Tangential curved planar reformation for topological and orientation invariant visualization of vascular trees

Recently, extensions to curved planar reformation (CPR) were proposed to improve vascular visualization of medical images. While these projective transformations provide enhanced visualization of vascular trees, non-planar alignment and arbitrary topology can cause visualization artifacts. Vascular trees in medical images are not aligned to planar cross-sections of volumetric image slices and thus aggravate simultaneous visualization of diagnostic features. Complex tree topology and non-planar alignment requires the need for an adaptive projection scheme to prevent visualization artifacts while preserving correctness of anatomical information. In this paper, we present algorithmic details for topological and orientation invariant visualization of vascular trees. Vascular high-level description of the medial axis guides the reformation process by flattening the vascular tree interior to successive image planes for respective radial sampling angles. Tree orientations are estimated from intrinsic shape properties of the vascular tree for rotation invariant projection. Radial sampling planes perpendicular to the medial axis tangents are the basis for topological invariant visualization of complete vascular interiors. We present experimental results on two different vascular tree topologies and demonstrate that our method is able to produce artifact free visualization of vascular interiors

A lumbalis lordosis eloszlásának és a porckorongok átlagos degenerációjának kapcsolata = Relationship between the distribution of lumbar lordosis and the average degeneration of intervertebral discs

Bevezetés: A lumbalis derékfájás a társadalomra és a gazdaságra is jelentős hatással bíró tényező. Magyarországon a derék- vagy hátfájástól szenved a lakosság 21%-a, és tízből hatan gyógyszert is szednek a betegségre. A fájdalom ke- zelésének terápiája összetett, jelenleg nincs egységesen igazolt, hatékony módszer a betegség kezelésére. A derékfáj- dalommal kapcsolatban négy összetevőt érdemes megvizsgálni: a gerinc geometriáját, a gerinc degeneratív morfoló- giai elváltozásait, a betegeknek az elváltozással együtt járó fájdalmát és a funkciókárosodás mértékét. Célkitűzés: Megvizsgálni a lumbalis lordosis eloszlásának és a porckorongok degenerációjának kapcsolatát matemati- kai analízissel és annak szoftveres alkalmazásával. Módszer: 60 beteg MRI-felvételeinek algoritmikus elemzése és diszkriminanciaanalízis alkalmazásával degenerációs osztályokba történő besorolása. Eredmények: A kidolgozott degenerációs osztályokba sorolás esetén három vizsgált független változó mutat szignifi- káns hatást: a nem, az életkor és a kitérési százalék (K), a sztenderdként használt Cobb-szög viszont nem. Az alkal- mazott diszkriminanciafüggvények összes helyes besorolási (ún. prediktív) értéke 83%, a legrelevánsabb, súlyos dege- nerációs osztályba történő helyes besorolási érték pedig 92%. Következtetés: A vizsgálati minta elemzése alapján a nem, az életkor és a lumbalis gerinc geometriáját jellemző K (lordosisdisztribúció) értékeivel az ágyéki gerinc átlagos degenerációjának mértéke indirekt módon meghatározható az ingyenesen és online használható Spinalyze Software segítségével

The third dimension of scoliosis: The forgotten axial plane

Idiopathic scoliosis is a three-dimensional (3D) deformity of the spine. In clinical practice, however, the diagnosis and treatment of scoliosis consider only two dimensions (2D) as they rely solely on postero-anterior (PA) and lateral radiographs. Thus, the projections of the deformity are evaluated in only the coronal and sagittal planes, whereas those in the axial plane are disregarded, precluding an accurate assessment of the 3D deformity. A universal dogma in engineering is that designing a 3D object requires drawing projections of the object in all three planes. Similarly, when dealing with a 3D deformity, knowledge of the abnormalities in all three planes is crucial, as each plane is as important as the other two planes. This article reviews the chronological development of axial plane imaging and spinal deformity measurement

Accurate estimation of large vessel length in growing children and adolescents for the purpose of pulse wave velocity calculation.

