Name: three-dimensional shape modeling and analysis of brain structures
Uploaded: 2019-11-14T10:00:00
Description: Watch this Scientific Journal Video about Three-Dimensional Shape Modeling and Analysis of Brain Structures at JoVE.com

Het werk werd gefinancierd door de National Research Foundation of Korea (JP als de PI). JK wordt gefinancierd door het Kyungpook National University Research Fund; en MCVH wordt gefinancierd door de Row Fogo liefdadigheid Trust en de Royal Society of Edinburgh. De hippocampal segmentatie werd aangepast aan de in-House richtlijnen geschreven door Dr. Karen Ferguson, in het centrum voor klinische hersenen wetenschappen, Edinburgh, Verenigd Koninkrijk.

Hersenen de heer images werden verworven volgens het protocol dat is goedgekeurd door de lokale institutionele beoordelings Raad en de ethische commissie.
Opmerking: De tools voor vorm modellering en analyse kunnen worden gedownload van de NITRC repository: <a href="https://www.nitrc.org/projects/dtmframework/" target="_blank">https://www.nitrc.org/projects/dtmframework/</a>. De GUI-software (DTMModeling. exe) kan na extractie worden uitgevoerd. <!--The publication list on the...

<ol>
	<li>Costafreda, S. G., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Automated+hippocampal+shape+analysis+predicts+the+onset+of+dementia+in+mild+cognitive+impairment.">Automated hippocampal shape analysis predicts the onset of dementia in mild cognitive impairment.</a> NeuroImage. 56 (1), 212-219 (2011).</li><li>Platero, C., Lin, L., Tobar, M. C. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Longitudinal+Neuroimaging+Hippocampal+Markers+for+Diagnosing+Alzheimer's+Disease.">Longitudinal Neuroimaging Hippocampal Markers for Diagnosing Alzheimer's Disease.</a> Neuroinformatics. , 1-19 (2018).</li><li>Vald&#233;s Hern&#225;ndez, M. D. C., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Rationale,+design,+and+methodology+of+the+image+analysis+protocol+for+studies+of+patients+with+cerebral+small+vessel+disease+and+mild+stroke.">Rationale, design, and methodology of the image analysis protocol for studies of patients with cerebral small vessel disease and mild stroke.</a> Brain and behavior. 5 (12), e00415 (2015).</li><li>Kalmady, S. V., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Clinical+correlates+of+hippocampus+volume+and+shape+in+antipsychotic-na&#239;ve+schizophrenia.">Clinical correlates of hippocampus volume and shape in antipsychotic-na&#239;ve schizophrenia.</a> Psychiatry Research: Neuroimaging. 263, 93-102 (2017).</li><li>Kim, J., Vald&#233;s Hern&#225;ndez, M. D. C., Royle, N. A., Park, J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Hippocampal+Shape+Modeling+Based+on+a+Progressive+Template+Surface+Deformation+and+its+Verification.">Hippocampal Shape Modeling Based on a Progressive Template Surface Deformation and its Verification.</a> IEEE Transactions on Medical Imaging. 34 (6), 1242-1261 (2015).</li><li>Kim, J., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=3D+shape+analysis+of+the+brain's+third+ventricle+using+a+midplane+encoded+symmetric+template+model.">3D shape analysis of the brain's third ventricle using a midplane encoded symmetric template model.</a> Computer Methods and Programs in Biomedicine. 129, 51-62 (2016).</li><li>Kim, J., Ryoo, H., Vald&#233;s Hern&#225;ndez, M. D. C., Royle, N. A., Park, J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Brain+Ventricular+Morphology+Analysis+Using+a+Set+of+Ventricular-Specific+Feature+Descriptors.">Brain Ventricular Morphology Analysis Using a Set of Ventricular-Specific Feature Descriptors.</a> International Symposium on Biomedical Simulation. , 141-149 (2014).</li><li>Vald&#233;s Hern&#225;ndez, M. D. C., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Hippocampal+morphology+and+cognitive+functions+in+community-dwelling+older+people:+the+Lothian+Birth+Cohort+1936.">Hippocampal morphology and cognitive functions in community-dwelling older people: the Lothian Birth Cohort 1936.</a> Neurobiology of Aging. 52, 1-11 (2017).</li><li>Lee, P., Ryoo, H., Park, J., Jeong, Y. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Morphological+and+Microstructural+Changes+of+the+Hippocampus+in+Early+MCI:+A+Study+Utilizing+the+Alzheimer's+Disease+Neuroimaging+Initiative+Database.">Morphological and Microstructural Changes of the Hippocampus in Early MCI: A Study Utilizing the Alzheimer's Disease Neuroimaging Initiative Database.