Bayesian Estimation of White Matter Atlas from High Angular Resolution Diffusion Imaging

We present a Bayesian probabilistic model to estimate the brain white matter atlas from high angular resolution diffusion imaging (HARDI) data. This model incorporates a shape prior of the white matter anatomy and the likelihood of individual observed HARDI datasets. We first assume that the atlas is generated from a known hyperatlas through a flow of diffeomorphisms and its shape prior can be constructed based on the framework of large deformation diffeomorphic metric mapping (LDDMM). LDDMM characterizes a nonlinear diffeomorphic shape space in a linear space of initial momentum uniquely determining diffeomorphic geodesic flows from the hyperatlas. Therefore, the shape prior of the HARDI atlas can be modeled using a centered Gaussian random field (GRF) model of the initial momentum. In order to construct the likelihood of observed HARDI datasets, it is necessary to study the diffeomorphic transformation of individual observations relative to the atlas and the probabilistic distribution of orientation distribution functions (ODFs). To this end, we construct the likelihood related to the transformation using the same construction as discussed for the shape prior of the atlas. The probabilistic distribution of ODFs is then constructed based on the ODF Riemannian manifold. We assume that the observed ODFs are generated by an exponential map of random tangent vectors at the deformed atlas ODF. Hence, the likelihood of the ODFs can be modeled using a GRF of their tangent vectors in the ODF Riemannian manifold. We solve for the maximum a posteriori using the Expectation-Maximization algorithm and derive the corresponding update equations. Finally, we illustrate the HARDI atlas constructed based on a Chinese aging cohort of 94 adults and compare it with that generated by averaging the coefficients of spherical harmonics of the ODF across subjects

Diffeomorphic Metric Mapping and Probabilistic Atlas Generation of Hybrid Diffusion Imaging based on BFOR Signal Basis

We propose a large deformation diffeomorphic metric mapping algorithm to align multiple b-value diffusion weighted imaging (mDWI) data, specifically acquired via hybrid diffusion imaging (HYDI), denoted as LDDMM-HYDI. We then propose a Bayesian model for estimating the white matter atlas from HYDIs. We adopt the work given in Hosseinbor et al. (2012) and represent the q-space diffusion signal with the Bessel Fourier orientation reconstruction (BFOR) signal basis. The BFOR framework provides the representation of mDWI in the q-space and thus reduces memory requirement. In addition, since the BFOR signal basis is orthonormal, the L2 norm that quantifies the differences in the q-space signals of any two mDWI datasets can be easily computed as the sum of the squared differences in the BFOR expansion coefficients. In this work, we show that the reorientation of the $q$-space signal due to spatial transformation can be easily defined on the BFOR signal basis. We incorporate the BFOR signal basis into the LDDMM framework and derive the gradient descent algorithm for LDDMM-HYDI with explicit orientation optimization. Additionally, we extend the previous Bayesian atlas estimation framework for scalar-valued images to HYDIs and derive the expectation-maximization algorithm for solving the HYDI atlas estimation problem. Using real HYDI datasets, we show the Bayesian model generates the white matter atlas with anatomical details. Moreover, we show that it is important to consider the variation of mDWI reorientation due to a small change in diffeomorphic transformation in the LDDMM-HYDI optimization and to incorporate the full information of HYDI for aligning mDWI

Estimation of Fiber Orientations Using Neighborhood Information

Data from diffusion magnetic resonance imaging (dMRI) can be used to reconstruct fiber tracts, for example, in muscle and white matter. Estimation of fiber orientations (FOs) is a crucial step in the reconstruction process and these estimates can be corrupted by noise. In this paper, a new method called Fiber Orientation Reconstruction using Neighborhood Information (FORNI) is described and shown to reduce the effects of noise and improve FO estimation performance by incorporating spatial consistency. FORNI uses a fixed tensor basis to model the diffusion weighted signals, which has the advantage of providing an explicit relationship between the basis vectors and the FOs. FO spatial coherence is encouraged using weighted l1-norm regularization terms, which contain the interaction of directional information between neighbor voxels. Data fidelity is encouraged using a squared error between the observed and reconstructed diffusion weighted signals. After appropriate weighting of these competing objectives, the resulting objective function is minimized using a block coordinate descent algorithm, and a straightforward parallelization strategy is used to speed up processing. Experiments were performed on a digital crossing phantom, ex vivo tongue dMRI data, and in vivo brain dMRI data for both qualitative and quantitative evaluation. The results demonstrate that FORNI improves the quality of FO estimation over other state of the art algorithms.Comment: Journal paper accepted in Medical Image Analysis. 35 pages and 16 figure

