מידול צורה תלת מימדי וניתוח מבני המוח
14 בנובמבר 2019
אנו מציגים פרוטוקול חצי אוטומטי עבור ניתוח צורה על מבני המוח, כולל פילוח תמונה באמצעות תוכנה פתוחה, ועוד ניתוח צורה מבחינת הקבוצה באמצעות חבילת דוגמנות אוטומטית. כאן, אנו מדגימים כל שלב של הפרוטוקול ניתוח צורה 3D עם פילוח היפוקמאל מתמונות MR המוח.
שחזור מדויק של תכונות הצורה כנגד פילוחים מחוספסים ורועשים הוא קריטי להשגת התכתבות אנטומית טובה בין מודלים בודדים של צורת המוח. המסגרת שלנו מספקת כלים שונים עבור מידול צורות אינדיבידואלי, בניית תבנית מבחינת קבוצה וחישוב עיוות צורה. והוא שימש לערכות נתונים גדולות של המוח האנושי.
הדגמת הליך זה תהיה ד"ר ג'ליל קים, סטודנט לשעבר לתואר שני מהמעבדה שלי שפיתח את התוכנה למידול צורת המוח. לעריכה ידנית של פילוח ההיפוקמפוס, פתחו את תמונת התהודה המגנטית של משקל T1 ואת תוצאות פילוח ההיפוקמפוס האוטומטי בתוכנת ממשק המשתמש הגרפי. לחץ על הסמל בחלון התצוגה כדי לבחור את תצוגת coronal ולגלול דרך עוצמת הקול עד uncus ממוקם.
כולל uncus במסכת ההיפוקמפוס שבו הוא נוכח, להשתמש בפונקציות להוסיף לחסר כדי לערוך את המסכה של הגוף ההיפוקמפוס לאחר uncus נסוג. המשך לערוך את מסכת ההיפוקמפוס עד שנמצא זנב ההיפוקמפוס. כאשר גרעין הפולווינר של התלמוס נסוג עדיף על ההיפוקמפוס, הפורניקס ייצא.
סיים לערוך את פרוסת הקורונול האחרונה של ההיפוקמפוס שבה כל אורך ה-fornix גלוי, אך עדיין לא רציף עם התפוז של כפיסת הקורפוס. לאחר מכן, שמור את המסכות הן עבור ההיפוקמפוס השמאלי והן עבור ההיפוקמפוס הימני בפורמט NifTI. כדי לבנות מודל תבנית קבוצה, טען את יישום ה- Plug-in של מידול הצורות ולחץ על פתח ספריה כדי לפתוח ספריה המכילה את המסכות הבינאריות של אוכלוסיית המחקר המעניינים.
הזן את מספר הקודקודים הרצוי ולחץ על בניית תבנית עבור בניית תבנית הקבוצה. לאחר מכן בדוק את רשת שינוי הצורה הממוצעת. לשחזור צורה בודד, טען את תמונת התהודה המגנטית משוקלל T1 של עניין ואת מסיכת הפילוח המתאימה שלה ובחר את ספריית העבודה כדי לשמור את הקבצים.
בחר מודל תבנית עבור מידול הצורות הבודד ובדוק ושנה את פרמטרי מידול התוסף מידול הצורות לפי הצורך. אז מסגרת הדוגמנות שלנו היא כמעט אוטומטית, עם זאת, כמה צעדים דורשים אישור המשתמש. לדוגמה, אם הערך עבור אזורי ההיפוקמפוס אינו משתמש אחד חייב לשנות את פרמטר העוצמה.
לאחר מכן, בדקו את התוצאה בתצוגה תלת-מימדית של סכך העבודה של ארגז הכלים. כדי לבצע מדידת צורה ועיוות, בחר את מודל הצורה של נושא העניין במנהל הנתונים של התוכנה ולחץ על בחר תבנית כדי לבחור את תבנית העניין כדי להשיג את המדידה. כאן, ניתן לראות עיוות מייצג של מודל תבנית ההיפוקמפוס לשחזור צורה בודד.
השיטה גורמת לעיוות בקנה מידה גדול עד קטן של מודל התבנית כדי למזער את עיוות התפלגות הנקודות שלו תוך שחזור מאפייני הצורה הבודדים. בנתון זה מוצגים מודלים של צורה משוחזרת משני נושאים עם מסכות הפילוח שלהם. בתמונות אלה מיושרים מודלי צורה בודדים, המודל הממוצע שלהם, ואת וקטורים הבדל צורה עם מודל צורה בודד ניתן לראות.
נתונים אלה מייצגים מפות עיוות צורה ממוצעות המוקרנות על המודל הממוצע. עבור קבוצה אחת עם נפח רקמת מוח קטן, וקבוצה אחת עם נפח רקמת מוח גדול. מפות עיוות הצורה של שתי הקבוצות מציגות דפוסים מנוגדים של הבדל צורה בהיפוקמפוס באזורים המתאימים.
