發(fā)布時間：2020-06-03 23:18

【摘要】：腦圖譜可以用來對大腦結(jié)構進行分割,是探究大腦發(fā)育的有利工具。2歲之前的大腦在時刻發(fā)生著各種變化,胎兒及嬰幼兒與成人在大腦結(jié)構,形態(tài)以及組織成分上的差異導致利用成人腦圖譜對低年齡胎兒及嬰幼兒大腦進行分割的不準確。腦圖譜不僅可以提供標準空間來促進不同個體間大腦結(jié)構和功能數(shù)據(jù)的對比,指導對感興趣區(qū)進行解剖定位,并且能夠利用腦圖譜將大腦分為若干結(jié)構區(qū)域作為腦網(wǎng)絡的節(jié)點,去探究腦連接的發(fā)育。因此,創(chuàng)建胎兒及嬰幼兒腦圖譜十分有意義,創(chuàng)建的腦圖譜可以用來探究大腦的連接。本課題的第一部分主要講述了 1歲,2歲幼兒腦圖譜的創(chuàng)建及其在腦連接中的應用。第二部分主要講述了孕中期到出生期胎兒腦連接的發(fā)育。由于缺乏用來分割20孕周胎兒大腦的電子腦圖譜,因此,本部分采用皮質(zhì)均分算法對20孕周胎兒大腦進行分割作為腦網(wǎng)絡連接的節(jié)點。創(chuàng)建孕中期的腦圖譜是未來重要的發(fā)展方向之一。第一部分:1歲2歲幼兒DTI三維腦圖譜的創(chuàng)建目的:2歲之前的兒童大腦發(fā)生著復雜的結(jié)構變化,各種神經(jīng)精神類疾病(例如自閉癥)會在此時間段內(nèi)發(fā)生。利用腦圖譜對大腦結(jié)構進行自動分割有利于對腦功能和結(jié)構磁共振數(shù)據(jù)的研究。由于兒童大腦與成人大腦之間存在解剖結(jié)構大小不均衡等差異,導致利用成人腦圖譜對兒童大腦進行自動分割的不準確。然而,包含眾多灰白質(zhì)結(jié)構的1歲,2歲兒童腦圖譜并未得到很好的創(chuàng)建。因此創(chuàng)建包含大量灰質(zhì)、白質(zhì)結(jié)構的1歲,2歲兒童腦圖譜十分必要。在此研究中,我們利用23例1歲和27例2歲健康兒童的彌散張量成像(DTI)數(shù)據(jù)分別創(chuàng)建了包含124個灰白質(zhì)結(jié)構的1歲和2歲兒童DTI腦圖譜。利用恰當?shù)呐錅史绞?創(chuàng)建的兒童腦圖譜可以用來準確的自動分割相應年齡段兒童腦MRI圖像�；谀X圖譜的自動分割可以用來探討3-38個月兒童大腦連接的發(fā)育狀況。實驗材料與方法:· 90例年齡在3-38個月的兒童參與此項研究。其中23例9-15個月的1歲兒童和27例20-28個月的2歲兒童的T1加權圖像和DTI數(shù)據(jù)分別用來創(chuàng)建1歲,2歲兒童腦圖譜;· 為了得到相互配準的T1加權圖像和DTI數(shù)據(jù),我們利用DiffeoMap軟件中的仿射變換(affine transformation)和 LDDMM(large deformation diffeomorphic metric mapping)將b0圖像配準到對比度反轉(zhuǎn)的T1加權圖像上。此配準過程產(chǎn)生的變形矩陣用來配準其它DTI圖像。經(jīng)過這些變換,T1加權圖像和DTI圖像在同一空間,像素大小為1.0mm3;· 個體模板和平均腦模板的創(chuàng)建:AC-PC配準后,將所有個體的T1加權圖像仿射變換到大腦形態(tài)較好的一個個體的T1加權圖像上,平均經(jīng)過配準的所有圖像得到第一腦模板。再平均所有個體圖像仿射變化到第一腦模板后的圖像得到第二腦模板。