Doctor of Philosophy

dissertationDiffusion magnetic resonance imaging (dMRI) has become a popular technique to detect brain white matter structure. However, imaging noise, imaging artifacts, and modeling techniques, etc., create many uncertainties, which may generate misleading information for further analysis or applications, such as surgical planning. Therefore, how to analyze, effectively visualize, and reduce these uncertainties become very important research questions. In this dissertation, we present both rank-k decomposition and direct decomposition approaches based on spherical deconvolution to decompose the fiber directions more accurately for high angular resolution diffusion imaging (HARDI) data, which will reduce the uncertainties of the fiber directions. By applying volume rendering techniques to an ensemble of 3D orientation distribution function (ODF) glyphs, which we call SIP functions of diffusion shapes, one can elucidate the complex heteroscedastic structural variation in these local diffusion shapes. Furthermore, we quantify the extent of this variation by measuring the fraction of the volume of these shapes, which is consistent across all noise levels, the certain volume ratio. To better understand the uncertainties in white matter fiber tracks, we propose three metrics to quantify the differences between the results of diffusion tensor magnetic resonance imaging (DT-MRI) fiber tracking algorithms: the area between corresponding fibers of each bundle, the Earth Mover's Distance (EMD) between two fiber bundle volumes, and the current distance between two fiber bundle volumes. Based on these metrics, we discuss an interactive fiber track comparison visualization toolkit we have developed to visualize these uncertainties more efficiently. Physical phantoms, with high repeatability and reproducibility, are also designed with the hope of validating the dMRI techniques. In summary, this dissertation provides a better understanding about uncertainties in diffusion magnetic resonance imaging: where and how much are the uncertainties? How do we reduce these uncertainties? How can we possibly validate our algorithms

Estimation of white matter fiber parameters from compressed multiresolution diffusion MRI using sparse Bayesian learning

We present a sparse Bayesian unmixing algorithm BusineX: Bayesian Unmixing for Sparse Inference-based Estimation of Fiber Crossings (X), for estimation of white matter fiber parameters from compressed (under-sampled) diffusion MRI (dMRI) data. BusineX combines compressive sensing with linear unmixing and introduces sparsity to the previously proposed multiresolution data fusion algorithm RubiX, resulting in a method for improved reconstruction, especially from data with lower number of diffusion gradients. We formulate the estimation of fiber parameters as a sparse signal recovery problem and propose a linear unmixing framework with sparse Bayesian learning for the recovery of sparse signals, the fiber orientations and volume fractions. The data is modeled using a parametric spherical deconvolution approach and represented using a dictionary created with the exponential decay components along different possible diffusion directions. Volume fractions of fibers along these directions define the dictionary weights. The proposed sparse inference, which is based on the dictionary representation, considers the sparsity of fiber populations and exploits the spatial redundancy in data representation, thereby facilitating inference from under-sampled q-space. The algorithm improves parameter estimation from dMRI through data-dependent local learning of hyperparameters, at each voxel and for each possible fiber orientation, that moderate the strength of priors governing the parameter variances. Experimental results on synthetic and in-vivo data show improved accuracy with a lower uncertainty in fiber parameter estimates. BusineX resolves a higher number of second and third fiber crossings. For under-sampled data, the algorithm is also shown to produce more reliable estimates

White matter connectome edge density in children with Autism Spectrum Disorders: potential imaging biomarkers using machine learning models

