Automatic Labeling of Vertebral Levels Using a Robust Template-Based Approach

Context. MRI of the spinal cord provides a variety of biomarkers sensitive to white matter integrity and neuronal function. Current processing methods are based on manual labeling of vertebral levels, which is time consuming and prone to user bias. Although several methods for automatic labeling have been published; they are not robust towards image contrast or towards susceptibility-related artifacts. Methods. Intervertebral disks are detected from the 3D analysis of the intensity profile along the spine. The robustness of the disk detection is improved by using a template of vertebral distance, which was generated from a training dataset. The developed method has been validated using T1- and T2-weighted contrasts in ten healthy subjects and one patient with spinal cord injury. Results. Accuracy of vertebral labeling was 100%. Mean absolute error was 2.1 ± 1.7 mm for T2-weighted images and 2.3 ± 1.6 mm for T1-weighted images. The vertebrae of the spinal cord injured patient were correctly labeled, despite the presence of artifacts caused by metallic implants. Discussion. We proposed a template-based method for robust labeling of vertebral levels along the whole spinal cord for T1- and T2-weighted contrasts. The method is freely available as part of the spinal cord toolbox

Spine intervertebral disc labeling using a fully convolutional redundant counting model

Labeling intervertebral discs is relevant as it notably enables clinicians to understand the relationship between a patient's symptoms (pain, paralysis) and the exact level of spinal cord injury. However manually labeling those discs is a tedious and user-biased task which would benefit from automated methods. While some automated methods already exist for MRI and CT-scan, they are either not publicly available, or fail to generalize across various imaging contrasts. In this paper we combine a Fully Convolutional Network (FCN) with inception modules to localize and label intervertebral discs. We demonstrate a proof-of-concept application in a publicly-available multi-center and multi-contrast MRI database (n=235 subjects). The code is publicly available at https://github.com/neuropoly/vertebral-labeling-deep-learning.Comment: MIDL 202

Open-access quantitative MRI data of the spinal cord and reproducibility across participants, sites and manufacturers

Databases; Imaging techniques; Spinal cord diseasesBases de datos; Tècnicas de imagen; Enfermedades de la médula espinalBases de dades; Tècniques d'imatge; Malalties de la medul·la espinalIn a companion paper by Cohen-Adad et al. we introduce the spine generic quantitative MRI protocol that provides valuable metrics for assessing spinal cord macrostructural and microstructural integrity. This protocol was used to acquire a single subject dataset across 19 centers and a multi-subject dataset across 42 centers (for a total of 260 participants), spanning the three main MRI manufacturers: GE, Philips and Siemens. Both datasets are publicly available via git-annex. Data were analysed using the Spinal Cord Toolbox to produce normative values as well as inter/intra-site and inter/intra-manufacturer statistics. Reproducibility for the spine generic protocol was high across sites and manufacturers, with an average inter-site coefficient of variation of less than 5% for all the metrics. Full documentation and results can be found at https://spine-generic.rtfd.io/. The datasets and analysis pipeline will help pave the way towards accessible and reproducible quantitative MRI in the spinal cord

Open-access quantitative MRI data of the spinal cord and reproducibility across participants, sites and manufacturers

In a companion paper by Cohen-Adad et al. we introduce the spine generic quantitative MRI protocol that provides valuable metrics for assessing spinal cord macrostructural and microstructural integrity. This protocol was used to acquire a single subject dataset across 19 centers and a multi-subject dataset across 42 centers (for a total of 260 participants), spanning the three main MRI manufacturers: GE, Philips and Siemens. Both datasets are publicly available via git-annex. Data were analysed using the Spinal Cord Toolbox to produce normative values as well as inter/intra-site and inter/intra-manufacturer statistics. Reproducibility for the spine generic protocol was high across sites and manufacturers, with an average inter-site coefficient of variation of less than 5% for all the metrics. Full documentation and results can be found at https://spine-generic.rtfd.io/. The datasets and analysis pipeline will help pave the way towards accessible and reproducible quantitative MRI in the spinal cord

A database of the healthy human spinal cord morphometry in the PAM50 template space

