Driedimensionale vorm modellering en analyse van Hersenstructuren
14 november 2019
We introduceren een semi-automatisch protocol voor vorm analyse op hersenstructuren, inclusief beeldsegmentatie met behulp van open software, en verdere groepsgewijze vorm analyse met behulp van een geautomatiseerd modellerings pakket. Hier demonstreren we elke stap van het 3D-vorm analyse protocol met hippocampal segmentatie van Brain MR images.
Het nauwkeurig herstellen van de vormkenmerken tegen ruwe en luidruchtige segmentaties is van cruciaal belang voor het bereiken van een goede anatomische correspondentie tussen individuele hersenvormmodellen. Ons framework biedt verschillende tools voor individuele vormmodellering, groepswijze sjabloonconstructie en vormvervormingsberekening. En het is gebruikt voor grote datasets van het menselijk brein.
Het aantonen van deze procedure zal Dr.Jaeil Kim, een voormalige grad student uit mijn laboratorium die de software voor de hersenen vorm modellering ontwikkeld. Open voor handmatige bewerking van de hippocampal-segmentatie het T1-gewicht magnetische resonantiebeeld en de automatische hippocampal-segmentatie resulteert in de grafische gebruikersinterfacesoftware. Klik op het pictogram in het weergavevenster om de coronale weergave te selecteren en blader door het volume totdat de uncus zich bevindt.
Met inbegrip van de uncus in de hippocampal masker waar het aanwezig is, gebruik maken van de add en aftrekken functies om het masker van de hippocampal lichaam te bewerken nadat de uncus is teruggetrokken. Ga door met het bewerken van het hippocampal masker totdat de hippocampal staart is gevonden. Als de pulvinaire kern van de thalamus zich afneemt boven de hippocampus, zal de fornix ontstaan.
Werk het laatste coronale deel van de hippocampus af waarin de volledige lengte van de fornix zichtbaar is, maar nog niet continu met het milt van het corpus callosum. Sla vervolgens de maskers op voor zowel de linker- als de rechter hippocampi in NifTI-formaat. Als u een groepsjabloonmodel wilt maken, laadt u de insteek voor vormmodellering en klikt u op Map openen om een map te openen met de binaire maskers van de studiepopulatie van belang.
Voer het gewenste aantal vertices in en klik op Sjabloonconstructie voor de opbouw van groepssjablonen. Controleer vervolgens de gemiddelde vormgaas. Laad voor afzonderlijke vormreconstructie het T1-gewogen magnetische resonantiebeeld van belang en het bijbehorende segmentatiemasker en selecteer de werkmap om de bestanden op te slaan.
Selecteer een sjabloonmodel voor de afzonderlijke vormmodellering en controleer en wijzig indien nodig de modelleringsparameters in de shapemodelingplug-in. Dus ons modelleringskader is bijna geautomatiseerd, maar sommige stappen vereisen bevestiging van de gebruiker. Als de waarde voor de hippocampal-gebieden bijvoorbeeld niet één gebruikers is, moeten ze de intensiteitsparameter wijzigen.
Controleer vervolgens het resultaat in de 3D-weergave van de toolkit werkbank. Als u een vorm- en misvormingsmeting wilt uitvoeren, selecteert u het vormmodel van het onderwerp dat van belang is in de gegevensbeheerder van de software en klikt u op Sjabloon selecteren om de sjabloon van belang te selecteren om de meting te verkrijgen. Hier kan een representatieve vervorming van het hippocampal sjabloonmodel voor individuele vormreconstructie worden waargenomen.
De methode induceert een grote tot kleinschalige vervorming van het sjabloonmodel om de vervorming van de puntverdeling te minimaliseren terwijl de afzonderlijke vormkenmerken worden hersteld. In deze figuur worden gereconstrueerde vormmodellen van twee onderwerpen met hun segmentatiemaskers weergegeven. In deze afbeeldingen uitgelijnd individuele vormmodellen kunnen hun gemiddelde model en het vormverschil vectoren met een individueel vormmodel worden waargenomen.
Deze gegevens vertegenwoordigen gemiddelde vormmisvormingskaarten die op het gemiddelde model worden geprojecteerd. Voor een groep met een klein hersenweefsel volume, en een groep met een groot hersenweefsel volume. De vormmisvormingskaarten van de twee groepen presenteren tegengestelde patronen van hippocampal vormverschil bij overeenkomstige gebieden.
