DTI數(shù)據(jù)分析及應(yīng)用演示文稿

DTI數(shù)據(jù)分析及應(yīng)用演示文稿現(xiàn)在是1頁\一共有73頁\編輯于星期日Page2內(nèi)容提綱DTI的研究內(nèi)容DTI數(shù)據(jù)處理流程DTIStudioFSL:FMRIB’sDiffusionToolbox現(xiàn)在是2頁\一共有73頁\編輯于星期日Page3擴散張量成像的研究內(nèi)容纖維跟蹤算法基于DTI的應(yīng)用研究現(xiàn)在是3頁\一共有73頁\編輯于星期日DxyxyDyyDyz=(v1v2v3)0λ20擴散張量的數(shù)學(xué)描述D=

特征分解特征值:λ1≥λ2≥λ3>0特征向量:vi⊥vj,i≠j

Page4DxxDxyDxzλ100v1

v2DxzDyzDzz00λ3v3現(xiàn)在是4頁\一共有73頁\編輯于星期日Page5確定性跟蹤算法跟蹤終止條件Morietal.,AnnNeurol,1999現(xiàn)在是5頁\一共有73頁\編輯于星期日Page6確定性跟蹤結(jié)果Catanietal,Brain,2005粗大的白質(zhì)纖維束現(xiàn)在是6頁\一共有73頁\編輯于星期日UncertaintyPage7纖維走向的不確定性Jones,MRM,2003LinearityBootstrap方法現(xiàn)在是7頁\一共有73頁\編輯于星期日Page8概率跟蹤算法DirectionUncertaintyDTINoisePartialVolumeEffectsSlidefromTriNgo現(xiàn)在是8頁\一共有73頁\編輯于星期日Page9概率跟蹤的方法Non-parametric(modelfree)approachesBootstrapmethodHARDI:Q-ball,DSIParametricapproachesPriorknowledgeandmodels:BayesianframeworkProbabilitydensityfunction(PDF):local,globalHowtoestimatethedistributionoffiberorientationswithinavoxel?現(xiàn)在是9頁\一共有73頁\編輯于星期日Page10

概率跟蹤的思想Reference:Behrens,T.E.etal.Characterizationandpropagationofuncertaintyindiffusion-weightedMRimaging.MagnResonMed50,1077-88(2003).現(xiàn)在是10頁\一共有73頁\編輯于星期日Page11概率跟蹤結(jié)果Frimanetal,IEEETMI,2006現(xiàn)在是11頁\一共有73頁\編輯于星期日Page12概率跟蹤的優(yōu)點：估計纖維走向的不確定性,一定程度上解決纖維交叉問題研究FA較低的灰質(zhì)腦區(qū)之間的解剖連接跟蹤結(jié)果對噪聲更穩(wěn)定定量描述空間任意兩個體素之間的連接概率概率跟蹤的缺點：需要采集較多梯度方向的DTI圖像計算量大，耗時現(xiàn)在是12頁\一共有73頁\編輯于星期日Page13Connectivity-basedclassificationof thalamicvoxelsproducesclustersBehrensetal,NatureNeuroscience,2003現(xiàn)在是13頁\一共有73頁\編輯于星期日Page14ImprovementsonthediffusiontensormodelsinglefibremultiplefibresSlidefromSaadJbabdi現(xiàn)在是14頁\一共有73頁\編輯于星期日Page15確定性跟蹤常用軟件:DTIStudio,MedINRIA,3DSlicer等概率跟蹤常用軟件：FSLhttp://www.fmrib.ox.ac.uk/fsl/fdt/現(xiàn)在是15頁\一共有73頁\編輯于星期日Page16擴散張量成像的研究內(nèi)容纖維跟蹤算法基于DTI的應(yīng)用研究現(xiàn)在是16頁\一共有73頁\編輯于星期日Page17擴散屬性測度以上三種情況的ADC=0.7x10-3mm2/s現(xiàn)在是17頁\一共有73頁\編輯于星期日Page18現(xiàn)在是18頁\一共有73頁\編輯于星期日Page19現(xiàn)在是19頁\一共有73頁\編輯于星期日Page20現(xiàn)在是20頁\一共有73頁\編輯于星期日Page21基于擴散屬性測度的臨床研究基于全腦配準(zhǔn)的分析方法基于體素的統(tǒng)計分析（VBA）基于白質(zhì)骨架的空間統(tǒng)計分析（TBSS）基于感興趣區(qū)的分析方法手工畫感興趣區(qū)的方法基于纖維重建的定量分析現(xiàn)在是21頁\一共有73頁\編輯于星期日Page22Voxel-BasedAnalysis(VBA)VBMonFA(Ashburner,2000;Rugg-Gunn,2001)StrengthsFullyautomated&quickInvestigationwholebrainImplementationstepsPreprocessingNormalizationofFAimagesSmoothVoxelwisestatistics(e.g.controls–patients)IssuesAlignmentdifficult;smallestsystematicshiftsbetweengroupscanbeincorrectlyinterpretedasFAchangeNoobjectivewaytochoosesmoothingextent(6,8or10mm?)現(xiàn)在是22頁\一共有73頁\編輯于星期日Page23現(xiàn)在是23頁\一共有73頁\編輯于星期日Page24現(xiàn)在是24頁\一共有73頁\編輯于星期日Page25現(xiàn)在是25頁\一共有73頁\編輯于星期日Page26現(xiàn)在是26頁\一共有73頁\編輯于星期日Page27現(xiàn)在是27頁\一共有73頁\編輯于星期日Page28現(xiàn)在是28頁\一共有73頁\編輯于星期日Page29現(xiàn)在是29頁\一共有73頁\編輯于星期日Page30現(xiàn)在是30頁\一共有73頁\編輯于星期日精神分裂癥患者的VBA分析

