胎儿和婴幼儿脑图谱的创建及在脑连接研究中的应用

发布时间：2020-06-03 23:18

【摘要】：脑图谱可以用来对大脑结构进行分割,是探究大脑发育的有利工具。2岁之前的大脑在时刻发生着各种变化,胎儿及婴幼儿与成人在大脑结构,形态以及组织成分上的差异导致利用成人脑图谱对低年龄胎儿及婴幼儿大脑进行分割的不准确。脑图谱不仅可以提供标准空间来促进不同个体间大脑结构和功能数据的对比,指导对感兴趣区进行解剖定位,并且能够利用脑图谱将大脑分为若干结构区域作为脑网络的节点,去探究脑连接的发育。因此,创建胎儿及婴幼儿脑图谱十分有意义,创建的脑图谱可以用来探究大脑的连接。本课题的第一部分主要讲述了 1岁,2岁幼儿脑图谱的创建及其在脑连接中的应用。第二部分主要讲述了孕中期到出生期胎儿脑连接的发育。由于缺乏用来分割20孕周胎儿大脑的电子脑图谱,因此,本部分采用皮质均分算法对20孕周胎儿大脑进行分割作为脑网络连接的节点。创建孕中期的脑图谱是未来重要的发展方向之一。第一部分:1岁2岁幼儿DTI三维脑图谱的创建目的:2岁之前的儿童大脑发生着复杂的结构变化,各种神经精神类疾病(例如自闭症)会在此时间段内发生。利用脑图谱对大脑结构进行自动分割有利于对脑功能和结构磁共振数据的研究。由于儿童大脑与成人大脑之间存在解剖结构大小不均衡等差异,导致利用成人脑图谱对儿童大脑进行自动分割的不准确。然而,包含众多灰白质结构的1岁,2岁儿童脑图谱并未得到很好的创建。因此创建包含大量灰质、白质结构的1岁,2岁儿童脑图谱十分必要。在此研究中,我们利用23例1岁和27例2岁健康儿童的弥散张量成像(DTI)数据分别创建了包含124个灰白质结构的1岁和2岁儿童DTI脑图谱。利用恰当的配准方式,创建的儿童脑图谱可以用来准确的自动分割相应年龄段儿童脑MRI图像。基于脑图谱的自动分割可以用来探讨3-38个月儿童大脑连接的发育状况。实验材料与方法:· 90例年龄在3-38个月的儿童参与此项研究。其中23例9-15个月的1岁儿童和27例20-28个月的2岁儿童的T1加权图像和DTI数据分别用来创建1岁,2岁儿童脑图谱;· 为了得到相互配准的T1加权图像和DTI数据,我们利用DiffeoMap软件中的仿射变换(affine transformation)和 LDDMM(large deformation diffeomorphic metric mapping)将b0图像配准到对比度反转的T1加权图像上。此配准过程产生的变形矩阵用来配准其它DTI图像。经过这些变换,T1加权图像和DTI图像在同一空间,像素大小为1.0mm3;· 个体模板和平均脑模板的创建:AC-PC配准后,将所有个体的T1加权图像仿射变换到大脑形态较好的一个个体的T1加权图像上,平均经过配准的所有图像得到第一脑模板。再平均所有个体图像仿射变化到第一脑模板后的图像得到第二脑模板。重复此步骤得到第三脑模板(线性平均脑模板)。产生第三脑模板过程中生成的变形矩阵用来配准DTI图像。将此大脑形态较好的个体图像仿射变化到线性平均脑模板得到个体脑模板。将所有个体的图像LDDMM非线性配准到个体脑模板并将配准后的图像进行平均,得到非线性平均脑模板;· 计算Jacobian值:利用LDDMM配准方法将10例1岁儿童的大脑图像分别配准到1岁,2岁和JHU成人脑图谱。利用配准过程中产生的变形矩阵计算Jacobian值的对数并产生Jacobian图。将产生的Jacobian图分别覆盖在1岁,2岁和JHU成人脑图谱的T1加权图像上,并计算Jacobian值的分布直方图;· 创建包含大量灰、白质结构的脑图谱:参考成人脑图谱和新生儿脑图谱,利用ROIEditor软件在个体脑模板的轴位图像上手动分割出124个灰白质结构,并在冠状位和矢状位上对分割的结构边界进行修改,直到各个结构的边界在三个方位上都相对平滑。在DTI伪彩图上对白质进行分割,对白质纤维进行追踪来辅助白质的分割。皮质下核团的分割主要是在T1加权图像上。依据T1加权图像上脑沟回模式对大脑皮质进行分割。在进行大脑结构分割的过程中,利用Amira软件对大脑结构进行3D重建,辅助对大脑结构边界进行修改;· 基于脑图谱分割的准确性验证:利用1岁儿童脑图谱和2岁儿童脑图谱分别对5例1岁和5例2岁儿童大脑结构进行自动分割,来探究基于脑图谱自动分割的准确性。从每个个体的5张2D图像中挑选出10个大脑结构,并对这10个结构进行手动分割。为了验证个体间分割的差异,本课题组成员冯蕾对参与准确性研究个体的10个大脑结构进行手动分割。以手动分割为标准,分别计算两次手动分割,基于创建的儿童脑图谱自动分割与手动分割脑结构间的Dice值和L1错误;· 利用脑图谱探究大脑连接的发育:利用创建的1岁,2岁脑图谱对90例3-38个月的儿童大脑进行分割。3-18个月的儿童大脑利用1岁脑图谱进行分割,18-38个月的儿童大脑利用2岁儿童脑图谱进行分割。将脑图谱配准到个体的原始空间,分割每个个体的白质纤维连接束,并将分割出来的白质纤维分为五组。