14 research outputs found

    Tractographie de la matière blanche par réseaux de neurones récurrents

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    La matière blanche du cerveau fait encore l'objet de nombreuses études. Grâce à l'IRM de diffusion, on peut étudier de façon non invasive la connectivité du cerveau avec une précision sans précédent. La reconstruction de la matière blanche --- la tractographie --- n'est pas parfaite cependant. En effet, la tractographie tend à reconstruire tous les chemins possibles au sein de la matière blanche; l'expertise des neuroanatomistes est donc requise pour distinguer les chemins qui sont possibles anatomiquement de ceux qui résultent d'une mauvaise reconstruction. Cette connaissance est difficile à exprimer et à codifier sous forme de règles logiques. L'intelligence artificielle a refait surface dans les années 1990 --- suite à une amélioration remarquable de la vitesse des processeurs --- en tant que solution viable à plusieurs problèmes qui étaient considérés comme fondamentalement > et quasi impossibles à résoudre pour une machine. Celle-ci représente un outil unique pour intégrer l'expertise des neuroanatomistes dans le processus de reconstruction de la matière blanche, sans avoir à fournir de règles explicitement. Un modèle peut ainsi apprendre la définition d'un chemin valide à partir d'exemples valides, pour ensuite reproduire ce qu'il a appris, sans répéter les erreurs classiques. Plus particulièrement, les réseaux de neurones récurrents sont une famille de modèles créés spécifiquement pour le traitement de séquences de données. Comme une fibre de matière blanche est représentée par une séquence de points, le lien se fait naturellement. Malgré leur potentiel énorme, l'application des réseaux récurrents à la tractographie fait face à plusieurs problèmes techniques. Cette thèse se veut très exploratoire, et détaille donc les débuts de l'utilisation des réseaux de neurones récurrents pour la tractographie par apprentissage, des problèmes qui sont apparus suite à la création d'une multitude d'algorithmes basés sur l'intelligence artificielle, ainsi que des solutions développées pour répondre à ces problèmes. Les résultats de cette thèse ont démontré le potentiel des réseaux de neurones récurrents pour la reconstruction de la matière blanche, en plus de contribuer à l’avancement du domaine grâce à la création d’une base de données publique pour la tractographie par apprentissage

    Unsupervised deep learning of human brain diffusion magnetic resonance imaging tractography data