FA降低的腦區(qū)：????????cerebralpeduncle;frontalregions;inferiortemporalgyrus;medialparietallobes;hippocampalgyrus;Insula;rightanteriorcingulumbundle;rightcoronaradiata

Page31Haoetal.Neuroreport2006現(xiàn)在是31頁\一共有73頁\編輯于星期日Page32Tract-BasedSpatialStatistics(TBSS)PartofFSLsoftware(http://www.fmrib.ox.ac.uk/fsl/tbss/index.html)OvercomethedrawbacksinVBAmethod,suchasalignmentissueandsmoothingissueFlowchart現(xiàn)在是32頁\一共有73頁\編輯于星期日Page33TBSSstepsindetail:preprocessing-createFAimagesfromyourdiffusionstudydatatbss_1_preproc-prepareyourFAdatainyourTBSSworkingdirectoryintherightformattbss_2_reg-applynonlinearregistrationofallFAimagesintostandardspacetbss_3_postreg-createthemeanFAimageandskeletoniseittbss_4_prestats-projectallsubjects'FAdataontothemeanFAskeletonstats(e.g.,randomise)-feedthe4DprojectedFAdataintoGLMmodellingandthresholdinginordertofindvoxelswhichcorrelatewithyourmodel.現(xiàn)在是33頁\一共有73頁\編輯于星期日Page34Docross-subjectvoxelwisestatsonskeleton-projectedFA現(xiàn)在是34頁\一共有73頁\編輯于星期日Page35Fig.TBSSresultsfrom15MSpatients.A,B:3DsurfacerenderingsofthemeanFAskeleton.C:YellowshowsthewhereFAcorrelatesnegativelywithEDSSdisabilityscore.D:Redasabove.InCandD,greenshowsthemeanFAskeleton,blueshowsthegroupmeanlesiondistribution,andthebackgroundimageistheMNI152.Smithetal.,NeuroImage,2006現(xiàn)在是35頁\一共有73頁\編輯于星期日Page36Scholzetal.,NatureNeuroscience2009現(xiàn)在是36頁\一共有73頁\編輯于星期日Page37TBSSdataacquisitionrequirement:

Voxelsizeshouldbelessthan3×3×3mm3.Atleastoneb=0shouldbeacquired;ideallyoneb=0imageforeveryeightdiffusion-weightedimages.b-valueshouldbeatleast800s/mm2.Atleastsix-gradientdirectionsmustbeacquired.itisbettertousemoreuniquesamplingdirections(withisotropicangulardensity18)thantoobtainrepeatsamplesofthesamesetofdirections.SNRinthediffusion-weightedimagesshouldbemaximized.AnexampleprotocolthatshouldleadtosufficientlyhighSNRishavingb=1,000smm–2,24diffusion-weightedimagesandSNRgreaterthan15intheb=0image.現(xiàn)在是37頁\一共有73頁\編輯于星期日Page38Thedatashouldnotbeupsampled(e.g.,throughunfilteredzero-paddingduringreconstruction)ifthisisdoneinsuchawayastointroduceringingintothedata.Ifmultiplerepeatsofb=0ordiffusion-weightedimagesaretobeacquired,theymustnotbeaveragedonthescanner(astheymustbecoregisteredbeforeaveraging,andanyriskofaveragingthecomplexdatashouldbeavoided).Fatsaturationshouldbeusedwheneverpossibletoremovesignalfromthescalp,whichcandisruptsignalinthebrainowingtochemicalshiftorghostingartifacts.Avitamincapsuleleft–rightmarker(oil,notwater)shouldbeattachedtotherightsideoftheheadtoavoidanyleft–rightambiguitiesduringdataconversionandanalysis.現(xiàn)在是38頁\一共有73頁\編輯于星期日Page39Computingequipment:Unix-basedcomputers.AppleMac(runningMacOSXversion10.4orhigher)andPCs(runningLinuxflavorsRedHat9,Enterprise,FC4,Suse9.0-9.3orDebian)HighRAMrequirements(particularlyiftensofsubjectsareusedinastudy),itislikelythatthecomputerwillneedtobe64bit.Thecomputershouldhaveatleasta1GHzCPUclock,1GBRAM,5GBswapand20GBfreeharddiskspace.Ifmultiplenetworkedcomputers(oracomputercluster)areavailable,theregistrationstepscanbeparallelized,greatlyreducingthetotalcomputationtime.現(xiàn)在是39頁\一共有73頁\編輯于星期日Page40白質(zhì)纖維束的定量分析FA:LeftCingulum(Red)>RightCingulum(Blue)ParameterizationprocessGongetal,HumanBrainMapping,2005現(xiàn)在是40頁\一共有73頁\編輯于星期日Page41同正常人相比，早期盲人的視放射白質(zhì)擴散異常，F(xiàn)A值顯著降低，ADC和λ23顯著升高。早期盲人大腦白質(zhì)擴散異常研究Shuetal,HumanBrainMapping,2009現(xiàn)在是41頁\一共有73頁\編輯于星期日Page42單張量模型的假設(shè)無法解決纖維交叉問題纖維跟蹤技術(shù)的準(zhǔn)確性缺乏嚴(yán)格的評價體系擴散張量成像的局限性現(xiàn)在是42頁\一共有73頁\編輯于星期日Page43內(nèi)容提綱DTI的研究內(nèi)容DTI數(shù)據(jù)處理流程DTIStudioFSL:FMRIB’sDiffusionToolbox現(xiàn)在是43頁\一共有73頁\編輯于星期日Page44數(shù)據(jù)處理的基本流程現(xiàn)在是44頁\一共有73頁\編輯于星期日Page45