</a> Journal of Clinical Neurology. 13 (2), 144-154 (2017).</li><li>Cox, S. R., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Associations+between+hippocampal+morphology,+diffusion+characteristics,+and+salivary+cortisol+in+older+men.">Associations between hippocampal morphology, diffusion characteristics, and salivary cortisol in older men.</a> Psychoneuroendocrinology. 78, 151-158 (2017).</li><li>Sled, J. G., Zijdenbos, A. P., Evans, A. C. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=A+nonparametric+method+for+automatic+correction+of+intensity+nonuniformity+in+MRI+data.">A nonparametric method for automatic correction of intensity nonuniformity in MRI data.</a> IEEE Transactions on Medical Imaging. 17 (1), 87-97 (1998).</li><li>Tustison, N. J., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=N4ITK:+improved+N3+bias+correction.">N4ITK: improved N3 bias correction.</a> IEEE Transactions on Medical Imaging. 29 (6), 1310-1320 (2010).</li><li>Zhang, Y., Brady, M., Smith, S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Segmentation+of+brain+MR+images+through+a+hidden+Markov+random+field+model+and+the+expectation-maximization+algorithm.">Segmentation of brain MR images through a hidden Markov random field model and the expectation-maximization algorithm.</a> IEEE Transactions on Medical Imaging. 20 (1), 45-57 (2001).</li><li>Wardlaw, J. M., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Brain+aging,+cognition+in+youth+and+old+age+and+vascular+disease+in+the+Lothian+Birth+Cohort+1936:+rationale,+design+and+methodology+of+the+imaging+protocol.">Brain aging, cognition in youth and old age and vascular disease in the Lothian Birth Cohort 1936: rationale, design and methodology of the imaging protocol.</a> International Journal of Stroke. 6 (6), 547-559 (2011).</li><li>Morey, R. A., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=A+comparison+of+automated+segmentation+and+manual+tracing+for+quantifying+hippocampal+and+amygdala+volumes.">A comparison of automated segmentation and manual tracing for quantifying hippocampal and amygdala volumes.</a> NeuroImage. 45 (3), 855-866 (2009).</li><li>Boccardi, M., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Survey+of+protocols+for+the+manual+segmentation+of+the+hippocampus:+preparatory+steps+towards+a+joint+EADC-ADNI+harmonized+protocol.">Survey of protocols for the manual segmentation of the hippocampus: preparatory steps towards a joint EADC-ADNI harmonized protocol.</a> Journal of Alzheimer's Disease. 26 (s3), 61-75 (2011).</li><li>Winterburn, J., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=High-resolution+In+Vivo+Manual+Segmentation+Protocol+for+Human+Hippocampal+Subfields+Using+3T+Magnetic+Resonance+Imaging.">High-resolution In Vivo Manual Segmentation Protocol for Human Hippocampal Subfields Using 3T Magnetic Resonance Imaging.</a> Journal of Visualized Experiments. (105), e51861 (2015).</li><li>MacLullich, A., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Intracranial+capacity+and+brain+volumes+are+associated+with+cognition+in+healthy+elderly+men.">Intracranial capacity and brain volumes are associated with cognition in healthy elderly men.</a> Neurology. 59 (2), 169-174 (2002).</li><li>Gower, J. C. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Generalized+Procrustes+analysis.">Generalized Procrustes analysis.</a> Psychometrika. 40 (1), 33-51 (1975).</li><li>Lorensen, W. E., Cline, H. E. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Marching+cubes:+A+high+resolution+3D+surface+construction+algorithm.">Marching cubes: A high resolution 3D surface construction algorithm.</a> ACM Siggraph Computer Graphics. , 163-169 (1987).</li></ol>

Samenvattend hebben we de software pijplijn beschreven voor de vorm analyse van hersenstructuren, waaronder (1) MR-beeldsegmentatie met behulp van open tools (2) individuele vorm reconstructie met behulp van een vervormbare sjabloon model, en (3) kwantitatief vorm verschil meting via transitieve vorm correspondentie met het sjabloon model. Statistische analyse onder de False Discovery rate (FDR) correctie wordt uitgevoerd met de vorm vervorming te onderzoeken van de betekenis van morfologische veranderingen van hersenstr...