Prior neuroimaging studies have reported white matter network underconnectivity as a potential mechanism for Autism Spectrum Disorder (ASD). In this study, we examined the structural connectome of children with ASD using Edge Density Imaging (EDI); and then applied machine leaning algorithms to identify children with ASD based on tract-based connectivity metrics. Boys aged 8 to 12 years were included: 14 with ASD and 33 typically developing children (TDC). The Edge Density (ED) maps were computed from probabilistic streamline tractography applied to high angular resolution diffusion imaging (HARDI). Tract-Based Spatial Statistics (TBSS) was used for voxel-wise comparison and coregistration of ED maps in addition to conventional DTI metrics of Fractional Anisotropy (FA), Mean Diffusivity (MD), and Radial Diffusivity (RD). Tract-based average DTI/connectome metrics were calculated and used as input for different machine learning models: naïve Bayes, random forest, support vector machines (SVM), neural networks. For these models, cross-validation was performed with stratified random sampling (×1000 permutations). The average accuracy among validation samples was calculated. In voxel-wise analysis, the body and splenium of corpus callosum, bilateral superior and posterior corona radiata, and left superior longitudinal fasciculus showed significantly lower ED in children with ASD; whereas, we could not find significant difference in FA, MD, and RD maps between the two study groups. Overall, machine-learning models using tract-based ED metrics had better performance in identification of children with ASD compared to those using FA, MD, and RD. The EDI-based random forest models had greater average accuracy (75.3%), specificity (97.0%), and positive predictive value (81.5%), whereas EDI-based polynomial SVM had greater sensitivity (51.4%), and negative predictive values (77.7%). In conclusion, we found reduced density of connectome edges in the posterior white matter tracts of children with ASD; and demonstrated the feasibility of connectome-based machine-learning algorithms in identification of children with ASD

HARDI Methods: tractography reconstructions and automatic parcellation of brain connectivity