重復此步驟得到第三腦模板(線性平均腦模板)。產(chǎn)生第三腦模板過程中生成的變形矩陣用來配準DTI圖像。將此大腦形態(tài)較好的個體圖像仿射變化到線性平均腦模板得到個體腦模板。將所有個體的圖像LDDMM非線性配準到個體腦模板并將配準后的圖像進行平均,得到非線性平均腦模板;· 計算Jacobian值:利用LDDMM配準方法將10例1歲兒童的大腦圖像分別配準到1歲,2歲和JHU成人腦圖譜。利用配準過程中產(chǎn)生的變形矩陣計算Jacobian值的對數(shù)并產(chǎn)生Jacobian圖。將產(chǎn)生的Jacobian圖分別覆蓋在1歲,2歲和JHU成人腦圖譜的T1加權圖像上,并計算Jacobian值的分布直方圖;· 創(chuàng)建包含大量灰、白質(zhì)結(jié)構的腦圖譜:參考成人腦圖譜和新生兒腦圖譜,利用ROIEditor軟件在個體腦模板的軸位圖像上手動分割出124個灰白質(zhì)結(jié)構,并在冠狀位和矢狀位上對分割的結(jié)構邊界進行修改,直到各個結(jié)構的邊界在三個方位上都相對平滑。在DTI偽彩圖上對白質(zhì)進行分割,對白質(zhì)纖維進行追蹤來輔助白質(zhì)的分割。皮質(zhì)下核團的分割主要是在T1加權圖像上。依據(jù)T1加權圖像上腦溝回模式對大腦皮質(zhì)進行分割。在進行大腦結(jié)構分割的過程中,利用Amira軟件對大腦結(jié)構進行3D重建,輔助對大腦結(jié)構邊界進行修改;· 基于腦圖譜分割的準確性驗證:利用1歲兒童腦圖譜和2歲兒童腦圖譜分別對5例1歲和5例2歲兒童大腦結(jié)構進行自動分割,來探究基于腦圖譜自動分割的準確性。從每個個體的5張2D圖像中挑選出10個大腦結(jié)構,并對這10個結(jié)構進行手動分割。為了驗證個體間分割的差異,本課題組成員馮蕾對參與準確性研究個體的10個大腦結(jié)構進行手動分割。以手動分割為標準,分別計算兩次手動分割,基于創(chuàng)建的兒童腦圖譜自動分割與手動分割腦結(jié)構間的Dice值和L1錯誤;· 利用腦圖譜探究大腦連接的發(fā)育:利用創(chuàng)建的1歲,2歲腦圖譜對90例3-38個月的兒童大腦進行分割。3-18個月的兒童大腦利用1歲腦圖譜進行分割,18-38個月的兒童大腦利用2歲兒童腦圖譜進行分割。將腦圖譜配準到個體的原始空間,分割每個個體的白質(zhì)纖維連接束,并將分割出來的白質(zhì)纖維分為五組。測量發(fā)育過程中白質(zhì)纖維連接的發(fā)育變化來說明創(chuàng)建的1歲,2歲兒童腦圖譜的用途。結(jié)果:· 1歲兒童與成人大腦之間的形態(tài)差異:將1歲個體配準到JHU成人腦模板時,大腦額葉和顳葉的形變較大,產(chǎn)生的Jacobian值很分散,平均值約為1.3。而將1歲個體配準到1歲腦模板時,產(chǎn)生的形變較小,產(chǎn)生的Jacobian值較集中,比較趨向于1;· 創(chuàng)建的1歲,2歲兒童腦圖譜包含55個大腦皮質(zhì)結(jié)構,40個深層白質(zhì)結(jié)構,10個皮質(zhì)下核團和22個腦干小腦結(jié)構;· 基于腦圖譜自動分割的準確性研究:基于創(chuàng)建的兒童腦圖譜自動分割結(jié)構與手動分割結(jié)構的Dice值高于0.8,表明基于1歲,2歲腦圖譜自動分割的準確性較高�？