【摘要】：腦圖譜可以用來(lái)對(duì)大腦結(jié)構(gòu)進(jìn)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(shí)刻發(fā)生著各種變化,胎兒及嬰幼兒與成人在大腦結(jié)構(gòu),形態(tài)以及組織成分上的差異導(dǎo)致利用成人腦圖譜對(duì)低年齡胎兒及嬰幼兒大腦進(jìn)行分割的不準(zhǔn)確。腦圖譜不僅可以提供標(biāo)準(zhǔn)空間來(lái)促進(jìn)不同個(gè)體間大腦結(jié)構(gòu)和功能數(shù)據(jù)的對(duì)比,指導(dǎo)對(duì)感興趣區(qū)進(jìn)行解剖定位,并且能夠利用腦圖譜將大腦分為若干結(jié)構(gòu)區(qū)域作為腦網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn),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(lái)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(yīng)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(lái)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(duì)20孕周胎兒大腦進(jìn)行分割作為腦網(wǎng)絡(luò)連接的節(jié)點(diǎn)。創(chuàng)建孕中期的腦圖譜是未來(lái)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(fù)雜的結(jié)構(gòu)變化,各種神經(jīng)精神類疾病(例如自閉癥)會(huì)在此時(shí)間段內(nèi)發(fā)生。利用腦圖譜對(duì)大腦結(jié)構(gòu)進(jìn)行自動(dòng)分割有利于對(duì)腦功能和結(jié)構(gòu)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(gòu)大小不均衡等差異,導(dǎo)致利用成人腦圖譜對(duì)兒童大腦進(jìn)行自動(dòng)分割的不準(zhǔn)確。然而,包含眾多灰白質(zhì)結(jié)構(gòu)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(gòu)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(gè)灰白質(zhì)結(jié)構(gòu)的1歲和2歲兒童DTI腦圖譜。利用恰當(dāng)?shù)呐錅?zhǔn)方式,創(chuàng)建的兒童腦圖譜可以用來(lái)準(zhǔn)確的自動(dòng)分割相應(yīng)年齡段兒童腦MRI圖像�；谀X圖譜的自動(dòng)分割可以用來(lái)探討3-38個(gè)月兒童大腦連接的發(fā)育狀況。實(shí)驗(yàn)材料與方法:· 90例年齡在3-38個(gè)月的兒童參與此項(xiàng)研究。其中23例9-15個(gè)月的1歲兒童和27例20-28個(gè)月的2歲兒童的T1加權(quán)圖像和DTI數(shù)據(jù)分別用來(lái)創(chuàng)建1歲,2歲兒童腦圖譜;· 為了得到相互配準(zhǔn)的T1加權(quán)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(zhǔn)到對(duì)比度反轉(zhuǎn)的T1加權(quán)圖像上。此配準(zhǔn)過(guò)程產(chǎn)生的變形矩陣用來(lái)配準(zhǔn)其它DTI圖像。經(jīng)過(guò)這些變換,T1加權(quán)圖像和DTI圖像在同一空間,像素大小為1.0mm3;· 個(gè)體模板和平均腦模板的創(chuàng)建:AC-PC配準(zhǔn)后,將所有個(gè)體的T1加權(quán)圖像仿射變換到大腦形態(tài)較好的一個(gè)個(gè)體的T1加權(quán)圖像上,平均經(jīng)過(guò)配準(zhǔn)的所有圖像得到第一腦模板。再平均所有個(gè)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(fù)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(guò)程中生成的變形矩陣用來(lái)配準(zhǔn)DTI圖像。將此大腦形態(tài)較好的個(gè)體圖像仿射變化到線性平均腦模板得到個(gè)體腦模板。將所有個(gè)體的圖像LDDMM非線性配準(zhǔn)到個(gè)體腦模板并將配準(zhǔn)后的圖像進(jìn)行平均,得到非線性平均腦模板;· 計(jì)算Jacobian值:利用LDDMM配準(zhǔn)方法將10例1歲兒童的大腦圖像分別配準(zhǔn)到1歲,2歲和JHU成人腦圖譜。利用配準(zhǔn)過(guò)程中產(chǎn)生的變形矩陣計(jì)算Jacobian值的對(duì)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(quán)圖像上,并計(jì)算Jacobian值的分布直方圖;· 創(chuàng)建包含大量灰、白質(zhì)結(jié)構(gòu)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(gè)體腦模板的軸位圖像上手動(dòng)分割出124個(gè)灰白質(zhì)結(jié)構(gòu),并在冠狀位和矢狀位上對(duì)分割的結(jié)構(gòu)邊界進(jìn)行修改,直到各個(gè)結(jié)構(gòu)的邊界在三個(gè)方位上都相對(duì)平滑。在DTI偽彩圖上對(duì)白質(zhì)進(jìn)行分割,對(duì)白質(zhì)纖維進(jìn)行追蹤來(lái)輔助白質(zhì)的分割。