Vorm analyse van hersenstructuren is ontstaan als het voorkeurs instrument om hun morfologische veranderingen onder pathologische processen te onderzoeken, zoals neurodegeneratieve ziekten en veroudering1. Er zijn verschillende computationele methodes nodig om 1) nauwkeurig de grenzen van doel structuren af te bakenen van medische beelden, 2) reconstrueren van de doel vorm in de vorm van 3D oppervlak gaas, 3) bouw Inter-subjecten over de individuele vorm modellen via vorm parametrering of oppervlakte registratie, en 4) kwantitatief beoordelen van de regionale vorm verschillen tussen individuen of groepen. In de afgelopen jaren zijn er veel methoden geïntroduceerd in neuroimaging-onderzoeken voor elk van deze stappen. Ondanks de opmerkelijke ontwikkelingen op dit gebied zijn er echter niet veel kaders die onmiddellijk van toepassing zijn op onderzoek. In dit artikel beschrijven we elke stap van de vorm analyse van hersenstructuren met behulp van onze aangepaste vorm modeling tools en publiek beschikbare beeldsegmentatie tools.
Hier demonstreren we de vorm analysekader voor hersenstructuren door middel van de vorm analyse van de linker en rechter hippocampi met behulp van een gegevensset van volwassen controles en de ziekte van Alzheimer patiënten. Atrofie van de hippocampi wordt erkend als een kritische beeldvormende biomarker in neurodegeneratieve ziekten2,3,4. In ons Framework voor vorm analyse maken we gebruik van het sjabloon model van de doel structuur en de vervormbare registratie van sjabloon-naar-afbeelding in het vormmodellerings proces. Het sjabloon model codeert algemene vormkenmerken van de doel structuur in een populatie en biedt ook een basislijn voor het kwantificeren van de vorm verschillen tussen de afzonderlijke modellen via hun transitieve relatie met het sjabloon model. In de registratie van de sjabloon-naar-Image hebben we een Laplacian oppervlak vervorming methode om te passen in het sjabloon model aan de doel structuur in afzonderlijke afbeeldingen, terwijl het minimaliseren van de vervorming van de punt verdeling in de sjabloon model5,6,7ontwikkeld. De haalbaarheid en robuustheid van het voorgestelde kader zijn gevalideerd in recente neuroimaging studies van cognitieve veroudering8, vroegtijdige opsporing van milde cognitieve stoornissen9, en om te verkennen associaties tussen structurele veranderingen van de hersenen en cortisol niveaus10. Deze aanpak zou het gemakkelijker maken om de vorm modellering en analysemethoden te gebruiken in verdere neuroimaging-onderzoeken.

three-dimensional shape modeling and analysis of brain structures

Analyse van de statistische vorm van hersenstructuren is gebruikt om de associatie tussen hun structurele veranderingen en pathologische processen te onderzoeken. We hebben een softwarepakket ontwikkeld voor nauwkeurige en robuuste vorm modellering en groepsgewijze analyse. Hier introduceren we een pijplijn voor de vorm analyse, van individuele 3D-vorm modellering tot kwantitatieve groepsvorm analyse. We beschrijven ook de pre-processing en segmentatie stappen met behulp van open softwarepakketten. Deze praktische gids zou onderzoekers helpen tijd en moeite te besparen in 3D-vorm analyse op hersenstructuren.

Het vorm modelleringsproces dat hier wordt beschreven, is gebruikt voor verschillende neuroimaging-onderzoeken naar veroudering van6,8,10 en de ziekte van Alzheimer5,5. Vooral, deze vorm modelleringsmethode toonde de nauwkeurigheid en gevoeligheid in de vorm analyse op de Hippocampus voor een verouderende populatie van 654 proefpersonen<s...