蹘Щ�,鉤狀束的Dice值大于0.75,說明即使對于形狀不規(guī)則的結(jié)構,基于腦圖譜的自動分割準確性也較高;· 3-38月兒童大腦連接的發(fā)育:隨著年齡的增長,這些具有代表性的深層白質(zhì)纖維的FA值逐漸增加,而MD,AD和RD值逐漸減小。討論和結(jié)論:此研究創(chuàng)建了包含124個灰白質(zhì)結(jié)構的1歲,2歲兒童DTI腦圖譜。準確性驗證結(jié)果表明本研究創(chuàng)建的腦圖譜可以用來準確地自動分割年齡相符的兒童大腦MRI圖像。利用創(chuàng)建的腦圖譜可以對白質(zhì)纖維束進行自動分割,從而探討白質(zhì)連接的微觀發(fā)育狀況。但是,目前仍缺乏用來分割小孕齡胎兒大腦的腦圖譜,尤其是孕中期胎兒腦圖譜。因此,創(chuàng)建孕中期的腦圖譜以及利用孕中期腦圖譜來探究大腦連接的發(fā)育是未來重要的發(fā)展方向之一。此研究中創(chuàng)建的腦圖譜不僅能用來研究正常的腦發(fā)育,還能為臨床神經(jīng)發(fā)育性疾病的診斷提供一定的參考。第二部分:孕中期到出生期人類結(jié)構腦網(wǎng)絡的發(fā)育目的:隨著孕周的增加,胎兒大腦結(jié)構時刻發(fā)生著各種復雜的變化。這些變化不僅表現(xiàn)在大腦形態(tài)和微結(jié)構上,還表現(xiàn)在宏觀的腦連接中。胎腦發(fā)育過程中最顯著的變化是神經(jīng)元沿著放射狀膠質(zhì)纖維從側(cè)腦室層遷徙到皮質(zhì)層,并逐漸在皮質(zhì)層生成軸突、棘突和突觸。與此同時,白質(zhì)軸纖維進行不斷的發(fā)育并出現(xiàn)了以白質(zhì)軸纖維為基礎的腦連接。這些神經(jīng)細胞的遷徙路徑和快速發(fā)展的腦白質(zhì)纖維構成了早期胎兒腦網(wǎng)絡連接的基礎。然而,孕中期到出生期胎兒結(jié)構腦網(wǎng)絡的發(fā)育過程以及不同類型神經(jīng)纖維對結(jié)構腦網(wǎng)絡的影響至今尚未研究清楚。腦圖譜可以對大腦進行分割作為腦網(wǎng)絡的節(jié)點,但是由于20孕周的胎腦表面十分光滑,用來分割20孕周胎腦的電子腦圖譜仍未被創(chuàng)建,因此,本實驗室采用皮質(zhì)均分算法對大腦進行分割來探討20到40孕周人類結(jié)構腦網(wǎng)絡的發(fā)育。探究腦連接的發(fā)育過程不僅可以提供大腦細胞構筑的相關信息,也有助于揭示神經(jīng)精神疾病狀態(tài)下腦連接的改變。材料與方法:· 10例20孕周胎兒腦標本,12例35孕周的早產(chǎn)兒和12例40孕周的足月新生兒的DTI數(shù)據(jù)參與此研究;· 對不同孕周個體的纖維進行不同長度的過濾:利用Track Vis對全腦纖維連接進行追蹤并按不同長度對大腦纖維進行過濾;· 利用纖維連接的終點在大腦腦墻的位置將20孕周的纖維分為兩類:手動將大腦腦墻結(jié)構分割成三層:皮質(zhì)層(包含邊緣層),皮質(zhì)下層和內(nèi)層。兩個終點都位于皮質(zhì)層的纖維稱之為第一種纖維。將一個終點位于內(nèi)層的纖維稱為第二種纖維;· 將大腦皮質(zhì)進行分割作為腦網(wǎng)絡的節(jié)點:由于缺乏20孕周的電子腦圖譜,本實驗采用皮質(zhì)均分算法將大腦皮質(zhì)分割成大小相近的80個區(qū)域作為腦網(wǎng)絡的節(jié)點;· 追蹤后的纖維作為腦網(wǎng)絡的邊:利用過濾算法保留兩個節(jié)點之間的纖維并將此作為腦網(wǎng)絡的邊,創(chuàng)建80*80的連接矩陣。