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

Работа финансировалась Национальным исследовательским фондом Кореи (JP as the PI). JK финансируется Национальным университетским исследовательским фондом Кёнгпука; и MCVH финансируется Благотворительным фондом Row Fogo и Королевским обществом Эдинбурга. Сегментация гиппокампа была адаптирована из внутренних руководящих принципов, написанных доктором Карен Фергюсон, в Центре клинических наук о мозге, Эдинбург, Великобритания.

Мозг MR изображения были приобретены в рамках протокола, утвержденного местным институциональным наблюдательным советом и комитетом по этике.
ПРИМЕЧАНИЕ: Инструменты для моделирования форм и анализа можно загрузить из репозитория NITRC: <a href="https://www.nitrc.org/projects/dtmfram...

<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>

Таким образом, мы описали программный конвейер для анализа формы на структурах мозга, включая (1) сегментацию изображений MR с помощью открытых инструментов (2) индивидуальную реконструкцию формы с использованием деформируемой модели шаблона, и (3) количественную разницу в форме измерени...

Форма анализа структур мозга стала предпочтительным инструментом для исследования их морфологических изменений в рамках патологических процессов, таких как нейродегенеративные заболевания и старение1. Требуются различные вычислительные методы, чтобы 1) точно разграничить границы целевых структур из медицинских изображений, 2) реконструировать целевую форму в виде 3D-поверхностной сетки, 3) построить межсубъекты корреспонденции по отдельным моделям формы с помощью параметризации формы или регистрации поверхности, и 4) количественно оценить региональные различия в форме между отдельными лицами или группами. За последние несколько лет, многие методы были введены в нейровизуальных исследований для каждого из этих шагов. Однако, несмотря на значительные события в этой области, существует не так много рамок, непосредственно применимых к исследованиям. В этой статье мы описываем каждый этап анализа форм структур мозга, используя наши пользовательские инструменты моделирования форм и общедоступные инструменты сегментации изображений.
Здесь мы демонстрируем рамки анализа формы для структур мозга через анализ формы левого и правого гиппокампа с помощью набора данных о контроле взрослых и больных болезнью Альцгеймера. Атрофия гиппокампа признана критическим биомаркером визуализации при нейродегенеративных заболеваниях2,3,4. В нашей структуре анализа форм мы используем модель шаблона целевой структуры и деформируемую регистрацию шаблона к изображению в процессе моделирования форм. Модель шаблона кодирует общие характеристики формы целевой структуры в популяции, а также обеспечивает базовый уклад для количественной оценки различий в формах между отдельными моделями через их переходное отношение с моделью шаблона. При регистрации шаблона к изображению мы разработали метод деформации поверхности Лаплациа, чтобы соответствовать модели шаблона к целевой структуре в отдельных изображениях, минимизируя при этом искажение распределения точек в модели шаблона5,6,7. Осуществимость и надежность предлагаемой структуры были подтверждены в последние нейровизуальные исследования когнитивного старения8, раннее выявление легких когнитивных нарушений9, и для изучения связей между структурными изменениями мозга и уровня кортизола10. Такой подход облегчил бы использование методов моделирования форм и анализа в дальнейших нейровизуальных исследованиях.

three-dimensional shape modeling and analysis of brain structures

Статистический анализ формы структур мозга был использован для исследования связи между их структурными изменениями и патологическими процессами. Мы разработали программный пакет для точного и надежного моделирования форм и группового анализа. Здесь мы вводим конвейер для анализа формы, от индивидуального 3D-моделирования формы до количественного анализа формы группы. Мы также описываем шаги предварительной обработки и сегментации с использованием открытых программных пакетов. Это практическое руководство поможет исследователям сэкономить время и усилия в 3D-анализе формы на структурах мозга.

Процесс моделирования формы, описанный здесь, был использован для различных нейровизуальных исследований на старение6,8,10 и болезнь Альцгеймера5,9. Особенно, этот метод моделирования фо?...

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

Мы вводим полуавтоматический протокол для анализа формы на структурах мозга, включая сегментацию изображений с помощью открытого программного обеспечения, и дальнейший групповой анализ формы с помощью автоматизированного пакета моделирования. Здесь мы демонстрируем каждый шаг протокола анализа 3D формы с гиппокампа сегментации из изображений MR мозга.