Watch this Scientific Journal Video about Three-Dimensional Shape Modeling and Analysis of Brain Structures at JoVE.com

Three-Dimensional Shape Modeling and Analysis of Brain Structures

We introduceren een semi-automatisch protocol voor vorm analyse op hersenstructuren, inclusief beeldsegmentatie met behulp van open software, en verdere groepsgewijze vorm analyse met behulp van een geautomatiseerd modellerings pakket. Hier demonstreren we elke stap van het 3D-vorm analyse protocol met hippocampal segmentatie van Brain MR images.

Driedimensionale vorm modellering en analyse van Hersenstructuren

Statistical shape analysis of brain structures has been used to investigate the association between their structural changes and pathological processes. ...

Het nauwkeurig herstellen van de vormkenmerken tegen ruwe en luidruchtige segmentaties is van cruciaal belang voor het bereiken van een goede anatomische correspondentie tussen individuele hersenvormmodellen. Ons framework biedt verschillende tools voor individuele vormmodellering, groepswijze sjabloonconstructie en vormvervormingsberekening. En het is gebruikt voor grote datasets van het menselijk brein.Het aantonen van deze procedure zal Dr.Jaeil Kim, een voormalige grad student uit mijn laboratorium die de software voor de hersenen vorm modellering ontwikkeld. Open voor handmatige bewerking van de hippocampal-segmentatie het T1-gewicht magnetische resonantiebeeld en de automatische hippocampal-segmentatie resulteert in de grafische gebruikersinterfacesoftware. Klik op het pictogram in het weergavevenster om de coronale weergave te selecteren en blader door het volume totdat de uncus zich bevindt.Met inbegrip van de uncus in de hippocampal masker waar het aanwezig is, gebruik maken van de add en aftrekken functies om het masker van de hippocampal lichaam te bewerken nadat de uncus is teruggetrokken. Ga door met het bewerken van het hippocampal masker totdat de hippocampal staart is gevonden. Als de pulvinaire kern van de thalamus zich afneemt boven de hippocampus, zal de fornix ontstaan.Werk het laatste coronale deel van de hippocampus af waarin de volledige lengte van de fornix zichtbaar is, maar nog niet continu met het milt van het corpus callosum. Sla vervolgens de maskers op voor zowel de linker- als de rechter hippocampi in NifTI-formaat. Als u een groepsjabloonmodel wilt maken, laadt u de insteek voor vormmodellering en klikt u op Map openen om een map te openen met de binaire maskers van de studiepopulatie van belang.Voer het gewenste aantal vertices in en klik op Sjabloonconstructie voor de opbouw van groepssjablonen. Controleer vervolgens de gemiddelde vormgaas. Laad voor afzonderlijke vormreconstructie het T1-gewogen magnetische resonantiebeeld van belang en het bijbehorende segmentatiemasker en selecteer de werkmap om de bestanden op te slaan.Selecteer een sjabloonmodel voor de afzonderlijke vormmodellering en controleer en wijzig indien nodig de modelleringsparameters in de shapemodelingplug-in. Dus ons modelleringskader is bijna geautomatiseerd, maar sommige stappen vereisen bevestiging van de gebruiker. Als de waarde voor de hippocampal-gebieden bijvoorbeeld niet één gebruikers is, moeten ze de intensiteitsparameter wijzigen.Controleer vervolgens het resultaat in de 3D-weergave van de toolkit werkbank. Als u een vorm- en misvormingsmeting wilt uitvoeren, selecteert u het vormmodel van het onderwerp dat van belang is in de gegevensbeheerder van de software en klikt u op Sjabloon selecteren om de sjabloon van belang te selecteren om de meting te verkrijgen. Hier kan een representatieve vervorming van het hippocampal sjabloonmodel voor individuele vormreconstructie worden waargenomen.De methode induceert een grote tot kleinschalige vervorming van het sjabloonmodel om de vervorming van de puntverdeling te minimaliseren terwijl de afzonderlijke vormkenmerken worden hersteld. In deze figuur worden gereconstrueerde vormmodellen van twee onderwerpen met hun segmentatiemaskers weergegeven. In deze afbeeldingen uitgelijnd individuele vormmodellen kunnen hun gemiddelde model en het vormverschil vectoren met een individueel vormmodel worden waargenomen.Deze gegevens vertegenwoordigen gemiddelde vormmisvormingskaarten die op het gemiddelde model worden geprojecteerd. Voor een groep met een klein hersenweefsel volume, en een groep met een groot hersenweefsel volume. De vormmisvormingskaarten van de twee groepen presenteren tegengestelde patronen van hippocampal vormverschil bij overeenkomstige gebieden.Controleer samen het segmentatiemasker en het individu of het gedeelde model. Als het model niet op de afbeeldingsgrens is gemonteerd, past u de modelleringsparameters aan om betere resultaten te bereiken. Statistische analyse met behulp van de vormmisvorming kan worden uitgevoerd om de groepswijze vorm te onderzoeken We hebben ook MATLAB-code voor de analyse op onze projectpagina verstrekt.Deze robuuste methode is toegepast op een aantal klinische studies, niet alleen met betrekking tot kritische structuur modellering zoals de ziekte van Alzheimer of veroudering studie, maar ook voet-bot aandoeningen die de analyse van samengestelde botten vereisen.

