基于三线性插值的脑白质纤维成像

doi:10.3969/j.issn.1673-5374.2013.23.005

摘要/Abstract

摘要：

扩散张量成像是目前活体、三维、无创显示脑白质纤维束的惟一方法，同时也是观察和研究神经再生的一个重要工具。目前研究者提出了多种基于扩散张量的纤维追踪方法，但如何使计算快速，追踪纤维更长、更光滑、细节显示更清晰，一直是纤维追踪在临床应用上需要不断改进的问题。文章提出了三线性插值的纤维追踪方法，以一右侧基底节区急性梗死灶患者为例，设计了基于能量最小和极限原理的三线性插值算法以及张量线算法实验，分别对同一感兴趣区域（胼胝体膝部）进行纤维追踪，将2种方法追踪结果进行对比，并结合患者实际病情以及大脑真实解剖加以验证。数据统计结果显示三线性插值法所追踪出的白质神经纤维的最大长度和平均长度明显更长。追踪图像结果显示三线性插值算法所追踪纤维更光滑、走向更加明显，细节显示更加清晰。追踪纤维的异常情况与患者实际病情较好吻合，经胼胝体部位的纤维追踪显示与大脑解剖结构基本一致。表明三线性插值算法可以达到较好的追踪效果，追踪结果真实可靠。

关键词: 神经再生, 神经影像学, 扩散张量成像, 三线性插值, 张量线算法, 白质纤维, 纤维追踪, 核磁共振成像

Abstract:

Diffusion tensor imaging is a unique method to visualize white matter fibers three-dimensionally, non-invasively and in vivo, and therefore it is an important tool for observing and researching neural regeneration. Different diffusion tensor imaging-based fiber tracking methods have been already investigated, but making the computing faster, fiber tracking longer and smoother and the details shown clearer are needed to be improved for clinical applications. This study proposed a new fiber tracking strategy based on tri-linear interpolation. We selected a patient with acute infarction of the right basal ganglia and designed experiments based on either the tri-linear interpolation algorithm or tensorline algorithm. Fiber tracking in the same regions of interest (genu of the corpus callosum) was performed separately. The validity of the tri-linear interpolation algorithm was verified by quan-titative analysis, and its feasibility in clinical diagnosis was confirmed by the contrast between tracking results and the disease condition of the patient as well as the actual brain anatomy. Statis-tical results showed that the maximum length and average length of the white matter fibers tracked by the tri-linear interpolation algorithm were significantly longer. The tracking images of the fibers indicated that this method can obtain smoother tracked fibers, more obvious orientation and clearer details. Tracking fiber abnormalities are in good agreement with the actual condition of patients, and tracking displayed fibers that passed though the corpus callosum, which was consistent with the anatomical structures of the brain. Therefore, the tri-linear interpolation algorithm can achieve a clear, anatomically correct and reliable tracking result.

Key words: neural regeneration, neuroimaging, diffusion tensor imaging, tri-linear interpolation, tensor algorithm, white matter fiber, fiber tracking, magnetic resonance imaging, grants-supported paper, neuroregeneration

. 基于三线性插值的脑白质纤维成像[J]. 中国神经再生研究(英文版), 2013, 8(23): 2155-2164.

Shan Jiang, Pengfei Zhang, Tong Han, Weihua Liu, Meixia Liu. Tri-linear interpolation-based cerebral white matter fiber imaging[J]. Neural Regeneration Research, 2013, 8(23): 2155-2164.

