiştir) uncus ^{12,2 2} bölümleme içerir.
7. Dilim F: Hipokampal Gövde: 2.5.1-2.5.2 adımlarda açıklanan, alt lateral, medial ve üstün sınırları çizmek için devam edin. Hipokampus o entorinal korteks / para-hipokampal girus ^12,22 ile geçişler olarak incelir noktada infero-medial sınırını çizin.Segmentasyon körelmiş hipokampal sulkus düşük yoğunluklu CSF dahil etmeyin.
8. Dilim G: Hipokampal Kuyruk 1: forniksin crus ilk görünür olduğunda hipokampal kuyruk tipi dilimleri segmentlere başlayın. Daha fazla ön dilimleri ^12,22 hipokampal kuyruk içine fasikül girus şeklini ekstrapolasyonuyla segmentasyon fasikül girus (hipokampal kuyruk bölgelerinde hipokampus ile harmanlayarak bir gri cevher yapısı) hariç. Bu ekstrapolasyon iki yapı doğru ayırt olamaz bundan sonra 2-3 dilim için mümkündür; Bu noktada, hipokampus gibi bu alandaki tüm görünür gri madde davranın.
9. Dilim H: Hipokampal Tail 2: Segment çevreleyen yüksek yoğunluklu beyaz maddeden posterior hipokampal kuyruğu düşük yoğunluklu gri madde.
10. Dilim I: Posterior-En Dilim: Segment hipokampal gri maddenin küçük kalan alanındantemporal lobun çevreleyen beyaz madde.

3. Hipokampal alt alan Manuel Segmentasyon

1. Set-up: Bir T2 ağırlıklı görüntü kullanarak, (adım 2.1 gibi) hipokampusun anterior-en koronal dilim ilerleyin. Fırça rengini değiştirmek için, D (Set navigasyon penceresindeki bölümleme menüsünde :) LBL boyayın. "Geçerli boya etiketini girin:" komut terminali isteyecektir. Her sayı farklı bir etiket rengine karşılık 1 ila 255 bir numara girin.
2. Dilim A: Ön-En Dilim: alt alan bölümler ön-çoğu dilim henüz görünür olduğundan, içine (mutlaka kardinal eksenlerin herhangi paralel değildir) en uzun görünür ekseni boyunca görülebilir hipokampal gri madde bölen bir çizgi çizin iki eşit bölümler gerçek anatomi ^12,22 yaklaştığı. CA1 olarak bu iki bölümden üstün ve choosi tarafından subiculum olarak alt bölümü EtiketHer subfield ^23,35 için farklı renkte etiket ng.
3. Dilim B: Hipokampal Başkanı 1: SR / SL / SM ^13,37 olarak hipokampal oluşumun ortasında düşük yoğunluklu alan etiketleyin. Hipokampus alt kenarı boyunca viraj açık olduğunda, CA1 ^12,22 den subiculum ayıran yanal sınır olarak bu dönüm kullanın. Supero-medial ucunda ³⁷ CA1-subiculum sınırını çizmek için hipokampus uzun ekseni takip etmeye devam edin.
4. Dilim C: Dentations ile hipokampus Kafa 2:
   1. SR / S / SM, CA4 / DG ve subiculum SR / S / SM, CA4 / DG ve dilim D için tarif edildiği gibi subiculum (adım 3.5.1) etiketleyin.
   2. CA2 / CA3 ve CA1: SR / SL / SM ^12,22 en supero lateral kenarından supero-yanal yönde uzanan bir 45º açı hattı olarak CA1 ve CA2 / CA3 arasındaki sınırı tanımlar. Denta arasındaki çukur üstün kenarı boyunca mediale CA2 / KF3 uzatınleri ^12,22. CA1 ^12,22 üstün kenar kalanını Etiket.
5. Dilim D: Hipokampal Başkanı 3
   1. SR / SL / SM, CA4 / DG ve subiculum: CA1 ³⁷ eğrisini takip edecek olan, ilk karanlık SR / SL / SM bandı etiketleyin. SR / CA4 / DG ^{12,22,23,35,37} olarak SL / SM içinde herhangi bir yüksek yoğunluklu gri madde etiketleyin. Bu durum, Şekil 2C'deki şekilde, sürekli bir bölge olabilir. Alt hipokampus ^12,22 yılında viraj kullanarak subiculum-CA1 sınırını tanımlamak için devam edin.
   2. CA2 / CA3 ve CA1: Adım 3.4.2 olarak CA1 ve CA2 / CA3 sınırını tanımlamak için devam edin. Hipokampus ^12,22 üstün kenarı boyunca mediale yarıya CA2 / KF3 uzatın ve CA1 ^12,22 üstün kenarın diğer yarısını etiket.
   3. Supero-medial hipokampal başkanı: Bu dilim olarak ikiye dikey supero-medial hipokampal kafa bölün. SR / SL / SM ¹² olarak medial yarısı etiketleyin. Yanal Bölyarısında yarım yine bu sefer yatay. CA4 / DG üstün bölümü ve CA2 / CA3 ¹² olarak alt kısmını etiketleyin.
6. Dilim E: uncus ile Hipokampal Başkanı 4
   1. Yanal hipokampal kafası (subiculum): bu dilimlerin yan kısmında, / DG ^12,22 KF4 en medial kenarından aşağı yönde uzanan dikey bir çizgi olarak subiculum-CA1 sınırını tanımlar.
   2. Yanal hipokampal kafa (CA1, CA2 / CA3, CA4 / DG, SR / SL / SM.): Adım 3.4.2 ile aynı şekilde CA1-CA2 / CA3 sınır tanımlayın. CA bölgelerin eğri aşağıdaki düşük yoğunluklu bölge olarak SR / SL / SM etiketlemek devam edin. Adım 3.5.1 deki gibi, SR / SL / SM içindeki merkez boşluğunun olarak CA4 / DG etiketleyin.
   3. Uncal hipokampal kafa (SR / SL / SM): hipokampal vücuda hipokampal baş geçişler yaklaşık olarak 10 dilim için hipokampus uncus etiketleyin. Uncus olarak, (SR / SL / SM olarak merkezi düşük yoğunluklu bölge etiketBunu görmek zor olduğunda, uncus merkezi) ¹² kadar 2-3 vokselden genişliğinde bir çizgi segmentlere göre anatomisini yaklaşmaktadır.
   4. Uncal hipokampal kafa (CA2 / CA3, CA4 / DG): uncus ve infero-yanal / supero-medial ekseni boyunca SR / SL / SM bölümünün üstün kenarında bir çizgi çizin. CA2 / CA3 ¹² olarak bu hat üzerindeki tüm gri madde etiketleyin. CA4 / DG ¹² olarak (SR / SL / SM her iki tarafında) bu çizginin altında herhangi etiketsiz gri madde etiketleyin.
7. Dilim F: Hipokampal Gövde: Adım 3.6.1-3.6.2 açıklanan sınırları uygulamak için devam edin.
8. Dilim G: Hipokampal Kuyruk 1: Adım 3.6.1-3.6.2 açıklanan kuralları uygulamak için devam edin. Subiculum-CA1 sınır CA4 / DG ^12,22 medial kenarından infero-medial yönde uzanan bir 45 ° açı hattı olur.
9. Dilim H: Hipokampal Tail 2: fasikül girus artık hipokampal Formatio ayırt edilebilir bir kezn, CA1, bu kadar SR / SL içinde düşük yoğunluklu alanı olarak tüm dış katmanı etiket / (önceki dilimleri gibi) SM ve CA4 / DG ^12,22 olarak ortada kalan gri madde.
10. Dilim I: Posterior-En Dilim: koyu SR / SL kez / SM CA1 ^12,22 olarak tüm yapıyı etiket, hipokampal formasyon merkezinde artık görülebilir.