ABSTRACT: Measures of spinal cord morphometry computed from magnetic resonance images serve as relevant prognostic biomarkers for a range of spinal cord pathologies, including traumatic and non-traumatic spinal cord injury and neurodegenerative diseases. However, interpreting these imaging biomarkers is difficult due to considerable intra- and inter-subject variability. Yet, there is no clear consensus on a normalization method that would help reduce this variability and more insights into the distribution of these morphometrics are needed. In this study, we computed a database of normative values for six commonly used measures of spinal cord morphometry: cross-sectional area, anteroposterior diameter, transverse diameter, compression ratio, eccentricity, and solidity. Normative values were computed from a large open-access dataset of healthy adult volunteers (N = 203) and were brought to the common space of the PAM50 spinal cord template using a newly proposed normalization method based on linear interpolation. Compared to traditional image-based registration, the proposed normalization approach does not involve image transformations and, therefore, does not introduce distortions of spinal cord anatomy. This is a crucial consideration in preserving the integrity of the spinal cord anatomy in conditions such as spinal cord injury. This new morphometric database allows researchers to normalize based on sex and age, thereby minimizing inter-subject variability associated with demographic and biological factors. The proposed methodology is open-source and accessible through the Spinal Cord Toolbox (SCT) v6.0 and higher

Open-access quantitative MRI data of the spinal cord and reproducibility across participants, sites and manufacturers

In a companion paper by Cohen-Adad et al. we introduce the spine generic quantitative MRI protocol that provides valuable metrics for assessing spinal cord macrostructural and microstructural integrity. This protocol was used to acquire a single subject dataset across 19 centers and a multi-subject dataset across 42 centers (for a total of 260 participants), spanning the three main MRI manufacturers: GE, Philips and Siemens. Both datasets are publicly available via git-annex. Data were analysed using the Spinal Cord Toolbox to produce normative values as well as inter/intra-site and inter/intra-manufacturer statistics. Reproducibility for the spine generic protocol was high across sites and manufacturers, with an average inter-site coefficient of variation of less than 5% for all the metrics. Full documentation and results can be found at https://spine-generic.rtfd.io/. The datasets and analysis pipeline will help pave the way towards accessible and reproducible quantitative MRI in the spinal cord

Development of an MRI Template and Analysis Pipeline for the Spinal Cord and Application in Patients with Spinal Cord Injury