参考文献

引言

材料方法

讨论

文章快阅

延伸阅读

1实验设计构思介绍：

对于脑白质纤维追踪成像，国内外均有学者进行了大量研究，主要追踪方法有确定型和概率型两种。确定型算法，算法比较简单、计算速度快，在临床上的应用也最为广泛。但是确定型算法容易受到噪声和部分容积效应的影响，并且产生误差累计。而国内的研究者长期以来都仅局限各种方法的临床应用上，很少有人提出较新的追踪改进方法，所以发展相对缓慢。针对这一现象，提出了将三线性插值法用于纤维追踪，旨在提高纤维追踪效果。

在理论上，实验提出运用三线性插值算法对单点体素周围8个体素的纤维方向进行插值，计算出该点的纤维方向，从而可降低噪声和部分容积效应的影响，并且和常用的张量线法进行了对比。在2种方法的对比实验上，作者分别对比了2种追踪方法的追踪纤维数目、纤维最大长度、平均长度等指标，并进行了成像的效果对比，以显示2种方法实际的追踪效果。在该方法的临床应用上，考虑到脑梗死疾病会对患者的脑纤维走向产生扰乱，纤维的异常情况更加明显，所以在验证三线性插值法优点和准确性时选择了脑梗死患者，追踪的结果显示和实际病情较好吻合，从而验证了该方法的临床适用性。在与实际脑解剖结构的对比上，经过胼胝体部位的纤维显示结果与相应的解剖结构基本一致，从而验证了该方法的正确性。

通过研究表明作者提出的算法在保持确定型算法计算简单快捷的同时使得追踪纤维长度更长、光滑度更好、纤维细节显示也更加清晰。

2国内外同类研究水平的介绍：

国外：国外对纤维追踪的研究起步较早，几乎在出现扩散张量成像的同时就产生了纤维追踪方法，无论是追踪方法还是临床应用上的研究都较为深入。到目前为止，纤维追踪方法主要分为两大类，即确定型纤维追踪和概率型纤维追踪。在确定型纤维追踪中有研究者提出了连续示踪纤维分配技术（FACT）、张量弯曲法（TE）、张量线算法（TLA）等，但各种算法均主要根据其所在的体素方向进行追踪，所以易受到噪声和部分容积效应的影响。在概率型追踪算法中有研究者提出了基于贝叶斯概型的追踪算法、整体最优算法、基于已知解剖结构的追踪算法等，这些算法可以产生更多的纤维走向、更好地减少噪声和部分容积效应的影响，从而减少累积误差；但是随之而来的巨大计算量、储存空间以及不必要的纤维走向使这些方法在临床应用上受到制约。在临床上应用上，纤维追踪方法现已广泛运用于精神分裂症、手术前规划、抑郁症、大脑连接性等领域。

国内：国内对于纤维追踪方法的研究较少，而且一般局限于对纤维追踪临床应用的研究上，如用纤维追踪技术来探究脑白质的完整性、分析正常人脑白质的老化、研究大脑各部分的连接情况，探究通过优化b值来改善追踪质量，通过比较在相同区域内所追踪的纤维个数变化来评价追踪的可重复性，或者对计算数据结构进行改进以减少计算时间，而很少有人提出新的追踪改进方法。

3与其他同类研究的比较：

纤维追踪从方法上讲主要分为两大类，即确定型算法和概率型算法。相对于确定型算法而言，概率型算法有较好的追踪效果，但是计算时间过长，或者依附于某些已知的解剖结构，所以限制了其临床应用。传统的确定型算法计算简单快捷、临床实用最为广泛，但容易受噪声和部分容积效应影响导致追踪效果不佳。针对这一问题，本文提出了将三线性插值用于纤维追踪的方法。每个当前体素的梯度值由其周围的8个体素插值而来，可以有效减小噪声和部分容积效应的影响使追踪纤维的长度更长、光滑度以及细节显示更好。并分别在追踪理论、实验验证、临床适用性、以及和真实解剖结构对比的准确性上进行了分析。

三线性插值法并没有局限于某些区域连接的研究上，也没有依附于已有的解剖结构，使用范围不受限制，同时所用的成像条件也在普通临床使用的范围之内。

在三线性插值方面，国内外研究主要在医学图像体的绘制，空间坐标立体视觉标定以及提高视觉测量误差等方面，还未曾有人提出用于脑白质纤维追踪。

实验在追踪方法上仍属于确定型追踪方法的范畴，继承了方法简单，计算快捷的优点，在使用范围、成像条件、计算速度、成像质量等方面都更适合于临床应用。因此作者认为较其他同类研究而言，文章有一定的创新性和先进性。