Research

JoVE Journal

Neuroscience

Dissection and Culture of Mouse Dopaminergic and Striatal Explants in Three-Dimensional Collagen Matrix Assays

Dissectie en Cultuur van de muis Dopaminerge en het striatum Explantaten in drie-dimensionale Collageen Matrix Assays

Midbrain dopamine (mdDA) neurons project via the medial forebrain bundle towards several areas in the telencephalon, including the striatum1. ...

Three-dimensional Confocal Analysis of Microglia/macrophage Markers of Polarization in Experimental Brain Injury

Drie-dimensionale confocale analyse van microglia / macrofagen Markers van Polarisatie in Experimentele Hersenletsel

After brain stroke microglia/macrophages (M/M) undergo  rapid activation with dramatic morphological and phenotypic changes that  include expression of ...

Protocol for Three-dimensional Confocal Morphometric Analysis of Astrocytes

Protocol voor drie-dimensionale confocale Morfometrische Analyse van Astrocytes

As glial cells in the brain, astrocytes have diverse functional roles in the central nervous system. In the presence of harmful stimuli, astrocytes modify ...

Three-dimensional Imaging and Analysis of Mitochondria within Human Intraepidermal Nerve Fibers

Driedimensionale beeldvorming en analyse van Mitochondria binnen menselijke Intraepidermal zenuwvezels

The goal of this protocol is to study mitochondria within intraepidermal nerve fibers. Therefore, 3D imaging and analysis techniques were developed to ...

Peering at Brain Polysomes with Atomic Force Microscopy

Turen naar Brain polysomen met Atomic Force Microscopy

The translational machinery, i.e., the polysome or polyribosome, is one of the biggest and most complex cytoplasmic machineries in cells. Polysomes, ...

Anatomically Inspired Three-dimensional Micro-tissue Engineered Neural Networks for Nervous System Reconstruction, Modulation, and Modeling

Anatomisch Geïnspireerde Driedimensionale Microweefsel Geanimeerde Neurale Netwerken voor Nervous System Reconstructie, Modulatie en Modellering

Functional recovery rarely occurs&#160;following injury or disease-induced degeneration within the central nervous system (CNS)&#160;due to the inhibitory ...

Large-scale Three-dimensional Imaging of Cellular Organization in the Mouse Neocortex

Grootschalige driedimensionale beeldvorming van cellulaire organisatie in de Neocortex muis

The mammalian neocortex is composed of many types of excitatory and inhibitory neurons, each with specific electrophysiological and biochemical ...

Chronic Implantation of Whole-cortical Electrocorticographic Array in the Common Marmoset

Chronische implantatie van geheel-corticale Electrocorticographic Array in de gemeenschappelijke Hapalomys

Electrocorticography (ECoG) allows the monitoring of electrical field potentials from the cerebral cortex with high spatiotemporal resolution. Recent ...

Focused Ultrasound Induced Blood-Brain Barrier Opening for Targeting Brain Structures and Evaluating Chemogenetic Neuromodulation

Gerichte echografie geïnduceerde bloed-hersenbarrièreopening voor het richten op hersenstructuren en het evalueren van chemogenetische neuromodulatie

Acoustically Targeted Chemogenetics (ATAC) allows for the noninvasive control of specific neural circuits. ATAC achieves such control through a ...

Three-Dimensional Motor Nerve Organoid Generation

Driedimensionale motorische zenuw organoïde generatie

A fascicle of axons is one of the major structural motifs observed in the nervous system. Disruption of axon fascicles could cause developmental and ...