DTI数据分析及应用演示文稿

DTI数据分析及应用演示文稿现在是1页\一共有73页\编辑于星期日Page2内容提纲DTI的研究内容DTI数据处理流程DTIStudioFSL:FMRIB’sDiffusionToolbox现在是2页\一共有73页\编辑于星期日Page3扩散张量成像的研究内容纤维跟踪算法基于DTI的应用研究现在是3页\一共有73页\编辑于星期日DxyxyDyyDyz=(v1v2v3)0λ20扩散张量的数学描述D=

特征分解特征值:λ1≥λ2≥λ3>0特征向量:vi⊥vj,i≠j

Page4DxxDxyDxzλ100v1

v2DxzDyzDzz00λ3v3现在是4页\一共有73页\编辑于星期日Page5确定性跟踪算法跟踪终止条件Morietal.,AnnNeurol,1999现在是5页\一共有73页\编辑于星期日Page6确定性跟踪结果Catanietal,Brain,2005粗大的白质纤维束现在是6页\一共有73页\编辑于星期日UncertaintyPage7纤维走向的不确定性Jones,MRM,2003LinearityBootstrap方法现在是7页\一共有73页\编辑于星期日Page8概率跟踪算法DirectionUncertaintyDTINoisePartialVolumeEffectsSlidefromTriNgo现在是8页\一共有73页\编辑于星期日Page9概率跟踪的方法Non-parametric(modelfree)approachesBootstrapmethodHARDI:Q-ball,DSIParametricapproachesPriorknowledgeandmodels:BayesianframeworkProbabilitydensityfunction(PDF):local,globalHowtoestimatethedistributionoffiberorientationswithinavoxel?现在是9页\一共有73页\编辑于星期日Page10

概率跟踪的思想Reference:Behrens,T.E.etal.Characterizationandpropagationofuncertaintyindiffusion-weightedMRimaging.MagnResonMed50,1077-88(2003).现在是10页\一共有73页\编辑于星期日Page11概率跟踪结果Frimanetal,IEEETMI,2006现在是11页\一共有73页\编辑于星期日Page12概率跟踪的优点：估计纤维走向的不确定性,一定程度上解决纤维交叉问题研究FA较低的灰质脑区之间的解剖连接跟踪结果对噪声更稳定定量描述空间任意两个体素之间的连接概率概率跟踪的缺点：需要采集较多梯度方向的DTI图像计算量大，耗时现在是12页\一共有73页\编辑于星期日Page13Connectivity-basedclassificationof thalamicvoxelsproducesclustersBehrensetal,NatureNeuroscience,2003现在是13页\一共有73页\编辑于星期日Page14ImprovementsonthediffusiontensormodelsinglefibremultiplefibresSlidefromSaadJbabdi现在是14页\一共有73页\编辑于星期日Page15确定性跟踪常用软件:DTIStudio,MedINRIA,3DSlicer等概率跟踪常用软件：FSLhttp://www.fmrib.ox.ac.uk/fsl/fdt/现在是15页\一共有73页\编辑于星期日Page16扩散张量成像的研究内容纤维跟踪算法基于DTI的应用研究现在是16页\一共有73页\编辑于星期日Page17扩散属性测度以上三种情况的ADC=0.7x10-3mm2/s现在是17页\一共有73页\编辑于星期日Page18现在是18页\一共有73页\编辑于星期日Page19现在是19页\一共有73页\编辑于星期日Page20现在是20页\一共有73页\编辑于星期日Page21基于扩散属性测度的临床研究基于全脑配准的分析方法基于体素的统计分析（VBA）基于白质骨架的空间统计分析（TBSS）基于感兴趣区的分析方法手工画感兴趣区的方法基于纤维重建的定量分析现在是21页\一共有73页\编辑于星期日Page22Voxel-BasedAnalysis(VBA)VBMonFA(Ashburner,2000;Rugg-Gunn,2001)StrengthsFullyautomated&quickInvestigationwholebrainImplementationstepsPreprocessingNormalizationofFAimagesSmoothVoxelwisestatistics(e.g.controls–patients)IssuesAlignmentdifficult;smallestsystematicshiftsbetweengroupscanbeincorrectlyinterpretedasFAchangeNoobjectivewaytochoosesmoothingextent(6,8or10mm?)现在是22页\一共有73页\编辑于星期日Page23现在是23页\一共有73页\编辑于星期日Page24现在是24页\一共有73页\编辑于星期日Page25现在是25页\一共有73页\编辑于星期日Page26现在是26页\一共有73页\编辑于星期日Page27现在是27页\一共有73页\编辑于星期日Page28现在是28页\一共有73页\编辑于星期日Page29现在是29页\一共有73页\编辑于星期日Page30现在是30页\一共有73页\编辑于星期日精神分裂症患者的VBA分析