4文章先进性、创新性及其特色：

(1)首次提出将三线性插值的方法用于纤维追踪，在一定程度上减少噪声和部分容积效应对纤维追踪的影响，使得计算快捷，追踪纤维数目更多，纤维长度更长、更光滑、走向及细节更加清晰。

(2)研究通过三线性插值与张量线方法的理论对比，确立其理论上的应用价值。并通过实验验证、临床适用性、以及和真实解剖结构对比的准确性等多个方面验证三线性插值在人脑白质纤维追踪领域中的适用性和有效性。

(3)研究方法基于扩散张量成像理论，而扩散张量成像理论已在临床上得到广泛应用，所以要求的采样序列、采样参数、采样时间等均在普通临床使用范围之内，无特殊成像条件要求。

(4)运用VC++结合VTK开发实现了扩散张量数据的处理以及纤维的追踪和显示，并使用方向编码的方法使得纤维走向十分清晰，便于临床应用。

通过检索国内外先进的数据库系统，并分析检索结果，证明本研究在该领域具有较好的先进性和创新性，具体检索结果如下：

2012-04-21，检索维普中文期刊全文数据库和中国期刊网数据库（CNKI），检索关键词为“纤维追踪”、“Tractography”、“三线性插值”。在维普数据库中检索时间范围为1989-2012，检索到纤维追踪、Tractography、三线性插值的相关文献分别为16，13，18篇。在中国知网中检索时间范围为1979/2012，检索到纤维追踪、Tractography、三线性插值的相关文献分别为8，109，4篇。通过检索结果发现，目前国内关于神经纤维追踪的研究主要集中在纤维追踪在临床上的应用，包括脑梗死、胶质细胞瘤、急性脑出血锥体束损伤、颅脑先天畸形、多发性硬化、脑肿瘤手术等。对于神经纤维追踪方法理论的研究非常少，主要集中在对成像参数的优化、对追踪效果的评价以及对数据结构的改进上。比如，探究通过优化b值来改善追踪质量，通过比较在相同区域内所追踪的纤维个数变化来评价追踪的可重复性，另外还有很少数的研究者提出了概率型追踪方法的改进。而三线性插值的方法主要用于空间坐标的立体视觉标定及其误差补偿、医学图像体绘制、曲面的三角片逼近上，还未出现用于纤维追踪上的相关文献。

2012-04-27，检索web of science数据库，检索关键词设为“Tractography”、“Trilinear interpolation”，检索时间范围为1985/2012分别检索到2227，129篇相关文献。通过检索发现，国外对纤维追踪的研究无论在追踪方法上还是在临床应用上都较为深入。在追踪方法上主要有确定型追踪方法和概率型追踪方法，其中确定型研究方法包括连续示踪纤维分配技术、张量弯曲法、张量线算法等。概率型研究方法包括基于贝叶斯概型的追踪方法，整体最优算法和融合已知解剖结构的追踪算法等。以往的确定型算法中纤维方向主要由所在体素的主扩散方向确定，所以易受噪声和部分容积效应的影响。而三线性插值法主要用于医学图像体表面提取、提高机器人位姿误差检测及误差补偿、寻找矢量场中的哑点等，也未曾出现用于纤维追踪的相关文献。

通过分析上述检索结果，实验属于确定型研究方法，在继承确定型算法的计算快捷的基础上，提出将三线性插值法运用于纤维追踪，可以有效降低噪声和部分容积效应的影响，使得追踪纤维更长、更光滑、细节显示效果更好。因此认为文章提出的方法具有一定先进性。