DWIfromScannerS0

S1

S2

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S5S6……現(xiàn)在是45頁\一共有73頁\編輯于星期日Page46PreprocessingDICOMdataconversionImagequalitycheckEddycurrentcorrection現(xiàn)在是46頁\一共有73頁\編輯于星期日Page47內(nèi)容提綱DTI的研究內(nèi)容DTI數(shù)據(jù)處理流程DTIStudioFSL:FMRIB’sDiffusionToolbox現(xiàn)在是47頁\一共有73頁\編輯于星期日Page48DTIStudio/Download&InstallUserManualMailinglist現(xiàn)在是48頁\一共有73頁\編輯于星期日Page49LaunchingtheProgramandHardwareRequirementDtiStudio-latest-x86.exeforWindowssystemMorethan1GBRAMisrecommended現(xiàn)在是49頁\一共有73頁\編輯于星期日Page50MainFunctionsImageViewerDiffusionTensorCalculationFiberTrackingandEditing3DVisualizationImageFileManagementROIDrawingandStatistics現(xiàn)在是50頁\一共有73頁\編輯于星期日Page51Howtodotensorcalculationandfibertracking?現(xiàn)在是51頁\一共有73頁\編輯于星期日Page52E:\work\Training\ExampleDataRawdata:MRIcroNdcm2nii.exe(.img,.hdr,.bvec,.bval)Eddycurrentcorrection:AIRTensor,FA,MDcalculation:DTIstudioFibertractography:DTIstudioROIselection現(xiàn)在是52頁\一共有73頁\編輯于星期日Page53第一步：對原始DICOM數(shù)據(jù)進(jìn)行格式轉(zhuǎn)換。利用MRIcroN軟件中的dcm2nii.exe工具，將DTI原始數(shù)據(jù)文件夾拖入，即可得到DTI掃描的梯度編碼文件.bval和.bvec，以及轉(zhuǎn)換后的NIFTI格式的圖像文件（OutputFormat選擇4DNIfTIhdr/img）。現(xiàn)在是53頁\一共有73頁\編輯于星期日Page54第二步：對DTI圖像進(jìn)行頭動和渦流校正。打開DTIstudio,File->MRIView3D,選中上一步得到的4D.img文件，ImageParameters中選擇ImageFileFormat為Analyze，點擊OK，然后在Image面板ImageProcessing區(qū)域選擇AutomaticImageRegistration(AIR)，按圖3進(jìn)行設(shè)置，然后點擊OK，等圖像配準(zhǔn)完成后，在Image面板的OrthogonalViews區(qū)域的文件下拉框中看到Air_開頭的一系列文件，為校正后的DTI圖像文件，點擊Save，將Air_開頭的所有文件選中，選擇RawData，保存為一個4D的.dat文件。MRIView3D參數(shù)現(xiàn)在是54頁\一共有73頁\編輯于星期日Page55AIR的參數(shù)設(shè)置現(xiàn)在是55頁\一共有73頁\編輯于星期日Page56頭動和渦流校正后的DTI圖像保存現(xiàn)在是56頁\一共有73頁\編輯于星期日Page57第三步：張量解算以及FA,ADC等擴散指標(biāo)的計算。打開DTIstudio,File->DTIMapping,選擇PhilipsREC格式，Continue，按圖5進(jìn)行參數(shù)設(shè)置，Addafile中選中上一步保存的4D.dat文件，點擊OK，在DtiMap面板的Calculation區(qū)域選中Tensor,ColorMapetc.（計算ADC值選擇ADC-Map），根據(jù)圖像選擇噪聲水平，點擊OK，然后等DTIStudio算完后在Image面板的OrthogonalView區(qū)域可看到計算出來的各種擴散屬性文件。對于想要保存的文件，如FA,EigenVector-0，ColorMap-0等可以分別進(jìn)行Save（.dat格式），便于下一次查看和使用。現(xiàn)在是57頁\一共有73頁\編輯于星期日Page58DtiMap面板進(jìn)行張量解算現(xiàn)在是58頁\一共有73頁\編輯于星期日Page59各種擴散屬性的顯示現(xiàn)在是59頁\一共有73頁\編輯于星期日Page60第四步：纖維跟蹤及可視化。第一種方法：基于前面步驟，在DtiMap面板的FiberTracking區(qū)域點擊FiberTracking，然后進(jìn)行參數(shù)設(shè)置，點擊OK，就會進(jìn)行基于全腦體素（FA>0.2）的纖維重建；第二種方法：如果上一步已保存FA和EigenVector-0文件，可重新打開DTIStudio,File->Fiber-Tracking，選上FA-Map文件和PrincipleVector文件，并進(jìn)行參數(shù)設(shè)置，點擊OK，就會進(jìn)行基于全腦體素（FA>0.2）的纖維重建。通過任何一種方法，算完后右下角會出現(xiàn)Fiber面板，再此面板中可以對特定纖維束進(jìn)行顯示和編輯，并可以對纖維屬性進(jìn)行統(tǒng)計分析。現(xiàn)在是60頁\一共有73頁\編輯于星期日Page61纖維跟蹤方法2現(xiàn)在是61頁\一共有73頁\編輯于星期日Page62纖維跟蹤的參數(shù)設(shè)置現(xiàn)在是62頁\一共有73頁\編輯于星期日Page63重建纖維束的可視化現(xiàn)在是63頁\一共有73頁\編輯于星期日Page64現(xiàn)在是64頁\一共有73頁\編輯于星期日Page65MajorwhitemattertractsReference:WakanaS,CaprihanA,PanzenboeckMM,etal.,Reproducibilityofquantitativetractographymethodsappliedtocerebralwhitematter.Neuroimage,2007,36(3):630-644.現(xiàn)在是65頁\一共有73頁\編輯于星期日Page66纖維屬性的統(tǒng)計分析現(xiàn)在是66頁\一共有73頁\編輯于星期日Page