Tese de mestrado integrado em Engenharia Biomédica e Biofísica (Radiações em Diagnóstico e Terapia), apresentada à Universidade de Lisboa, através da Faculdade de Ciências, 2012A neuroanatomia humana tem sido objecto de estudo científico desde que surgiu o interesse na organização do corpo humano e nas suas funções, quer como um todo quer através das partes que o constituem. Para atingir este fim, as autópsias foram a primeira forma de revelar algum conhecimento, o qual tem vindo a ser catalogado e sistematizado à medida que a medicina evolui. Passando por novas técnicas de conservação e tratamento de tecido humano, de que são exemplo as dissecções de Klinger, nas quais se fazem secções de material conservado criogenicamente, bem como por estudos histológicos através da utilização de corantes, conseguiu-se uma forma complementar de realizar estes estudos. Permanecia, no entanto, a impossibilidade de analisar in vivo a estrutura e função dos diferentes sistemas que constitutem o Homem. Com o surgimento das técnicas imagiológicas o diagnóstico e monitorização do corpo humano, bem como das patologias a ele associadas, melhoraram consideravelmente. Mais recentemente, com o aparecimento da ressonância magnética (MRI: do Inglês "Magnetic Resonance Imaging"), tornou-se possível estudar as propriedades magnéticas do tecido, reflectindo as suas características intrínsecas com base na aplicação de impulsos de radiofrequência. Através de ressonância magnética é possível estudar essas propriedades em vários núcleos atómicos, sendo mais comum o estudo do hidrogénio, pois somos maioritariamente consistituídos por água e gordura. Uma vez que só é possível medir variações do campo magnético, aplicam-se impulsos de radiofrequência para perturbar o equilíbrio dos spins e medir os seus mecanismos de relaxação, os quais, indirectamente, reflectem a estrutura do tecido. Contudo, o sinal medido é desprovido de qualquer informação espacial. De facto, para podermos proceder a essa quantificação, é necessária a utilização de gradientes de campo magnético, que permitem modificar localmente a frequência de precessão dos protões, através da alteração local do campo magnético, permitindo assim, adquirir o sinal de forma sequencial. A informação obtida constitui uma função variável no espaço e através da transformação de Fourier pode ser quantificada em frequências espaciais, sendo estes dados armazenados no espaço k. O preencimento deste espaço, caracterizado por frequências espaciais, bem como os gradientes de campo magnético que são aplicados, permitem determinar a resolução da imagem que podemos obter, aplicando uma transformação de Fourier inversa. O estudo da ressonância magnética não se restringe à análise da estrutura mas também ao estudo da função e difusão das moléculas de água. A difusão é um processo aleatório, que se traduz pelo movimento térmico das moléculas de água, e o seu estudo permite inferir sobre o estado do tecido e microestrutura associada, de uma forma não invasiva e in vivo. A técnica de imagiologia de ressonância magnética ponderada por difusão (DWI: do Inglês "Diffusion Weighted Imaging") permite o estudo da direccionalidade das moléculas de água e extracção de índices que reflectem directamente a integridade dos tecidos biológicos. De modo a sensibilizar as moléculas de água à difusão, é necessário aplicar sequências de ressonância magnética modificadas, nas quais se aplicam gradientes de campo magnético de difusão para quantificar o deslocamento das moléculas e a sua relação com o coeficiente de difusão das mesmas. Num ambiente livre e sem barreiras a difusão das moléculas de água é isotrópica, uma vez que se apresenta igual em todas as direcções. Todavia, tal não se verifica no corpo humano. A presença destas barreiras leva a que, na verdade, apenas possa ser medido um coeficiente de difusão aparente. Este, por sua vez, traduz a interacção entre as moléculas de água com a microestrutura e, como tal, uma anisotropia na sua difusão. Como caso particular de difusão anisotrópica a nível cerebral, tem-se a difusão das moléculas de água na matéria branca, uma vez que esta apresenta uma direccionalidade preferencial de acordo com a orientação dos axónios, visto estarem presentes menos restrições à sua propagação, ao contrário do que acontece com a direcção perpendicular (devido à membrana celular e às bainhas de mielina). Por oposição, a matéria cinzenta, constituída pelo aglomerado dos corpos celulares dos neurónios, e o líquido cefalorraquidiano apresentam uma difusão sem direcção preferencial (i.e. aproximadamente isotrópica). A informação obtida através da difusão das moléculas de água encontra-se limitada pelo número de direcções segundo o qual aplicamos os gradientes de difusão. Deste modo, surgiu a imagiologia por tensor de difusão (DTI: do Inglês "Diffusion Tensor Imaging"). Esta técnica permite extrair informação acerca da tridimensionalidade da distribuição da difusão de moléculas de água através da aplicação de seis gradientes de difusão não colineares entre si. A distribuição destas moléculas pode, então, ser vista como um elipsóide, no qual o principal vector próprio do tensor representa a contribuição da difusão das moléculas segundo a direcção do axónio (ou paralela), sendo