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    L'imagerie par résonance magnétique de diffusion est une technique non invasive permettant de connaître la microstructure organisationnelle des tissus biologiques. Les méthodes computationnelles qui exploitent la préférence orientationnelle de la diffusion dans des structures restreintes pour révéler les voies axonales de la matière blanche du cerveau sont appelées tractographie. Ces dernières années, diverses méthodes de tractographie ont été utilisées avec succès pour découvrir l'architecture de la matière blanche du cerveau. Pourtant, ces techniques de reconstruction souffrent d'un certain nombre de défauts dérivés d'ambiguïtés fondamentales liées à l'information orientationnelle. Cela a des conséquences dramatiques, puisque les cartes de connectivité de la matière blanche basées sur la tractographie sont dominées par des faux positifs. Ainsi, la grande proportion de voies invalides récupérées demeure un des principaux défis à résoudre par la tractographie pour obtenir une description anatomique fiable de la matière blanche. Des approches méthodologiques innovantes sont nécessaires pour aider à résoudre ces questions. Les progrès récents en termes de puissance de calcul et de disponibilité des données ont rendu possible l'application réussie des approches modernes d'apprentissage automatique à une variété de problèmes, y compris les tâches de vision par ordinateur et d'analyse d'images. Ces méthodes modélisent et trouvent les motifs sous-jacents dans les données, et permettent de faire des prédictions sur de nouvelles données. De même, elles peuvent permettre d'obtenir des représentations compactes des caractéristiques intrinsèques des données d'intérêt. Les approches modernes basées sur les données, regroupées sous la famille des méthodes d'apprentissage profond, sont adoptées pour résoudre des tâches d'analyse de données d'imagerie médicale, y compris la tractographie. Dans ce contexte, les méthodes deviennent moins dépendantes des contraintes imposées par les approches classiques utilisées en tractographie. Par conséquent, les méthodes inspirées de l'apprentissage profond conviennent au changement de paradigme requis, et peuvent ouvrir de nouvelles possibilités de modélisation, en améliorant ainsi l'état de l'art en tractographie. Dans cette thèse, un nouveau paradigme basé sur les techniques d'apprentissage de représentation est proposé pour générer et analyser des données de tractographie. En exploitant les architectures d'autoencodeurs, ce travail tente d'explorer leur capacité à trouver un code optimal pour représenter les caractéristiques des fibres de la matière blanche. Les contributions proposées exploitent ces représentations pour une variété de tâches liées à la tractographie, y compris (i) le filtrage et (ii) le regroupement efficace sur les résultats générés par d'autres méthodes, ainsi que (iii) la reconstruction proprement dite des fibres de la matière blanche en utilisant une méthode générative. Ainsi, les méthodes issues de cette thèse ont été nommées (i) FINTA (Filtering in Tractography using Autoencoders), (ii) CINTA (Clustering in Tractography using Autoencoders), et (iii) GESTA (Generative Sampling in Bundle Tractography using Autoencoders), respectivement. Les performances des méthodes proposées sont évaluées par rapport aux méthodes de l'état de l'art sur des données de diffusion synthétiques et des données de cerveaux humains chez l'adulte sain in vivo. Les résultats montrent que (i) la méthode de filtrage proposée offre une sensibilité et spécificité supérieures par rapport à d'autres méthodes de l'état de l'art; (ii) le regroupement des tractes dans des faisceaux est fait de manière consistante; et (iii) l'approche générative échantillonnant des tractes comble mieux l'espace de la matière blanche dans des régions difficiles à reconstruire. Enfin, cette thèse révèle les possibilités des autoencodeurs pour l'analyse des données des fibres de la matière blanche, et ouvre la voie à fournir des données de tractographie plus fiables.Abstract : Diffusion magnetic resonance imaging is a non-invasive technique providing insights into the organizational microstructure of biological tissues. The computational methods that exploit the orientational preference of the diffusion in restricted structures to reveal the brain's white matter axonal pathways are called tractography. In recent years, a variety of tractography methods have been successfully used to uncover the brain's white matter architecture. Yet, these reconstruction techniques suffer from a number of shortcomings derived from fundamental ambiguities inherent to the orientation information. This has dramatic consequences, since current tractography-based white matter connectivity maps are dominated by false positive connections. Thus, the large proportion of invalid pathways recovered remains one of the main challenges to be solved by tractography to obtain a reliable anatomical description of the white matter. Methodological innovative approaches are required to help solving these questions. Recent advances in computational power and data availability have made it possible to successfully apply modern machine learning approaches to a variety of problems, including computer vision and image analysis tasks. These methods model and learn the underlying patterns in the data, and allow making accurate predictions on new data. Similarly, they may enable to obtain compact representations of the intrinsic features of the data of interest. Modern data-driven approaches, grouped under the family of deep learning methods, are being adopted to solve medical imaging data analysis tasks, including tractography. In this context, the proposed methods are less dependent on the constraints imposed by current tractography approaches. Hence, deep learning-inspired methods are suit for the required paradigm shift, may open new modeling possibilities, and thus improve the state of the art in tractography. In this thesis, a new paradigm based on representation learning techniques is proposed to generate and to analyze tractography data. By harnessing autoencoder architectures, this work explores their ability to find an optimal code to represent the features of the white matter fiber pathways. The contributions exploit such representations for a variety of tractography-related tasks, including efficient (i) filtering and (ii) clustering on results generated by other methods, and (iii) the white matter pathway reconstruction itself using a generative method. The methods issued from this thesis have been named (i) FINTA (Filtering in Tractography using Autoencoders), (ii) CINTA (Clustering in Tractography using Autoencoders), and (iii) GESTA (Generative Sampling in Bundle Tractography using Autoencoders), respectively. The proposed methods' performance is assessed against current state-of-the-art methods on synthetic data and healthy adult human brain in vivo data. Results show that the (i) introduced filtering method has superior sensitivity and specificity over other state-of-the-art methods; (ii) the clustering method groups streamlines into anatomically coherent bundles with a high degree of consistency; and (iii) the generative streamline sampling technique successfully improves the white matter coverage in hard-to-track bundles. In summary, this thesis unlocks the potential of deep autoencoder-based models for white matter data analysis, and paves the way towards delivering more reliable tractography data

    Diffusion MRI tractography for oncological neurosurgery planning:Clinical research prototype

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    Diffusion MRI tractography for oncological neurosurgery planning:Clinical research prototype

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    Adaptive microstructure-informed tractography for accurate brain connectivity analyses