Controleer samen het segmentatiemasker en het individu of het gedeelde model. Als het model niet op de afbeeldingsgrens is gemonteerd, past u de modelleringsparameters aan om betere resultaten te bereiken. Statistische analyse met behulp van de vormmisvorming kan worden uitgevoerd om de groepswijze vorm te onderzoeken We hebben ook MATLAB-code voor de analyse op onze projectpagina verstrekt.
Deze robuuste methode is toegepast op een aantal klinische studies, niet alleen met betrekking tot kritische structuur modellering zoals de ziekte van Alzheimer of veroudering studie, maar ook voet-bot aandoeningen die de analyse van samengestelde botten vereisen.
Bekijk het volledige transcript en krijg toegang tot duizenden wetenschappelijke video's
Overzicht
Deze studie introduceert een semi-automatisch protocol voor de 3D-vormanalyse van hersenstructuren, met de nadruk op de segmentatie van de hippocampus in MRI-beelden van de hersenen. De methodologie maakt gebruik van open-source software voor beeldsegmentatie, gevolgd door een groepsvormanalyse met behulp van een geautomatiseerd modelleringspakket.
Belangrijkste componenten van de studie
Wetenschapsgebied
- Neurowetenschap
- Beeldanalyse
- Structurele hersenmodellering
Achtergrond
- Nauwkeurig vormherstel is essentieel voor anatomische correspondentie in hersenmodellen.
- Het raamwerk bevat instrumenten voor vormmodellering en het berekenen van deformiteit.
- Gebruikt in combinatie met grote menselijke hersendatasets voor diverse studies.
- De software is ontwikkeld door Dr. Jaeil Kim en beschikt over gebruiksvriendelijke functies.
Doel van de studie
- Om een procedure voor hippocampussegmentatie en vormanalyse te demonstreren.
- Om een geautomatiseerd raamwerk te bieden voor het modelleren van individuele en groepsbreinvormen.
- Om instrumenten aan te reiken voor de statistische analyse van vormvariaties.
Gebruikte methoden
- De methode maakt gebruik van een grafische gebruikersinterface voor het bewerken van MRI-beelden en segmentaties.
- De studie richt zich op hippocampale structuren met behulp van T1-gewogen MRI-beelden.
- Gebruikers bewerken handmatig de segmentaties van de hippocampus en stellen groepstemplates samen.
- Statistische analyse wordt uitgevoerd met behulp van metingen van vormdeformatie.
- De MATLAB-code voor analyse is beschikbaar op de projectpagina.
Belangrijkste resultaten
- De benadering maakt nauwkeurige vormmodellering van de hippocampus en berekening van vormdeformaties mogelijk.
- Resultaten tonen verschillen in de vorm van de hippocampus aan tussen groepen met variërende hersenweefselvolumes.
- Individuele vormkenmerken worden hersteld terwijl vervorming tijdens de modellering tot een minimum wordt beperkt.
- Visualisatie van uitgelijnde modellen en gemiddelde vormdeformatiekaarten is inbegrepen.
Conclusies
- Dit protocol maakt effectieve vormanalyse en modellering van hippocampale structuren mogelijk.
- De methodologie vergroot het begrip van anatomische variaties in hersenonderzoek.
- Toepassingen strekken zich uit tot klinische studies naar aandoeningen zoals de ziekte van Alzheimer en andere structurele anomalieën.
Veelgestelde vragen
Industriële Relevantie voor Directie
Nauwkeurige 3D-vormmodellering van hersenstructuren maakt een kwantitatieve beoordeling mogelijk van anatomische variaties die verband houden met pathologische processen, wat de validatie van targets in onderzoek naar neurodegeneratieve ziekten ondersteunt. Deze aanpak biedt voorspellende betrouwbaarheid door structurele biomarkers te koppelen aan ziektemechanismen, wat go/no-go-beslissingen in vroege discovery-pipelines faciliteert. De methode verbetert de translationele continuïteit van discovery tot preklinische modellering door vorm-fenotypering over cohorten heen te standaardiseren.
Strategische Toepassingen in Biofarmaceutisch R&D
Vroege Ontdekking & Targetvalidatie
- Wetenschappelijke waarde: Maakt het toetsen van therapeutische hypothesen mogelijk door de kwantificering van vormveranderingen in de hippocampus die geassocieerd zijn met ziektebeelden.
- Operationele waarde: Ondersteunt biologische risicoreductie door reproduceerbare metingen van vormdeformiteiten in grote datasets.