皮質(zhì)下核團(tuán)的分割主要是在T1加權(quán)圖像上。依據(jù)T1加權(quán)圖像上腦溝回模式對(duì)大腦皮質(zhì)進(jìn)行分割。在進(jìn)行大腦結(jié)構(gòu)分割的過(guò)程中,利用Amira軟件對(duì)大腦結(jié)構(gòu)進(jìn)行3D重建,輔助對(duì)大腦結(jié)構(gòu)邊界進(jìn)行修改;· 基于腦圖譜分割的準(zhǔn)確性驗(yàn)證:利用1歲兒童腦圖譜和2歲兒童腦圖譜分別對(duì)5例1歲和5例2歲兒童大腦結(jié)構(gòu)進(jìn)行自動(dòng)分割,來(lái)探究基于腦圖譜自動(dòng)分割的準(zhǔn)確性。從每個(gè)個(gè)體的5張2D圖像中挑選出10個(gè)大腦結(jié)構(gòu),并對(duì)這10個(gè)結(jié)構(gòu)進(jìn)行手動(dòng)分割。為了驗(yàn)證個(gè)體間分割的差異,本課題組成員馮蕾對(duì)參與準(zhǔn)確性研究個(gè)體的10個(gè)大腦結(jié)構(gòu)進(jìn)行手動(dòng)分割。以手動(dòng)分割為標(biāo)準(zhǔn),分別計(jì)算兩次手動(dòng)分割,基于創(chuàng)建的兒童腦圖譜自動(dòng)分割與手動(dòng)分割腦結(jié)構(gòu)間的Dice值和L1錯(cuò)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(duì)90例3-38個(gè)月的兒童大腦進(jìn)行分割。3-18個(gè)月的兒童大腦利用1歲腦圖譜進(jìn)行分割,18-38個(gè)月的兒童大腦利用2歲兒童腦圖譜進(jìn)行分割。將腦圖譜配準(zhǔn)到個(gè)體的原始空間,分割每個(gè)個(gè)體的白質(zhì)纖維連接束,并將分割出來(lái)的白質(zhì)纖維分為五組。測(cè)量發(fā)育過(guò)程中白質(zhì)纖維連接的發(fā)育變化來(lái)說(shuō)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(gè)體配準(zhǔn)到JHU成人腦模板時(shí),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(gè)體配準(zhǔn)到1歲腦模板時(shí),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(gè)大腦皮質(zhì)結(jié)構(gòu),40個(gè)深層白質(zhì)結(jié)構(gòu),10個(gè)皮質(zhì)下核團(tuán)和22個(gè)腦干小腦結(jié)構(gòu);· 基于腦圖譜自動(dòng)分割的準(zhǔn)確性研究:基于創(chuàng)建的兒童腦圖譜自動(dòng)分割結(jié)構(gòu)與手動(dòng)分割結(jié)構(gòu)的Dice值高于0.8,表明基于1歲,2歲腦圖譜自動(dòng)分割的準(zhǔn)確性較高�？蹘Щ�,鉤狀束的Dice值大于0.75,說(shuō)明即使對(duì)于形狀不規(guī)則的結(jié)構(gòu),基于腦圖譜的自動(dòng)分割準(zhǔn)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(zhǎng),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(gè)灰白質(zhì)結(jié)構(gòu)的1歲,2歲兒童DTI腦圖譜。準(zhǔn)確性驗(yàn)證結(jié)果表明本研究創(chuàng)建的腦圖譜可以用來(lái)準(zhǔn)確地自動(dòng)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(duì)白質(zhì)纖維束進(jìn)行自動(dòng)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(lái)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(lái)探究大腦連接的發(fā)育是未來(lái)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(lái)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(gòu)腦網(wǎng)絡(luò)的發(fā)育目的:隨著孕周的增加,胎兒大腦結(jié)構(gòu)時(shí)刻發(fā)生著各種復(fù)雜的變化。這些變化不僅表現(xiàn)在大腦形態(tài)和微結(jié)構(gòu)上,還表現(xiàn)在宏觀的腦連接中。胎腦發(fā)育過(guò)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(shí),白質(zhì)軸纖維進(jìn)行不斷的發(fā)育并出現(xiàn)了以白質(zhì)軸纖維為基礎(chǔ)的腦連接。這些神經(jīng)細(xì)胞的遷徙路徑和快速發(fā)展的腦白質(zhì)纖維構(gòu)成了早期胎兒腦網(wǎng)絡(luò)連接的基礎(chǔ)。然而,孕中期到出生期胎兒結(jié)構(gòu)腦網(wǎng)絡(luò)的發(fā)育過(guò)程以及不同類型神經(jīng)纖維對(duì)結(jié)構(gòu)腦網(wǎng)絡(luò)的影響至今尚未研究清楚。腦圖譜可以對(duì)大腦進(jìn)行分割作為腦網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn),但是由于20孕周的胎腦表面十分光滑,用來(lái)分割20孕周胎腦的電子腦圖譜仍未被創(chuàng)建,因此,本實(shí)驗(yàn)室采用皮質(zhì)均分算法對(duì)大腦進(jìn)行分割來(lái)探討20到40孕周人類結(jié)構(gòu)腦網(wǎng)絡(luò)的發(fā)育。