Comparison of diffusion tensor imaging by cardiovascular magnetic resonance and gadolinium enhanced 3D image intensity approaches to investigation of structural anisotropy in explanted rat hearts

Background: Cardiovascular magnetic resonance (CMR) can through the two methods 3D FLASH and diffusion tensor imaging (DTI) give complementary information on the local orientations of cardiomyocytes and their laminar arrays. Methods: Eight explanted rat hearts were perfused with Gd-DTPA contrast agent and fixative and imaged in a 9.4T magnet by two types of acquisition: 3D fast low angle shot (FLASH) imaging, voxels 50 × 50 × 50 μm, and 3D spin echo DTI with monopolar diffusion gradients of 3.6 ms duration at 11.5 ms separation, voxels 200 × 200 × 200 μm. The sensitivity of each approach to imaging parameters was explored. Results:The FLASH data showed laminar alignments of voxels with high signal, in keeping with the presumed predominance of contrast in the interstices between sheetlets. It was analysed, using structure-tensor (ST) analysis, to determine the most (v 1 ST ), intermediate (v 2 ST ) and least (v 3 ST ) extended orthogonal directions of signal continuity. The DTI data was analysed to determine the most (e 1 DTI ), intermediate (e 2 DTI ) and least (e 3 DTI ) orthogonal eigenvectors of extent of diffusion. The correspondence between the FLASH and DTI methods was measured and appraised. The most extended direction of FLASH signal (v 1 ST ) agreed well with that of diffusion (e 1 DTI ) throughout the left ventricle (representative discrepancy in the septum of 13.3 ± 6.7°: median ± absolute deviation) and both were in keeping with the expected local orientations of the long-axis of cardiomyocytes. However, the orientation of the least directions of FLASH signal continuity (v 3 ST ) and diffusion (e 3 ST ) showed greater discrepancies of up to 27.9 ± 17.4°. Both FLASH (v 3 ST ) and DTI (e 3 DTI ) where compared to directly measured laminar arrays in the FLASH images. For FLASH the discrepancy between the structure-tensor calculated v 3 ST and the directly measured FLASH laminar array normal was of 9 ± 7° for the lateral wall and 7 ± 9° for the septum (median ± inter quartile range), and for DTI the discrepancy between the calculated v 3 DTI and the directly measured FLASH laminar array normal was 22 ± 14° and 61 ± 53.4°. DTI was relatively insensitive to the number of diffusion directions and to time up to 72 hours post fixation, but was moderately affected by b-value (which was scaled by modifying diffusion gradient pulse strength with fixed gradient pulse separation). Optimal DTI parameters were b = 1000 mm/s2 and 12 diffusion directions. FLASH acquisitions were relatively insensitive to the image processing parameters explored. Conclusions: We show that ST analysis of FLASH is a useful and accurate tool in the measurement of cardiac microstructure. While both FLASH and the DTI approaches appear promising for mapping of the alignments of myocytes throughout myocardium, marked discrepancies between the cross myocyte anisotropies deduced from each method call for consideration of their respective limitations

Connectivity of the Superficial Muscles of the Human Perineum: A Diffusion Tensor Imaging-Based Global Tractography Study.

Despite the importance of pelvic floor muscles, significant controversy still exists about the true structural details of these muscles. We provide an objective analysis of the architecture and orientation of the superficial muscles of the perineum using a novel approach. Magnetic Resonance Diffusion Tensor Images (MR-DTI) were acquired in 10 healthy asymptomatic nulliparous women, and 4 healthy males. Global tractography was then used to generate the architecture of the muscles. Micro-CT imaging of a male cadaver was performed for validation of the fiber tracking results. Results show that muscles fibers of the external anal sphincter, from the right and left side, cross midline in the region of the perineal body to continue as transverse perinea and bulbospongiosus muscles of the opposite side. The morphology of the external anal sphincter resembles that of the number '8' or a "purse string". The crossing of muscle fascicles in the perineal body was supported by micro-CT imaging in the male subject. The superficial muscles of the perineum, and external anal sphincter are frequently damaged during child birth related injuries to the pelvic floor; we propose the use of MR-DTI based global tractography as a non-invasive imaging technique to assess damage to these muscles

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

Fluorescence microscopy tensor imaging representations for large-scale dataset analysis

Understanding complex biological systems requires the system-wide characterization of cellular and molecular features. Recent advances in optical imaging technologies and chemical tissue clearing have facilitated the acquisition of whole-organ imaging datasets, but automated tools for their quantitative analysis and visualization are still lacking. We have here developed a visualization technique capable of providing whole-organ tensor imaging representations of local regional descriptors based on fluorescence data acquisition. This method enables rapid, multiscale, analysis and virtualization of large-volume, high-resolution complex biological data while generating 3D tractographic representations. Using the murine heart as a model, our method allowed us to analyze and interrogate the cardiac microvasculature and the tissue resident macrophage distribution and better infer and delineate the underlying structural network in unprecedented detail