La moelle épinière est un organe fondamental du corps humain. Étant le lien entre le cerveau et le système nerveux périphérique, endommager la moelle épinière, que ce soit suite à un trauma ou une maladie neurodégénérative, a des conséquences graves sur la qualité de vie des patients. En effet, les maladies et traumatismes touchant la moelle épinière peuvent affecter l’intégrité des neurones et provoquer des troubles neurologiques et/ou des handicaps fonctionnels. Bien que de nombreuses voies thérapeutiques pour traiter les lésions de la moelle épinière existent, la connaissance de l’étendue des dégâts causés par ces lésions est primordiale pour améliorer l’efficacité de leur traitement et les décisions cliniques associées. L’imagerie par résonance magnétique (IRM) a démontré un grand potentiel pour le diagnostic et pronostic des maladies neurodégénératives et traumas de la moelle épinière. Plus particulièrement, l’analyse par template de données IRM du cerveau, couplée à des outils de traitement d’images automatisés, a permis une meilleure compréhension des mécanismes sous-jacents de maladies comme l’Alzheimer et la Sclérose en Plaques. Extraire automatiquement des informations pertinentes d’images IRM au sein de régions spécifiques de la moelle épinière présente toutefois de plus grands défis que dans le cerveau. Il n’existe en effet qu’un nombre limité de template de la moelle épinière dans la littérature, et aucun ne couvre toute la moelle épinière ou n’est lié à un template existant du cerveau. Ce manque de template et d’outils automatisés rend difficile la tenue de larges études d’analyse de la moelle épinière sur des populations variées. L’objectif de ce projet est donc de proposer un nouveau template IRM couvrant toute la moelle épinière, recalé avec un template existant du cerveau, et intégrant des atlas de la structure interne de la moelle épinière (e.g., matière blanche et grise, tracts de la matière blanche). Ce template doit venir avec une série d’outils automatisés permettant l’extraction d’information IRM au sein de régions spécifiques de la moelle épinière. La question générale de recherche de ce projet est donc « Comment créer un template générique de la moelle épinière, qui permettrait l’analyse non biaisée et reproductible de données IRM de la moelle épinière ? ». Plusieurs contributions originales ont été proposées pour répondre à cette question et vont être décrites dans les prochains paragraphes. La première contribution de ce projet est le développement du logiciel Spinal Cord Toolbox (SCT). SCT est un logiciel open-source de traitement d’images IRM multi-parametrique de la moelle épinière (De Leener, Lévy, et al., 2016). Ce logiciel intègre notamment des outils pour la détection et la segmentation automatique de la moelle épinière et de sa structure interne (i.e., matière blanche et matière grise), l’identification et la labellisation des niveaux vertébraux, le recalage d’images IRM multimodales sur un template générique de la moelle épinière (précédemment le template MNI-Poly-AMU, maintenant le template PAM50, proposé içi). En se basant sur un atlas de la moelle, SCT intègre également des outils pour extraire des données IRM de régions spécifiques de la moelle épinière, comme la matière blanche et grise et les tracts de la matière blanche, ainsi que sur des niveaux vertébraux spécifiques. D’autres outils additionnels ont aussi été proposés, comme des outils de correction de mouvement et de traitement basiques d’images appliqués le long de la moelle épinière. Chaque outil intégré à SCT a été validé sur un jeu de données multimodales. La deuxième contribution de ce projet est le développement d’une nouvelle méthode de recalage d’images IRM de la moelle épinière (De Leener, Mangeat, et al., 2017). Cette méthode a été développée pour un usage particulier : le redressement d’images IRM de la moelle épinière, mais peut également être utilisé pour recaler plusieurs images de la moelle épinière entre elles, tout en tenant compte de la distribution vertébrale de chaque sujet. La méthode proposée se base sur une approximation globale de la courbure de la moelle épinière dans l’espace et sur la résolution analytique des champs de déformation entre les deux images. La validation de cette nouvelle méthode a été réalisée sur une population de sujets sains et de patients touchés par une compression de la moelle épinière. La contribution majeure de ce projet est le développement d’un système de création de template IRM de la moelle épinière et la proposition du template PAM50 comme template de référence pour les études d’analyse par template de données IRM de la moelle épinière. Le template PAM50 a été créé à partir d’images IRM tiré de 50 sujets sains, et a été généré en utilisant le redressement d’images présenté ci-dessus et une méthode de recalage d’images itératif non linéaire, après plusieurs étapes de prétraitement d’images. Ces étapes de prétraitement incluent la segmentation automatique de la moelle épinière, l’extraction manuelle du bord antérieur du tronc cérébral, la détection et l’identification des disques intervertébraux, et la normalisation d’intensité le long de la moelle. Suite au prétraitement, la ligne centrale moyenne de la moelle et la distribution vertébrale ont été calculées sur la population entière de sujets et une image initiale de template a été générée. Après avoir recalé toutes les images sur ce template initial, le template PAM50 a été créé en utilisant un processus itératif de recalage d’image, utilisé pour générer des templates de cerveau. Le PAM50 couvre le tronc cérébral et la moelle épinière en entier, est disponible pour les contrastes IRM pondérés en T1, T2 et T2*, et intègre des cartes probabilistes et atlas de la structure interne de la moelle épinière. De plus, le PAM50 a été recalé sur le template ICBM152 du cerveau, permettant ainsi la tenue d’analyse par template simultanément dans le cerveau et dans la moelle épinière. Finalement, plusieurs résultats complémentaires ont été présentés dans cette dissertation. Premièrement, une étude