Thesis (MMed)--Stellenbosch University, 2018.Background Cardiovascular disease is a major cause of death in adults worldwide. Early detection allows for early intervention to prevent vascular events such as strokes, heart attacks, etc. Although these vascular events typically occur in late adulthood, the underlying atherosclerosis often begins during childhood. Early subclinical atherosclerosis can be detected by measuring the elasticity of the large arteries, particularly when performed serially over time. Normally, the elasticity of a healthy aorta helps to slow down the speed of the pressure wave created by contraction of the heart muscle. This is an important way of maintaining smooth laminar blood flow. Atherosclerosis causes the vessel wall to harden and lose elasticity. As the vessel wall hardens, the speed of the pressure wave increases. Pulse wave velocity (PWV) is a sophisticated method of detecting early elasticity changes, and is a preferred non-invasive technique to measure arterial wall stiffness. The velocity calculation requires accurate measurement of both distance travelled and time taken for the pulse wave to travel between two points. The distance used for pulse wave velocity calculation is an approximation of the intraluminal distance travelled by the pulse wave and is estimated by measuring the distance between various surface anatomy landmarks. The expert consensus document on arterial wall stiffness described carotid–femoral PWV as the “gold standard” measurement of arterial wall stiffness, yet there is no consensus on the arterial path length estimation method. A variety of arterial path length estimation methods exist, and this makes inter-study comparison of PWV very difficult. The purpose of the current study was to investigate the most accurate method of estimating the true distance travelled by the aorto-femoral pressure wave. We compared distances between a range of commonly used surface anatomy landmarks, and compared these to the true intraluminal distance measured on multi-planar reformations of archived computerized tomography imaging in children of varying ages. Our findings will allow standardization of PWV calculation in children and allow for inter-study comparisons. Methods Vessel lengths in children (aged 0-18 years) were measured with multi-planar reformation (MPR) imaging software. These measurements were then compared with the surface anatomy measurements also obtained using the MPR imaging software. The comparisons between vessel lengths and surface anatomy distances were performed in segments, since there were no whole body CT scans available on the Picture Archiving and Communication System (PACS) at the research site. Results The surface anatomy measurements from the suprasternal notch to the angle of the mandible (on the right) correlated well with the intraluminal vessel length from the origin of the brachiocephalic trunk to the external carotid at the angle of the mandible (r2=0.92; p<0.0001). The surface anatomy measurements from the suprasternal notch to the midpoint of the right inguinal crease, correlated well with the intraluminal vessel length from the origin of the brachiocephalic trunk to the right femoral artery at the right inguinal ligament (r2=0.98; p<0.0001). The surface anatomy measurements from the suprasternal notch to the xiphisternum, plus the surface distance between xiphisternum and the umbilicus, plus the surface distance between the umbilicus and the midpoint of the right inguinal crease, correlated well with the intraluminal vessel length from the origin of the brachiocephalic trunk to the right femoral artery at the right inguinal ligament (r2=0.97; p<0.0001). The surface anatomy measurement from the suprasternal notch to the xiphisternum, plus the surface distance between the xiphisternum and the midpoint of right inguinal crease, correlated well with the intraluminal vessel length from the origin of the brachiocephalic trunk to the right femoral artery at the right inguinal ligament (r2=0.97; p<0.0001). A regression equation is provided for each set of surface anatomy measurements, allowing further adjustment of measurements to more accurately represent the true intraluminal distance travelled by the pulse wave. Conclusions The surface anatomy distance between the suprasternal notch and the angle of the mandible, subtracted from the distance between the suprasternal notch and mid-inguinal crease, provides the closest approximation of true intraluminal distance travelled and would be the best method to standardize pulse wave velocity calculation in children and adolescents. However, surface anatomy estimations using the xiphisternum and umbilicus as landmarks produced very similar correlations.Agtergrond Kardiovaskulêre