Een uitgebreide protocol voor handmatige segmentatie van de mediale temporale lob Structures

Summary

The present work provides a comprehensive set of guidelines for manually tracing the medial temporal lobe (MTL) structures. This protocol can be applied to research involving structural and/or combined structural-functional magnetic resonance imaging (MRI) investigations of the MTL, in both healthy and clinical groups.

Abstract

Het huidige artikel beschrijft een uitgebreide protocol voor handmatige tracering van de set van de hersenen regio's die de mediale temporale kwab (MTL): amygdala, hippocampus, en de bijbehorende parahippocampale regio (perirhinal, entorhinale en parahippocampus juiste). In tegenstelling tot de meeste andere tracing protocollen beschikbaar, meestal gericht op bepaalde MTL gebieden (bijv. amygdala en / of hippocampus), de geïntegreerde visie van de huidige tracing richtsnoeren zorgt voor duidelijke lokalisatie van alle MTL subregio. Door de integratie van informatie uit verschillende bronnen, met inbegrip van bestaande tracing protocollen afzonderlijk gericht diverse MTL structuren, histologische rapporten, en de hersenen atlassen, en met het complement van illustratief beeldmateriaal, het huidige protocol biedt een nauwkeurige, intuïtieve en handige gids voor het begrijpen van de MTL anatomie. De noodzaak van dergelijke traceren richtlijnenwordt ook benadrukt door het illustreren mogelijke verschillen tussen automatische en handmatige segmentatie protocollen. Deze kennis kan worden toegepast in de richting van het onderzoek waarbij niet alleen structurele MRI onderzoeken, maar ook structureel-functionele colocalization en fMRI signaal extractie uit anatomisch gedefinieerde ROI, in gezonde en klinische groepen.

Introduction

De mediale temporale kwab (MTL), een vermoedelijk gebied van het hoogste niveau van integratie van sensorische informatie ¹ is een frequent onderwerp van gerichte analyses geweest. Zo hebben de hippocampus en de bijbehorende parahippocampalis gebieden is uitgebreid bestudeerd in het geheugen onderzoek ^2-5. Ook de rol van de amygdala is herhaaldelijk benadrukt in onderzoek die de verwerking van emoties en emotie-cognitie interacties ^6-11. Onlangs hebben diverse MTL regio kreeg ook aandacht op het nieuwe gebied van neurologie persoonlijkheid, die de structuur en functie van deze en andere hersengebieden koppelt aan individuele variatie in persoonlijkheidskenmerken ^12. Beoordeling van de anatomie en functie van de MTL structuren kunnen van belang zijn bij het vergemakkelijken diagnose van degeneratieve ziekten waarbij specifieke structurele en functionele afwijkingen kan verschillende MTL structuren. Bijvoorbeeld, de ziekte van Alzheimer (AD), een belangrijketrofee van de entorhinalschors en de hippocampus kan worden waargenomen ^13,14, en atrofie van de hippocampus kan de overgang van mild cognitive impairment AD ¹⁵ voorspellen. Automatische segmentatie algoritmen hebben onlangs populair voor het segmenteren van corticale en subcorticale structuren geworden, maar zoals bij elke tool, deze programma's onvermijdelijk fouten tegenkomen in sommige gevallen. In dergelijke gevallen moet een onderzoeker worden uitgerust met zowel de kennis en richtlijnen om de anatomische grenzen van de MTL structuren herkennen. De tendens in de bestaande literatuur gebleken individuele MTL subregio doelgroep ^16-21, met veel protocollen neiging om zich te concentreren op de hippocampus ^16-19.

