Tredimensjonal form modellering og analyse av hjernens strukturer

Summary

Vi introduserer en halvautomatisk protokoll for figur analyse på hjernens strukturer, inkludert bilde segmentering ved hjelp av åpen programvare, og ytterligere gruppe-klok form analyse ved hjelp av en automatisert modellering pakke. Her viser vi hvert trinn i 3D form analyse protokoll med hippocampus segmentering fra hjernen MR bilder.

Abstract

Statistisk form analyse av hjernens strukturer har blitt brukt til å undersøke tilknytningen mellom deres strukturelle endringer og patologiske prosesser. Vi har utviklet en programvarepakke for nøyaktig og robust form modellering og gruppe-klok analyse. Her introduserer vi en rørledning for figur analysen, fra individuelle 3D-former modellering til kvantitativ gruppe figur analyse. Vi beskriver også fremgangsmåten før prosessering og segmentering ved hjelp av åpne programvarepakker. Denne praktiske guiden vil hjelpe forskerne å spare tid og krefter i 3D-form analyse på hjernens strukturer.

Introduction

Form analyse av hjernens strukturer har dukket opp som det foretrukne verktøyet for å undersøke deres morfologiske endringer under patologiske prosesser, slik som nevrodegenerative sykdommer og aldring¹. Ulike beregningsorientert metoder er nødvendig for å 1) nøyaktig avgrense grensene av målet strukturer fra medisinske bilder, 2) rekonstruere målet form i form av 3D-overflate mesh, 3) bygge Inter-fag korrespondanse på tvers av individuelle form modeller via form parametrisering eller overflate registrering, og 4) kvantitativt vurdere den regionale formen forskjellene mellom individer eller grupper. I løpet av de siste årene har mange metoder blitt innført i neuroimaging studier for hvert av disse trinnene. Men til tross for den bemerkelsesverdige utviklingen i feltet, er det ikke mange rammeverk umiddelbart gjeldende for forskning. I denne artikkelen beskriver vi hvert trinn i formen analyse av hjernens strukturer ved hjelp av vår egendefinerte form modellering verktøy og offentlig tilgjengelig bilde segmentering verktøy.

Her viser vi formen analyse rammeverk for hjernen strukturer gjennom formen analyse av venstre og høyre hippocampi ved hjelp av et datasett av voksne kontroller og Alzheimers sykdom pasienter. Atrofi av hippocampi er anerkjent som en kritisk Imaging biomarkør i nevrodegenerative sykdommer^2,3,4. I vår form analyse rammeverk, benytter vi malen modell av mål strukturen og mal-til-bilde deformerbare registrering i form modellering prosessen. Mal modellen koder generelle figur karakteristikker for mål strukturen i en populasjon, og den gir også en opprinnelig plan for kvantifisere av figur forskjellene mellom de enkelte modellene via deres Transitive relasjon med mal modellen. I mal til bilde registrering, har vi utviklet en Laplacian overflate deformasjon metode for å passe malen modellen til mål strukturen i individuelle bilder samtidig minimere forvrengningen av punkt fordelingen i malen modell^5,6,7. Gjennomførbarhet og robusthet av de foreslåtte rammeverket har blitt validert i nyere neuroimaging studier av kognitiv aldring⁸, tidlig påvisning av mild kognitiv svikt⁹, og å utforske assosiasjoner mellom hjernens strukturelle endringer og kortisol nivåer¹⁰. Denne tilnærmingen vil gjøre det enklere å bruke formen modellering og analysemetoder i ytterligere neuroimaging studier.

Protocol

Brain MR bilder ble kjøpt i henhold til protokollen godkjent av den lokale institusjonelle anmeldelsen styret og etikk komiteen. Merk: Verktøyene for form modellering og analyse kan lastes ned fra NITRC depotet: https://www.nitrc.org/projects/dtmframework/. Det GUI programvare (DTMModeling. exe) kan henrettet etter trekking. <!–The publication list on the shape modeling tools can be found in the proj…

Representative Results

Figuren modellering prosessen beskrevet her har vært ansatt for ulike neuroimaging studier på aldring6,8,10 og Alzheimers sykdom5,9. Spesielt viste denne formen modellering metoden sin nøyaktighet og følsomhet i form analyse på hippocampus for en aldrende befolkning på 6548. En kvantitativ analyse av programv…

Discussion

Oppsummert har vi beskrevet programvare rørledningen for figuren analyse på hjernens strukturer inkludert (1) MR bilde segmentering med åpne verktøy (2) individuell form rekonstruksjon ved hjelp av en deformerbare mal modell, og (3) kvantitativ form forskjell måling via Transitive form korrespondanse med malen modellen. Statistisk analyse under korreksjon av falsk oppdagelses rate (FDR) utføres med formen misdannelse for å undersøke betydningen av morfologiske endringer av hjernens strukturer, forbundet med neuro…

Materials