בדוק את מסיכת הפילוח ואת האדם או את המודל המשותף יחד. אם הדגם אינו מותאם לגבול התמונה, התאימו את פרמטרי מידול כדי להשיג תוצאות טובות יותר. ניתוח סטטיסטי באמצעות עיוות הצורה יכול להתבצע כדי לחקור את הצורה הקבוצתית סיפקנו גם קוד MATLAB לניתוח בדף הפרויקט שלנו.
שיטה חזקה זו הוחלה על מספר מחקרים קליניים, לא רק מעורבים מידול מבנה קריטי כגון מחלת אלצהיימר או מחקר הזדקנות, אלא גם הפרעות עצם כף הרגל הדורשות ניתוח של עצמות מורכבות.
צפו בתמליל המלא וקבלו גישה לאלפי סרטונים מדעיים
סקירה כללית
מחקר זה מציג פרוטוקול חצי-אוטומטי לניתוח תלת-ממדי של מבני מוח, תוך התמקדות בסגמנטציה של ההיפוקמפוס מדימויי MRI של המוח. המתודולוגיה כוללת שימוש בתוכנה פתוחה לסגמנטציה של תמונות, ולאחריה ניתוח צורה קבוצתי באמצעות חבילת מידול אוטומטית.
מרכיבי מפתח של המחקר
תחום מדעי
- מדעי המוח
- ניתוח תמונות
- מידול מבני של המוח
רקע
- שחזור צורה מדויק הוא חיוני להתאמה אנטומית במודלים של המוח.
- המסגרת כוללת כלים למידול צורה וחישוב דפורמציות.
- נעשה בה שימוש עם מאגרי נתונים גדולים של מוחות אנושיים למחקרים שונים.
- התוכנה פותחה על ידי ד"ר Jaeil Kim ומציגה תכונות ידידותיות למשתמש.
מטרת המחקר
- להדגמת פרוצדורה לסגמנטציה של ההיפוקמפוס וניתוח צורה.
- לספק מסגרת אוטומטית למידול צורות מוח ברמה האינדיבידואלית והקבוצתית.
- להציע כלים לניתוח סטטיסטי של שינויי צורה.
שיטות שנעשה בהן שימוש
- השיטה משתמשת בממשק משתמש גרפי לעריכת תמונות MRI וסגמנטציה.
- המחקר מתמקד במבני ההיפוקמפוס באמצעות תמונות תהודה מגנטית המשוקללות ב-T1.
- המשתמשים עורכים ידנית את הסגמנטציות של ההיפוקמפוס ובונים תבניות קבוצתיות.
- ניתוח סטטיסטי מבוצע באמצעות מדידות של עיוותי צורה.
- קוד MATLAB לניתוח זמין בדף הפרויקט.
תוצאות עיקריות
- הגישה מאפשרת מידול מדויק של צורת ההיפוקמפוס וחישוב עיוותי צורה.
- התוצאות מדגימות הבדלים בצורת ההיפוקמפוס בין קבוצות עם נפחי רקמת מוח משתנים.
- מאפייני צורה אינדיבידואליים משומרים תוך מזעור העיוות במהלך המידול.
- כלול ויזואליזציה של מודלים מיושרים ומפות ממוצעות של עיוותי צורה.
מסקנות
- פרוטוקול זה מאפשר ניתוח צורה ומידול יעילים של מבני ההיפוקמפוס.
- המתודולוגיה משפרת את ההבנה של וריאציות אנטומיות במחקר המוח.
- היישומים נשהים למחקרים קליניים הכוללים מצבים כמו מחלת אלצהיימר ואנומליות מבניות אחרות.
שאלות נפוצות
רלוונטיות תעשייתית למנהלים
מידול מדויק בתלת-ממד של מבני המוח מאפשר הערכה כמותית של וריאציות אנטומיות הקשורות לתהליכים פתולוגיים, ובכך תומך בתיקוף של מטרות במחקר של מחלות ניווניות. גישה זו מספקת ביטחון חיזוי על ידי קישור סממנים מבניים (biomarkers) למכניזמי המחלה, מה שמקל על קבלת החלטות לגבי המשך התהליך (go/no-go) בשלבי הגילוי המוקדמים. השיטה משפרת את הרצף התרגומי מהשלב הגילוי ועד למידול פרה-קליני באמצעות סטנדרטיזציה של פנוטיפי הצורה בין קבוצות מחקר שונות.
יישומים אסטרטגיים במחקר ופיתוח בביופארמה
גילוי מוקדם ותיקוף מטרה
- ערך מדעי: מאפשר בדיקת היפותזות טיפוליות באמצעות כימות שינויים במורפולוגיית ההיפוקמפוס הקשורים למצבים מחלה.
