蔡文琴, 王遠(yuǎn)軍
(上海理工大學(xué) 健康科學(xué)與工程學(xué)院, 上海 200093)
隨著我國(guó)人口老齡化程度加深,大腦精神類(lèi)疾病的發(fā)病率呈現(xiàn)快速增長(zhǎng)趨勢(shì),例如,原發(fā)性老年癡呆癥[1]、腦缺血[2]、中風(fēng)[3]及精神分裂[4]等。擴(kuò)散張量成像(diffusion tensor imaging, DTI)[5]是唯一能夠非侵入性地對(duì)生物組織中水分子的各向異性擴(kuò)散特征進(jìn)行成像的成像模態(tài),它能夠提供組織微細(xì)結(jié)構(gòu)信息,特別是對(duì)于大腦白質(zhì)組織在分子水平上的檢測(cè)更為靈敏?;贒TI 的全腦解剖學(xué)分割能夠獲取腦組織中細(xì)微的結(jié)構(gòu)信息,并對(duì)DTI 數(shù)據(jù)中腦白質(zhì)或病變區(qū)域進(jìn)行提取與處理,能夠?yàn)榕R床疾病的輔助診斷提供更好的分析手段。一般來(lái)說(shuō),由臨床醫(yī)生手動(dòng)進(jìn)行勾畫(huà)的腦解剖學(xué)圖像被認(rèn)為是最準(zhǔn)確的分割方法,俗稱“金標(biāo)準(zhǔn)”;然而,由于DTI 圖像的圖像分辨率低,且為四維圖像,因而不易于被醫(yī)生進(jìn)行手動(dòng)分割。因此,開(kāi)發(fā)一種具有較高準(zhǔn)確率和魯棒性的DTI圖像自動(dòng)分割算法已經(jīng)成為國(guó)內(nèi)外醫(yī)學(xué)圖像處理與分析領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。
傳統(tǒng)的醫(yī)學(xué)圖像分割方法有很多,例如,閾值分割法[6]、區(qū)域生長(zhǎng)法[7]及水平集分割法[8]等,這些方法是利用圖像的灰度、梯度或者其他區(qū)域的特征進(jìn)行分割,而DTI 圖像每個(gè)體素是 3×3的張量,因其圖像特點(diǎn),它不適用于這些方法進(jìn)行分割。為此,近年來(lái)國(guó)內(nèi)外學(xué)者紛紛提出了各種不同的方法對(duì)張量圖像進(jìn)行分割。Rittner 等[9]通過(guò)梯度的計(jì)算,使用分水嶺分割算法對(duì)DTI 數(shù)據(jù)中的胼胝體進(jìn)行了分割。在此基礎(chǔ)上,王毅等[10]提出了一種基于矢量活動(dòng)輪廓模型的DTI 腦胼胝體分割方法,該類(lèi)算法對(duì)于局部某個(gè)腦區(qū)的分割效果尚可,但是,對(duì)分割大腦多個(gè)腦區(qū)的效果欠佳,而且由于分水嶺算法對(duì)于邊緣信息的敏感度,容易導(dǎo)致其產(chǎn)生過(guò)分割的現(xiàn)象;Lenglet 等[11]提出了張量空間的高斯概率活動(dòng)輪廓模型分割算法對(duì)DTI 大腦數(shù)據(jù)進(jìn)行分割,并推導(dǎo)出了用于衡量張量間不相似性的測(cè)地距離,但該算法的分割精準(zhǔn)度和魯棒性會(huì)隨著DTI數(shù)據(jù)中高斯模型的變化而產(chǎn)生影響;Dai 等[12]提出了DTI 大腦縱向分割方法,但是,由于該算法對(duì)數(shù)據(jù)集的要求高,需要多次重復(fù)采集大腦數(shù)據(jù)來(lái)改善分割效果,且它的方法以結(jié)構(gòu)圖像為主,僅利用DTI 成像的各向異性分?jǐn)?shù)圖像,因此,并不適用于對(duì)普通DTI 大腦圖像的分割研究。綜上所述,由于腦部結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性以及腦部區(qū)域邊界的模糊性,上述方法在分割DTI 圖像的不同腦組織的精確度上差異很大,存在著一定的局限性。