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    Human brain has been subject of deep interest for centuries, given it's central role in controlling and directing the actions and functions of the body as response to external stimuli. The neural tissue is primarily constituted of neurons and, together with dendrites and the nerve synapses, constitute the gray matter (GM) which plays a major role in cognitive functions. The information processed in the GM travel from one region to the other of the brain along nerve cell projections, called axons. All together they constitute the white matter (WM) whose wiring organization still remains challenging to uncover. The relationship between structure organization of the brain and function has been deeply investigated on humans and animals based on the assumption that the anatomic architecture determine the network dynamics. In response to that, many different imaging techniques raised, among which diffusion-weighted magnetic resonance imaging (DW-MRI) has triggered tremendous hopes and expectations. Diffusion-weighted imaging measures both restricted and unrestricted diffusion, i.e. the degree of movement freedom of the water molecules, allowing to map the tissue fiber architecture in vivo and non-invasively. Based on DW-MRI data, tractography is able to exploit information of the local fiber orientation to recover global fiber pathways, called streamlines, that represent groups of axons. This, in turn, allows to infer the WM structural connectivity, becoming widely used in many different clinical applications as for diagnoses, virtual dissections and surgical planning. However, despite this unique and compelling ability, data acquisition still suffers from technical limitations and recent studies have highlighted the poor anatomical accuracy of the reconstructions obtained with this technique and challenged its effectiveness for studying brain connectivity. The focus of this Ph.D. project is to specifically address these limitations and to improve the anatomical accuracy of the structural connectivity estimates. To this aim, we developed a global optimization algorithm that exploits micro and macro-structure information, introducing an iterative procedure that uses the underlying tissue properties to drive the reconstruction using a semi-global approach. Then, we investigated the possibility to dynamically adapt the position of a set of candidate streamlines while embedding the anatomical prior of trajectories smoothness and adapting the configuration based on the observed data. Finally, we introduced the concept of bundle-o-graphy by implementing a method to model groups of streamlines based on the concept that axons are organized into fascicles, adapting their shape and extent based on the underlying microstructure

    Analyse et reconstruction de faisceaux de la matière blanche

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    L'imagerie par résonance magnétique de diffusion (IRMd) est une modalité d'acquisition permettant de sonder les tissus biologiques et d'en extraire une variété d'informations sur le mouvement microscopique des molécules d'eau. Plus spécifiquement à l'imagerie médicale, l'IRMd permet l'investigation des structures fibreuses de nombreux organes et facilite la compréhension des processus cognitifs ou au diagnostic. Dans le domaine des neurosciences, l'IRMd est cruciale à l'exploration de la connectivité structurelle de la matière blanche. Cette thèse s'intéresse plus particulièrement à la reconstruction de faisceaux de la matière blanche ainsi qu'à leur analyse. Toute la complexité du traitement des données commençant au scanneur jusqu'à la création d'un tractogramme est extrêmement importante. Par contre, l'application spécifique de reconstruction des faisceaux anatomiques plausibles est ultimement le véritable défi de l'IRMd. L'optimisation des paramètres de la tractographie, le processus de segmentation manuelle ou automatique ainsi que l'interprétation des résultats liée à ces faisceaux sont toutes des étapes du processus avec leurs lots de difficultés

    Tractographie adaptative basée sur la microstructure pour des analyses précises de la connectivité cérébrale

