Morfometria oparta na wokselach

Przykład analizy VBM na pacjentach, którzy doświadczają klasterowych bólów głowy .

Morfometria oparta na wokselach to obliczeniowe podejście do neuroanatomii , które mierzy różnice w lokalnych stężeniach tkanki mózgowej poprzez porównanie wielu obrazów mózgu pod kątem wokseli.

W tradycyjnej morfometrii objętość całego mózgu lub jego części jest mierzona poprzez rysowanie obszarów zainteresowania (ROI) na obrazach ze skanowania mózgu i obliczanie dołączonej objętości . Jest to jednak czasochłonne i może zapewnić pomiary tylko dość dużych obszarów. Mniejsze różnice w objętości mogą zostać przeoczone. Wartość VBM polega na tym, że pozwala na kompleksowy pomiar różnic, nie tylko w określonych strukturach, ale w całym mózgu. rejestry VBM każdy mózg do szablonu, który eliminuje większość dużych różnic w anatomii mózgu między ludźmi. Następnie obrazy mózgu są wygładzane, tak aby każdy woksel reprezentował średnią siebie i swoich sąsiadów. Na koniec objętość obrazu jest porównywana w mózgach przy każdym wokselu.

Jednak VBM może być wrażliwy na różne artefakty, które obejmują niewspółosiowość struktur mózgu, błędną klasyfikację typów tkanek, różnice we wzorach fałdowania i grubości kory mózgowej. Wszystko to może zakłócić analizę statystyczną i albo zmniejszyć czułość na prawdziwe efekty wolumetryczne, albo zwiększyć prawdopodobieństwo fałszywych trafień. W przypadku kory mózgowej wykazano, że różnice objętości zidentyfikowane za pomocą VBM mogą odzwierciedlać głównie różnice w polu powierzchni kory niż w grubości kory.

Historia

W ciągu ostatnich dwóch dekad setki badań rzuciły światło na neuroanatomiczne korelaty strukturalne zaburzeń neurologicznych i psychiatrycznych. Wiele z tych badań przeprowadzono przy użyciu morfometrii opartej na wokselach (VBM), techniki całego mózgu służącej do charakteryzowania regionalnych różnic w objętości i stężeniu tkanek między grupami na podstawie skanów strukturalnego rezonansu magnetycznego (MRI).

Jednym z pierwszych badań VBM, które zwróciło uwagę mediów głównego nurtu, było badanie struktury mózgu hipokampu londyńskich taksówkarzy . Analiza VBM wykazała, że tylna część hipokampa tylnego była średnio większa u taksówkarzy w porównaniu z osobami kontrolnymi, podczas gdy hipokamp przedni był mniejszy. Londyńscy taksówkarze potrzebują dobrych umiejętności nawigacji przestrzennej, a naukowcy zwykle kojarzą hipokamp z tą szczególną umiejętnością.

Innym znanym artykułem VBM było badanie wpływu wieku na istotę szarą i białą oraz płyn mózgowo-rdzeniowy 465 normalnych dorosłych. Analiza VBM wykazała, że globalna istota szara zmniejszała się liniowo wraz z wiekiem, zwłaszcza u mężczyzn, podczas gdy globalna istota biała nie zmniejszała się wraz z wiekiem.

Kluczowym opisem metodologii morfometrii opartej na wokselach jest Voxel-Based Morphometry — The Methods — jeden z najczęściej cytowanych artykułów w czasopiśmie NeuroImage . Zwyczajowym podejściem do analizy statystycznej jest jednoczynnikowa analiza masowa (analiza każdego woksela oddzielnie), ale można również zastosować rozpoznawanie wzorców , np. do klasyfikowania pacjentów od zdrowych.

Za asymetrię mózgu

Zwykle VBM przeprowadza się w celu zbadania różnic między badanymi, ale można go również wykorzystać do zbadania różnic neuroanatomicznych między półkulami wykrywającymi asymetrię mózgu . Procedura techniczna takiego dochodzenia może obejmować następujące etapy:

Konstrukcja szablonu obrazu mózgu specyficznego dla badania ze zrównoważonym zestawem leworęcznych i praworęcznych oraz mężczyzn i kobiet.
Budowa szablonów istoty białej i szarej z segmentacji .
Budowa symetrycznych szablonów istoty szarej i białej poprzez uśrednienie prawej i lewej półkuli mózgowej .
Segmentacja i ekstrakcja obrazu mózgu, np. usunięcie tkanki skóry głowy z obrazu.
Normalizacja przestrzenna do szablonów symetrycznych
Poprawka na zmianę objętości (zastosowanie wyznacznika Jakobiana )
Wygładzanie przestrzenne (intensywność w każdym wokselu jest lokalną średnią ważoną, ogólnie wyrażaną jako stężenie GM, WM, CSF).
Rzeczywista analiza statystyczna za pomocą ogólnego modelu liniowego , tj. statystycznego mapowania parametrycznego .

Wynikiem tych kroków jest statystyczna mapa parametryczna, podkreślająca wszystkie woksele mózgu, w których intensywność (objętość lub stężenie GM w zależności od tego, czy zastosowano krok modulacji, czy nie) w obrazach grupowych jest znacznie niższa/wyższa niż w innych badana grupa.

W porównaniu z podejściem dotyczącym regionu

Przed pojawieniem się VBM ręczne wyznaczanie obszaru zainteresowania było złotym standardem pomiaru objętości struktur mózgowych. Jednak w porównaniu z podejściem dotyczącym obszaru zainteresowania, VBM ma wiele zalet, które wyjaśniają jego dużą popularność w społeczności neuroobrazowania. Rzeczywiście, jest to zautomatyzowane i stosunkowo łatwe w użyciu, efektywne czasowo narzędzie dla całego mózgu, które może wykrywać ogniskowe różnice mikrostrukturalne w anatomii mózgu in vivo między grupami osób bez konieczności podejmowania a priori decyzji dotyczącej struktury do oceny. Ponadto VBM wykazuje dokładność porównywalną z wolumetrią ręczną. Rzeczywiście, kilka badań wykazało dobrą zgodność między tymi dwiema technikami, dając pewność co do biologicznej ważności podejścia VBM.

Zobacz też

Dalsza lektura