同樣方法用于創(chuàng)建兩種不同神經(jīng)纖維形成的連接矩陣;· 利用圖論理論,計算不同稀釋度下腦網(wǎng)絡的各種屬性值,例如腦網(wǎng)絡強度、最短路徑長度和局部/全局效率等。結(jié)果:· 發(fā)育期間胎腦纖維連接的變化:從20到40孕周,神經(jīng)纖維的數(shù)量逐漸增多,長度逐漸增長;· 20孕周胎腦的皮質(zhì)腦墻結(jié)構可以分為三層:皮質(zhì)層(包含邊緣層),皮質(zhì)下層和內(nèi)層。根據(jù)纖維的兩個終點在皮質(zhì)腦墻的位置將纖維分為兩類:第一組纖維和第二組纖維;· 20孕周的胎腦已經(jīng)出現(xiàn)小世界屬性,且第二組纖維對20孕周胎兒結(jié)構腦網(wǎng)絡的貢獻占主導作用;· 20到40孕周胎兒結(jié)構腦網(wǎng)絡的發(fā)育:腦網(wǎng)絡變得更加強壯和高效,20-35孕周期間腦網(wǎng)絡各項指標的變化速率明顯快于35-40孕周。討論:從20到40孕周,伴隨著長纖維連接的逐漸增長增多,腦網(wǎng)絡的強度、全局效率和局部效率逐漸增強。20孕周的胎腦己經(jīng)出現(xiàn)小世界屬性,且第二種纖維對20孕周胎兒結(jié)構腦網(wǎng)絡的貢獻占主導作用。探討20孕周兩種不同神經(jīng)纖維對腦網(wǎng)絡的貢獻有利于理解孕中期大腦細胞構筑的成熟過程。此外,20-35孕周胎兒腦網(wǎng)絡強度和整體效率的增長速度明顯快于35-40孕周,說明細胞構筑的顯著變化主要集中在孕中期到第三孕期中期。獲取20-35孕周胎腦的DTI數(shù)據(jù)比較困難,據(jù)我們所知,這是第一次探討20孕周胎兒結(jié)構腦網(wǎng)絡發(fā)育的研究。用來分割20孕周胎兒大腦作為腦網(wǎng)絡連接節(jié)點的20孕周電子腦圖譜仍未被創(chuàng)建,本實驗采用了皮質(zhì)均分算法將大腦進行均分。因此,急需創(chuàng)建包含眾多灰白質(zhì)結(jié)構的20孕周胎兒腦圖譜。
【圖文】：

逡逑補充材料圖１：腦模板的創(chuàng)建步驟逡逑２．４．邋Ｊａｃｏｂ邋ｉ邋ａｎ值的計算逡逑計算全腦的Ｊａｃｏｂｉａｎ邋（雅可比矩陣）值，用來說明１歲個體與１歲，２歲以及逡逑ＪＨＵ－ＤＴＩ－ＭＮＩ成人腦模板［４７］之間的形態(tài)差別。隨機選�。保袄睔q個體，，并利逡逑用ＬＤＤＭＭ配準方法將這１０例１歲個體分別配準到創(chuàng)建的１歲，２歲兒童腦圖逡逑譜和ＪＨＵ－ＤＴＩ－ＭＮＩ成人腦圖譜。利用此過程中產(chǎn)生的變形矩陣，計算全腦逡逑Ｊａｃｏｂｉａｎ值的對數(shù)。圖１Ａ從左到右分別顯示的是將１歲個體ＬＤＤＭＭ配準到１逡逑歲，２歲以及成人腦模板生成的變形矩陣所產(chǎn)生的Ｊａｃｏｂｉａｎ熱圖。圖１Ｂ顯示的逡逑是利用產(chǎn)生的Ｊａｃｏｂｉａｎ熱圖繪制的局部體積變化直方圖。逡逑磐ｒ：一一邐ｊ逡逑Ｓ＇逡逑圖１：邋（Ａ）利用ＬＤＤＭＭ配準＾法將１０例１歲的個體分別ＬＤＤＭＭ配準到１逡逑歲，２歲和ＪＨＵ成人腦模板，并將得到的Ｊａｃｏｂｉａｎ熱圖映射到１歲，２歲和ＪＨＵ逡逑的Ｔ１加權腦模板圖像上。（Ｂ）邋Ｊａｃｏｂｉａｎ值的分布直方圖。逡逑１７逡逑

iA,B,c分別顯示了
【學位授予單位】：山東大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2019
【分類號】：R741.044


本文編號：2695548