Modellazione tridimensionale delle forme e analisi delle strutture cerebrali

L’analisi della forma delle strutture cerebrali è emersa come lo strumento preferito per studiare i loro cambiamenti morfologici sotto processi patologici, come le malattie neurodegenerative e l’invecchiamento¹. Sono necessari vari metodi computazionali per 1) delineare con precisione i confini delle strutture bersaglio da immagini mediche, 2) ricostruire la forma di destinazione sotto forma di mesh di superficie 3D, 3) costruire corrispondenza inter-soggetti attraverso i singoli modelli di forma tramite la parametrizzazione della forma o la registrazione della superficie, e 4) valutare quantitativamente le differenze di forma regionali tra individui o gruppi. Nel corso degli ultimi anni, molti metodi sono stati introdotti negli studi di neuroimaging per ciascuno di questi passaggi. Tuttavia, nonostante i notevoli sviluppi nel settore, non ci sono molti quadri immediatamente applicabili alla ricerca. In questo articolo viene descritto ogni passaggio dell’analisi delle forme delle strutture cerebrali utilizzando i nostri strumenti personalizzati di modellazione delle forme e gli strumenti di segmentazione delle immagini disponibili pubblicamente.

Qui, dimostriamo il quadro di analisi della forma per le strutture cerebrali attraverso l’analisi della forma degli ippocampi sinistro e destro utilizzando un set di dati di controlli per adulti e pazienti affetti da malattia di Alzheimer. L’atrofia degli ippocampi è riconosciuta come un biomarcatore di imaging critico nelle malattie neurodegenerative^2,3,4. Nel nostro framework di analisi delle forme, utilizziamo il modello di modello della struttura di destinazione e la registrazione deformabile da modello a immagine nel processo di modellazione delle forme. Il modello modello codifica le caratteristiche generali della forma della struttura di destinazione in una popolazione e fornisce anche una linea di base per quantificare le differenze di forma tra i singoli modelli tramite la loro relazione transitiva con il modello modello. Nella registrazione da modello a immagine, abbiamo sviluppato un metodo di deformazione della superficie Laplacian per adattare il modello del modello alla struttura di destinazione in singole immagini riducendo al minimo la distorsione della distribuzione dei punti nel modello^{modello 5,6,7}. La fattibilità e la robustezza del quadro proposto sono state convalidate nei recenti studi di neuroimaging dell’invecchiamento cognitivo⁸, diagnosi precoce di lieve danno cognitivo⁹, e per esplorare le associazioni tra i cambiamenti strutturali cerebrali e i livelli di cortisolo¹⁰. Questo approccio renderebbe più facile l’utilizzo dei metodi di modellazione e analisi delle forme in ulteriori studi di neuroimaging.