針對(duì)上述方法的不足,本文提出了一種基于對(duì)稱圖像歸一化配準(zhǔn)的DTI 腦區(qū)分割方法,它是以磁共振T1 圖像的分區(qū)圖為前提,利用ANTs 配準(zhǔn)方法,結(jié)合對(duì)稱圖像歸一化的配準(zhǔn)模型,將磁共振T1 圖像與DTI 的b0 圖像進(jìn)行配準(zhǔn),從而獲取DTI 空間的位移場(chǎng)信息,再使用位移場(chǎng)將T1 圖像的分區(qū)圖映射至DTI 空間,最終得到DTI 圖像的腦區(qū)分割結(jié)果。本文選取了阿爾茨海默癥(Alzheimer's Disease, AD)患者作為實(shí)驗(yàn)對(duì)象進(jìn)行研究,而其發(fā)病時(shí)通常局部腦區(qū)會(huì)發(fā)生異常,因此,需要選取合適的方法對(duì)局部腦區(qū)的分割結(jié)果進(jìn)行定量和定性的評(píng)估。以往的方法大多采用兩種方式:一種是針對(duì)DTI 圖像的局部腦區(qū),通常會(huì)選用手動(dòng)分割該區(qū)域,再將自動(dòng)分割結(jié)果與其作比較,來(lái)驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)的準(zhǔn)確性。此方法對(duì)磁共振T1 圖像的適用性更高,但是,由于DTI 圖像的分辨率低,在此基礎(chǔ)上進(jìn)行手動(dòng)分割的效果不佳,容易因“金標(biāo)準(zhǔn)”劃分的錯(cuò)誤而直接影響其最終結(jié)果。因此,本文采用的是定量評(píng)估中常用的另一種方法,即統(tǒng)計(jì)學(xué)的研究方法,它可以從側(cè)面反映局部腦區(qū)劃分的準(zhǔn)確性,且該方法可結(jié)合DTI 圖像中的各向異性圖來(lái)更好地驗(yàn)證AD 患者發(fā)病時(shí)相較于正常對(duì)照組(normal control, NC)其腦區(qū)異常部分。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,該算法取得了良好的分割結(jié)果,有助于精確地理解人腦微觀結(jié)構(gòu),進(jìn)而更好地輔助臨床進(jìn)行疾病的診斷。
基于DTI 成像的全腦區(qū)分割方法是基于磁共振T1 成像的更深層研究,由于DTI 圖像的不易分割性,因此,實(shí)驗(yàn)考慮將已得到的基于T1 成像的腦分割圖像通過(guò)某種配準(zhǔn)和映射的方式轉(zhuǎn)換為對(duì)應(yīng)的DTI 分區(qū)圖?;诖殴舱馮1 的大腦分割方法[13]是利用多圖譜的分割方法,借助多項(xiàng)式展開(kāi)的配準(zhǔn)和全局加權(quán)融合,得到最終目標(biāo)圖像的分割結(jié)果。得到T1 分割圖像后,提取同一病例DTI 圖像的b0 圖像,將目標(biāo)圖像與b0 圖像運(yùn)用ANTs(advancednormalization tools)中的對(duì)稱歸一化(symmetric normalization,SyN)變換模型對(duì)兩者進(jìn)行空間配準(zhǔn),將位移場(chǎng)參數(shù)映射至T1 對(duì)應(yīng)的分割結(jié)果中,即可得到在DTI 空間上的全腦區(qū)分割結(jié)果,此方法將不易被手動(dòng)分區(qū)的DTI 圖像進(jìn)行了巧妙的轉(zhuǎn)換,利用磁共振T1 圖像的特點(diǎn),得到了最終的分割結(jié)果。該方法的流程如圖1 所示。
圖1 DTI 圖像分割算法流程圖Fig.1 Flow chart of DTI image segmentation algorithm
由于不同人群的大腦解剖結(jié)構(gòu)各不相同,因此,需要通過(guò)配準(zhǔn)操作將不同的個(gè)體配準(zhǔn)到同一個(gè)空間上,從而確定大腦的形態(tài)。ANTs[14]是近年來(lái)對(duì)2 個(gè)圖像進(jìn)行配準(zhǔn)中效果最好的軟件之一,它是基于C 語(yǔ)言進(jìn)行編寫(xiě)的,其運(yùn)行速度較快,且不受圖譜與目標(biāo)圖像的圖像大小限制,此配準(zhǔn)包通常在Linux 系統(tǒng)下使用較為廣泛。