FA降低的脑区：••••••••cerebralpeduncle;frontalregions;inferiortemporalgyrus;medialparietallobes;hippocampalgyrus;Insula;rightanteriorcingulumbundle;rightcoronaradiata

Page31Haoetal.Neuroreport2006现在是31页\一共有73页\编辑于星期日Page32Tract-BasedSpatialStatistics(TBSS)PartofFSLsoftware(http://www.fmrib.ox.ac.uk/fsl/tbss/index.html)OvercomethedrawbacksinVBAmethod,suchasalignmentissueandsmoothingissueFlowchart现在是32页\一共有73页\编辑于星期日Page33TBSSstepsindetail:preprocessing-createFAimagesfromyourdiffusionstudydatatbss_1_preproc-prepareyourFAdatainyourTBSSworkingdirectoryintherightformattbss_2_reg-applynonlinearregistrationofallFAimagesintostandardspacetbss_3_postreg-createthemeanFAimageandskeletoniseittbss_4_prestats-projectallsubjects'FAdataontothemeanFAskeletonstats(e.g.,randomise)-feedthe4DprojectedFAdataintoGLMmodellingandthresholdinginordertofindvoxelswhichcorrelatewithyourmodel.现在是33页\一共有73页\编辑于星期日Page34Docross-subjectvoxelwisestatsonskeleton-projectedFA现在是34页\一共有73页\编辑于星期日Page35Fig.TBSSresultsfrom15MSpatients.A,B:3DsurfacerenderingsofthemeanFAskeleton.C:YellowshowsthewhereFAcorrelatesnegativelywithEDSSdisabilityscore.D:Redasabove.InCandD,greenshowsthemeanFAskeleton,blueshowsthegroupmeanlesiondistribution,andthebackgroundimageistheMNI152.Smithetal.,NeuroImage,2006现在是35页\一共有73页\编辑于星期日Page36Scholzetal.,NatureNeuroscience2009现在是36页\一共有73页\编辑于星期日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.现在是37页\一共有73页\编辑于星期日Page38Thedatashouldnotbeupsampled(e.g.,throughunfilteredzero-paddingduringreconstruction)ifthisisdoneinsuchawayastointroduceringingintothedata.Ifmultiplerepeatsofb=0ordiffusion-weightedimagesaretobeacquired,theymustnotbeaveragedonthescanner(astheymustbecoregisteredbeforeaveraging,andanyriskofaveragingthecomplexdatashouldbeavoided).Fatsaturationshouldbeusedwheneverpossibletoremovesignalfromthescalp,whichcandisruptsignalinthebrainowingtochemicalshiftorghostingartifacts.Avitamincapsuleleft–rightmarker(oil,notwater)shouldbeattachedtotherightsideoftheheadtoavoidanyleft–rightambiguitiesduringdataconversionandanalysis.现在是38页\一共有73页\编辑于星期日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.现在是39页\一共有73页\编辑于星期日Page40白质纤维束的定量分析FA:LeftCingulum(Red)>RightCingulum(Blue)ParameterizationprocessGongetal,HumanBrainMapping,2005现在是40页\一共有73页\编辑于星期日Page41同正常人相比，早期盲人的视放射白质扩散异常，FA值显著降低，ADC和λ23显著升高。早期盲人大脑白质扩散异常研究Shuetal,HumanBrainMapping,2009现在是41页\一共有73页\编辑于星期日Page42单张量模型的假设无法解决纤维交叉问题纤维跟踪技术的准确性缺乏严格的评价体系扩散张量成像的局限性现在是42页\一共有73页\编辑于星期日Page43内容提纲DTI的研究内容DTI数据处理流程DTIStudioFSL:FMRIB’sDiffusionToolbox现在是43页\一共有73页\编辑于星期日Page44数据处理的基本流程现在是44页\一共有73页\编辑于星期日Page45