siekte is een van die voorste oorsake van dood in volwassenes wêreldwyd. Vroeë opsporing maak voorsiening vir vroeë intervensie om vaskulêre gebeure soos beroertes, hartaanvalle, ens. te voorkom. Alhoewel hierdie vaskulêre gebeure tipies in die laat volwassenheid voorkom, begin die onderliggende aterosklerose dikwels gedurende die kinderjare. Vroeë subkliniese aterosklerose kan opgespoor word deur die elastisiteit van arteries te meet, met jaarlikse opvolg ondersoeke. Die elastisiteit van 'n gesonde aorta help om die spoed van die pols wat deur die samespanning van die hartspier geskep word, te vertraag. Dit is 'n belangrike manier om egalige laminêre bloedvloei te handhaaf. Aterosklerose veroorsaak dat bloedvate verhard en elastisiteit verloor. Soos die bloedvate verhard, verhoog die pols spoed. Pols spoed/snelheid berekenings ondersoeke is 'n gesofistikeerde metode om vroeë bloedvaat elastisiteits veranderings op te spoor, en is vir baie die ondersoek van keuse om vir arteriële bloedvaat styfheid te meet. Die snelheidsberekening vereis akkurate meting van beide afstand agelê en tyd wat dit neem vir die pols om tussen twee punte te beweeg. Die afstand wat gebruik word vir hierdie ondersoek is 'n skatting en word gemeet met behulp van 'n maatband oor die liggaamsoppervlak. Die deskundige konsensus dokument oor arteriële bloedvat styfheid beskryf karotis-femorale pols snelheids berekenings ondersoek as die "gouestandaard" meting vir arteriële wandstyfheid, maar daar is geen konsensus oor die arteriële padlengte skattingsmetode nie. 'n Verskeidenheid van arteriële padlengte skattings metodes bestaan, en dit maak inter-studie vergelyking in verband met pols snelheid berekenings baie moeilik. Die doel van hierdie studie was om die akkuraatste skattings metode van afstand wat deur die aorto-femorale pols afgelê word te ondersoek, deur oppervlakanatomiese afstande, wat verkry is met behulp van 3D rekenaar tomografie (RT) beelde, te vergelyk met bloedvaat lengtes wat verkry was met behulp van multi-planêre rekonstruksie rekenaar tomografie beelde in kinders van verskillende ouderdomme. Om sodoende pols snelheid berekenings ondersoeke in kinders te standaardiseer en inter-studie vergelykings in verband met pols snelheid berekenings te vergemaklik. Metodes Bloedvaat lengtes is gemeet met behulp van multi-planêre rekonstruksie (MPR) beeldings sagteware (IntelliSpace Portal, Koninklike Philips elektroniese NV, Nederland) by kinders (tussen die ouderdomme 0 tot 18 jaar). Hierdie metings is dan vergelyk met die oppervlakanatomie metings wat ook verkry is met behulp van die MPR beeldings sagteware. Hierdie vergelykings is in segmente uitgevoer, aangesien daar geen RT-skanderings beskikbaar was, wat vanaf die basis van die skedel tot by die pelvis strek nie, by die hospitaal waar die studie uitgevoer was nie. Resultate Die oppervlakanatomiese meting vanaf die suprasternale kerf tot by die hoek van die mandibel (regs) het positief gekorreleer met die bloedvaat metings vanaf die oorsprong van die brachiokefaliese stam tot by die eksterne karotis by die hoek van die mandibel (r2 = 0.92; p <0,0001). Die oppervlaksanatomiese meting vanaf die suprasternale kerf tot by die middelpunt van die lies vou, het positief gekorreleer met die bloedvaat metings vanaf die oorsprong van die brachiokefaliese stam tot by die regter femorale arterie by die inguinale ligament (r2 = 0.98; p <0,0001). Die oppervlakanatomiese meting vanaf die suprasternale kerf tot by die xifisternum, plus die oppervlakafstand vanaf die xifisternum tot by die umbilikus, plus die oppervlakafstand vanaf die umbilikus tot by die middelpunt van die regter lies vou, positief gekorreleer met die bloedvaatmetings vanaf die oorsprong van die brakiokefaliese stam tot by die regter femorale arterie by die inguinale ligament (r2 = 0.97; p <0.0001). Die oppervlaksanatomiese meting vanaf die suprasternale kerf tot by die xifisternum, plus die oppervlakafstand vanaf die xifisternum tot by die middelpunt van die lies vou het positief gekorreleer met die bloedvaat metings vanaf die oorsprong van die brachiokefaliese stam tot die regter femorale arterie by die inguinale ligament (r2 = 0,97; p <0,0001). 'n Formule word verskaf vir elke stel oppervlakanatomie metings, wat die aanpassing van metings moontlik maak om die ware intraluminale afstand wat deur die pols aglê word, meer akkuraat voor te stel. Gevolgtrekkings Die oppervlak anatomie afstand tussen die suprasternale kerf en die hoek van die mandibel moet afgetrek word van die afstand tussen die suprasternale kerf en die regter lies vou, aangesien dit die naaste benadering bied van ware intraluminale afstand agelê en sal die beste metode wees om pols snelheid ondersoeke in kinders and adolessente te standaardiseer