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    Le cerveau est un sujet de recherche depuis plusieurs décennies, puisque son rôle est central dans la compréhension du genre humain. Le cerveau est composé de neurones, où leurs dendrites et synapses se retrouvent dans la matière grise alors que les axones en constituent la matière blanche. L’information traitée dans les différentes régions de la matière grise est ensuite transmise par l’intermédiaire des axones afin d’accomplir différentes fonctions cognitives. La matière blanche forme une structure d’interconnections complexe encore dif- ficile à comprendre et à étudier. La relation entre l’architecture et la fonction du cerveau a été étudiée chez les humains ainsi que pour d’autres espèces, croyant que l’architecture des axones déterminait la dynamique du réseau fonctionnel. Dans ce même objectif, l’Imagerie par résonance (IRM) est un outil formidable qui nous permet de visualiser les tissus cérébraux de façon non-invasive. Plus partic- ulièrement, l’IRM de diffusion permet d’estimer et de séparer la diffusion libre de celle restreinte par la structure des tissus. Cette mesure de restriction peut être utilisée afin d’inférer l’orientation locale des faisceaux de matière blanche. L’algorithme de tractographie exploite cette carte d’orientation pour reconstruire plusieurs connexions de la matière blanche (nommées “streamlines”). Cette modélisation de la matière blanche permet d’estimer la connectivité cérébrale dite structurelle entre les différentes régions du cerveau. Ces résultats peuvent être employés directement pour la planification chirurgicale ou indirectement pour l’analyse ou une évaluation clinique. Malgré plusieurs de ses limitations, telles que sa variabilité et son imprécision, la tractographie reste l’unique moyen d’étudier l’architecture de la matière blanche ainsi que la connectivité cérébrale de façon non invasive. L’objectif de ce projet de doctorat est de répondre spécifiquement à ces limitations et d’améliorer la précision anatomique des estimations de connectivité structurelle. Dans ce but, nous avons développé un algorithme d’optimisation globale qui exploite les informations de micro et macrostructure, en introduisant une procédure itéra- tive qui utilise les propriétés sous-jacentes des tissus pour piloter la reconstruction en utilisant une approche semi-globale. Ensuite, nous avons étudié la possibilité d’adapter dynamiquement la position d’un ensemble de lignes de courant candidates tout en intégrant le préalable anatomique de la douceur des trajectoires et en adap- tant la configuration en fonction des données observées. Enfin, nous avons introduit le concept de bundle-o-graphy en mettant en œuvre une méthode pour modéliser des groupes de lignes de courant basées sur le concept que les axones sont organisés en fascicules, en adaptant leur forme et leur étendue en fonction de la microstructure sous-jacente.Abstract : Human brain has been subject of deep interest for centuries, given it’s central role in controlling and directing the actions and functions of the body as response to external stimuli. The neural tissue is primarily constituted of neurons and, together with dendrites and the nerve synapses, constitute the gray matter (GM) which plays a major role in cognitive functions. The information processed in the GM travel from one region to the other of the brain along nerve cell projections, called axons. All together they constitute the white matter (WM) whose wiring organization still remains challenging to uncover. The relationship between structure organization of the brain and function has been deeply investigated on humans and animals based on the assumption that the anatomic architecture determine the network dynamics. In response to that, many different imaging techniques raised, among which diffusion-weighted magnetic resonance imaging (DW-MRI) has triggered tremendous hopes and expectations. Diffusion-weighted imaging measures both restricted and unrestricted diffusion, i.e. the degree of movement freedom of the water molecules, allowing to map the tissue fiber architecture in vivo and non-invasively. Based on DW-MRI data, tractography is able to exploit information of the local fiber orien- tation to recover global fiber pathways, called streamlines, that represent groups of axons. This, in turn, allows to infer the WM structural connectivity, becoming widely used in many different clinical applications as for diagnoses, virtual dissections and surgical planning. However, despite this unique and compelling ability, data acqui- sition still suffers from technical limitations and recent studies have highlighted the poor anatomical accuracy of the reconstructions obtained with this technique and challenged its effectiveness for studying brain connectivity. The focus of this Ph.D. project is to specifically address these limitations and to improve the anatomical accuracy of the structural connectivity estimates. To this aim, we developed a global optimization algorithm that exploits micro and macro- structure information, introducing an iterative procedure that uses the underlying tissue properties to drive the reconstruction using a semi-global approach. Then, we investigated the possibility to dynamically adapt the position of a set of candidate streamlines while embedding the anatomical prior of trajectories smoothness and adapting the configuration based on the observed data. Finally, we introduced the concept of bundle-o-graphy by implementing a method to model groups of streamlines based on the concept that axons are organized into fascicles, adapting their shape and extent based on the underlying microstructure.Sommario : Il cervello umano è oggetto di profondo interesse da secoli, dato il suo ruolo centrale nel controllare e dirigere le azioni e le funzioni del corpo in risposta a stimoli esterno. Il tessuto neurale è costituito principalmente da neuroni che, insieme ai dendriti e alle sinapsi nervose, costituiscono la materia grigia (GM), la quale riveste un ruolo centrale nelle funzioni cognitive. Le informazioni processate nella GM viaggiano da una regione all’altra del cervello lungo estensioni delle cellule nervose, chiamate assoni. Tutti insieme costituiscono la materia bianca (WM) la cui organizzazione strutturale rimane tuttora sconosciuta. Il legame tra struttura e funzione del cervello sono stati studiati a fondo su esseri umani e animali partendo dal presupposto che l’architettura anatomica determini la dinamica della rete funzionale. In risposta a ciò, sono emerse diverse tecniche di imaging, tra cui la risonanza magnetica pesata per diffusione (DW-MRI) ha suscitato enormi speranze e aspettative. Questa tecnica misura la diffusione sia libera che ristretta, ovvero il grado di libertà di movimento delle molecole d’acqua, consentendo di mappare l’architettura delle fibre neuronali in vivo e in maniera non invasiva. Basata su dati DW-MRI, la trattografia è in grado di sfruttare le informazioni sull’orientamento locale delle fibre per ricostruirne i percorsi a livello globale. Questo, a sua volta, consente di estrarre la connettività strutturale della WM, utilizzata in diverse applicazioni cliniche come per diagnosi, dissezioni virtuali e pianificazione chirurgica. Tuttavia, nonostante questa capacità unica e promettente, l’acquisizione dei dati soffre ancora di limitazioni tecniche e recenti studi hanno messo in evidenza la scarsa accuratezza anatomica delle ricostruzioni ottenute con questa tecnica, mettendone in dubbio l’efficacia per lo studio della connettività cerebrale. Il focus di questo progetto di dottorato è quello di affrontare in modo specifico queste limitazioni e di migliorare l’accuratezza anatomica delle stime di connettività strutturale. A tal fine, abbiamo sviluppato un algoritmo di ottimizzazione globale che sfrutta le informazioni sia micro che macrostrutturali, introducendo una procedura iterativa che utilizza le proprietà del tessuto neuronale per guidare la ricostruzione utilizzando un approccio semi-globale. Successivamente, abbiamo studiato la possibilità di adattare dinamicamente la posizione di un insieme di streamline candidate incorporando il prior anatomico per cui devono seguire traiettorie regolari e adattando la configurazione in base ai dati osservati. Infine, abbiamo introdotto il concetto di bundle-o-graphy implementando un metodo per modellare gruppi di streamline basato sul concetto che gli assoni sono organizzati in fasci, adattando la loro forma ed estensione in base alla microstruttura sottostante

