Nearly isotropic segmentation for medial temporal lobe subregions in multi-modality MRI

要約

脳MRIにおける内側側頭葉（MTL）サブ領域の形態計測は、アルツハイマー病やその他の関連状態に対する敏感なバイオマーカーです。
高い面での分解能を持つT2強調（T2W）MRIは、海馬のコントラストが高いため、海馬サブフィールドをセグメント化するために広く使用されていますが、平面外分解能が低いため、小領域の厚さ測定の精度が低下します。
この問題に対処するために、T2W MRIに画像とラベルのアップサンプリングと高解像度セグメンテーションを組み込んだほぼ等方性セグメンテーションパイプラインを開発しました。
第一に、29人に由来する既存の異方性アトラスに基づいて、高解像度のアトラスが作成されました。
ATLASのT1加重画像とT2W画像の両方を、非ローカル平均アプローチを使用して、元の解像度からほぼ等方性解像度0.4×0.4×0.52mm3にアップサンプリングされました。
アトラス内の手動セグメンテーションは、UNETベースのニューラルネットワークを使用してこの解像度に合わせてアップサンプリングされました。UNETベースのニューラルネットワークは、手動セグメンテーションを備えた高解像度のvivoおよび低解像度の異方性MRIの両方で構成されるコホートで訓練されました。
第二に、このほぼ等方性アトラス内で、多モダリティのディープラーニングベースのセグメンテーションモデルが訓練されました。
最後に、実験では、ほぼ等方性の小領域のセグメンテーションが、T2W MRIの神経変性のイメージングバイオマーカーとしての皮質厚の精度を改善したことが示されました。

要約(オリジナル)

Morphometry of medial temporal lobe (MTL) subregions in brain MRI is sensitive biomarker to Alzheimers Disease and other related conditions. While T2-weighted (T2w) MRI with high in-plane resolution is widely used to segment hippocampal subfields due to its higher contrast in hippocampus, its lower out-of-plane resolution reduces the accuracy of subregion thickness measurements. To address this issue, we developed a nearly isotropic segmentation pipeline that incorporates image and label upsampling and high-resolution segmentation in T2w MRI. First, a high-resolution atlas was created based on an existing anisotropic atlas derived from 29 individuals. Both T1-weighted and T2w images in the atlas were upsampled from their original resolution to a nearly isotropic resolution 0.4×0.4×0.52mm3 using a non-local means approach. Manual segmentations within the atlas were also upsampled to match this resolution using a UNet-based neural network, which was trained on a cohort consisting of both high-resolution ex vivo and low-resolution anisotropic in vivo MRI with manual segmentations. Second, a multi-modality deep learning-based segmentation model was trained within this nearly isotropic atlas. Finally, experiments showed the nearly isotropic subregion segmentation improved the accuracy of cortical thickness as an imaging biomarker for neurodegeneration in T2w MRI.

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