New insights on COPD imaging via CT and MRI

Multidetector-row computed tomography (MDCT) can be used to quantify morphological features and investigate structure/function relationship in COPD. This approach allows a phenotypical definition of COPD patients, and might improve our understanding of disease pathogenesis and suggest new therapeutical options. In recent years, magnetic resonance imaging (MRI) has also become potentially suitable for the assessment of ventilation, perfusion and respiratory mechanics. This review focuses on the established clinical applications of CT, and novel CT and MRI techniques, which may prove valuable in evaluating the structural and functional damage in COPD

Advanced Algorithms for 3D Medical Image Data Fusion in Specific Medical Problems

Fúze obrazu je dnes jednou z nejběžnějších avšak stále velmi diskutovanou oblastí v lékařském zobrazování a hraje důležitou roli ve všech oblastech lékařské péče jako je diagnóza, léčba a chirurgie. V této dizertační práci jsou představeny tři projekty, které jsou velmi úzce spojeny s oblastí fúze medicínských dat. První projekt pojednává o 3D CT subtrakční angiografii dolních končetin. V práci je využito kombinace kontrastních a nekontrastních dat pro získání kompletního cévního stromu. Druhý projekt se zabývá fúzí DTI a T1 váhovaných MRI dat mozku. Cílem tohoto projektu je zkombinovat stukturální a funkční informace, které umožňují zlepšit znalosti konektivity v mozkové tkáni. Třetí projekt se zabývá metastázemi v CT časových datech páteře. Tento projekt je zaměřen na studium vývoje metastáz uvnitř obratlů ve fúzované časové řadě snímků. Tato dizertační práce představuje novou metodologii pro klasifikaci těchto metastáz. Všechny projekty zmíněné v této dizertační práci byly řešeny v rámci pracovní skupiny zabývající se analýzou lékařských dat, kterou vedl pan Prof. Jiří Jan. Tato dizertační práce obsahuje registrační část prvního a klasifikační část třetího projektu. Druhý projekt je představen kompletně. Další část prvního a třetího projektu, obsahující specifické předzpracování dat, jsou obsaženy v disertační práci mého kolegy Ing. Romana Petera.Image fusion is one of today´s most common and still challenging tasks in medical imaging and it plays crucial role in all areas of medical care such as diagnosis, treatment and surgery. Three projects crucially dependent on image fusion are introduced in this thesis. The first project deals with the 3D CT subtraction angiography of lower limbs. It combines pre-contrast and contrast enhanced data to extract the blood vessel tree. The second project fuses the DTI and T1-weighted MRI brain data. The aim of this project is to combine the brain structural and functional information that purvey improved knowledge about intrinsic brain connectivity. The third project deals with the time series of CT spine data where the metastases occur. In this project the progression of metastases within the vertebrae is studied based on fusion of the successive elements of the image series. This thesis introduces new methodology of classifying metastatic tissue. All the projects mentioned in this thesis have been solved by the medical image analysis group led by Prof. Jiří Jan. This dissertation concerns primarily the registration part of the first project and the classification part of the third project. The second project is described completely. The other parts of the first and third project, including the specific preprocessing of the data, are introduced in detail in the dissertation thesis of my colleague Roman Peter, M.Sc.

