Automatic magnetic resonance brain volume measurements to assess the effect of minimised blood sample extraction on brain development in extremely preterm infants

Abstract

Aim: To evaluate a pipeline for automatic MRI brain segmentation and volumetric tissue structure quantification in a cohort of extremely preterm infants.
Methods: 13 extremely preterm neonates underwent MRI-scanning at a term equivalent age. Seven of these subjects had suitable MRI sequences and were analyzed in the pipeline. Segmentation of MRI brain images into brain tissue types and parcellation of the brain into its different anatomical structures was done using Developing Brain Region Annotation With Expectation-Maximization (DRAW-EM), a Medical Image Registration Toolkit package. Volumetric quantification of the regions of interest were done on the segmented images utilizing the FMRIB Software Library (FSL), a software library containing statistical tools for image analysis of MRI brain data. Thalami, hippocampi, white matter and cortical gray matter were analyzed.
Result: Six of the analyzed subjects had little or no imaging artefacts and one had severe imaging artefacts due to motion. One of the subjects with little or no artefacts had a prominent pathology in the left lateral ventricle. Segmentation in the patients with little or no imaging artefacts was overall satisfactory, with possible room for improvement in cortical gray matter segmentation based on one subject. Deep white matter was not demarcated by the program. The pipeline had difficulty segmenting the patient with ventricular pathology, but did surprisingly well with the patient with severe motion artefacts.
Conclusion: The pipeline is able to analyze images without severe pathology and little to no imaging artefacts. Even with severe artefact and no motion correction code, the segmentation in itself was satisfactory. Prominent ventricular pathologies were challenging for the program to handle and may require manual intervention. Segmentation of deep white matter needs to be implemented. Further improvements are needed to address issues regarding accurate segmentation of cortical gray matter around sulci.

Popular Abstract (Swedish)

ar. Enorma framsteg har gjorts de senaste decennierna i neonatalvården (vård för nyfödda barn) och omkring 80% av EPT-barn i Sverige överlever. Dessa framsteg innefattar bl.a. administrering av kortison för att påskynda lungmognaden, modern teknisk utrustning, bättre kunskaper om neonatala sjukdomar m.m. Globalt är överlevnaden av EPT-barn lägre i länder med sämre ekonomiska förutsättningar och därför är vården ojämlik även här.

En del EPT-barn möter svårigheter senare i livet. Under deras uppväxt och som vuxna drabbas flera i högre utsträckning av olika hälsoproblem, såsom besvär med syn, minne och intelligens, än motsvarande individer födda vid fullgången tid. En del får allvarliga symtom såsom motoriska dysfunktion i form av cerebral pares (CP). Förutom ett stort personligt lidande för individen och familjen är de samhällsekonomiska kostnaderna inte obetydande för insatserna senare i livet. Detta understryker behovet av tidiga insatser för att förhindra hjärnskador och främja hjärnutvecklingen hos dessa barn.

Under vistelsen inom neonatala intensivvården provtas EPT-barn väldigt ofta. Man beräknar att de förlorar motsvarande 50 % av blodvolymen under de första 2 veckorna, och motar motsvarande 100% av blodvolymen under samma period i form av blodtransfusioner. Blodet i dessa transfusioner kommer från vuxna donatorer, och kallas då för adult blod. Fetalt blod, det vill säga blodet hos fostret och hos nyfödda, innehåller höga halter av olika ämnen som främjar tillväxt, s.k. tillväxtfaktorer. Utöver tillväxtfaktorer innehåller fetalt blod stamceller och ämnen viktiga för syresättningen hos det nyfödda barnet. Man kan därför ställa sig frågan om ersättning av fetalt blod med vuxet blod p.g.a. de frekventa provtagningar och transfusioner kan vara skadlig för den normala utvecklingen av dessa barn. Less is More (LIM) är en studie som vill undersöka just detta.

LIM-studien genomförs på universitetssjukhusen i Lund, Göteborg och Stockholm, där 65 % av EPT-barn i Sverige vårdas. Barn som föds innan vecka 27 och som inte har betydliga missbildningar delas slumpmässigt in i två grupper: den ena gruppen provtas precis som vanligt och kallas för kontrollgruppen, den andra provtas med s.k. mikrometoder och kallas för interventionsgruppen. Genom att använda sig av mikrometoder för vissa vanligt beställda blodprov kan man reducera den totala blodvolymen som dras med mer än 50 %. LIM vill undersöka om interventionen, d.v.s. mikrometoder för provtagning, resulterar i bättre utfall för barnen. Man vill studera om det skiljer sig åt mellan de två grupperna gällande utveckling av lungsjukdomar, hjärnutveckling, generell överlevnad m.m. Hjärnutveckling bedöms genom psykologiska tester som görs senare i livet, men även genom avbildning av hjärnan med magnetkamera när barnens ålder motsvarar cirka fullgången tid (kring 40 veckor). I den studien som genomförts vill vi undersöka om våra automatiserade steg för att analysera hjärnan hos EPT-barn fungerar. Stegen där bilderna bearbetas kallas tillsammans för en pipeline och flera olika program har använts för framtagning av denna. Totalt har vi tittat på bearbetningen av bilderna hos 7 EPT-barn.

Pipelinen utför flera saker, bl.a. markerar den hjärnans olika strukturer på röntgenbilder, vilket kallas för segmentering. Efter segmentering har vissa hjärnstrukturer valts ut för att beräkna volymen på bl.a. hippocampus som är viktig för minnet. Det viktiga i detta arbete är att bedöma hur väl pipelinen genomför dessa steg, inte om LIM har har gett några effekter. Dels finns det för få inkluderade barn i LIM hittills för att dra slutsatser, dels måste man kvalitetssäkra pipelinen först. Vi har satt vår studie i relation till andra studier för jämförelse.

Pipelinen kunde segmentera de flesta strukturerna med god precision och även beräkna volymerna. Vissa strukturer som hjärnbarken hade den ibland svårare med. I ett barn med tydlig skador i hjärnans hålrum hade programmet svårare att segmentera korrekt, vilket innebär att man kommer behöva korrigera för detta framöver.

Arbetet är ett led i att kvalitetssäkra pipelinen för att den ska kunna användas på bilderna av EPT-barn i LIM framöver. I det stora hela är detta viktigt för att kunna utvärdera effekten av mikrometoder på hjärnutvecklingen. Om LIM kan påvisa positiva effekter när den avslutas kan det vara en viktig pusselbit i att främja god hälsa och höja livskvaliteten hos EPT-barn. Den enskilde individen, och även samhället i stort, gynnas av att barnen får optimala förutsättningar för att utvecklas till friska vuxna.

• author: Hamie, Hickmat
• supervisor: Finn Lennartsson
• organization: MD Programme
• course: LÄKM03 20211
• year: 2021
• type: H2 - Master's Degree (Two Years)
• subject: Medicine and Health Sciences
• keywords: Magnetic resonance imaging, Brain development, Prematurity
• language: English
• id: 9060843
• date added to LUP: 2021-08-18 13:32:19
• date last changed: 2021-08-18 13:32:19