實(shí)驗(yàn)中,使用ANTs 中的SyN 變換模型[15]進(jìn)行配準(zhǔn)操作,它是仿射變換和可變形變換的結(jié)合,以互信息作為其優(yōu)化的指標(biāo),用最大化微分同胚映射空間內(nèi)的互相關(guān),優(yōu)化了歐拉-拉格朗日配準(zhǔn)技術(shù)所不能保證的相似性度量的對(duì)稱性。微分同胚是具有可逆性的映射[16],通常假設(shè)剛性和縮放變換已經(jīng)進(jìn)行了提取,且圖像的邊界也能進(jìn)行映射。在此空間中元素之間的最短路徑稱之為測(cè)地線,SyN 方法能夠保證在測(cè)地線連接2 個(gè)圖像(即圖像I 和圖像J)的前提下,使得2 個(gè)圖像都沿著形狀進(jìn)行流線型移動(dòng),且無(wú)論相似度或優(yōu)化參數(shù)如何改變,從圖像I 到圖像J 和從圖像J 到圖像I 的路徑一致。此外,在進(jìn)行距離估算的同時(shí),也要保證其對(duì)稱一致性,其映射情況如圖2所示。第1 行為初始化時(shí)的原始圖像I 和原始圖像J;第2 行為經(jīng)過(guò)SyN 方法收斂后,這些圖像經(jīng)過(guò)微分同胚變形后的狀態(tài);第3 行為變形的位移場(chǎng);第4 行為變換的函數(shù)。I(0.5)表示在0.5 時(shí)刻原始圖像I(0)變換后的圖像。
圖2 圖像I 和圖像J 的SyN 測(cè)地線路徑[17]Fig.2 SyN geodesic path of image I and image J[17]
DTI 技術(shù)是近年來(lái)研究腦成像的新方向,它是利用水分子布朗運(yùn)動(dòng)的特點(diǎn)去間接反映人體組織結(jié)構(gòu),根據(jù)水分子的運(yùn)動(dòng)方向及形式去判斷其三維走向,從而達(dá)到研究腦功能的目的,對(duì)腦白質(zhì)疾病及研究腦網(wǎng)絡(luò)的連接性、完整性及其他特點(diǎn)的評(píng)估提供了新的依據(jù),具有磁共振T1 加權(quán)像、磁共振T2 加權(quán)像等其他常規(guī)MRI 圖像無(wú)法與之比較的優(yōu)越性。b0圖像是DTI圖像在掃描時(shí)當(dāng)b值為0 時(shí)生成的圖像[18],b為擴(kuò)散敏感系數(shù),其表達(dá)式為
式中: γ為旋磁比;G為 磁場(chǎng)強(qiáng)度; δ為每個(gè)梯度脈沖施加的時(shí)間; Δ為脈沖施加的時(shí)間間隔。
從式(1)中可以得到,b值為常數(shù),由施加磁場(chǎng)的梯度場(chǎng)強(qiáng)的參數(shù)來(lái)確定,且b的值越大,彌散運(yùn)動(dòng)發(fā)生時(shí)水分子越敏感,b0 圖像如圖3 所示。
圖3 b0 大腦圖像Fig. 3 b0 brain image
實(shí)驗(yàn)中,將目標(biāo)的待分割T1 加權(quán)圖像與DTI的b0 圖像通過(guò)ANTs 進(jìn)行配準(zhǔn),得到其空間的對(duì)應(yīng)位置信息及映射的位移場(chǎng)參數(shù),再將此位移場(chǎng)映射至目標(biāo)圖像的分區(qū)圖,即可得到在DTI 空間上的全腦區(qū)分割圖像。
各向異性分?jǐn)?shù)(fractional anisotropy, FA)[19]是用來(lái)反映分子之間的差別和離散性的表示方法,它的定義為
式中:FA為部分各向異性指數(shù); λ1,λ2,λ3表示擴(kuò)散張量的本征值, λ=(λ1+λ2+λ3)/3表示張量的平均擴(kuò)散率。
FA常用于衡量擴(kuò)散張量部分各向異性的程度,它的值在0~1 之間進(jìn)行變化,當(dāng)FA=0 時(shí),則表示擴(kuò)散各向同性;當(dāng)FA=1 時(shí),則表示擴(kuò)散各向異性。目前,在臨床研究中,F(xiàn)A值的應(yīng)用較為廣泛,其原因如下:
a.FA值不會(huì)隨著坐標(biāo)系的改變而輕易進(jìn)行改變,也就是說(shuō)它具有旋轉(zhuǎn)不變性的特點(diǎn)。
b. FA 圖像可以獲取到腦灰質(zhì)及腦白質(zhì)之間的對(duì)比性,因此,它可以較為容易地對(duì)腦部的感興趣區(qū)域進(jìn)行提取,適用于作為全腦區(qū)分割的參考比較圖像。
c. FA 圖像具有較高的信噪比,與腦區(qū)分割圖像進(jìn)行點(diǎn)乘后可以較好地反映各個(gè)腦區(qū)的不同特征,便于后續(xù)的針對(duì)某個(gè)腦區(qū)或者某些區(qū)域進(jìn)行分析,F(xiàn)A 圖像如圖4 所示。
圖4 FA 大腦圖像Fig. 4 FA brain image
由于FA 圖像是表示腦白質(zhì)等組織各向異性及完整性的一個(gè)度量指標(biāo),而AD 患者發(fā)病時(shí)通常腦白質(zhì)等區(qū)域容易發(fā)生異常。因此,本實(shí)驗(yàn)選擇將DTI 的FA 圖像與磁共振T1 分區(qū)圖對(duì)應(yīng)的各個(gè)腦區(qū)的標(biāo)簽進(jìn)行逐一點(diǎn)乘,提取出各個(gè)感興趣的腦區(qū)區(qū)域,再針對(duì)AD 患者發(fā)病時(shí)容易發(fā)生異常的腦區(qū)通過(guò)合適的統(tǒng)計(jì)學(xué)方法進(jìn)行評(píng)估和驗(yàn)證。
實(shí)驗(yàn)中,利用SPSS(statistical product and service solutions)17.0 軟件[20]對(duì)所得到的腦區(qū)分割結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)學(xué)評(píng)價(jià),運(yùn)用獨(dú)立樣本t檢驗(yàn)對(duì)AD 和NC 進(jìn)行比較。在進(jìn)行獨(dú)立樣本t檢驗(yàn)前,需要對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行正態(tài)分布的驗(yàn)證,保證其滿足正態(tài)分布才能進(jìn)行下一步的分析。因?yàn)橹挥袧M足了這個(gè)前提,才可以保證計(jì)算出的統(tǒng)計(jì)量能夠滿足T 分布[21]。當(dāng)P>0.05 時(shí),則接受原來(lái)的假設(shè),認(rèn)為對(duì)應(yīng)腦區(qū)的差異不具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義;在P<0.05時(shí),則否定原先假設(shè),認(rèn)為對(duì)應(yīng)腦區(qū)的差異具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。在統(tǒng)計(jì)參數(shù)的比較中,選擇腦區(qū)圖像的灰度平均值進(jìn)行統(tǒng)計(jì)學(xué)檢驗(yàn),灰度均值反映了圖像中所有像素灰度值的算數(shù)平均。均值越大,則說(shuō)明圖像的亮度越大;均值越小,則代表圖像的亮度越小,其公式為
式中:An代 表計(jì)算得出的灰度均值;a1,a2,···,an代 表各個(gè)像素點(diǎn)的像素值;n代表像素點(diǎn)的總個(gè)數(shù)。