de validation de la répétabilité et reproductibilité de mesures de l’aire de section de la moelle épinière a été menée sur une population de patients touchés par la sclérose en plaques. Les résultats démontrent une haute fiabilité des mesures ainsi que la possibilité de détecter des changements très subtiles de l’aire de section transverse de la moelle, importants pour mesurer l’atrophie de la moelle épinière précoce due à des maladies neurodégénératives comme la sclérose en plaques. Deuxièmement, un nouveau biomarqueur IRM des lésions de la moelle épinière a été proposé, en collaboration avec Allan Martin, de l’Université de Toronto. Ce biomarqueur, calculé à partir du ratio d’intensité entre la matière blanche et grise sur des images IRM pondérées en T2*, utilise directement les développements proposés dans ce projet, notamment en utilisant le recalage du template de la moelle épinière et les méthodes de segmentation de la moelle. La faisabilité d’extraire des mesures de données IRM multiparamétrique dans des régions spécifiques de la moelle épinière a également été démontrée, permettant d’améliorer le diagnostic et pronostic de lésions et compression de la moelle épinière. Finalement, une nouvelle méthode d’extraction de la morphométrie de la moelle épinière a été proposée et utilisée sur une population de patients touchés par une compression asymptomatique de la moelle épinière, démontrant de grandes capacités de diagnostic (> 99%). Le développement du template PAM50 comble le manque de template de la moelle épinière dans la littérature mais présente cependant plusieurs limitations. En effet, le template proposé se base sur une population de 50 sujets sains et jeunes (âge moyen = 27 +- 6.5) et est donc biaisée vers cette population particulière. Adapter les analyses par template pour un autre type de population (âge, race ou maladie différente) peut être réalisé directement sur les méthodes d’analyse mais aussi sur le template en lui-même. Tous le code pour générer le template a en effet été mis en ligne (https://github.com/neuropoly/template) pour permettre à tout groupe de recherche de développer son propre template. Une autre limitation de ce projet est le choix d’un système de coordonnées basé sur la position des vertèbres. En effet, les vertèbres ne représentent pas complètement le caractère fonctionnel de la moelle épinière, à cause de la différence entre les niveaux vertébraux et spinaux. Le développement d’un système de coordonnées spinal, bien que difficile à caractériser dans des images IRM, serait plus approprié pour l’analyse fonctionnelle de la moelle épinière. Finalement, il existe encore de nombreux défis pour automatiser l’ensemble des outils développés dans ce projet et les rendre robuste pour la majorité des contrastes et champs de vue utilisés en IRM conventionnel et clinique. Ce projet a présenté plusieurs développements importants pour l’analyse de données IRM de la moelle épinière. De nombreuses améliorations du travail présenté sont cependant requises pour amener ces outils dans un contexte clinique et pour permettre d’améliorer notre compréhension des maladies affectant la moelle épinière. Les applications cliniques requièrent notamment l’amélioration de la robustesse et de l’automatisation des méthodes d’analyse d’images proposées. La caractérisation de la structure interne de la moelle épinière, incluant la matière blanche et la matière grise, présente en effet de grands défis, compte tenu de la qualité et la résolution des images IRM standard acquises en clinique. Les outils développés et validés au cours de ce projet ont un grand potentiel pour la compréhension et la caractérisation des maladies affectant la moelle épinière et aura un impact significatif sur la communauté de la neuroimagerie.----------ABSTRACT The spinal cord plays a fundamental role in the human body, as part of the central nervous system and being the vector between the brain and the peripheral nervous system. Damaging the spinal cord, through traumatic injuries or neurodegenerative diseases, can significantly affect the quality of life of patients. Indeed, spinal cord injuries and diseases can affect the integrity of neurons, and induce neurological impairments and/or functional disabilities. While various treatment procedures exist, assessing the extent of damages and understanding the underlying mechanisms of diseases would improve treatment efficiency and clinical decisions. Over the last decades, magnetic resonance imaging (MRI) has demonstrated a high potential for the diagnosis and prognosis of spinal cord injury and neurodegenerative diseases. Particularly, template-based analysis of brain MRI data has been very helpful for the understanding of neurological diseases, using automated analysis of large groups of patients. However, extracting MRI information within specific regions of the spinal cord with minimum bias and using automated tools is still a challenge. Indeed, only a limited number of MRI template of the spinal cord exists, and none covers the full spinal cord, thereby preventing large multi-centric template-based analysis of the spinal cord. Moreover, no template integrates both the spinal cord and the brain region, thereby preventing simultaneous cerebrospinal studies. The objective of this project was to propose a new MRI template of the full spinal cord, which allows simultaneous brain and spinal cord studies, that integrates atlases of the spinal cord internal structures (e.g., white and gray matter, white matter pathways) and that comes with tools for extracting information within these subregions. More particularly, the general research question of the project was “How to create generic MRI templates of the spinal cord that would enable unbiased and reproducible template-based analysis of spinal cord MRI data?”