DTI數據分析及應用演示文稿

DTI數據分析及應用演示文稿現(xiàn)在是1頁\一共有73頁\編輯于星期日Page2內容提綱DTI的研究內容DTI數據處理流程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容纖維跟蹤算法基于DTI的應用研究現(xiàn)在是3頁\一共有73頁\編輯于星期日DxyxyDyyDyz=(v1v2v3)0λ20擴散張量的數學描述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確定性跟蹤結果Catanietal,Brain,2005粗大的白質纖維束現(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較低的灰質腦區(qū)之間的解剖連接跟蹤結果對噪聲更穩(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容纖維跟蹤算法基于DTI的應用研究現(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的分析方法基于體素的統(tǒng)計分析（VBA）基于白質骨架的空間統(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單張量模型的假設無法解決纖維交叉問題纖維跟蹤技術的準確性缺乏嚴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內容提綱DTI的研究內容DTI數據處理流程DTIStudioFSL:FMRIB’sDiffusionToolbox現(xiàn)在是43頁\一共有73頁\編輯于星期日Page44數據處理的基本流程現(xiàn)在是44頁\一共有73頁\編輯于星期日Page45

DWIfromScannerS0

S1

S2

S3

S4

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內容提綱DTI的研究內容DTI數據處理流程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數據進行格式轉換。利用MRIcroN軟件中的dcm2nii.exe工具，將DTI原始數據文件夾拖入，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進行設置，然后點擊OK，等圖像配準完成后，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參數現(xiàn)在是54頁\一共有73頁\編輯于星期日Page55AIR的參數設置現(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等擴散指標的計算。打開DTIstudio,File->DTIMapping,選擇PhilipsREC格式，Continue，按圖5進行參數設置，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，然后進行參數設置，點擊OK，就會進行基于全腦體素（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，并進行參數設置，點擊OK，就會進行基于全腦體素（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行顯示和編輯，并可以對纖維屬性進行統(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纖維跟蹤的參數設置現(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