- ערך תפעולי: תומך בהפחתת סיכונים ביולוגיים באמצעות מדידות הדירות של עיוותי צורה במאגרי נתונים גדולים.
- ערך ניבוי: משפר את תעדוף הפורטפוליו באמצעות זיהוי ביומרקרים מבניים עם קורלציות חזקות בין גנוטיפ לפנוטיפ.
סריקה ופיתוח בדיקות (Assay)
- מוכנות הבדיקה: מכינה מערכות ביולוגיות שעברו תיקוף לסריקות המשך על ידי יצירת מודלים סטנדרטיים של צורה מנתוני MRI.
- פלט כמותי: מספקת מדדים מספריים של עיוותי צורה המאפשרים סריקה בעלת תוכן גבוה (high-content screening) של השפעות תרכובות על מבנה המוח.
- שימוש חוזר בפלטפורמה: מאפשרת יישום ניתן להרחבה במחקרים שונים באמצעות בניית תבניות אוטומטית ושילוב תוכנה פתוחה.
מחקר תרגומי ופרה-קליני
- רלוונטיות למחלה: ישים באופן ישיר למחקרים על מחלת אלצהיימר והזדקנות, שבהם ניוון של ההיפוקמפוס הוא מאפיין פתולוגי מרכזי.
- סמן ביולוגי תרגומי: מפות עיוות צורה משמשות כנקודות קצה כמותיות להמשכיות בין השלב הפרה-קליני לשלב הקליני.
- קידום מותאם סיכונים: מאפשר השוואה אובייקטיבית של השפעות התערבות על מבנה המוח, ובכך מפחית את הסיכון לכישלון בשלבים מאוחרים יותר.
שילוב תהליכי עבודה וצנרת עיבוד
השיטה משתלבת ברצף הגילוי, החל מתיקוף מוקדם של מטרה ועד לבדיקת יעילות פרה-קלינית, באמצעות אספקת פנוטיפינג נוירו-אנטומי סטנדרטי וכמותי.
- ביולוגיה של גילוי: תומכת בבדיקת השערות על ידי קישור התערבויות גנטיות או פרמקולוגיות לשינויים מדידים בצורה של תתי-אזורים בהיפוקמפוס.
- סריקה: מאפשרת סטנדרטיזציה של בדיקות באמצעות בניית תבניות לפי קבוצות, מה שמבטיח השוואות קו בסיס עקביות בין ספריות של תרכובות.
- אנליטיקה: יוצרת וקטורים של עיוותי צורה ומפות סטטיסטיות המאפשרות השוואה אובייקטיבית של פנוטיפים מבניים בין קבוצות טיפול לקבוצות ביקורת.
- מחקר תרגומי: מקשר בין ממצאי גילוי לתיקוף פרה-קליני על ידי שמירה על נאמנות אנטומית לאורך התאמות של המסגרת למינים ספציפיים.
- שימוש חוזר ארגוני: משמש כפלטפורמת דימות עצבי לשימוש חוזר הודות לתשתורת התוכנה הפתוחה שלו וזרימת עבודה מודולרית למידול וניתוח צורה.
השפעה תפעולית וארגונית
- ערך מדעי: מפחית עמימות מכניסטית על ידי אספקת קישורים כמותיים ישירים בין שינויים מבניים במוח לבין מודלים של מחלות.
- ערך תפעולי: מבטיח הדירות ויכולת הרחבה באמצעות בנייה אוטומטית של תבניות קבוצתיות ופרוטוקולי סגמנטציה סטנדרטיים.
- ערך אסטרטגי: משפר את יעילות ההון על ידי מתן אפשרות לגילוי מוקדם של תרכובות לא יעילות בהתבסס על היעדר מעורבות מבנית של המטרה.
- השפעה על הפורטפוליו: תומך בתעדוף מותאם סיכונים על ידי זיהוי תרכובות המנרמלות עיוותי צורה במעגלים מוחיים הרלוונטיים למחלה.
שיקולי יישום
- דורש מומחיות בנוירו-אנטומיה ובפירוש תמונות MRI לצורך תיקון מדויק של סגמנטציה ידנית.
- תלוי בגישה לנתוני MRI T1-weighted ובתשתית חישובית המסוגלת לטפל במאגרי נתונים גדולים של צורות בתלת-ממד.
- מחייב סטנדרטיזציה של פרוטוקולי הסגמנטציה בין צוותים שונים כדי להבטיח השוואתיות של הצורות בין אתרים ומחקרים.
- כולל שיקולי התאמה בעת יישום המסגרת על מבני מוח שאינם ההיפוקמפוס או על מודליות דימות חלופיות.
- מוגבל על ידי הצורך באישור משתמש בשלבים מרכזיים, כגון כיוון פרמטרים של עוצמה (intensity), דבר העלול להוביל לשונות אם לא יבוצע באופן סטנדרטי.