os dois restantes componentes responsáveis pela contribuição transversal. Além da difusividade média (MD: do Inglês "Mean Diffusivity") e das contribuições da difusão paralela (MD//) e perpendicular (MD ) às fibras, é também possível extrair outros índices, como a anisotropia fraccional (FA: do Inglês "Fractional Anisotropy"), que fornece informação acerca da percentagem de difusão anisotrópica num determinado voxel. Para a matéria branca, tal como já foi referido, existe difusão preferencial e, portanto, a anisotropia fraccional será elevada. Por outro lado, para a matéria cinzenta e para o líquido cefalorraquidiano, verificar-se-á uma FA reduzida, devido à ausência de anisotropia. Todavia, regiões com reduzida anisotropia fraccional podem camuflar regiões de conformação de cruzamento de fibras, ou fibras muito anguladas, que a imagiologia por tensor de difusão não consegue resolver. A razão para esta limitação reside no número reduzido de diferentes direcções de difusão que são exploradas, assim como o pressuposto de que a distribuição das moléculas de água é Gaussiana em todo o cérebro, o que não é necessariamente verdade. A fim de se ultrapassar estas limitações, novas técnicas surgiram, nomeadamente as de elevada resolução angular (HARDI: do Inglês "High Angular Resolution Diffusion Imaging"). Estas fazem uso de uma aquisição em função de múltiplas direcções de gradiente e de uma diferente modelação dos dados obtidos, dividindo-se em dois tipos. As técnicas livres de modelos permitem extrair uma função de distribuição da orientação das fibras num determinado voxel directamente do sinal e/ou transformações da função densidade de probabilidade do deslocamento das moléculas de água. Contrariamente, as técnicas baseadas em modelos admitem existir determinados constrangimentos anatómicos e que o sinal proveniente de um determinado voxel é originado por um conjunto de sinais individuais de fibras, caracterizados por uma distribuição preferencial das direcções das fibras. Todos estes métodos têm como objectivo principal recuperar a direcção preferencial da difusão das moléculas de água e reconstruir um trajecto tridimensional que represente a organização das fibras neuronais, pelo que se designam métodos de tractografia. Esta representa a única ferramenta não invasiva de visualização in vivo da matéria branca cerebral e o seu estudo tem revelado uma grande expansão associada ao estabelecimento de marcador biológico para diversas patologias. Adicionalmente, esta técnica tem vindo a tornar-se uma modalidade clínica de rotina e de diversos protocolos de investigação, sendo inclusivamente utilizada para complementar o planeamento em cirurgia, devido à natureza dos dados que gera. Particularmente no caso de dissecções manuais, nas quais os dados de tractografia são manuseados por pessoal especializado, com vista a realizar a parcelização de diferentes tractos de interesse, o processo é moroso e dependente do utilizador, revelando-se necessária a automatização do mesmo. Na realidade, já existem técnicas automáticas que fazem uso de algoritmos de agregação1, nos quais fibras são analisadas e agrupadas segundo características semelhantes, assim como técnicas baseadas em regiões de interesse, em que se extraem apenas os tractos seleccionados entre as regiões escolhidas. O objectivo principal desta dissertação prende-se com a análise automática de dados de tractografia, bem como a parcelização personalizada de tractos de interesse, também esta automática. Em primeiro lugar, foi desenvolvido um algoritmo capaz de lidar automaticamente com funções básicas de carregamento dos ficheiros de tractografia, o seu armazenamento em variáveis fáceis de manusear e a sua filtragem básica de acordo com regiões de interesse de teste. Neste processo de filtragem é feita a avaliação das fibras que atravessam a região de interesse considerada. Assim, após a localização das fibras entre as regiões de interesse os tractos resultantes podem ser guardados de duas formas, as quais têm, necessariamente, que ser especificadas antes de utilizar o software: um ficheiro que contém todas as fibras resultantes da parcelização e outro que contém o mapa de densidade associado, isto é, o número de fibras que se encontra em cada voxel. Após esta fase inicial, a flexibilidade e complexidade do software foi aumentando, uma vez que foram implementados novos filtros e a possibilidade de utilizar regiões de interesse de diferentes espaços anatómicos padrão. Fazendo uma análise a esta última melhoria, pode referir-se que, através de um procedimento de registo não linear da imagem anatómica do espaço padrão ao espaço individual de cada sujeito, foi possível, de forma automática, guardar o campo de deformações que caracteriza a transformação e, assim, gerar regiões de interesse personalizadas ao espaço do sujeito. Estas regiões de interesse serviram depois para a parcelização básica e para seleccionar tractos, mas também para filtragens adicionais, como a exclusão de fibras artefactuosas2 e um filtro especial, no qual apenas os pontos que ligam directamente as diferentes regiões são mantidos. Além do que já foi referido, recorreu-se também à aplicação de planos de interesse que actuam como constrangimentos neuroanatómicos, o que não