本文所有的實(shí)驗(yàn)均在Window10 系統(tǒng)下進(jìn)行操作,運(yùn)行環(huán)境為:內(nèi)存8.0 GB;芯片Intel Core(TM) i7-8700 CPU @3.20GHz;算法是基于Matlab語(yǔ)言開(kāi)發(fā)的,其版本為R2018a。實(shí)驗(yàn)的第一個(gè)數(shù)據(jù)集來(lái)源于the Alzheimer’s Disease Neuroimaging Initiative(ADNI)[22]數(shù)據(jù)集的40 例磁共振T1 加權(quán)MRI 序列和其對(duì)應(yīng)的DTI 序列圖像(其中,20 例為AD 患者病例,20 例為NC 對(duì)照組);第二個(gè)數(shù)據(jù)集是15 例T1 加權(quán)像及它對(duì)應(yīng)的標(biāo)簽圖像,該數(shù)據(jù)集來(lái)自O(shè)ASIS 數(shù)據(jù)庫(kù),被用于MICCAI 2012多地圖集標(biāo)記重大挑戰(zhàn)賽和研討會(huì)[23]。該數(shù)據(jù)集的標(biāo)簽均由臨床的專(zhuān)家進(jìn)行了手動(dòng)標(biāo)記,共標(biāo)注了138 個(gè)結(jié)構(gòu),其中28 個(gè)標(biāo)簽為非皮質(zhì)層結(jié)構(gòu)[24],分別為:第三腦室、第四腦室、腦干、左/右半球伏隔核、腦白質(zhì)、小腦白質(zhì)、尾狀核、杏仁核、海馬、側(cè)腦室、蒼白球、殼核、丘腦、腹側(cè)間腦以及小腦小葉IV、VI-VII 和VIII-X。ADNI 數(shù)據(jù)集中的每例圖像數(shù)據(jù)的切片數(shù)量在201~254 之間,切片尺寸為1 96×197,其具體數(shù)據(jù)信息如表1 所示。MICCAI 數(shù)據(jù)集中的每幅圖像的切片數(shù)量在261~334 之間,切片尺寸為 256×256。2 個(gè)數(shù)據(jù)集合的各向同性分辨率均為1 mm×1 mm×1 mm。
表1 ADNI 數(shù)據(jù)集信息Tab.1 ADNI dataset information
ADNI 數(shù)據(jù)集獲取的40 例數(shù)據(jù)是DICOM 格式的圖像,而后續(xù)的操作需要NIFTI 圖像進(jìn)行操作,因此,首先使用Mricron 軟件中的dcm2nii.exe將所有圖像都轉(zhuǎn)變?yōu)镹IFTI 格式的圖像,在軟件界面中通過(guò)File 中的DICOM to NIFTI 添加需要轉(zhuǎn)換的圖像或者文件夾即可進(jìn)行轉(zhuǎn)換,將轉(zhuǎn)換后的DTI 圖像運(yùn)用FSL 軟件進(jìn)行了b0 圖像和FA 圖像的提取。
由于每例圖像數(shù)據(jù)的切片數(shù)目各不相同,為了便于后續(xù)的實(shí)驗(yàn)操作及評(píng)價(jià),將2 個(gè)數(shù)據(jù)集中所有的磁共振T1 圖像的切片數(shù)都調(diào)整成256×334×256。然后使用FSL 軟件中的BET-Brain Extraction Tool[25]對(duì)磁共振T1、b0 和FA 的顱骨進(jìn)行了剝離操作,最后使用3D Slicer 下的N4ITK MRI Bias correction 對(duì)圖像進(jìn)行偏置場(chǎng)校正,以保證圖像灰度的標(biāo)準(zhǔn)化[26],去除多余噪聲等干擾信息。實(shí)驗(yàn)預(yù)處理后的T1、b0 和FA 圖像如圖5 和圖6 所示。
圖5 預(yù)處理前后對(duì)比圖(AD 患者組)Fig.5 Comparison of before and after preprocessing (AD patient group)
圖6 預(yù)處理前后對(duì)比圖(NC 對(duì)照組)Fig.6 Comparison diagram before and after preprocessing (NC control group)
本文在基于多圖譜的分割算法得到磁共振T1 圖像的分割結(jié)果后,進(jìn)一步獲得了DTI 圖像的分割結(jié)果。實(shí)驗(yàn)運(yùn)用ANTs 的配準(zhǔn)方法,結(jié)合DTI 的b0 和FA 圖像的特點(diǎn),獲取了DTI 空間上的全腦區(qū)分割結(jié)果。圖7 為ADNI 數(shù)據(jù)集中AD 患者和NC 對(duì)照組的DTI 圖像的腦區(qū)分割結(jié)果。為了更加直觀地顯示其分割效果,用不同顏色區(qū)分了AD 與NC 最終分割結(jié)果中的各個(gè)腦區(qū)。