. Several original contributions have been made to answer this question and to enable template-based analysis of spinal cord MRI data. The first contribution was the development of the Spinal Cord Toolbox (SCT), a comprehensive and open-source software for processing multi-parametric MRI data of the spinal cord (De Leener, Lévy, et al., 2016). SCT includes tools for the automatic segmentation of the spinal cord and its internal structure (white and gray matter), vertebral labeling, registration of multimodal MRI data (structural and non-structural) on a spinal cord MRI template (initially the MNI-Poly-AMU template, later the PAM50 template), co-registration of spinal cord MRI images, as well as the robust extraction of MRI metric within specific regions of the spinal cord (i.e., white and gray matter, white matter tracts, gray matter subregions) and specific vertebral levels using a spinal cord atlas (Lévy et al., 2015). Additional tools include robust motion correction and image processing along the spinal cord. Each tool included in SCT has been validated on a multimodal dataset. The second contribution of this project was the development of a novel registration method dedicated to spinal cord images, with an interest in the straightening of the spinal cord, while preserving its topology (De Leener, Mangeat et al., 2017). This method is based on the global approximation of the spinal cord and the analytical computation of deformation fields perpendicular to the centerline. Validation included calculation of distance measurements after straightening on a population of healthy subjects and patients with spinal cord compression. The major contribution of this project was the development of a framework for generating MRI template of the spinal cord and the PAM50 template, an unbiased and symmetrical MRI template of the brainstem and full spinal cord. Based on 50 healthy subjects, the PAM50 template was generated using an iterative nonlinear registration process, after applying normalization and straightening of all images. Pre-processing included segmentation of the spinal cord, manual delineation of the brainstem anterior edge, detection and identification of intervertebral disks, and normalization of intensity along the spinal cord. Next, the average centerline and vertebral distribution was computed to create an initial straight template space. Then, all images were registered to the initial template space and an iterative nonlinear registration framework was applied to create the final symmetrical template. The PAM50 covers the brainstem and the full spinal cord, from C1 to L2, is available for T1-, T2- and T2*-weighted contrasts, and includes probabilistic maps of the white and the gray matter and atlases of the white matter pathways and gray matter subregions. Additionally, the PAM50 template has been merged with the ICBM152 brain template, thereby allowing for simultaneous cerebrospinal template-based analysis. Finally, several complementary results, focused on clinical validation and applications, are presented. First, a reproducibility and repeatability study of cross-sectional area measurements using SCT (De Leener, Granberg, Fink, Stikov, & Cohen-Adad, 2017) was performed on a Multiple Sclerosis population (n=9). The results demonstrated the high reproducibility and repeatability of SCT and its ability to detect very subtle atrophy of the spinal cord. Second, a novel biomarker of spinal cord injury has been proposed. Based on the T2*-weighted intensity ratio between the white and the gray matter, this new biomarker is computed by registering MRI images with the PAM50 template and extracting metrics using probabilistic atlases. Additionally, the feasibility of extracting multiparametric MRI metrics from subregions of the spinal cord has been demonstrated and the diagnostic potential of this approach has been assessed on a degenerative cervical myelopathy (DCM) population. Finally, a method for extracting shape morphometrics along the spinal cord has been proposed, including spinal cord flattening, indentation and torsion. These metrics demonstrated high capabilities for the diagnostic of asymptomatic spinal cord compression (AUC=99.8% for flattening, 99.3% for indentation, and 98.4% for torsion). The development of the PAM50 template enables unbiased template-based analysis of the spinal cord. However, the PAM50 template has several limitations. Indeed, the proposed template has been generated with multimodal MRI images from 50 healthy and young individuals (age = 27+/- 6.5 y.o.). Therefore, the template is specific to this particular population and could not be directly usable for age- or disease-specific populations. One solution is to open-source the templategeneration code so that research groups can generate and use their own spinal cord MRI template. The code is available on https://github.com/neuropoly/template. While this project introduced a generic referential coordinate system, based on vertebral levels and the pontomedullary junction as origin, one limitation is the choice of this coordinate system. Another coordinate system, based spinal segments would be more suitable for functional analysis. However, the acquisition of MRI images with high enough resolution to delineate the spinal roots is still challenging. Finally, several challenges in the automation of spinal cord MRI processing remains, including the robust detection and identification of vertebral levels, particularly in case of small fields-of-view. This project introduced key developments for the analysis of spinal cord MRI data. Many more developments are still required to bring them into clinics and to improve our understanding of diseases affecting the spinal cord. Indeed, clinical applications require the improvement of the robustness and the automation of the proposed processing and analysis tools. Particularly, the detection and segmentation of spinal cord structures, including vertebral labeling and white/gray matter segmentation, is still challenging, given the lowest quality and resolution of standard clinical MRI acquisition. The tools developed and validated here have the potential to improve our understanding and the characterization of diseases affecting the spinal cord and will have a significant impact on the neuroimaging community

