DTI数据分析及应用课件

DTI数据分析及应用1精选课件pptPage2内容提纲DTI的研究内容DTI数据处理流程DTIStudioFSL:FMRIB’sDiffusionToolbox2精选课件pptPage3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3精选课件pptDxyxyDyyDyz=(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

v2DxzDyzDzz00λ3v34精选课件pptPage5确定性跟踪算法跟踪终止条件Morietal.,AnnNeurol,19995精选课件pptPage6确定性跟踪结果Catanietal,Brain,2005粗大的白质纤维束6精选课件pptUncertaintyPage7纤维走向的不确定性Jones,MRM,2003LinearityBootstrap方法7精选课件pptPage8概率跟踪算法DirectionUncertaintyDTINoisePartialVolumeEffectsSlidefromTriNgo8精选课件pptPage9概率跟踪的方法Non-parametric(modelfree)approachesBootstrapmethodHARDI:Q-ball,DSIParametricapproachesPriorknowledgeandmodels:BayesianframeworkProbabilitydensityfunction(PDF):local,globalHowtoestimatethedistributionoffiberorientationswithinavoxel?9精选课件pptPage10

概率跟踪的思想Reference:Behrens,T.E.etal.Characterizationandpropagationofuncertaintyindiffusion-weightedMRimaging.MagnResonMed50,1077-88(2003).10精选课件pptPage11概率跟踪结果Frimanetal,IEEETMI,200611精选课件pptPage12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12精选课件pptPage13Connectivity-basedclassificationof thalamicvoxelsproducesclustersBehrensetal,NatureNeuroscience,200313精选课件pptPage14ImprovementsonthediffusiontensormodelsinglefibremultiplefibresSlidefromSaadJbabdi14精选课件pptPage15确定性跟踪常用软件:DTIStudio,MedINRIA,3DSlicer等概率跟踪常用软件：FSL15精选课件pptPage16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16精选课件pptPage17扩散属性测度以上三种情况的ADC=0.7x10-3mm2/s17精选课件pptPage1818精选课件pptPage1919精选课件pptPage2020精选课件pptPage21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21精选课件pptPage22Voxel-BasedAnalysis(VBA)VBMonFA(Ashburner,2000;Rugg-Gunn,2001)StrengthsFullyautomated&quickInvestigationwholebrainImplementationstepsPreprocessingNormalizationofFAimagesSmoothVoxelwisestatistics(e.g.controls–patients)IssuesAlignmentdifficult;smallestsystematicshiftsbetweengroupscanbeincorrectlyinterpretedasFAchangeNoobjectivewaytochoosesmoothingextent(6,8or10mm?)22精选课件pptPage2323精选课件pptPage2424精选课件pptPage2525精选课件pptPage2626精选课件pptPage2727精选课件pptPage2828精选课件pptPage2929精选课件pptPage3030精选课件ppt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.Neuroreport200631精选课件pptPage32Tract-BasedSpatialStatistics(TBSS)PartofFSLsoftware()OvercomethedrawbacksinVBAmethod,suchasalignmentissueandsmoothingissueFlowchart32精选课件pptPage33TBSSstepsindetail:preprocessing-createFAimagesfromyourdiffusionstudydatatbss_1_preproc-prepareyourFAdatainyourTBSSworkingdirectoryintherightformattbss_2_reg-applynonlinearregistrationofallFAimagesintostandardspacetbss_3_postreg-createthemeanFAimageandskeletoniseittbss_4_prestats-projectallsubjects'FAdataontothemeanFAskeletonstats(e.g.,randomise)-feedthe4DprojectedFAdataintoGLMmodellingandthresholdinginordertofindvoxelswhichcorrelatewithyourmodel.33精选课件pptPage34Docross-subjectvoxelwisestatsonskeleton-projectedFA34精选课件pptPage35Fig.TBSSresultsfrom15MSpatients.A,B:3DsurfacerenderingsofthemeanFAskeleton.C:YellowshowsthewhereFAcorrelatesnegativelywithEDSSdisabilityscore.D:Redasabove.InCandD,greenshowsthemeanFAskeleton,blueshowsthegroupmeanlesiondistribution,andthebackgroundimageistheMNI152.Smithetal.,NeuroImage,200635精选课件pptPage36Scholzetal.,NatureNeuroscience200936精选课件pptPage37TBSSdataacquisitionrequirement:

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.37精选课件pptPage38Thedatashouldnotbeupsampled(e.g.,throughunfilteredzero-paddingduringreconstruction)ifthisisdoneinsuchawayastointroduceringingintothedata.Ifmultiplerepeatsofb=0ordiffusion-weightedimagesaretobeacquired,theymustnotbeaveragedonthescanner(astheymustbecoregisteredbeforeaveraging,andanyriskofaveragingthecomplexdatashouldbeavoided).Fatsaturationshouldbeusedwheneverpossibletoremovesignalfromthescalp,whichcandisruptsignalinthebrainowingtochemicalshiftorghostingartifacts.Avitamincapsuleleft–rightmarker(oil,notwater)shouldbeattachedtotherightsideoftheheadtoavoidanyleft–rightambiguitiesduringdataconversionandanalysis.38精选课件pptPage39Computingequipment:Unix-basedcomputers.AppleMac(runningMacOSXversion10.4orhigher)andPCs(runningLinuxflavorsRedHat9,Enterprise,FC4,Suse9.0-9.3orDebian)HighRAMrequirements(particularlyiftensofsubjectsareusedinastudy),itislikelythatthecomputerwillneedtobe64bit.Thecomputershouldhaveatleasta1GHzCPUclock,1GBRAM,5GBs20GBfreeharddiskspace.Ifmultiplenetworkedcomputers(oracomputercluster)areavailable,theregistrationstepscanbeparallelized,greatlyreducingthetotalcomputationtime.39精选课件pptPage40白质纤维束的定量分析FA:LeftCingulum(Red)>RightCingulum(Blue)ParameterizationprocessGongetal,HumanBrainMapping,200540精选课件pptPage41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,200941精选课件pptPage42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42精选课件pptPage43内容提纲DTI的研究内容DTI数据处理流程DTIStudioFSL:FMRIB’sDiffusionToolbox43精选课件pptPage44数据处理的基本流程44精选课件pptPage45

DWIfromScannerS0

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S5S6……45精选课件pptPage46PreprocessingDICOMdataconversionImagequalitycheckEddycurrentcorrection46精选课件pptPage47内容提纲DTI的研究内容DTI数据处理流程DTIStudioFSL:FMRIB’sDiffusionToolbox47精选课件pptPage48DTIStudioDownload&InstallUserManualMailinglist48精选课件pptPage49LaunchingtheProgramandHardwareRequirementDtiStudio-latest-x86.exeforWindowssystemMorethan1GBRAMisrecommended49精选课件pptPage50MainFunctionsImageViewerDiffusionTensorCalculationFiberTrackingandEditing3DVisualizationImageROIDrawingandStatistics50精选课件pptPage51Howtodotensorcalculationandfibertracking?51精选课件pptPage52E:\work\Training\ExampleDataRawdata:MRIcroNdcm2nii.exe(.img,.hdr,.bvec,.bval)Eddycurrentcorrection:AIRTensor,FA,MDcalculation:DTIstudioFibertractography:DTIstudioROIselection52精选课件pptPage53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）。53精选课件pptPage54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Image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54精选课件pptPage55AIR的参数设置55精选课件pptPage56头动和涡流校正后的DTI图像保存56精选课件pptPage57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。57精选课件pptPage58DtiMap面板进行张量解算58精选课件pptPage59各种扩散属性的显示59精选课件pptPage60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。60精选课件pptPage61纤维跟踪方法261精选课件pptPage62纤维跟踪的参数设置62精选课件pptPage63重建纤维束的可视化63精选课件pptPage6464精选课件pptPage65MajorwhitemattertractsReference:WakanaS,CaprihanA,PanzenboeckMM,etal.,Reproducibilityofquantitativetractographymethodsappliedtocerebralwhitematter.Neuroimage,2007,36(3):630-644.65精选课件pptPage66纤维属性的统计分析66精选课件pptPage67NewModulesROIEditorROI