DWIfromScannerS0

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S5S6……现在是45页\一共有73页\编辑于星期日Page46PreprocessingDICOMdataconversionImagequalitycheckEddycurrentcorrection现在是46页\一共有73页\编辑于星期日Page47内容提纲DTI的研究内容DTI数据处理流程DTIStudioFSL:FMRIB’sDiffusionToolbox现在是47页\一共有73页\编辑于星期日Page48DTIStudio/Download&InstallUserManualMailinglist现在是48页\一共有73页\编辑于星期日Page49LaunchingtheProgramandHardwareRequirementDtiStudio-latest-x86.exeforWindowssystemMorethan1GBRAMisrecommended现在是49页\一共有73页\编辑于星期日Page50MainFunctionsImageViewerDiffusionTensorCalculationFiberTrackingandEditing3DVisualizationImageFileManagementROIDrawingandStatistics现在是50页\一共有73页\编辑于星期日Page51Howtodotensorcalculationandfibertracking?现在是51页\一共有73页\编辑于星期日Page52E:\work\Training\ExampleDataRawdata:MRIcroNdcm2nii.exe(.img,.hdr,.bvec,.bval)Eddycurrentcorrection:AIRTensor,FA,MDcalculation:DTIstudioFibertractography:DTIstudioROIselection现在是52页\一共有73页\编辑于星期日Page53第一步：对原始DICOM数据进行格式转换。利用MRIcroN软件中的dcm2nii.exe工具，将DTI原始数据文件夹拖入，即可得到DTI扫描的梯度编码文件.bval和.bvec，以及转换后的NIFTI格式的图像文件（OutputFormat选择4DNIfTIhdr/img）。现在是53页\一共有73页\编辑于星期日Page54第二步：对DTI图像进行头动和涡流校正。打开DTIstudio,File->MRIView3D,选中上一步得到的4D.img文件，ImageParameters中选择ImageFileFormat为Analyze，点击OK，然后在Image面板ImageProcessing区域选择AutomaticImageRegistration(AIR)，按图3进行设置，然后点击OK，等图像配准完成后，在Image面板的OrthogonalViews区域的文件下拉框中看到Air_开头的一系列文件，为校正后的DTI图像文件，点击Save，将Air_开头的所有文件选中，选择RawData，保存为一个4D的.dat文件。MRIView3D参数现在是54页\一共有73页\编辑于星期日Page55AIR的参数设置现在是55页\一共有73页\编辑于星期日Page56头动和涡流校正后的DTI图像保存现在是56页\一共有73页\编辑于星期日Page57第三步：张量解算以及FA,ADC等扩散指标的计算。打开DTIstudio,File->DTIMapping,选择PhilipsREC格式，Continue，按图5进行参数设置，Addafile中选中上一步保存的4D.dat文件，点击OK，在DtiMap面板的Calculation区域选中Tensor,ColorMapetc.（计算ADC值选择ADC-Map），根据图像选择噪声水平，点击OK，然后等DTIStudio算完后在Image面板的OrthogonalView区域可看到计算出来的各种扩散属性文件。对于想要保存的文件，如FA,EigenVector-0，ColorMap-0等可以分别进行Save（.dat格式），便于下一次查看和使用。现在是57页\一共有73页\编辑于星期日Page58DtiMap面板进行张量解算现在是58页\一共有73页\编辑于星期日Page59各种扩散属性的显示现在是59页\一共有73页\编辑于星期日Page60第四步：纤维跟踪及可视化。第一种方法：基于前面步骤，在DtiMap面板的FiberTracking区域点击FiberTracking，然后进行参数设置，点击OK，就会进行基于全脑体素（FA>0.2）的纤维重建；第二种方法：如果上一步已保存FA和EigenVector-0文件，可重新打开DTIStudio,File->Fiber-Tracking，选上FA-Map文件和PrincipleVector文件，并进行参数设置，点击OK，就会进行基于全脑体素（FA>0.2）的纤维重建。通过任何一种方法，算完后右下角会出现Fiber面板，再此面板中可以对特定纤维束进行显示和编辑，并可以对纤维属性进行统计分析。现在是60页\一共有73页\编辑于星期日Page61纤维跟踪方法2现在是61页\一共有73页\编辑于星期日Page62纤维跟踪的参数设置现在是62页\一共有73页\编辑于星期日Page63重建纤维束的可视化现在是63页\一共有73页\编辑于星期日Page64现在是64页\一共有73页\编辑于星期日Page65MajorwhitemattertractsReference:WakanaS,CaprihanA,PanzenboeckMM,etal.,Reproducibilityofquantitativetractographymethodsappliedtocerebralwhitematter.Neuroimage,2007,36(3):630-644.现在是65页\一共有73页\编辑于星期日Page66纤维属性的统计分析现在是66页\一共有73页\编辑于星期日Page