Segmentation automatique de la moelle épinière sur des images de résonance magnétique par propagation de modèles déformables

RÉSUMÉ Les lésions de la moelle épinière, induites par des traumas (e.g. accident de la route) ou par des maladies neurodégénératives, touchent plus 85 000 personnes au Canada avec environ 4250 nouveaux cas chaque année1. Elles ont de plus un impact majeur sur la vie quotidienne des personnes atteintes, en provoquant des pertes de sensibilité et de contrôle moteur dont la gravité dépend de la taille et de l’emplacement des lésions. Bien qu’il existe des approches thérapeutiques permettant d’améliorer la réhabilitation fonctionnelle des patients, toutes ces approches se heurtent à une inconnue majeure : l’étendue des dégâts causés par les lésions. Un diagnostic précoce et précis des maladies neurodégénératives touchant la moelle épinière permettrait d’améliorer grandement l’efficacité de leurs traitements. Depuis de nombreuses années, l’IRM a prouvé son potentiel dans le diagnostic et le pronostic des lésions de la moelle épinière (Cadotte, 2011; Cohen-Adad et al., 2011). Ce domaine manque cependant encore d’outils complètement automatisés permettant l’extraction et la comparaison de métriques cliniques reliées à la structure de la moelle (aire de section transverse, volume, etc.). La segmentation de la moelle épinière sur des images IRM anatomiques peut fournir des mesures d’aires et de volumes de la moelle (Losseff et al., 1996) et peut quantifier son atrophie en cas de maladies neurodégénératives telles que la sclérose en plaques (Chen et al., 2013) et la sclérose latérale amyotrophique (Cohen-Adad et al., 2011). Ce projet de maîtrise vise à développer une méthode de segmentation complètement automatique de la moelle épinière, fonctionnant sur plusieurs types d’images IRM (pondérées en T1 et en T2) et sur n’importe quel champ de vue (cervical ou thoracique), et permettant d’extraire et de comparer des mesures précises de la moelle épinière. La revue de la littérature a permis de mettre en évidence le manque de méthode de segmentation automatique de la moelle épinière fonctionnant sur n’importe quel type de contraste et de champ de vue. Elle a toutefois fait ressortir une série de propriétés intéressantes, dans les méthodes semi-automatiques existantes, pouvant être combinées pour former une méthode complètement automatisée.----------ABSTRACT Spinal cord lesions affects more than 85,000 people in Canada with about 4,250 new cases every year. Lesions can be caused by traumatic injuries or by neurodegenerative diseases such as multiple sclerosis. They have an important impact on a patient’s daily life, inducing loss of sensibility or motor control in the human body. The extent of damages caused by a lesion varies with the number of damaged spinal cord tracks, and depends on the size and the position of the lesion within the spinal cord. Although therapeutic approaches for patient functional rehabilitation exist, they all face an unknown variable: the extent of spinal cord lesions. A precise and early diagnosis of neurodegenerative diseases would improve their treatment efficiency. For a number of years, MRI has demonstrated its potential in the diagnosis and prognosis of spinal cord lesions (Cadotte, 2011; Cohen-Adad et al., 2010). However, this research field still lacks of fully automatized tools for the extraction and comparison of clinical metrics related to the spinal cord structure (e.g. cross-sectional area, volumes). Spinal cord segmentation on anatomical MR images can provide accurate area and volume measurements (Losseff et al., 1996) and could quantify spinal cord atrophy caused by neurodegenerative diseases such as multiple sclerosis (Chen et al., 2013) or amyotrophic lateral sclerosis (Cohen-Adad et al., 2011). The objective of this Master’s project is to develop a fully automatic spinal cord segmentation method, working on multiple MR contrasts and any field of view, able to extract and compare accurate spinal cord measurements. The literature review pointed out the lack of such a method but highlighted several interesting features in existing methods, that can be combined to develop a new automatic segmentation algorithm. The method developed in this project is based on the multi-resolution propagation of a deformable model. First, the spinal cord position and orientation is detected in the image using an elliptical Hough transform on multiple adjacent axial slices. A low-resolution tubular mesh is then build around the detection point and direction and deformed on spinal cord edges by minimizing an energy equation. An iterative process, composed by the duplication, translation, orientation and deformation of the mesh, propagates the surface along the spinal cord. Finally, a refinement and a global deformation of the surface provide accurate segmentation of the spinal cord. Measurements can be directly extracted from the segmentation surface. The spinal canal can also be segmented with our method by simply inversing the gradient in the image an