测量发育过程中白质纤维连接的发育变化来说明创建的1岁,2岁儿童脑图谱的用途。结果:· 1岁儿童与成人大脑之间的形态差异:将1岁个体配准到JHU成人脑模板时,大脑额叶和颞叶的形变较大,产生的Jacobian值很分散,平均值约为1.3。而将1岁个体配准到1岁脑模板时,产生的形变较小,产生的Jacobian值较集中,比较趋向于1;· 创建的1岁,2岁儿童脑图谱包含55个大脑皮质结构,40个深层白质结构,10个皮质下核团和22个脑干小脑结构;· 基于脑图谱自动分割的准确性研究:基于创建的儿童脑图谱自动分割结构与手动分割结构的Dice值高于0.8,表明基于1岁,2岁脑图谱自动分割的准确性较高。扣带回,钩状束的Dice值大于0.75,说明即使对于形状不规则的结构,基于脑图谱的自动分割准确性也较高;· 3-38月儿童大脑连接的发育:随着年龄的增长,这些具有代表性的深层白质纤维的FA值逐渐增加,而MD,AD和RD值逐渐减小。讨论和结论:此研究创建了包含124个灰白质结构的1岁,2岁儿童DTI脑图谱。准确性验证结果表明本研究创建的脑图谱可以用来准确地自动分割年龄相符的儿童大脑MRI图像。利用创建的脑图谱可以对白质纤维束进行自动分割,从而探讨白质连接的微观发育状况。但是,目前仍缺乏用来分割小孕龄胎儿大脑的脑图谱,尤其是孕中期胎儿脑图谱。因此,创建孕中期的脑图谱以及利用孕中期脑图谱来探究大脑连接的发育是未来重要的发展方向之一。此研究中创建的脑图谱不仅能用来研究正常的脑发育,还能为临床神经发育性疾病的诊断提供一定的参考。第二部分:孕中期到出生期人类结构脑网络的发育目的:随着孕周的增加,胎儿大脑结构时刻发生着各种复杂的变化。这些变化不仅表现在大脑形态和微结构上,还表现在宏观的脑连接中。胎脑发育过程中最显著的变化是神经元沿着放射状胶质纤维从侧脑室层迁徙到皮质层,并逐渐在皮质层生成轴突、棘突和突触。与此同时,白质轴纤维进行不断的发育并出现了以白质轴纤维为基础的脑连接。这些神经细胞的迁徙路径和快速发展的脑白质纤维构成了早期胎儿脑网络连接的基础。然而,孕中期到出生期胎儿结构脑网络的发育过程以及不同类型神经纤维对结构脑网络的影响至今尚未研究清楚。脑图谱可以对大脑进行分割作为脑网络的节点,但是由于20孕周的胎脑表面十分光滑,用来分割20孕周胎脑的电子脑图谱仍未被创建,因此,本实验室采用皮质均分算法对大脑进行分割来探讨20到40孕周人类结构脑网络的发育。探究脑连接的发育过程不仅可以提供大脑细胞构筑的相关信息,也有助于揭示神经精神疾病状态下脑连接的改变。材料与方法:· 10例20孕周胎儿脑标本,12例35孕周的早产儿和12例40孕周的足月新生儿的DTI数据参与此研究;· 对不同孕周个体的纤维进行不同长度的过滤:利用Track Vis对全脑纤维连接进行追踪并按不同长度对大脑纤维进行过滤;· 利用纤维连接的终点在大脑脑墙的位置将20孕周的纤维分为两类:手动将大脑脑墙结构分割成三层:皮质层(包含边缘层),皮质下层和内层。两个终点都位于皮质层的纤维称之为第一种纤维。将一个终点位于内层的纤维称为第二种纤维;· 将大脑皮质进行分割作为脑网络的节点:由于缺乏20孕周的电子脑图谱,本实验采用皮质均分算法将大脑皮质分割成大小相近的80个区域作为脑网络的节点;· 追踪后的纤维作为脑网络的边:利用过滤算法保留两个节点之间的纤维并将此作为脑网络的边,创建80*80的连接矩阵。同样方法用于创建两种不同神经纤维形成的连接矩阵;· 利用图论理论,计算不同稀释度下脑网络的各种属性值,例如脑网络强度、最短路径长度和局部/全局效率等。结果:· 发育期间胎脑纤维连接的变化:从20到40孕周,神经纤维的数量逐渐增多,长度逐渐增长;· 20孕周胎脑的皮质脑墙结构可以分为三层:皮质层(包含边缘层),皮质下层和内层。根据纤维的两个终点在皮质脑墙的位置将纤维分为两类:第一组纤维和第二组纤维;· 20孕周的胎脑已经出现小世界属性,且第二组纤维对20孕周胎儿结构脑网络的贡献占主导作用;· 20到40孕周胎儿结构脑网络的发育:脑网络变得更加强壮和高效,20-35孕周期间脑网络各项指标的变化速率明显快于35-40孕周。讨论:从20到40孕周,伴随着长纤维连接的逐渐增长增多,脑网络的强度、全局效率和局部效率逐渐增强。20孕周的胎脑己经出现小世界属性,且第二种纤维对20孕周胎儿结构脑网络的贡献占主导作用。探讨20孕周两种不同神经纤维对脑网络的贡献有利于理解孕中期大脑细胞构筑的成熟过程。此外,20-35孕周胎儿脑网络强度和整体效率的增长速度明显快于35-40孕周,说明细胞构筑的显著变化主要集中在孕中期到第三孕期中期。获取20-35孕周胎脑的DTI数据比较困难,据我们所知,这是第一次探讨20孕周胎儿结构脑网络发育的研究。用来分割20孕周胎儿大脑作为脑网络连接节点的20孕周电子脑图谱仍未被创建,本实验采用了皮质均分算法将大脑进行均分。因此,急需创建包含众多灰白质结构的20孕周胎儿脑图谱。
【图文】：

