Improving Fiber Alignment in HARDI by Combining Contextual PDE Flow with Constrained Spherical Deconvolution

We propose two strategies to improve the quality of tractography results computed from diffusion weighted magnetic resonance imaging (DW-MRI) data. Both methods are based on the same PDE framework, defined in the coupled space of positions and orientations, associated with a stochastic process describing the enhancement of elongated structures while preserving crossing structures. In the first method we use the enhancement PDE for contextual regularization of a fiber orientation distribution (FOD) that is obtained on individual voxels from high angular resolution diffusion imaging (HARDI) data via constrained spherical deconvolution (CSD). Thereby we improve the FOD as input for subsequent tractography. Secondly, we introduce the fiber to bundle coherence (FBC), a measure for quantification of fiber alignment. The FBC is computed from a tractography result using the same PDE framework and provides a criterion for removing the spurious fibers. We validate the proposed combination of CSD and enhancement on phantom data and on human data, acquired with different scanning protocols. On the phantom data we find that PDE enhancements improve both local metrics and global metrics of tractography results, compared to CSD without enhancements. On the human data we show that the enhancements allow for a better reconstruction of crossing fiber bundles and they reduce the variability of the tractography output with respect to the acquisition parameters. Finally, we show that both the enhancement of the FODs and the use of the FBC measure on the tractography improve the stability with respect to different stochastic realizations of probabilistic tractography. This is shown in a clinical application: the reconstruction of the optic radiation for epilepsy surgery planning

Visualisation en imagerie par résonance magnétique de diffusion : tractographie en temps réel des fibres de la matière blanche du cerveau

L'imagerie par résonance magnétique de diffusion est une technique non-invasive permettant de mesurer la diffusion des molécules d'eau selon plusieurs directions. Le résultat d'une telle acquisition contient de l'information implicite sur les structures microbiologiques qui composent le cerveau humain. La tractographie consiste à déterminer et visualiser, en trois dimensions, l'ensemble des connections neuronales de la matière blanche du cerveau en suivant la diffusion préférentielle de l'eau présente en chaque voxel. Les fibres de la matière blanche sont responsables de connecter les différentes aires fonctionnelles du cerveau entre-elles. En présence d'une tumeur, elles peuvent se réorganiser de multiples façons et refaire des connections pour assurer le suivi des fonctions importantes. L'imagerie du câblage cérébral est utilisée lors d'interventions neurochirurgicales afin d'aider le neurochirurgien à planifier son angle d'attaque pour réséquer le maximum de la tumeur sans léser la fonction du patient. La tractographie prend donc tout son sens pour le neurochirurgien avant et pendant l'opération. Dans ce mémoire, il sera question de tractographie en temps réel. La plupart des algorithmes de tractographie utilisent des paramètres fixes et prédéfinis pour l'ensemble du cerveau. Nous croyons que ces paramètres devraient être accessibles et modifiables afin de voir l'impact que ceux-ci ont sur la reconstruction des connections cérébrales. Nous proposons une méthode de visualisation de fibres en temps réel, permettant de calculer et d'afficher instantanément le résultat d'un nouvel algorithme de tractographie qui sera confronté aux méthodes existantes. Le nouveau module permet d'effectuer la tractographie des fibres de la matière blanche de manière interactive en offrant la possibilité d'ajuster les paramètres impliqués dans le processus de tractographie. Il a notamment été introduit plus d'une vingtaine de fois lors d'interventions neurochirurgicales au Centre Hospitalier Universitaire de Sherbrooke, grâce à la supervision du Dr. David Fortin. La tractographie en temps réel a changé la manière dont les données sont préparées en vue d'une intervention en bloc opératoire. Dans un contexte où le temps entre le traitement des données et l'intervention chirurgicale est une contrainte majeure, l'élimination de l'étape de tractographie du processus de prétraitement est un avantage non-négligeable

Diffusion directions imaging (high resolution reconstruction of white matter fascicles from low angular resolution diffusion MRI)