Automatic Segmentation of Intramedullary Multiple Sclerosis Lesions

Contexte: La moelle épinière est un composant essentiel du système nerveux central. Elle contient des neurones responsables d’importantes fonctionnalités et assure la transmission d’informations motrices et sensorielles entre le cerveau et le système nerveux périphérique. Un endommagement de la moelle épinière, causé par un choc ou une maladie neurodégénérative, peut mener à un sérieux handicap, pouvant entraîner des incapacités fonctionnelles, de la paralysie et/ou de la douleur. Chez les patients atteints de sclérose en plaques (SEP), la moelle épinière est fréquemment affectée par de l’atrophie et/ou des lésions. L’imagerie par résonance magnétique (IRM) conventionnelle est largement utilisée par des chercheurs et des cliniciens pour évaluer et caractériser, de façon non-invasive, des altérations micro-structurelles. Une évaluation quantitative des atteintes structurelles portées à la moelle épinière (e.g. sévérité de l’atrophie, extension des lésions) est essentielle pour le diagnostic, le pronostic et la supervision sur le long terme de maladies, telles que la SEP. De plus, le développement de biomarqueurs impartiaux est indispensable pour évaluer l’effet de nouveaux traitements thérapeutiques. La segmentation de la moelle épinière et des lésions intramédullaires de SEP sont, par conséquent, pertinentes d’un point de vue clinique, aussi bien qu’une étape nécessaire vers l’interprétation d’images RM multiparamétriques. Cependant, la segmentation manuelle est une tâche extrêmement chronophage, fastidieuse et sujette à des variations inter- et intra-expert. Il y a par conséquent un besoin d’automatiser les méthodes de segmentations, ce qui pourrait faciliter l’efficacité procédures d’analyses. La segmentation automatique de lésions est compliqué pour plusieurs raisons: (i) la variabilité des lésions en termes de forme, taille et position, (ii) les contours des lésions sont la plupart du temps difficilement discernables, (iii) l’intensité des lésions sur des images MR sont similaires à celles de structures visiblement saines. En plus de cela, réaliser une segmentation rigoureuse sur l’ensemble d’une base de données multi-centrique d’IRM est rendue difficile par l’importante variabilité des protocoles d’acquisition (e.g. résolution, orientation, champ de vue de l’image). Malgré de considérables récents développements dans le traitement d’images MR de moelle épinière, il n’y a toujours pas de méthode disponible pouvant fournir une segmentation rigoureuse et fiable de la moelle épinière pour un large spectre de pathologies et de protocoles d’acquisition. Concernant les lésions intramédullaires, une recherche approfondie dans la littérature n’a pas pu fournir une méthode disponible de segmentation automatique. Objectif: Développer un système complètement automatique pour segmenter la moelle épinière et les lésions intramédullaires sur des IRM conventionnelles humaines. Méthode: L’approche présentée est basée de deux réseaux de neurones à convolution mis en cascade. La méthode a été pensée pour faire face aux principaux obstacles que présentent les données IRM de moelle épinière. Le procédé de segmentation a été entrainé et validé sur une base de données privée composée de 1943 images, acquises dans 30 différents centres avec des protocoles hétérogènes. Les sujets scannés comportent 459 sujets sains, 471 patients SEP et 112 avec d’autres pathologies affectant la moelle épinière. Le module de segmentation de la moelle épinière a été comparé à une méthode existante reconnue par la communauté, PropSeg. Résultats: L’approche basée sur les réseaux de neurones à convolution a fourni de meilleurs résultats que PropSeg, atteignant un Dice médian (intervalle inter-quartiles) de 94.6 (4.6) vs. 87.9 (18.3) %. Pour les lésions, notre segmentation automatique a permis d'obtenir un Dice de 60.0 (21.4) % en le comparant à la segmentation manuelle, un ratio de vrai positifs de 83 (34) %, et une précision de 77 (44) %. Conclusion: Une méthode complètement automatique et innovante pour segmenter la moelle épinière et les lésions SEP intramédullaires sur des données IRM a été conçue durant ce projet de maîtrise. La méthode a été abondamment validée sur une base de données clinique. La robustesse de la méthode de segmentation de moelle épinière a été démontrée, même sur des cas pathologiques. Concernant la segmentation des lésions, les résultats sont encourageants, malgré un taux de faux positifs relativement élevé. Je crois en l’impact que peut potentiellement avoir ces outils pour la communauté de chercheurs. Dans cette optique, les méthodes ont été intégrées et documentées dans un logiciel en accès-ouvert, la “Spinal Cord Toolbox”. Certains des outils développés pendant ce projet de Maîtrise sont déjà utilisés par des analyses d’études cliniques, portant sur des patients SEP et sclérose latérale amyotrophique.