Трехмерное моделирование формы и анализ структур мозга

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

Точное восстановление особенностей формы от грубых и шумных сегментирований имеет решающее значение для достижения хорошей анатомической корреспонденции между отдельными моделями формы мозга. Наша структура предоставляет различные инструменты для индивидуального моделирования формы, групповой шаблонной конструкции и расчета деформации формы. И он был использован для больших наборов данных человеческого мозга.Демонстрация этой процедуры будет д-р Jaeil Ким, бывший аспирант из моей лаборатории, который разработал программное обеспечение для моделирования формы мозга. Для ручного редактирования сегментации гиппокампа откройте магнитно-резонансное изображение веса Т1, а автоматическая сегментация гиппокампа приводит к графическому программному обеспечению пользовательского интерфейса. Нажмите значок в окне дисплея, чтобы выбрать коронал зрения и прокрутки громкости до тех пор, пока uncus находится.В том числе uncus в гиппокампе маску, где она присутствует, использовать добавить и вычесть функции для редактирования маски тела гиппокампа после uncus отступил. Продолжайте редактировать маску гиппокампа до тех пор, пока не будет найден хвост гиппокампа. По мере того, как пульвинарное ядро таламуса отступает выше гиппокампа, появится fornix.Закончите редактирование последнего короналовая ломтика гиппокампа, в котором видна вся длина fornix, но еще не непрерывный с блеском мозоли корпуса. Затем сохраните маски как для левого, так и для правого гиппокампа в формате NifTI. Чтобы построить модель группового шаблона, загрузите плагин моделирования формы и нажмите Open Directory, чтобы открыть каталог, содержащий бинарные маски группы интересов исследования.Ввещаем нужное количество вертиков и щелкните Template Construction для создания шаблона группы. Затем проверьте сетку среднего формы. Для индивидуальной реконструкции формы загрузите взвешенное магнитно-резонансное изображение T1, представляющие интерес, и соответствующую маску сегментации и выберите рабочий каталог для сохранения файлов.Выберите модель шаблона для индивидуального моделирования формы и проверьте и при необходимости измените параметры моделирования формы. Таким образом, наша структура моделирования почти автоматизирована, однако некоторые шаги требуют подтверждения пользователем. Например, если значение для областей гиппокампа не является одним пользователи должны изменить параметр интенсивности.Затем проверьте результат в 3D-представлении рабочей скамьи инструментария. Для выполнения измерения формы и деформации выберите модель формы предмета, представляющий интерес для менеджера данных программного обеспечения, и нажмите Select Template, чтобы выбрать шаблон, представляющий интерес для получения измерения. Здесь можно наблюдать репрезентативную деформацию модели шаблона гиппокампа для индивидуальной реконструкции формы.Метод вызывает от большого до малого масштаба деформации шаблона модели, чтобы свести к минимуму искажение его распределения то же время при восстановлении индивидуальных характеристик формы. На этом рисунке показаны реконструированные модели формы из двух предметов с их сегментации масками. На этих изображениях выровнены отдельные модели формы, их средняя модель и векторы различий в форме с отдельной моделью формы.Эти данные представляют карты деформации средней формы, проецируемые на среднюю модель. Для одной группы с небольшим объемом ткани мозга, и одна группа с большим объемом ткани мозга. Карты деформации формы двух групп представляют противоположные закономерности разницы форм гиппокампа в соответствующих регионах.Проверьте маску сегментации и отдельных или либо общей модели вместе. Если модель не установлена к границе изображения, отрегулируйте параметры моделирования, чтобы достичь лучших результатов. Статистический анализ с использованием деформации формы может быть выполнен для исследования групповой формы Мы также предоставили код MATLAB для анализа на нашей странице проекта.Этот надежный метод был применен к ряду клинических исследований, не только с участием критического моделирования структуры, такие как болезнь Альцгеймера или старение исследования, но и ноги кости расстройств, которые требуют анализа сложных костей.

Research

JoVE Journal

Neuroscience

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

Вскрытие и культуры мышь дофаминергической и стриатуме эксплантов в трехмерных Анализы коллагеновой матрице

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

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

Протокол трехмерной конфокальной морфометрического анализа астроцитов

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

Трехмерных изображений и анализ митохондрии внутри человека Intraepidermal нервных волокон

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

Вглядываясь мозга полисом с атомно-силовой микроскопии

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

Анатомически вдохновленные трехмерные микротамовые инженерные нейронные сети для восстановления, модуляции и моделирования нервной системы

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

Крупномасштабные трехмерных изображений клеточной организации коры головного мозга мыши

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

Хронический имплантации целом корковых Electrocorticographic массива в общей игрунка

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

Открытие гематоэнцефалического барьера с помощью фокусированного ультразвука для воздействия на структуры головного мозга и оценки хемогенетической нейромодуляции

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

Трехмерное моторное нервное органоидное поколение

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