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

Arbetet finansierades av National Research Foundation i Korea (JP som PI). JK finansieras av Kyungpook nationella universitets forskningsfonden; och MCVH finansieras av Row Fogo välgörenhets förtroende och Royal Society of Edinburgh. Den Hippocampus segmentering anpassades från in-House riktlinjer skrivna av Dr Karen Ferguson, vid centrum för klinisk hjärn vetenskap, Edinburgh, Storbritannien.

Brain MR-bilder förvärvades enligt det protokoll som godkänts av den lokala institutionella prövnings nämnden och etikkommittén.
Anmärkning: Verktygen för form modellering och analys kan laddas ner från NITRC repository: <a href="https://www.nitrc.org/projects/dtmframework/" target="_blank">https://www.nitrc.org/projects/dtmframework/</a>. GUI-programvaran (DTMModeling. exe) kan köras efter extraktion. <!--The publication list on the shape modeling tools can be found...

<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>

Sammanfattnings, vi har beskrivit programvaran pipeline för form analys på hjärnans strukturer inklusive (1) MR image segmentering med hjälp av öppna verktyg (2) individuell form rekonstruktion med hjälp av en deformerbar mall modell, och (3) kvantitativ form skillnad mätning via transitiv form korrespondens med mallmodellen. Statistisk analys enligt false Discovery Rate (FDR) korrigering utförs med formen deformitet att undersöka betydelsen av morfologiska förändringar av hjärnans strukturer, i samband med n...

Form analys av hjärnstrukturer har dykt upp som det föredragna verktyget för att undersöka deras morfologiska förändringar under patologiska processer, såsom neurodegenerativa sjukdomar och åldrande1. Olika beräkningsmetoder krävs för att 1) exakt avgränsa gränserna för målstrukturer från medicinska bilder, 2) rekonstruera målformen i form av 3D-yta mesh, 3) bygga Inter-ämnen korrespondens över enskilda form modeller via form Parameterisering eller yta registrering, och 4) kvantitativt bedöma de regionala form skillnader mellan individer eller grupper. Under de senaste åren har många metoder införts i neuroimaging studier för vart och ett av dessa steg. Men trots den anmärkningsvärda utvecklingen på området, det finns inte många ramar omedelbart tillämpas på forskning. I den här artikeln beskriver vi varje steg i form analysen av hjärnstrukturer med hjälp av våra anpassade form modelleringsverktyg och allmänt tillgängliga bildsegmenteringsverktyg.
Här visar vi formen analys ramverk för hjärnstrukturer genom form analys av vänster och höger hippocampi med hjälp av en uppsättning av vuxna kontroller och patienter med Alzheimers sjukdom. Atrofi av hippocampi är erkänd som en kritisk Imaging biomarkör i neurodegenerativa sjukdomar2,3,4. I vårt ramverk för form analys använder vi mallmodellen för målstrukturen och den deformerbara registreringen av mallen till bild i form modelleringsprocessen. Mallmodellen kodar allmänna formegenskaper för målstrukturen i en population, och den ger också en baslinje för att kvantifiera form skillnaderna mellan de enskilda modellerna via deras transitiva relation med mallmodellen. I mallen-till-bild-registrering har vi utvecklat en laplacian yta deformation metod för att passa mallen modell till målstrukturen i enskilda bilder och samtidigt minimera snedvridning av punkt fördelningen i mallen modell5,6,7. Genomförbarheten och robustheten i den föreslagna ramen har validerats i senaste neuroimaging studier av kognitiva åldrande8, tidig upptäckt av mild kognitiv svikt9, och att utforska föreningar mellan hjärnans strukturella förändringar och kortisolnivåer10. Detta tillvägagångssätt skulle göra det lättare att använda form modellering och analysmetoder i ytterligare neuroimaging studier.

three-dimensional shape modeling and analysis of brain structures

Statistisk form analys av hjärnstrukturer har använts för att undersöka sambandet mellan deras strukturella förändringar och patologiska processer. Vi har utvecklat ett mjukvarupaket för noggrann och robust form modellering och grupp-Wise analys. Här introducerar vi en pipeline för form analys, från individuell 3D-form modellering till kvantitativ grupp form analys. Vi beskriver också förbehandling och segmentering steg med hjälp av öppna mjukvarupaket. Denna praktiska guide skulle hjälpa forskare att spara tid och ansträngning i 3D-form analys på hjärnans strukturer.

Den form modellering process som beskrivs här har varit anställd för olika neuroimaging studier på åldrande6,8,10 och Alzheimers sjukdom5,9. Speciellt, denna form modelleringsmetod visade sin noggrannhet och känslighet i form analys på Hippocampus för en åldrande befolkning på 654 försökspersoner8. En k...

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

Vi introducerar ett halvautomatiskt protokoll för form analys på hjärnstrukturer, inklusive bildsegmentering med öppen programvara, och ytterligare grupp vis form analys med hjälp av ett automatiserat modellerings paket. Här visar vi varje steg i 3D-form analysprotokoll med Hippocampus segmentering från Brain Mr images.