Coupled multiphysics modeling of aortic dissection

Computational modeling of the cardiovascular system plays an increasingly important role in biomedicine, as it allows for non-invasive investigations of the status-quo and studying the influence of different treatment options available. The goal is to incorporate patient-specific datasets to obtain socalled digital twins to increase relevance of virtual surgery and support clinical decision making. In this context, aortic dissection is particularly challenging, since the overall system behavior strongly depends on the interplay between tissue deformation and blood flow, giving rise to a fully coupled fluid-structure interaction problem. To account for the complex physics, several additional modeling aspects such as prestress, advanced constitutive models respecting fibre orientation and suitable boundary conditions for the fluid and solid phases have to be considered. Within this study, these special techniques are applied to a patient-specific dataset, for which first results are presented highlighting their relevance

Detailing patient specific modelling to aid clinical decision-making

The anatomy of the craniofacial skeleton has been described through the aid of dissection identifying hard and soft tissue structures. Although the macro and microscopic investigation of internal facial tissues have provided invaluable information on constitution of the tissues it is important to inspect and model facial tissues in the living individual. Detailing the form and function of facial tissues will be invaluable in clinical diagnoses and planned corrective surgical interventions such as management of facial palsies and craniofacial disharmony/anomalies. Recent advances in lower-cost, non-invasive imaging and computing power (surface scanning, Cone Beam Computerized Tomography (CBCT) and Magnetic Resonance (MRI)) has enabled the ability to capture and process surface and internal structures to a high resolution. The three-dimensional surface facial capture has enabled characterization of facial features all of which will influence subtleties in facial movement and surgical planning. This chapter will describe the factors that influence facial morphology in terms of gender and age differences, facial movement—surface and underlying structures, modeling based on average structures, orientation of facial muscle fibers, biomechanics of movement—proof of principle and surgical intervention

Recent Progress in Optical Sensors for Biomedical Diagnostics

In recent years, several types of optical sensors have been probed for their aptitude in healthcare biosensing, making their applications in biomedical diagnostics a rapidly evolving subject. Optical sensors show versatility amongst different receptor types and even permit the integration of different detection mechanisms. Such conjugated sensing platforms facilitate the exploitation of their neoteric synergistic characteristics for sensor fabrication. This paper covers nearly 250 research articles since 2016 representing the emerging interest in rapid, reproducible and ultrasensitive assays in clinical analysis. Therefore, we present an elaborate review of biomedical diagnostics with the help of optical sensors working on varied principles such as surface plasmon resonance, localised surface plasmon resonance, evanescent wave fluorescence, bioluminescence and several others. These sensors are capable of investigating toxins, proteins, pathogens, disease biomarkers and whole cells in varied sensing media ranging from water to buffer to more complex environments such as serum, blood or urine. Hence, the recent trends discussed in this review hold enormous potential for the widespread use of optical sensors in early-stage disease prediction and point-of-care testing devices.DFG, 428780268, Biomimetische Rezeptoren auf NanoMIP-Basis zur Virenerkennung und -entfernung mittels integrierter Ansätz

Microstructural imaging of the human brain with a 'super-scanner': 10 key advantages of ultra-strong gradients for diffusion MRI

The key component of a microstructural diffusion MRI 'super-scanner' is a dedicated high-strength gradient system that enables stronger diffusion weightings per unit time compared to conventional gradient designs. This can, in turn, drastically shorten the time needed for diffusion encoding, increase the signal-to-noise ratio, and facilitate measurements at shorter diffusion times. This review, written from the perspective of the UK National Facility for In Vivo MR Imaging of Human Tissue Microstructure, an initiative to establish a shared 300 mT/m-gradient facility amongst the microstructural imaging community, describes ten advantages of ultra-strong gradients for microstructural imaging. Specifically, we will discuss how the increase of the accessible measurement space compared to a lower-gradient systems (in terms of Δ, b-value, and TE) can accelerate developments in the areas of 1) axon diameter distribution mapping; 2) microstructural parameter estimation; 3) mapping micro-vs macroscopic anisotropy features with gradient waveforms beyond a single pair of pulsed-gradients; 4) multi-contrast experiments, e.g. diffusion-relaxometry; 5) tractography and high-resolution imaging in vivo and 6) post mortem; 7) diffusion-weighted spectroscopy of metabolites other than water; 8) tumour characterisation; 9) functional diffusion MRI; and 10) quality enhancement of images acquired on lower-gradient systems. We finally discuss practical barriers in the use of ultra-strong gradients, and provide an outlook on the next generation of 'super-scanners'