- Voorspellende waarde: Verbetert de triage van portfolio's door het identificeren van structurele biomarkers met sterke genotype-fenotype correlaties.
Screening & Assay-ontwikkeling
- Klaarheid van de assay: Bereidt gevalideerde biologische systemen voor op downstream screening door gestandaardiseerde vormmodellen te genereren op basis van MRI-gegevens.
- Kwantitatieve output: Levert numerieke metrieken voor vormdeformiteit, wat high-content screening mogelijk maakt van de effecten van verbindingen op de hersenstructuur.
- Herbruikbaarheid van het platform: Faciliteert schaalbare toepassing over verschillende studies via geautomatiseerde sjabloonconstructie en integratie van open software.
Translationeel & Preklinisch Onderzoek
- Relevantie voor ziektebeelden: Direct toepasbaar op studies naar de ziekte van Alzheimer en veroudering, waarbij hippocampusatrofie een belangrijk pathologisch kenmerk is.
- Translationele biomarker: Kaarten van vormdeformaties dienen als kwantificeerbare eindpunten voor de continuïteit van preklinisch naar klinisch onderzoek.
- Risicogebaseerde vooruitgang: Maakt een objectieve vergelijking mogelijk van de effecten van interventies op de hersenstructuur, waardoor het risico op falen in latere fasen wordt verminderd.
Integratie van pijplijn & workflow
De methode integreert in het ontdekkingscontinuüm, van vroege targetvalidatie tot preklinische effectiviteitstesten, door gestandaardiseerde, kwantificeerbare neuroanatomische fenotypering te bieden.
- Discovery Biology: Ondersteunt hypothesetoetsing door genetische of farmacologische interventies te koppelen aan meetbare vormveranderingen in hippocampale subvelden.
- Screening: Maakt standaardisatie van assays mogelijk via groepsgewijze templateconstructie, waardoor consistente baseline-vergelijkingen over compound-bibliotheken heen worden gegarandeerd.
- Analytics: Genereert vormdeformatievectoren en statistische kaarten die een objectieve vergelijking van structurele fenotypes tussen behandelings- en controlegroepen mogelijk maken.
- Translational Research: Verbindt ontdekkingsbevindingen met preklinische validatie door anatomische getrouwheid te behouden over soortspecifieke adaptaties van het raamwerk.
- Enterprise Reuse: Functioneert als een herbruikbaar neuroimaging-platform dankzij de open softwarebasis en de modulaire workflow voor vormmodellering en analyse.
Operationele & Bedrijfsimpact
- Wetenschappelijke waarde: Vermindert mechanistische ambiguïteit door directe, kwantitatieve koppelingen te verschaffen tussen structurele hersenveranderingen en ziektemodellen.
- Operationele waarde: Garandeert reproduceerbaarheid en schaalbaarheid via geautomatiseerde constructie van groepssjablonen en gestandaardiseerde segmentatieprotocollen.
- Strategische waarde: Verbetert de kapitaalefficiëntie door vroege detectie van ineffectieve verbindingen mogelijk te maken op basis van het gebrek aan structurele target-interactie.
- Impact op portfolio: Ondersteunt risico-gecorrigeerde prioritering door verbindingen te identificeren die vormafwijkingen in ziekte-relevante hersencircuits normaliseren.
Overwegingen bij de implementatie
- Vereist expertise in neuroanatomie en MRI-beeldinterpretatie voor een nauwkeurige handmatige correctie van de segmentatie.
- Is afhankelijk van toegang tot T1-gewogen MRI-data en een computationele infrastructuur die in staat is om grote 3D-vormdatasets te verwerken.
- Maakt cross-team standaardisatie van segmentatieprotocollen noodzakelijk om de vergelijkbaarheid van vormen tussen verschillende locaties en studies te waarborgen.
- Omvat overwegingen voor aanpassing bij het toepassen van het raamwerk op niet-hippocampale hersenstructuren of alternatieve beeldgevingsmodaliteiten.
- Wordt beperkt door de noodzaak van gebruikersbevestiging bij cruciale stappen, zoals het afstellen van intensiteitsparameters, wat variabiliteit kan introduceren als dit niet wordt gestandaardiseerd.
Veelgestelde vragen over biofarmacie
Chapters in this video
0:04
Title
0:51
Manual Hippocampal Segmentation Editing
2:00
Group Template Construction
2:27
Individual Shape Reconstruction and Group-Wise Shape Normalization and Shape Difference Measurement
3:32
Results: Representative Hippocampus Modeling
4:33
Conclusion