In tegenstelling tot de meeste van de beschikbare gepubliceerde richtlijnen voor MTL tracing, het huidige protocol biedt een uitgebreide set van richtlijnen die het mogelijk maken voor een duidelijke lokalisatie van alle MTL subregio. Tracing richtlijnen voor de volgende MTL structuren worden beschreven: de amygdala (AMY), de hippocampus (HC), de perirhinal cortex (PRC), de entorhinalschors (ERC), en de parahippocampale cortex (PHC). De AMY en de HC worden eerst opgespoord, en worden dan gevolgd door de parahippocampale gyrus (PHG) structuren. Merk op dat de generieke term HC hier wordt gebruikt voor de HC samenstelling die de juiste HC omvat de subiculum en het achterste segment van het uncus ^22-24. Merk ook op dat de PHG kan worden onderverdeeld in twee segmenten, het voorste deel en het achterste deel. In het voorste gedeelte van het PHG, kan het verder worden onderverdeeld in de laterale en mediale voorste PHG, wiens corticale gebieden komen overeen met de Volksrepubliek China en de ERC, respectievelijk. De PHC, het corticale gebied van het achterste gedeelte van het PHG overeenkomt met het parahippocampus cortex gepast. Voor de eenvoud zullen we gebruik maken van de termen VRC en ERC te verwijzen naar de laterale en mediale voorste PHG, en PHC te verwijzen naar de achterste PHG. De segmentation voor elke structuur begint met een ruwe lokalisatie van de voorste en achterste randen, samen met andere relevante oriëntatiepunten, die vervolgens wordt gevolgd door het opsporen uitgevoerd slice per segment in het frontale vlak in een anterior-posterior/rostro-caudal richting. In alle gevallen zijn de sagittale en axiale secties nauwlettend gevolgd om de lokalisatie van anatomische grenzen en monumenten staan.

De noodzaak van dergelijke traceren richtlijnen wordt ook geïllustreerd in de figuren weergeven van mogelijke verschillen tussen de uitgang van automatische en handmatige segmentatie protocollen. Het voordeel van een protocol dat alle MTL structuren in de huidige visuele vorm beschrijft is dat variaties in de anatomie (bijvoorbeeld de zekerheid sulcus [CS] diepte) die invloed grens definities context worden beschreven met de omringende anatomie (bv. , de Volksrepubliek China en ERC mediale en laterale grenzen variëren in locatie afhankelijk van de diepte van de CS ²⁵ </sup>). Dit is misschien niet duidelijk of begrijpelijk is voor een onervaren tracer of een ervaren tracer die slechts sporen enkele of afzonderlijke structuren, en voor zover wij weten, is zo'n visueel compleet handboek niet bestaan.

Het huidige protocol is een expliciete weergave van richtlijnen voor MTL tracing in een eerder onderzoek het identificeren van differentieel bijdragen van MTL subregio's om het geheugen versterkende effect van emotie ^26, aangepast aan de hogere resolutie hersenen beelden toegestaan ​​door de recente ontwikkelingen in structurele magnetische resonantie (MR) . De tracering wordt geïllustreerd op scans verkregen uit een gezonde vrijwilliger (vrouw, 24 jaar), met behulp van een 3T MR scanner. Anatomische beelden werden verkregen als 3D MPRAGE (TR = 1800 msec; TE = 2,26 msec; FOV = 256 x 256 mm; voxel size = 1 x 0.5 x 0.5 mm) met een overname hoek evenwijdig aan AC-PC. Als beeldgegevens wordt verkregen met een andere overname hoek, zoals schuine oriëntatie, moeten de gegevens reg zijnridded een parallel of loodrecht oriëntatie op AC-PC, zodanig dat de anatomische beschrijvingen mijlpaal te vertalen naar behoren. De beelden werden vervolgens vertaald naar nifti formaat en inbreng in segmentatiesoftware ²⁷ voor handmatige tracing. Scangegevens worden gebruikt in het huidige protocol werd verzameld in het kader van een studie die werd goedgekeurd door de Institutional Review Board, en de vrijwilliger mits schriftelijke toestemming.

Door het tekenen van informatie uit verschillende afzonderlijke tracering protocollen voor deze structuren ^18-22,28-31, evenals van anatomische analyses en atlassen ^23,32,33, het huidige protocol bevat een uitgebreide set van richtlijnen die inconsistenties in de bestaande literatuur. Aangevuld met de bijbehorende beeldmateriaal, wordt dit werk zal naar verwachting duidelijker inzicht in de MTL structuren te bevorderen, en wakkeren belang van toekomstig onderzoek bij de vaststelling van handmatige segmentatie, hetzij als een primaire methode van MTL tracing of als een suppletiery methode om automatische segmentatie. Door het verstrekken van een nauwkeurige, intuïtieve en handige gids voor het begrijpen van de MTL anatomie, zal dit protocol onderzoekers helpen identificeren van de locatie van alle MTL subregio's, ten opzichte van de aangrenzende structuren, zelfs wanneer slechts enkele MTL structuren die specifiek zijn gericht op analyses. Dit zal niet alleen het verhogen van de nauwkeurigheid lokalisatie, maar zal ook helpen tracers weloverwogen beslissingen te nemen in geval van morfologische variatie, die zeer waarschijnlijk in de MTL. Deze richtlijnen kunnen worden toegepast onderzoek met structurele en / of functionele MRI onderzoeken van de MTL, waaronder volumetrische analyses en hersenen anomalie detectie en lokalisatie procedures voor functionele, anatomische en tractographic analyses in gezonde groepen. Dit protocol kan ook worden gebruikt om segmentatie van MTL structuren informeren van patiënten (bijvoorbeeld patiënten met atrofie), als de grote anatomische oriëntatiepunten relatief behouden. Tracing klinische onderwerpgegevens s 'kan extra tijd en inspanning, afhankelijk van de ernst van atrofie en / of anatomische veranderingen.