Tredimensionell form modellering och analys av hjärnstrukturer

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

Exakt återvinna formen funktioner mot grov och bullriga segmenteringar är avgörande för att uppnå god anatomisk korrespondens mellan enskilda hjärnan form modeller. Vårt ramverk ger olika verktyg för individuell formmodellering, gruppvis mallkonstruktion och formdeformalitetsuträkning. Och det har använts för stora datauppsättningar av den mänskliga hjärnan.Demonstrera detta förfarande kommer att Dr.Jaeil Kim, en tidigare grad student från mitt laboratorium som utvecklat programvaran för hjärnan form modellering. För manuell redigering av hippocampus segmentering, öppna T1 vikt magnetisk resonansbild och den automatiska hippocampus segmentering resulterar i den grafiska användargränssnittet programvara. Klicka på ikonen i visningsfönstret för att välja koronal vy och bläddra igenom volymen tills uncus finns.Inklusive uncus i hippocampus mask där den är närvarande, använd lägga till och subtrahera funktioner för att redigera masken av hippocampus kroppen efter uncus har avtar. Fortsätt redigera hippocampusmasken tills hippocampusvansen hittas. Som pulvinar kärnan i thalamus recedes överlägsen hippocampus, kommer fornix fram.Avsluta redigeringen av den sista koronaskivan av hippocampus där hela fornixlängden är synlig, men ännu inte kontinuerlig med spleniumet av corpus callosum. Spara sedan maskerna för både vänster och höger hippocampi i NifTI-format. För att konstruera en gruppmallmodell ladda plugin-programmet formmodellering och klicka på Öppna katalog för att öppna en katalog som innehåller de binära maskerna för studiepopulationen av intresse.Mata in önskat antal vertices och klicka på Mallkonstruktion för gruppmallskonstruktionen. Kontrollera sedan medelformens nät. För individuell formrekonstruktion, ladda den T1-viktade magnetiska resonansbilden av intresse och dess motsvarande segmenteringsmask och välj arbetskatalogen för att spara filerna.Välj en mallmodell för den individuella formmodellering och kontrollera och ändra modelleringsparametrarna i plugin-programmet för formmodellering vid behov. Så vår modellering ram är nästan automatiserad, dock kräver vissa steg användaren bekräftelse. Till exempel, om värdet för regionerna hippocampus är inte en användare måste ändra intensitet parametern.Kontrollera sedan resultatet i 3D-vyn av verktygslådan arbetsbänk. För att utföra en form och deformitetsmätning välj formmodell av ämnet av intresse i datahanteraren av programvaran och klicka på Välj mall för att välja mall av intresse för att erhålla mätningen. Här kan en representativ deformation av hippocampus mallmodellen för individuell formrekonstruktion observeras.Metoden inducerar en stor till småskalig deformation av mallmodellen för att minimera förvrängningen av dess punktfördelning samtidigt som de individuella formegenskaperna återställs. I denna figur visas rekonstruerade formmodeller från två motiv med sina segmenteringsmasker. I dessa bilder justerade enskilda formmodeller, deras genomsnittliga modell och formskillnaden vektorer med en enskild formmodell kan observeras.Dessa data representerar genomsnittliga form deformitet kartor projiceras på den genomsnittliga modellen. För en grupp med en liten hjärnvävnadsvolym, och en grupp med en stor hjärnvävnadsvolym. Formen deformitet kartor över de två grupperna presentera motsatta mönster av hippocampus form skillnad på motsvarande regioner.Kontrollera segmenteringsmasken och individen eller antingen den delade modellen tillsammans. Om modellen inte är monterad på bildgränsen justerar du modelleringsparametrarna för att uppnå bättre resultat. Statistisk analys med hjälp av formdeformiteten kan utföras för att undersöka den gruppvisa formen Vi har även lämnat MATLAB-kod för analysen på vår projektsida.Denna robusta metod har tillämpats på ett antal kliniska studier, inte bara omfattar kritisk struktur modellering såsom Alzheimers sjukdom eller åldrande studie, men också mul-ben störningar som kräver analys av sammansatta ben.

Research

JoVE Journal

Neuroscience

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

Dissektion och kultur mus dopaminerga och Striatala Explantat i tredimensionella analyser kollagenmatris

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

Protokoll för Tredimensionell Confocal Morfometrisk Analys av 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

Tredimensionell avbildning och analys av mitokondrier inom mänskliga Intraepidermal nervfibrer

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

Peering på Brain polysomer med atomkraftsmikroskopi

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

Anatomiskt inspirerade tredimensionella mikrovävnadsgenererade neurala nätverk för nervsystemet återuppbyggnad, modulering och 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

Storskaliga tredimensionell avbildning av cellulära organisation i mus hjärnbarken

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

Kronisk Implantation av hela-kortikala Electrocorticographic matris i Marmosettapa

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

Fokuserad ultraljudsinducerad blod-hjärnbarriäröppning för att rikta in sig på hjärnstrukturer och utvärdera kemogenetisk neuromodulering

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

Tredimensionell motorisk nervorganoidgeneration

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