L'objectif de cette thèse est de fournir une chaine de traitement complète pour la reconstruction des faisceaux de la matière blanche à partir d'images pondérées en diffusion caractérisées par une faible résolution angulaire. Cela implique (i) d'inférer en chaque voxel un modèle de diffusion à partir des images de diffusion et (ii) d'accomplir une ''tractographie", i.e., la reconstruction des faisceaux à partir de ces modèles locaux. Notre contribution en modélisation de la diffusion est une nouvelle distribution statistique dont les propriétés sont étudiées en détail. Nous modélisons le phénomène de diffusion par un mélange de telles distributions incluant un outil de sélection de modèle destiné à estimer le nombre de composantes du mélange. Nous montrons que le modèle peut être correctement estimé à partir d'images de diffusion ''single-shell" à faible résolution angulaire et qu'il fournit des biomarqueurs spécifiques pour l'étude des tumeurs. Notre contribution en tractographie est un algorithme qui approxime la distribution des faisceaux émanant d'un voxel donné. Pour cela, nous élaborons un filtre particulaire mieux adapté aux distributions multi-modales que les filtres traditionnels. Pour démontrer l'applicabilité de nos outils en usage clinique, nous avons participé aux trois éditions du MICCAI DTI Tractography challenge visant à reconstruire le faisceau cortico-spinal à partir d'images de diffusion ''single-shell" à faibles résolutions angulaire et spatiale. Les résultats montrent que nos outils permettent de reconstruire toute l'étendue de ce faisceau.The objective of this thesis is to provide a complete pipeline that achieves an accurate reconstruction of the white matter fascicles using clinical diffusion images characterized by a low angular resolution. This involves (i) a diffusion model inferred in each voxel from the diffusion images and (ii) a tractography algorithm fed with these local models to perform the actual reconstruction of fascicles. Our contribution in diffusion modeling is a new statistical distribution, the properties of which are extensively studied. We model the diffusion as a mixture of such distributions, for which we design a model selection tool that estimates the number of mixture components. We show that the model can be accurately estimated from single shell low angular resolution diffusion images and that it provides specific biomarkers for studying tumors. Our contribution in tractography is an algorithm that approximates the distribution of fascicles emanating from a seed voxel. We achieve that by means of a particle filter better adapted to multi-modal distributions than the traditional filters. To demonstrate the clinical applicability of our tools, we participated to all three editions of the MICCAI DTI Tractography challenge aiming at reconstructing the cortico-spinal tract from single-shell low angular and low spatial resolution diffusion images. Results show that our pipeline provides a reconstruction of the full extent of the CST.RENNES1-Bibl. électronique (352382106) / SudocSudocFranceF

Investigating structural plasticity in musicians’ brains using structural magnetic resonance and diffusion tensor imaging techniques

Neuroplasticity is the ability of the brain to change its structure and/or function in response to environmental stimuli. It is implicated in many processes, such as learning, maturation, skill acquisition, and rehabilitation following brain injury. With the advent of neuroimaging techniques, the study of neuroplasticity and its mechanisms have fascinated researchers given the wide scope with which this process is involved. Musicians have long been considered an ideal model to study neuroplasticity in humans. It has been shown that musicians with their early, intensive, and multimodal skilful practice have structural plasticity in different brain regions. The objective of this work was to extend these structural studies through examining different cohorts of musicians, using a multitude of imaging and morphometric techniques, and performing novel examinations of brain regions essential for enabling high level musical performance such as Broca’s area, corpus callosum (CC), and cerebellum. Three age-, gender- and handedness-matched cohorts were examined. The first cohort included 26 orchestral musicians and 26 non-musicians. High resolution T1-weighted structural MR images were acquired to measure gray and white matter volumes and cortical surface area of Broca’s area subparts: pars opercularis/BA44 and pars triangularis/BA45. The second cohort included 12/12/12 professional musicians/amateur musicians/non-musicians. High resolution T1-weighted MR images were acquired to measure cross-sectional areas of four regions of the midsagittal CC: CC1 (rostrum/ genu/anterior body), CC2 (anterior midbody), CC3 (posterior midbody), and CC4 (isthmus and splenium). In the third cohort, 12/12 musicians and non-musicians were examined. High resolution T1-weighted structural MR images were acquired to measure cross-sectional areas of CC1-CC4 regions; and diffusion tensor imaging-based tractography was used to measure average fractional anisotropy (FA), mean diffusivity (MD), tract volume, and number of streamlines of the same regions. In a subset (10/10) of this cohort, high resolution structural scans were used to measure gray and white matter volumes of cerebellar hemispheres; and diffusion tensor imaging-based tractography was used to measure average FA, tract volume, and number of streamlines of superior (SCP) and middle (MCP) cerebellar peduncles. Outcome measures were compared between groups. Compared to controls, musicians possessed greater gray matter volume and cortical surface area of left pars opercularis/BA44 in the first cohort. The volume of left pars opercularis was positively correlated with years of musical performance. Professional musicians possessed greater cross-sectional area of CC1 and CC4 regions compared to amateurs and non-musicians in the second cohort. In the third cohort, musicians possessed greater cross-sectional area, average FA/tract volume/number of streamlines, and lower MD in CC4 region. There was a negative correlation between cross-sectional area of CC4 region and age of starting musical training. There was a positive correlation between average FA values and cross-sectional area of CC4 region in all subjects. In addition, musicians had increased white matter volume of the right cerebellar hemisphere, increased tract volume and number of streamlines of right SCP, and tract volume of right MCP. I hypothesize that these findings represent use-dependent structural plasticity imposed by musical performance. At the microscopic level, these macroanatomical changes may reflect increased synaptogenesis and dendritic growth, generation of new axon collaterals, and formation of new neurons, which would support enhanced functional demands on musicians’ brains