Het is belangrijk om het onderscheid tussen gyri en cortex overwegen bij het bepalen van de ROI. Anatomisch, gyrus hier verwijst naar zowel de witte stof en grijze stof, terwijl cortex verwijst naar materie alleen grijs. Afhankelijk van het beoogde gebruik van de ROI, misschien segmentaties witte stof bevatten of uitsluiten.

Wij raden de tracering sequentieel worden uitgevoerd, onderbouw met onderbouw, een hersenhelft tegelijk. Bepaalde software pakketten ³⁴ tot onderzoek naar de grenzen uiteengezet op een schijfje te worden geplakt op latere plakjes, een functie die versnelt het proces. Het is altijd raadzaam om te verwijzen naar de tegengestelde halfrond als nodig is, om te controleren op consistentie tussen de twee partijen (bijvoorbeeld in het opsporen van anatomische oriëntatiepunten). Als alternatief, parallel traceren van dezelfde structuren binnen de twee halfronds kan ook worden uitgevoerd. Ongeacht of de tracering is sequentieel of parallel, zodra het proces is voltooid, moet de tracers double-check het eindresultaat en aanpassingen maken als nodig is, verwijzen naar beide halfronden en meerdere weergaven vliegtuig. Afhankelijk van de ervaring van de tracer en de resolutie van de beeldgegevens, kunnen handmatige segmentatie van de MTL voor gezonde proefpersoon gegevens te nemen 8-10 uur of meer, in het geval van een beginnende tracer, tot 3-4 uur, in de Bij een ervaren.

Figuur 1. Een 3D overzicht van de MTL, opgespoord met behulp van het huidige protocol. Structuren die hier getoond worden de AMY (rood), de HC (blauw), de Volksrepubliek China (geel), de ERC (roze), en de PHC (groen) .

Protocol

1. Amygdala Anterieure Schijfjes van de AMY Identificeer het eerste deel van de AMY waarin de limen insula aanvankelijk verschijnt, waar de witte stof verbinding tussen de frontale en temporale kwabben is continu en zichtbaar 30. In het coronale hebt u de hoekige bundel als de inferolateral grens van de AMY. Zoek de optisch chiasma als een mijlpaal voor de verschijning van de AMY. Gebruik de axiale en sagittale uitzicht op de AMY onderscheiden in zijn vroege plakjes uit de omligg…

Representative Results

Illustratie van de mogelijke verschillen tussen Handmatige en automatische segmentatie Een 3D-model van de handmatige segmentatie voor de AMY, HC, China, ERC en PHC is getoond in figuur 1, en ​​een sagittale doorsnede van de segmentatie wordt getoond in figuur 2. Ter illustratie van extreme mogelijke verschillen tussen handmatige en automatische traces, plakken van de AMY uit een representatieve onderwerp met foutieve geautomatiseerde se…

Discussion

Traditioneel is handmatige segmentatie beschouwd als de gouden standaard door vele onderzoekers. Niettemin heeft een nauwkeurige afbakening van de individuele structuren bemoeilijkt door de sterk variabele morfologie van de MTL structuren, en de gewoonlijk zwakke MRI contrast van deze structuren tegen de omringende zenuwweefsel en niet-neurale gebieden. Historisch gezien zijn er tegenstrijdige beschrijvingen in de literatuur enkele MTL structuren. In sommige gevallen segmenteren China bijvoorbeeld de zekerheid sulcus is…

Materials

ITK-SNAP	ITK-SNAP Team at University of Pennsylvania and University of Utah	ITK-SNAP v2.2
FSL	Functional Magnetic Resonance Imaging of the Brain (FMRIB) Analysis Group	FSL v4.1
3T Siemens Trio MR Scanner	Siemens	3T Trio