permite, por exemplo, no caso da radiação óptica, que as fibras se propaguem para o lobo frontal. Esta ferramenta foi utilizada com sucesso para a parcelização automática do Fascículo Arcuado, Corpo Caloso e Radiação Óptica, tendo sido feita a comparação com a dissecção manual, em todos os casos. O estudo do Fasciculo Arcuado demonstrou ser o teste ideal para a ferramenta desenvolvida na medida que permitiu identificar o segmento longo, assim como descrito na literatura. O método automático de duas regiões de interesse deu a origem aos mesmos resultados obtidos manualmente e permitiu confirmar a necessidade de estudos mais aprofundados. Aumentando a complexidade do estudo, realizou-se a parcelização do Corpo Caloso de acordo com conectividade estrutural, isto é, com diferentes regiões envolvidas em funções distintas. Procedeu-se deste modo, e não com base em informação acerca de divisões geométricas, uma vez que estas já demonstraram incongruências quando correlacionadas com subdivisões funcionais. O uso adicional de regiões de interesse para a exclusão de fibras demonstrou-se benéfico na obtenção dos mapas finais. Finalmente, incluiu-se a utilização de um novo filtro para realizar a parcelização da Radiação Óptica, comparando os resultados para DTI e SD(do Inglês "Spherical Deconvolution"). Foi possível determinar limitações na primeira técnica que foram, no entanto, ultrapassadas pela utilização de SD. O atlas final gerado apresenta-se como uma mais-valia para o planeamento cirúrgico num ambiente clínico. O desenvolvimento desta ferramenta resultou em duas apresentações orais em conferências internacionais e encontra-se, de momento, a ser melhorada, a fim de se submeter um artigo de investigação original. Embora se tenha chegado a um resultado final positivo, tendo em conta a meta previamente estabelecida, está aberto o caminho para o seu aperfeiçoamento. Como exemplo disso, poder-se-á recorrer ao uso combinado das duas abordagens de parcelização automática e à utilização de índices específicos dos tractos, o que poderá trazer uma nova força à delineação dos tractos de interesse. Adicionalmente, é também possível melhorar os algoritmos de registo de imagem, tendo em conta a elevada variabilidade anatómica que alguns sujeitos apresentam. Como nota final, gostaria apenas de salientar que a imagiologia por difusão e, em particular, a tractografia, têm ainda muito espaço para progredir. A veracidade desta afirmação traduz-se pela existência de uma grande variedade de modelos e algoritmos implementados, sem que, no entanto, exista consenso na comunidade científica acerca da melhor abordagem a seguir.Diffusion weighted imaging (DWI) has provided us a non-invasive technique to determine physiological information and infer about tissue microstructure. The human body is filled with barriers affecting the mobility of molecules and preventing it from being constant in different directions (anisotropic diffusion). In the brain, the sources for this anisotropy arise from dense packing axons and from the myelin sheath that surrounds them. Only with Diffusion Tensor Imaging (DTI) it was possible to fully characterize anisotropy by offering estimations for average diffusivities in each voxel. However, these methods were limited, not being able to reflect the index of anisotropic diffusion in regions with complex fibre conformations. It was possible to reduce those problems through the acquisition of many gradient directions with High Angular Resolution Diffusion Imaging (HARDI). There are model-free approaches such as Diffusion Spectrum Imaging (DSI) and Q-ball Imaging (QBI) which retrieve an orientation distribution function (ODF) directly from the water molecular displacement. Another method is Spherical Deconvolution, which is a model-based approach based on the computation of a fibre orientation distribution (FOD) from the deconvolution of the diffusion signal and a chosen fibre response function. Reconstructing the fibre orientations from the diffusion profile, generates a three-dimensional reconstruction of neuronal fibres (Tractography) whether in a deterministic, probabilistic or global way. Tractography has two main purposes: non-invasive and in vivo mapping of human white matter and neurosurgical planning. In order to achieve those purposes it is common to apply parcellation techniques which can be subdivided into ROI-based or Clustering base. The aim of this project is to develop an automated method of tract-based parcellation of different brain regions. This tool is essential to retrieve information about the architecture and connectivity of the brain, overcoming time consuming and expertise related issues derived from manual dissections. Firstly we investigated basic functions to handle diffusion and tractography data. In particular, we focused on how to load track files, filter them according to regions of interest and save the output in different formats. Results were always compared with manual dissection. The developed tool increased complexity by introduction a new filtering and the use of regions of interest from different standard spaces, created trough non-linear registrations. Three major tracts of interest were analysed: Arcuate Fasciculus, Corpus Callosum and Optic Radiation