4. Protokol Güvenilirlik

1. Orijinal segmentasyon yapmadan yaklaşık bir ay bekledikten sonra sağ ya da her konunun sol hipokampus ya tekrar segment- leyin. Segment olarak sürekli mümkün olduğu gibi protokol kurallarını takip etmeye çalışıyorum hipokampus tüm ön-arka uzunluğu boyunca alt alanlardan tüm.
2. Özgün ve resegmented hacimleri arasında Dice en kappa hesaplayın:
   
   k = Dice kappa ve A ve B etiket hacimleri nerede.

Sonuçlar

. Protokol güvenilirlik testi sonuçları Tablo 2'de özetlenmiştir bütün ikili hipokampus için, mekansal örtüşme ortalama Dice en kappa ile ölçülen 0.91 ve 0.90 arasında değişmektedir - 0.92. Alt alan Kappa değerleri 0.64 (CA2 / CA3) den 0.83 (CA4 / dentat girus) arasında değişir. Tüm altbaşlıklarla ve bütün hipokampus ortalama hacimleri Tablo 3'de rapor edilmektedir. Bütün hipokampus aralığı için Ciltler 2.456,72-3325,02 mm ³ den. CA1 85...

Tartışmalar

MR görüntülerinde Hipokampal alt alan segmentasyonu literatürde iyi temsil edilmektedir. Ancak mevcut protokoller hipokampus ^20,23,33,35 bölümlerini hariç, sabit görüntülerin ³⁷ için geçerlidir, ya da görüntü elde ^35,37 ultra-yüksek alan tarayıcıları gerektirir. Bu yazının hipokampus beş ana alt bölümleri (CA1, CA2 / CA3, CA4 / dentat girus, SR / SL / SM ve subiculum) içerir ve yapının tüm ön-arka uzunluğu yayılan bir segmentasyon protokolü sunuyor. Tam pa...

Malzemeler

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