圖7 AD 和NC 的DTI 腦區(qū)分割結(jié)果Fig.7 DTI brain segmentation results of AD and NC
由于腦白質(zhì)被神經(jīng)軸突和髓鞘包裹,其主要用于對(duì)外周器官進(jìn)行信息傳遞及協(xié)調(diào)[27],白質(zhì)的異常可以反映AD 患者大腦的功能性變化。因此,臨床上可以通過(guò)腦白質(zhì)纖維束來(lái)對(duì)AD 局部異常進(jìn)行判斷,其標(biāo)簽圖像如圖8 所示。另外,腦灰質(zhì)、海馬及顳葉也是早期AD 患者中可能發(fā)生異常的腦區(qū)。
圖8 腦白質(zhì)的標(biāo)簽位置圖像Fig.8 Image of the label position of the white matter of the brain
實(shí)驗(yàn)中,將AD 和NC 的腦區(qū)運(yùn)用獨(dú)立樣本t檢驗(yàn),結(jié)果如表2 所示。從表2 中可以看出,AD 患者相對(duì)于NC 對(duì)照組而言,它在大腦白質(zhì)區(qū)域、灰質(zhì)區(qū)域及海馬體等重要的中樞神經(jīng)系統(tǒng)腦區(qū)發(fā)生了異常,經(jīng)過(guò)SPSS 軟件的獨(dú)立樣本t檢驗(yàn),得出P<0.05,證明AD 和NC 在這些腦區(qū)具有顯著性差異。
從結(jié)果中可以看出,基于DTI 圖像去研究AD 患者和NC 對(duì)照組的腦區(qū)結(jié)構(gòu)可以反應(yīng)老年時(shí)期大腦白質(zhì)、灰質(zhì)等容易產(chǎn)生異常的腦區(qū)的位置和功能性變化。同時(shí),對(duì)于正常老年人個(gè)體的研究也可以加深對(duì)大腦神經(jīng)性疾?。ɡ纾篈D, 輕度認(rèn)知障礙(mild cognitive impairment, MCI)等)可能出現(xiàn)異常情況的理解與分析,從而為臨床獲取有價(jià)值的解剖及病理性信息提供了幫助和推進(jìn)作用。
本文主要將原始的利用多圖譜對(duì)磁共振T1 圖像的大腦分割轉(zhuǎn)變?yōu)閷?duì)DTI 圖像的分割。由于DTI 圖像的分辨率低,且是四維圖像,因此,很難手動(dòng)地進(jìn)行腦區(qū)的勾畫(huà)及劃分。因此,本文在基于T1 分區(qū)結(jié)果的基礎(chǔ)上,利用ANTs 的配準(zhǔn)方法,將待分割的目標(biāo)圖像與DTI 的b0 圖像利用SyN 配準(zhǔn)模型進(jìn)行配準(zhǔn),得到其映射的位移場(chǎng)信息,再將位移場(chǎng)映射至T1 圖像的分區(qū)圖從而得到在DTI 空間上的各個(gè)腦區(qū)分割結(jié)果。然后將該分區(qū)圖與DTI 的FA 圖像進(jìn)行點(diǎn)乘,計(jì)算其圖像的灰度均值。利用統(tǒng)計(jì)學(xué)的獨(dú)立樣本t檢驗(yàn)方法驗(yàn)證AD 患者和NC 對(duì)照組在腦白質(zhì)、腦灰質(zhì)、海馬體和顳葉等腦區(qū)的異常情況,最終得到P<0.05,則表示這些腦區(qū)具有顯著性差異,說(shuō)明這些腦區(qū)是臨床上阿爾茲海默癥患者可能發(fā)生異常的腦區(qū)位置。另外,DTI 圖像能夠反映分子的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)信息,對(duì)于腦白質(zhì)的纖維束追蹤有著重要的影響意義,本文得到的DTI 腦區(qū)分割結(jié)果有望于在將來(lái)纖維束追蹤方面提供新的研究思路,更有望于在臨床上對(duì)大腦疾病的研究和診斷提供幫助和分析依據(jù)。