Tredimensionel form modellering og analyse af hjernestrukturer

Summary

Vi introducerer en halvautomatisk protokol til form analyse af hjernestrukturer, herunder billedsegmentering ved hjælp af åben software, og yderligere gruppe-klog form analyse ved hjælp af en automatiseret modellering pakke. Her demonstrerer vi hvert trin i 3D-form analyse protokollen med hippocampus segmentering fra Brain Mr images.

Abstract

Statistisk form analyse af hjernestrukturer er blevet brugt til at undersøge sammenslutningen mellem deres strukturelle ændringer og patologiske processer. Vi har udviklet en softwarepakke til præcis og robust form modellering og gruppe-Wise analyse. Her introducerer vi en pipeline til figur analysen, fra individuel 3D-figur modellering til kvantitativ gruppe form analyse. Vi beskriver også forbehandlings-og segmenterings trinnene ved hjælp af åbne softwarepakker. Denne praktiske vejledning vil hjælpe forskerne med at spare tid og kræfter i 3D-form analyse på hjernestrukturer.

Introduction

Form analyse af hjernestrukturer er dukket op som det foretrukne værktøj til at undersøge deres morfologiske ændringer under patologiske processer, såsom neurodegenerative sygdomme og aldring¹. Forskellige beregningsmetoder er forpligtet til at 1) præcist afgrænse grænserne for målstrukturer fra medicinske billeder, 2) rekonstruere målet form i form af 3D-overflade mesh, 3) bygge Inter-fag korrespondance på tværs af de enkelte form modeller via form parameterisering eller overflade registrering, og 4) kvantitativt vurdere den regionale form forskelle mellem individer eller grupper. I løbet af de seneste flere år, mange metoder er blevet introduceret i Neuro Imaging undersøgelser for hver af disse trin. Men på trods af den bemærkelsesværdige udvikling på området, er der ikke mange rammer umiddelbart gælder for forskning. I denne artikel beskriver vi hvert trin i form analysen af hjernestrukturer ved hjælp af vores brugerdefinerede form modelleringsværktøjer og offentligt tilgængelige billed segmenterings værktøjer.

Her demonstrerer vi formen analyserammer for hjernestrukturer gennem form analyse af venstre og højre hippocampi ved hjælp af et datasæt af voksne kontroller og Alzheimers sygdom patienter. Atrofi af hippocampi er anerkendt som en kritisk Imaging biomarkør i neurodegenerative sygdomme^2,3,4. I vores form analyserammer anvender vi skabelon modellen for målstrukturen og den deformerbare registrering af skabelon til billede i form modelleringsprocessen. Skabelon modellen koder generelle figur karakteristika for målstrukturen i en population, og den indeholder også en oprindelig plan for kvantificering af figurens forskelle mellem de enkelte modeller via deres transitive relation til skabelon modellen. I skabelonen-til-billede registrering, har vi udviklet en laplacian overflade deformation metode til at passe skabelonen model til målet struktur i individuelle billeder og samtidig minimere forvrængning af punkt fordelingen i skabelonen model^5,6,7. Gennemførligheden og robustheden af de foreslåede rammer er blevet valideret i nylige Neuro Imaging undersøgelser af kognitiv aldring⁸, tidlig påvisning af mild kognitiv svækkelse⁹, og at udforske foreninger mellem hjernen strukturelle ændringer og cortisol niveauer¹⁰. Denne fremgangsmåde vil gøre det lettere at anvende form modellering og analysemetoder i yderligere Neuro Imaging undersøgelser.

Protocol

Brain MR billeder blev erhvervet i den protokol, der er godkendt af den lokale institutionelle revisions bestyrelse og etiske komité. Bemærk: Værktøjerne til forme modellering og analyse kan downloades fra NITRC repository: https://www.nitrc.org/projects/dtmframework/. GUI-softwaren (DTMModeling. exe) kan udføres efter ekstraktion. <!–The publication list on the shape modeling tools can be found i…

Representative Results

Formen modellering proces beskrevet her har været ansat til forskellige Neuro Imaging undersøgelser på aging6,8,10 og Alzheimers sygdom5,9. Især denne form modellering metode viste sin nøjagtighed og følsomhed i form analyse på Hippocampus for en aldrende befolkning på 6548. En kvantitativ analyse af softwa…

Discussion

Sammenfattende har vi beskrevet software pipeline til form analyse på hjernestrukturer, herunder (1) MR image segmentering ved hjælp af åbne værktøjer (2) individuel form rekonstruktion ved hjælp af en deformerbar skabelon model, og (3) kvantitativ form forskel måling via transitiv form korrespondance med skabelon modellen. Statistisk analyse under falsk Discovery rate (FDR) korrektion udføres med formen deformitet at undersøge betydningen af morfologiske ændringer af hjernestrukturer, forbundet med neuropatolo…

Materials