Computer-based atrophy measurement on brain MR images

Abstract

İnsan beyninde yaşlanmaya bağlı olarak meydana gelen çeşitli hastalıkların tehşisi ve tedavisi, dünyada ve ülkemizde yaşlı nüfusun doğrusal olarak artmasına paralel olarak, günümüz araştırma konularında önemli bir yer tutmaktadır. Demans genelde yaşlanmaya bağlı olarak ortaya çıkan unutkanlığın ön planda olduğu Alzheimer gibi birçok hastalığı içerisinde bulunduran genel semptomlar dizisidir ve 65 yaş üstü grupta sık rastlanan durumların başında gelmektedir. Hücre ölümüne bağlı doku kaybı olarak tanımlanan serebral atrofi, beynin bir kısmını ya da tümünü etkileyen ve demans vakalarında görülebilen bir özelliktir. Atrofi varlığının ve siddetinin belirlenmesi amacıyla uzmanlar manyetik rezonans (MR) görüntülerini kullanarak lateral ventrikül ve sulkuslar gibi beyin bölgelerinin görsel değerlendirmelerine başvurmaktadırlar.Bu tez çalışmasının amacı, demansla ilişkili olduğu düşünülen lateral ventrikül ve santral sulkus boyutlarının hem elle hem de otomatik olarak ölçülmesi ve bu ölçümlerin uzmanların atrofi derecelendirmeleriyle uyumunun incelenmesidir. Bu bağlamda, unutkanlık şüphesi ile hastaneye başvurmuş vakaların MR görüntülerinden lateral ventrikül ve santral sulkus yapılarının uzunluk, genişlik, alan ve hacim gibi değerleri ölçen ve bunları uzman atrofi derecelendirmeleri ile kıyaslayan görüntü işleme temelli bir çalışma sunulmuştur. Ölçüm sonuçlarının kıyaslanması için rutin klinik ortamdan alınan 20 vakanın farklı çözünürlük ve kesit kalınlıklarına sahip MR verisi nöroloji ve radyoloji uzmanlarından oluşan bir ekip tarafından görsel olarak değerlendirilmiş ve atrofi derecelendirmesi yapılmıştır.Sunulan çalışma, atrofi miktarının MR görüntülerinden otomatik belirlenmesi ve bu probleme yönelik bilgi birikiminin oluşturulması anlamında önem taşımaktadır.

Diagnosis and treatment of various brain disorders occurring due to aging, has an important place in contemporary research as elderly population in the world and in our country is progressively increasing. Dementia, defined as progressive loss in cognitive skills such as learning, memory, orientation, and language, is a devastating and irreversible brain syndrome mainly affecting the elderly. Cerebral atrophy, defined as neuronal loss or cell death affecting part or all of the brain, is a feature observed in dementia. To determine the presence and severity of atrophy, experts visually evaluate magnetic resonance (MR) images of the brain, especially at locations such as lateral ventricles (LV) and central sulci (CS).The aim of this thesis study is to manually and automatically measure the sizes of lateral ventricles and central sulci and to compare these measurements with experts' atrophy ratings. Accordingly, in this thesis work we present computer-based, automated solution to quantify geometric features (e.g. length, width, area and volume) and to capture atrophy in LV and CS, and compare these results with visual atrophy ratings provided by experts on subjects with complaints of memory or cognitive ability. The dataset consists of brain MRIs (at varying resolutions and slice thickness values) of 20 subjects taken from routine clinical practice and are visually graded for atrophy by neurology and radiology experts.The presented study is important for two reasons: (1) it provides an automated solution for measuring atrophy rate from MR data, and (2) therewith it may contribute to the understanding of dementia diagnosis.