----------ABSTRACT Context: The spinal cord is a key component of the central nervous system, which contains neurons responsible for complex functions, and ensures the conduction of motor and sensory information between the brain and the peripheral nervous system. Damage to the spinal cord, through trauma or neurodegenerative diseases, can lead to severe impairment, including functional disabilities, paralysis and/or pain. In multiple sclerosis (MS) patients, the spinal cord is frequently affected by atrophy and/or lesions. Conventional magnetic resonance imaging (MRI) is widely used by researchers and clinicians to non-invasively assess and characterize spinal cord microstructural changes. Quantitative assessment of the structural damage to the spinal cord (e.g. atrophy severity, lesion extent) is essential for the diagnosis, prognosis and longitudinal monitoring of diseases, such as MS. Furthermore, the development of objective biomarkers is essential to evaluate the effect of new therapeutic treatments. Spinal cord and intramedullary MS lesions segmentation is consequently clinically relevant, as well as a necessary step towards the interpretation of multi-parametric MR images. However, manual segmentation is highly time-consuming, tedious and prone to intra- and inter-rater variability. There is therefore a need for automated segmentation methods to facilitate the efficiency of analysis pipelines. Automatic lesion segmentation is challenging for various reasons: (i) lesion variability in terms of shape, size and location, (ii) lesion boundaries are most of the time not well defined, (iii) lesion intensities on MR data are confounding with those of normal-appearing structures. Moreover, achieving robust segmentation across multi-center MRI data is challenging because of the broad variability of data features (e.g. resolution, orientation, field of view). Despite recent substantial developments in spinal cord MRI processing, there is still no method available that can yield robust and reliable spinal cord segmentation across the very diverse spinal pathologies and data features. Regarding the intramedullary lesions, a thorough search of the relevant literature did not yield available method of automatic segmentation. Goal: To develop a fully-automatic framework for segmenting the spinal cord and intramedullary MS lesions from conventional human MRI data. Method: The presented approach is based on a cascade of two Convolutional Neural Networks (CNN). The method has been designed to face the main challenges of ‘real world’ spinal cord MRI data. It was trained and validated on a private dataset made up of 1943 MR volumes, acquired in different 30 sites with heterogeneous acquisition protocols. Scanned subjects involve 459 healthy controls, 471 MS patients and 112 with other spinal pathologies. The proposed spinal cord segmentation method was compared to a state-of-the-art spinal cord segmentation method, PropSeg. Results: The CNN-based approach achieved better results than PropSeg, yielding a median (interquartile range) Dice of 94.6 (4.6) vs. 87.9 (18.3) % when compared to the manual segmentation. For the lesion segmentation task, our method provided a median Dice-overlap with the manual segmentation of 60.0 (21.4) %, a lesion-based true positive rate of 83 (34) % and a lesion-based precision de 77 (44) %. Conclusion: An original fully-automatic method to segment the spinal cord and intramedullary MS lesions on MRI data has been devised during this Master’s project. The method was validated extensively against a clinical dataset. The robustness of the spinal cord segmentation has been demonstrated, even on challenging pathological cases. Regarding the lesion segmentation, the results are encouraging despite the fairly high false positive rate. I believe in the potential value of these developed tools for the research community. In this vein, the methods are integrated and documented into an open-source software, the Spinal Cord Toolbox. Some of the tools developed during this Master’s project are already integrated into automated analysis pipelines of clinical studies, including MS and Amyotrophic Lateral Sclerosis patients