    Anisotropy Across Fields and Scales

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    This open access book focuses on processing, modeling, and visualization of anisotropy information, which are often addressed by employing sophisticated mathematical constructs such as tensors and other higher-order descriptors. It also discusses adaptations of such constructs to problems encountered in seemingly dissimilar areas of medical imaging, physical sciences, and engineering. Featuring original research contributions as well as insightful reviews for scientists interested in handling anisotropy information, it covers topics such as pertinent geometric and algebraic properties of tensors and tensor fields, challenges faced in processing and visualizing different types of data, statistical techniques for data processing, and specific applications like mapping white-matter fiber tracts in the brain. The book helps readers grasp the current challenges in the field and provides information on the techniques devised to address them. Further, it facilitates the transfer of knowledge between different disciplines in order to advance the research frontiers in these areas. This multidisciplinary book presents, in part, the outcomes of the seventh in a series of Dagstuhl seminars devoted to visualization and processing of tensor fields and higher-order descriptors, which was held in Dagstuhl, Germany, on October 28–November 2, 2018

    Brain connectivity mapping with diffusion MRI across individuals and species

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    The human brain is a highly complex organ that integrates functionally specialised subunits. Underpinning this complexity and functional specialisation is a network of structural connections, which may be probed using diffusion tractography, a unique, powerful and non-invasive MRI technique. Estimates of brain connectivity derived through diffusion tractography allow for explorations of how the brain’s functional subunits are inter-linked to subsequently produce experiences and behaviour. This thesis develops new diffusion tractography methodology for mapping brain connectivity, both across individuals and also across species; and explores frameworks for discovering associations of such brain connectivity features with behavioural traits. We build upon the hypothesis that connectional patterns can probe regions of functional equivalence across brains. To test this hypothesis we develop standardised and automated frameworks for mapping these patterns in very diverse brains, such as from human and non-human primates. We develop protocols to extract homologous fibre bundles across two species (human and macaque monkeys). We demonstrate robustness and generalisability of these protocols, but also their ability to capture individual variability. We also present investigations into how structural connectivity profiles may be used to inform us of how functionally-related features can be linked across different brains. Further, we explore how fully data-driven tractography techniques may be utilised for similar purposes, opening the door for future work on data-driven connectivity mapping. Subsequently, we explore how such individual variability in features that probe brain organisation are associated with differences in human behaviour. One approach to performing such explorations is the use of powerful multivariate statisitical techniques, such as canonical correlation analysis (CCA). After identifying issues in out-of-sample replication using multi-modal connectivity information, we perform comprehensive explorations into the robustness of such techniques and devise a generative model for forward predictions, demonstrating significant challlenges and limitations in their current applications. Specifically, we predict that the stability and generalisability of these techniques requires an order of magnitude more subjects than typically used to avoid overfitting and mis-interpretation of results. Using population-level data from the UK Biobank and confirmations from independent imaging modalities from the Human Connectome Project, we validate this prediction and demonstrate the direct link of CCA stability and generalisability with the number of subjects used per considered feature
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