5外审专家意见及作者答复：

问题：选择病例数太少，只有1例，没有对照组进行对比分析，研究方法存在严重缺陷。与其他算法的比较，如"基于高阶张量模型估计扩散张量信号"等，该算法有什么优缺点。

答：本研究主要进行的是纤维追踪的原理性研究，通过理论研究，解决目前纤维追踪中的瓶颈问题。只是想借助于实际的纤维追踪来验证用该算法所追踪纤维的走向、长短及其光滑度以及与真实情况是否相符等问题。为了验证三线性插值法的优点，我们在材料和方法部分增加了与张量线法的理论对比，并将两种方法进行了各种追踪结果的定量对比以及追踪纤维的显示对比。总结起来，本研究方法的可行性和有效性证明主要分为四方面，即两种方法的理论对比、两种方法的追踪实验结果对比、在临床上的适用性验证、与实际解剖结构是否一致的正确性验证。现在的确有研究者提出了一些可显示单体素交叉的方法，比如Q空间成像、Q-Ball成像以及高阶张量成像等。Q空间以及Q-Ball成像的b值要求过高，梯度方向多，考虑到病人的耐受度所以很少运用于临床。高阶张量成像还处于理论研究阶段，较少有应用于临床的相关报导。而三线性插值法仍属于确定型追踪方法的范畴，并且计算速度快捷，采样参数仍在扩散张量采样范畴，对成像要求没有超出临床使用的范围，但追踪的效果有所改善，所以本文作者认为该方法有更好的临床适用性。

[1]	. 神经基质膜包裹周围神经损伤的安全和有效性：一项随机单盲多中心临床试验[J]. 中国神经再生研究(英文版), 2021, 16(8): 1652-1659.
[2]	. 手术切除临近弓状束胶质瘤易损伤语言功能和危险因素[J]. 中国神经再生研究(英文版), 2021, 16(2): 333-337.
[3]	. CXCR7中和抗体对脑缺血慢性期海马齿状回神经再生认知功能的影响[J]. 中国神经再生研究(英文版), 2020, 15(6): 1079-1085.
[4]	. 追踪神经再生轴突时程分析体内感觉轴突的再生[J]. 中国神经再生研究(英文版), 2020, 15(6): 1160-1165.
[5]	. 幼年氯胺酮暴露诱导大脑海马神经元凋亡可影响成年空间学习能力[J]. 中国神经再生研究(英文版), 2020, 15(5): 880-886.
[6]	. 血清胱抑素C水平与缺血性脑卒中后认知功能障碍呈负相关[J]. 中国神经再生研究(英文版), 2020, 15(5): 922-928.
[7]	. Slit1-3和Robo1-2在小鼠损伤周围神经系统中的动态表达[J]. 中国神经再生研究(英文版), 2020, 15(5): 948-958.
[8]	. 3-D生物打印胶原/丝素蛋白支架联合神经干细胞促进脊髓损伤后神经再生[J]. 中国神经再生研究(英文版), 2020, 15(5): 959-968.
[9]	. 抑制内源性组织型纤溶酶原激活物可增强创伤性脑损伤后神经细胞凋亡和轴索损伤[J]. 中国神经再生研究(英文版), 2020, 15(4): 667-675.
[10]	. 表达HIF-1腺病毒感染骨髓间充质干细胞联合红景天苷保护急性脊髓损伤的作用[J]. 中国神经再生研究(英文版), 2020, 15(4): 690-696.
[11]	. 椎管密闭的改良脊髓损伤模型大鼠神经功能及病理学变化[J]. 中国神经再生研究(英文版), 2020, 15(4): 697-704.
[12]	. 神经管缺陷胚胎神经管发育过程中白血病抑制因子受体蛋白的时空表达[J]. 中国神经再生研究(英文版), 2020, 15(4): 705-711.
[13]	. 腺苷A1受体长期激活诱导分拣蛋白能促进多巴胺能神经元中α-突触核蛋白的表达[J]. 中国神经再生研究(英文版), 2020, 15(4): 712-723.
[14]	. 多巴胺耗竭下纹状体中星形胶质细胞的特征性反应[J]. 中国神经再生研究(英文版), 2020, 15(4): 724-730.
[15]	. 去神经支配肌肉中残余神经肌肉接头有助于延迟周围神经修复后的功能恢复[J]. 中国神经再生研究(英文版), 2020, 15(4): 731-738.