Anatomo-functional magnetic resonance imaging of the spinal cord and its application to the characterization of spinal lesions in cats

Les lésions de la moelle épinière ont un impact significatif sur la qualité de la vie car elles peuvent induire des déficits moteurs (paralysie) et sensoriels. Ces déficits évoluent dans le temps à mesure que le système nerveux central se réorganise, en impliquant des mécanismes physiologiques et neurochimiques encore mal connus. L'ampleur de ces déficits ainsi que le processus de réhabilitation dépendent fortement des voies anatomiques qui ont été altérées dans la moelle épinière. Il est donc crucial de pouvoir attester l'intégrité de la matière blanche après une lésion spinale et évaluer quantitativement l'état fonctionnel des neurones spinaux. Un grand intérêt de l'imagerie par résonance magnétique (IRM) est qu'elle permet d'imager de façon non invasive les propriétés fonctionnelles et anatomiques du système nerveux central. Le premier objectif de ce projet de thèse a été de développer l'IRM de diffusion afin d'évaluer l'intégrité des axones de la matière blanche après une lésion médullaire. Le deuxième objectif a été d'évaluer dans quelle mesure l'IRM fonctionnelle permet de mesurer l'activité des neurones de la moelle épinière. Bien que largement appliquées au cerveau, l'IRM de diffusion et l'IRM fonctionnelle de la moelle épinière sont plus problématiques. Les difficultés associées à l'IRM de la moelle épinière relèvent de sa fine géométrie (environ 1 cm de diamètre chez l'humain), de la présence de mouvements d'origine physiologique (cardiaques et respiratoires) et de la présence d'artefacts de susceptibilité magnétique induits par les inhomogénéités de champ, notamment au niveau des disques intervertébraux et des poumons. L'objectif principal de cette thèse a donc été de développer des méthodes permettant de contourner ces difficultés. Ce développement a notamment reposé sur l'optimisation des paramètres d'acquisition d'images anatomiques, d'images pondérées en diffusion et de données fonctionnelles chez le chat et chez l'humain sur un IRM à 3 Tesla. En outre, diverses stratégies ont été étudiées afin de corriger les distorsions d'images induites par les artefacts de susceptibilité magnétique, et une étude a été menée sur la sensibilité et la spécificité de l'IRM fonctionnelle de la moelle épinière. Les résultats de ces études démontrent la faisabilité d'acquérir des images pondérées en diffusion de haute qualité, et d'évaluer l'intégrité de voies spinales spécifiques après lésion complète et partielle. De plus, l'activité des neurones spinaux a pu être détectée par IRM fonctionnelle chez des chats anesthésiés. Bien qu'encourageants, ces résultats mettent en lumière la nécessité de développer davantage ces nouvelles techniques. L'existence d'un outil de neuroimagerie fiable et robuste, capable de confirmer les paramètres cliniques, permettrait d'améliorer le diagnostic et le pronostic chez les patients atteints de lésions médullaires. Un des enjeux majeurs serait de suivre et de valider l'effet de diverses stratégies thérapeutiques. De telles outils représentent un espoir immense pour nombre de personnes souffrant de traumatismes et de maladies neurodégénératives telles que les lésions de la moelle épinière, les tumeurs spinales, la sclérose en plaques et la sclérose latérale amyotrophique.Spinal cord injury has a significant impact on quality of life since it can lead to motor (paralysis) and sensory deficits. These deficits evolve in time as reorganisation of the central nervous system occurs, involving physiological and neurochemical mechanisms that are still not fully understood. Given that both the severity of the deficit and the successful rehabilitation process depend on the anatomical pathways that have been altered in the spinal cord, it may be of great interest to assess white matter integrity after a spinal lesion and to evaluate quantitatively the functional state of spinal neurons. The great potential of magnetic resonance imaging (MRI) lies in its ability to investigate both anatomical and functional properties of the central nervous system non invasively. To address the problem of spinal cord injury, this project aimed to evaluate the benefits of diffusion-weighted MRI to assess the integrity of white matter axons that remain after spinal cord injury. The second objective was to evaluate to what extent functional MRI can measure the activity of neurons in the spinal cord. Although widely applied to the brain, diffusion-weighted MRI and functional MRI of the spinal cord are not straightforward. Various issues arise from the small cross-section width of the cord, the presence of cardiac and respiratory motions, and from magnetic field inhomogeneities in the spinal region. The main purpose of the present thesis was therefore to develop methodologies to circumvent these issues. This development notably focused on the optimization of acquisition parameters to image anatomical, diffusion-weighted and functional data in cats and humans at 3T using standard coils and pulse sequences. Moreover, various strategies to correct for susceptibility-induced distortions were investigated and the sensitivity and specificity in spinal cord functional MRI was studied. As a result, acquisition of high spatial and angular diffusion-weighted images and evaluation of the integrity of specific spinal pathways following spinal cord injury was achieved. Moreover, functional activations in the spinal cord of anaesthetized cats was detected. Although encouraging, these results highlight the need for further technical and methodological development in the near-future. Being able to develop a reliable neuroimaging tool for confirming clinical parameters would improve diagnostic and prognosis. It would also enable to monitor the effect of various therapeutic strategies. This would certainly bring hope to a large number of people suffering from trauma and neurodegenerative diseases such as spinal cord injury, tumours, multiple sclerosis and amyotrophic lateral sclerosis