探究腦連接的發(fā)育過(guò)程不僅可以提供大腦細(xì)胞構(gòu)筑的相關(guān)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(biāo)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(duì)不同孕周個(gè)體的纖維進(jìn)行不同長(zhǎng)度的過(guò)濾:利用Track Vis對(duì)全腦纖維連接進(jìn)行追蹤并按不同長(zhǎng)度對(duì)大腦纖維進(jìn)行過(guò)濾;· 利用纖維連接的終點(diǎn)在大腦腦墻的位置將20孕周的纖維分為兩類:手動(dòng)將大腦腦墻結(jié)構(gòu)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(gè)終點(diǎn)都位于皮質(zhì)層的纖維稱之為第一種纖維。將一個(gè)終點(diǎn)位于內(nèi)層的纖維稱為第二種纖維;· 將大腦皮質(zhì)進(jìn)行分割作為腦網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn):由于缺乏20孕周的電子腦圖譜,本實(shí)驗(yàn)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(gè)區(qū)域作為腦網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn);· 追蹤后的纖維作為腦網(wǎng)絡(luò)的邊:利用過(guò)濾算法保留兩個(gè)節(jié)點(diǎn)之間的纖維并將此作為腦網(wǎng)絡(luò)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(jì)算不同稀釋度下腦網(wǎng)絡(luò)的各種屬性值,例如腦網(wǎng)絡(luò)強(qiáng)度、最短路徑長(zhǎng)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(zhǎng)度逐漸增長(zhǎng);· 20孕周胎腦的皮質(zhì)腦墻結(jié)構(gòu)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(gè)終點(diǎn)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(duì)20孕周胎兒結(jié)構(gòu)腦網(wǎng)絡(luò)的貢獻(xiàn)占主導(dǎo)作用;· 20到40孕周胎兒結(jié)構(gòu)腦網(wǎng)絡(luò)的發(fā)育:腦網(wǎng)絡(luò)變得更加強(qiáng)壯和高效,20-35孕周期間腦網(wǎng)絡(luò)各項(xiàng)指標(biāo)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(zhǎng)纖維連接的逐漸增長(zhǎng)增多,腦網(wǎng)絡(luò)的強(qiáng)度、全局效率和局部效率逐漸增強(qiáng)。20孕周的胎腦己經(jīng)出現(xiàn)小世界屬性,且第二種纖維對(duì)20孕周胎兒結(jié)構(gòu)腦網(wǎng)絡(luò)的貢獻(xiàn)占主導(dǎo)作用。探討20孕周兩種不同神經(jīng)纖維對(duì)腦網(wǎng)絡(luò)的貢獻(xiàn)有利于理解孕中期大腦細(xì)胞構(gòu)筑的成熟過(guò)程。此外,20-35孕周胎兒腦網(wǎng)絡(luò)強(qiáng)度和整體效率的增長(zhǎng)速度明顯快于35-40孕周,說(shuō)明細(xì)胞構(gòu)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(gòu)腦網(wǎng)絡(luò)發(fā)育的研究。用來(lái)分割20孕周胎兒大腦作為腦網(wǎng)絡(luò)連接節(jié)點(diǎn)的20孕周電子腦圖譜仍未被創(chuàng)建,本實(shí)驗(yàn)采用了皮質(zhì)均分算法將大腦進(jìn)行均分。因此,急需創(chuàng)建包含眾多灰白質(zhì)結(jié)構(gòu)的20孕周胎兒腦圖譜。
【圖文】：

逡逑補(bǔ)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(jì)算逡逑計(jì)算全腦的Ｊａｃｏｂｉａｎ邋（雅可比矩陣）值，用來(lái)說(shuō)明１歲個(gè)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(jī)選�。保袄睔q個(gè)體，，并利逡逑用ＬＤＤＭＭ配準(zhǔn)方法將這１０例１歲個(gè)體分別配準(zhǔn)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(guò)程中產(chǎn)生的變形矩陣，計(jì)算全腦逡逑Ｊａｃｏｂｉａｎ值的對(duì)數(shù)。圖１Ａ從左到右分別顯示的是將１歲個(gè)體ＬＤＤＭＭ配準(zhǔn)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(zhǔn)＾法將１０例１歲的個(gè)體分別ＬＤＤＭＭ配準(zhǔn)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(quán)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(xué)位授予單位】：山東大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號(hào)】：R741.044


本文編號(hào)：2695548