逡逑补充材料图１：脑模板的创建步骤逡逑２．４．邋Ｊａｃｏｂ邋ｉ邋ａｎ值的计算逡逑计算全脑的Ｊａｃｏｂｉａｎ邋（雅可比矩阵）值，用来说明１岁个体与１岁，２岁以及逡逑ＪＨＵ－ＤＴＩ－ＭＮＩ成人脑模板［４７］之间的形态差别。随机选取１０例１岁个体，，并利逡逑用ＬＤＤＭＭ配准方法将这１０例１岁个体分别配准到创建的１岁，２岁儿童脑图逡逑谱和ＪＨＵ－ＤＴＩ－ＭＮＩ成人脑图谱。利用此过程中产生的变形矩阵，计算全脑逡逑Ｊａｃｏｂｉａｎ值的对数。图１Ａ从左到右分别显示的是将１岁个体ＬＤＤＭＭ配准到１逡逑岁，２岁以及成人脑模板生成的变形矩阵所产生的Ｊａｃｏｂｉａｎ热图。图１Ｂ显示的逡逑是利用产生的Ｊａｃｏｂｉａｎ热图绘制的局部体积变化直方图。逡逑磐ｒ：一一逦ｊ逡逑Ｓ＇逡逑图１：邋（Ａ）利用ＬＤＤＭＭ配准＾法将１０例１岁的个体分别ＬＤＤＭＭ配准到１逡逑岁，２岁和ＪＨＵ成人脑模板，并将得到的Ｊａｃｏｂｉａｎ热图映射到１岁，２岁和ＪＨＵ逡逑的Ｔ１加权脑模板图像上。（Ｂ）邋Ｊａｃｏｂｉａｎ值的分布直方图。逡逑１７逡逑

iA,B,c分别显示了
【学位授予单位】：山东大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：R741.044


本文编号：2695548