Physics-Based Probabilistic Motion Compensation of Elastically Deformable Objects

A predictive tracking approach and a novel method for visual motion compensation are introduced, which accurately reconstruct and compensate the deformation of the elastic object, even in the case of complete measurement information loss. The core of the methods involves a probabilistic physical model of the object, from which all other mathematical models are systematically derived. Due to flexible adaptation of the models, the balance between their complexity and their accuracy is achieved

Microfluidics and Nanofluidics Handbook

The Microfluidics and Nanofluidics Handbook: Two-Volume Set comprehensively captures the cross-disciplinary breadth of the fields of micro- and nanofluidics, which encompass the biological sciences, chemistry, physics and engineering applications. To fill the knowledge gap between engineering and the basic sciences, the editors pulled together key individuals, well known in their respective areas, to author chapters that help graduate students, scientists, and practicing engineers understand the overall area of microfluidics and nanofluidics. Topics covered include Finite Volume Method for Numerical Simulation Lattice Boltzmann Method and Its Applications in Microfluidics Microparticle and Nanoparticle Manipulation Methane Solubility Enhancement in Water Confined to Nanoscale Pores Volume Two: Fabrication, Implementation, and Applications focuses on topics related to experimental and numerical methods. It also covers fabrication and applications in a variety of areas, from aerospace to biological systems. Reflecting the inherent nature of microfluidics and nanofluidics, the book includes as much interdisciplinary knowledge as possible. It provides the fundamental science background for newcomers and advanced techniques and concepts for experienced researchers and professionals

Forum Bildverarbeitung 2016

Bildverarbeitung spielt in vielen Bereichen der Technik zur schnellen und berührungslosen Datenerfassung eine Schlüsselrolle. Der vorliegende Tagungsband des „Forums Bildverarbeitung“, das am 1. und 2. Dezember 2016 in Karlsruhe als Veranstaltung des Karlsruher Instituts für Technologie und des Fraunhofer-Instituts für Optronik, Systemtechnik und Bildauswertung stattfand, enthält die Aufsätze der eingegangenen Beiträge. Darin wird über aktuelle Trends und Lösungen der Bildverarbeitung berichtet

Energy: A continuing bibliography with indexes

This bibliography lists 1920 reports, articles, and other documents introduced into the NASA Scientific and Technical Information System from July 1, 1980 through September 30, 1980