Modelagem e análise tridimensional da forma de estruturas do cérebro

A análise da forma de estruturas cerebrais emergiu como a ferramenta preferida para investigar suas mudanças morfológicas em processos patológicos, como doenças neurodegenerativas e envelhecimento^1. Vários métodos computacionais são necessários para 1) delineam com precisão os limites das estruturas alvo de imagens médicas, 2) reconstruir a forma de alvo na forma de malha de superfície 3D, 3) construir correspondência inter-sujeitos em todos os modelos de forma individual através de parametrização de forma ou registro de superfície, e 4) avaliar quantitativamente as diferenças de forma regional entre indivíduos ou grupos. Ao longo dos últimos anos, muitos métodos foram introduzidos em estudos de neuroimagem para cada uma dessas etapas. No entanto, apesar dos desenvolvimentos notáveis no campo, não há muitos quadros imediatamente aplicáveis à pesquisa. Neste artigo, descrevemos cada etapa da análise de forma das estruturas cerebrais usando nossas ferramentas de modelagem de forma personalizada e ferramentas de segmentação de imagem disponíveis publicamente.

Aqui, demonstramos a estrutura de análise de forma para estruturas cerebrais através da análise de forma dos hipocampi esquerdo e direito usando um conjunto de dados de controles adultos e pacientes com doença de Alzheimer. A atrofia do hipocampi é reconhecida como um biomarcador crítico de imagem em doenças neurodegenerativas^2,3,4. Em nossa estrutura de análise de forma, empregamos o modelo modelo da estrutura alvo e o registro deformável modelo-a-imagem no processo de modelagem de forma. O modelo de modelo codifica características gerais de forma da estrutura alvo em uma população, e também fornece uma linha de base para quantificar as diferenças de forma entre os modelos individuais através de sua relação transitiva com o modelo modelo. No registro modelo-a-imagem, desenvolvemos um método de deformação da superfície laplácina para ajustar o modelo modelo à estrutura alvo em imagens individuais, minimizando a distorção da distribuição de pontos no modelo^{modelo modelo 5,6,7.} A viabilidade e robustez do quadro proposto foram validados em estudos recentes de neuroimagem do envelhecimento cognitivo⁸, detecção precoce do comprometimento cognitivo leve^9,e para explorar associações entre as alterações estruturais cerebrais e os níveis de cortisol¹⁰. Essa abordagem facilitaria o uso dos métodos de modelagem e análise de forma em estudos de neuroimagem adicionais.