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

Fusion and Analysis of Multidimensional Medical Image Data

Analýza medicínských obrazů je předmětem základního výzkumu již řadu let. Za tu dobu bylo v této oblasti publikováno mnoho výzkumných prací zabývajících se dílčími částmi jako je rekonstrukce obrazů, restaurace, segmentace, klasifikace, registrace (lícování) a fúze. Kromě obecného úvodu, pojednává tato disertační práce o dvou medicínsky orientovaných tématech, jež byla formulována ve spolupráci s Philips Netherland BV, divizí Philips Healthcare. První téma je zaměřeno na oblast zpracování obrazů subtrakční angiografie dolních končetin člověka získaných pomocí výpočetní X-Ray tomografie (CT). Subtrakční angiografie je obvykle využívaná při podezření na periferní cévní onemocnění (PAOD) nebo při akutním poškození dolních končetin jako jsou fraktury apod. Současné komerční metody nejsou dostatečně spolehlivé už v předzpracování, jako je například odstranění pacientského stolu, pokrývky, dlahy, apod. Spolehlivost a přesnost identifikace cév v subtrahovaných datech vedoucích v blízkosti kostí je v důsledku Partial Volume artefaktu rovněž nízká. Automatické odstranění kalcifikací nebo detekce malých cév doplňujících nezbytnou informaci o náhradním zásobení dolních končetin krví v případě přerušení hlavních zásobujících cév v současné době rovněž nesplňují kritéria pro plně automatické zpracování. Proto hlavním cílem týkající se tohoto tématu bylo vyvinout automatický systém, který by mohl současné nedostatky v CTSA vyšetření odstranit. Druhé téma je orientováno na identifikaci patologických změn na páteři člověka v CT obrazech se zaměřením na osteolytické a osteoblastické léze u jednotlivých obratlů. Tyto změny obvykle nastávají v důsledků postižení metastazujícím procesem rakovinového onemocnění. Pro detekci patologických změn je pak potřeba identifikace a segmentace jednotlivých obratlů. Přesnost analýzy jednotlivých lézí však závisí rovněž na správné identifikaci těla a zadních segmentů u jednotlivých obratlů a na segmentaci trabekulárního centra obratlů, tj. odstranění kortikální kosti. Během léčby mohou být pacienti skenováni vícekrát, obvykle s několika-mesíčním odstupem. Hodnocení případného vývoje již detekovaných patologických změn pak logicky vychází ze správné detekce patologií v jednotlivých obratlech korespondujících si v jednotlivých akvizicích. Jelikož jsou příslušné obratle v jednotlivých akvizicích obvykle na různé pozici, jejich fúze, vedoucí k analýze časového vývoje detekovaných patologií, je komplikovaná. Požadovaným výsledkem v tomto tématu je vytvoření komplexního systému pro detekci patologických změn v páteři, především osteoblastických a osteolytických lézí. Takový systém tedy musí umožnovat jak segmentaci jednotlivých obratlů, jejich automatické rozdělení na hlavní části a odstranění kortikální kosti, tak také detekci patologických změn a jejich hodnocení. Ačkoliv je tato disertační práce v obou výše zmíněných tématech primárně zaměřena na experimentální část zpracování medicínských obrazů, zabývá se všemi nezbytnými kroky, jako je předzpracování, registrace, dodatečné zpracování a hodnocení výsledků, vedoucími k možné aplikovatelnosti obou systému v klinické praxi. Jelikož oba systémy byly řešeny v rámci týmové spolupráce jako celek, u obou témat jsou pro některé konkrétní kroky uvedeny odkazy na doktorskou práci Miloše Malínského.Analysis of medical images has been subject of basic research for many years. Many research papers have been published in the field related to image analysis and focused on partial aspects such as reconstruction, restoration, segmentation and classification, registration (spatial alignment) and fusion. Besides the introduction of related general concepts used in medical image processing, this thesis deals with two specific medical problems formulated in cooperation with Philips Netherland BV, Philips Healthcare division. The first topic is focused on subtraction angiography in patients’ lower legs utilizing image data from X-Ray computed tomography (CT). CT subtraction angiography (CTSA) is typically used for indication of the Peripheral Artery Occlusive Disease (PAOD) and for examination of acute injuries of lower legs such as acute fractures, etc. Current methods in clinical praxis are not sufficient regarding the pre-processing such as masking of patient desk, cover, splint, etc. The subtraction of blood vessels adjacent to neighboring bones in lower legs is of low accuracy due to the Partial Volume artifact. Masking of calcifications and detection of tiny blood vessels complementing necessary information about the alternative blood supply in lower legs in case of obstruction in main arteries is also not reliable for fully automated process presently. Therefore, the main aim regarding this topic was to develop an automated framework that could overcome current shortcomings in CTSA examination. The second topic is oriented on the identification and evaluation of pathologic changes in human spine, focusing on osteolytic and osteoblastic lesions in individual vertebrae in CT images. Such changes occur typically as a consequence of metastasizing process of cancerous disease. For the detection of pathologic changes, an identification and segmentation of individual vertebrae is necessary. Moreover, the analysis of individual lesions in vertebrae depends also on correct identification of vertebral body and posterior segments of each vertebra, and on segmentation of their trabecular centers. Patients are typically examined more than once during their therapy. Then, the evaluation of possible tumorous progression is based on accurate detection of pathologies in individual vertebrae in the base-line and corresponding follow-up images. Since the corresponding vertebrae are in mutually different positions in the follow-up images, their fusion leading to the analysis of the lesion progression is complicated. The main aim regarding this topic is to develop a complex framework for detection of pathologic lesions on spine, with the main focus on osteoblastic and osteolystic lesions. Such system has to provide not only reliable segmentation of individual vertebrae and detection of their main regions but also the masking of their cortical bone, detection of their pathologic changes and their evaluation. Although this dissertation thesis is primarily oriented at the experimental part of medical image processing considering both the above mentioned topics, it deals with all necessary processing steps, i.e. preprocessing, image registration, post-processing and evaluation of results, leading to the future use of both frameworks in clinical practice. Since both frameworks were developed in a team, there are some chapters referring to the dissertation thesis of Milos Malinsky.