Computational Representation of White Matter Fiber Orientations

We present a new methodology based on directional data clustering to represent white matter fiber orientations in magnetic resonance analyses for high angular resolution diffusion imaging. A probabilistic methodology is proposed for estimating intravoxel principal fiber directions, based on clustering directional data arising from orientation distribution function (ODF) profiles. ODF reconstructions are used to estimate intravoxel fiber directions using mixtures of von Mises-Fisher distributions. The method focuses on clustering data on the unit sphere, where complexity arises from representing ODF profiles as directional data. The proposed method is validated on synthetic simulations, as well as on a real data experiment. Based on experiments, we show that by clustering profile data using mixtures of von Mises-Fisher distributions it is possible to estimate multiple fiber configurations in a more robust manner than currently used approaches, without recourse to regularization or sharpening procedures. The method holds promise to support robust tractographic methodologies and to build realistic models of white matter tracts in the human brain

Complex muscle architecture described with diffusion weighted MRI

Thesis (S.M.)--Massachusetts Institute of Technology, Dept. of Mechanical Engineering, 2007.Includes bibliographical references (p. 89-98).The complex array of fiber orientations exhibited by muscles such as the tongue, esophagus, and heart, enable function beyond basic pulling. Among other things, the presence of crossing geometry adds the ability to push by bi-directional contraction causing expansion in the orthogonal direction. Diffusion weighted magnetic resonance imaging (DW-MRI), provides a convenient, non-destructive, method for deriving fiber architecture in many tissues. DW-MRI finely probes tissue microstructure by determining direction-specific variations of signal attenuation. Gradients are applied in a set of directions, intensities, and durations and the attenuation data combined to form an approximation of fiber alignment within each voxel. The main original contributions of this work are the calibration and application of diffusion weighted imaging methods to several muscular tissues and analysis of the data. Of particular note are: (1) the relation of diffusion spectrum MRI derived muscle architecture to 3D whole tissue two-photon microscopy data, and (2) the ability to capture mechanically relevant tongue muscle architecture data from human in vivo and analysis.(cont.) Muscular tissue is involved in nearly all vital functions of biological organisms: respiration, ingestion, digestion, circulation in addition to basic motion. The application of DW-MRI technologies to muscle tissue as described in this paper could lead to insights about or aid in the remediation of muscular dystrophies and other myopathies.by Terry A. Gaige.S.M

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

Diffusion Tensor Imaging Biomarkers of Brain Development and Disease

<p>Understanding the structure of the brain has been a major goal of neuroscience research over the past century, driven in part by the understanding that brain structure closely follows function. Normative brain maps, or atlases, can be used to understand normal brain structure, and to identify structural differences resulting from disease. Recently, diffusion tensor magnetic resonance imaging has emerged as a powerful tool for brain atlasing; however, its utility is hindered by image resolution and signal limitations. These limitations can be overcome by imaging fixed ex-vivo specimens stained with MRI contrast agents, a technique known as diffusion tensor magnetic resonance histology (DT-MRH). DT-MRH represents a unique, quantitative tool for mapping the brain with unprecedented structural detail. This technique has engendered a new generation of 3D, digital brain atlases, capable of representing complex dynamic processes such as neurodevelopment. This dissertation explores the use of DT-MRH for quantitative brain atlasing in an animal model and initial work in the human brain. </p><p>Chapter 1 describes the advantages of the DT-MRH technique, and the motivations for generating a quantitative atlas of rat postnatal neurodevelopment. The second chapter covers optimization of the DT-MRH hardware and pulse sequence design for imaging the developing rat brain. Chapter 3 details the acquisition and curation of rat neurodevelopmental atlas data. Chapter 4 describes the creation and implementation of an ontology-based segmentation scheme for tracking changes in the developing brain. Chapters 5 and 6 pertain to analyses of volumetric changes and diffusion tensor parameter changes throughout rat postnatal neurodevelopment, respectively. Together, the first six chapters demonstrate many of the unique and scientifically valuable features of DT-MRH brain atlases in a popular animal model.</p><p>The final two chapters are concerned with translating the DT-MRH technique for use in human and non-human primate brain atlasing. Chapter 7 explores the validity of assumptions imposed by DT-MRH in the primate brain. Specifically, it analyzes computer models and experimental data to determine the extent to which intravoxel diffusion complexity exists in the rhesus macaque brain, a close model for the human brain. Finally, Chapter 8 presents conclusions and future directions for DT-MRH brain atlasing, and includes initial work in creating DT-MRH atlases of the human brain. In conclusion, this work demonstrates the utility of a DT-MRH brain atlasing with an atlas of rat postnatal neurodevelopment, and lays the foundation for creating a DT-MRH atlas of the human brain.</p>Dissertatio

Triple visual hemifield maps in a case of optic chiasm hypoplasia

In humans, each hemisphere comprises an overlay of two visuotopic maps of the contralateral visual field, one from each eye. Is the capacity of the visual cortex limited to these two maps or are plastic mechanisms available to host more maps? We determined the cortical organization of the visual field maps in a rare individual with chiasma hypoplasia, where visual cortex plasticity is challenged to accommodate three hemifield maps. Using high-resolution fMRI at 7T and diffusion-weighted MRI at 3T, we found three hemiretinal inputs, instead of the normal two, to converge onto the left hemisphere. fMRI-based population receptive field mapping of the left V1-V3 at 3T revealed three superimposed hemifield representations in the left visual cortex, i.e. two representations of opposing visual hemifields from the left eye and one right hemifield representation from the right eye. We conclude that developmental plasticity including the re-wiring of local intra- and cortico-cortical connections is pivotal to support the coexistence and functioning of three hemifield maps within one hemisphere

High rank tensor and spherical harmonic models for diffusion MRI processing

Diffusion tensor imaging (DTI) is a non-invasive quantitative method of characterizing tissue micro-structure. Diffusion imaging attempts to characterize the manner by which the water molecules within a particular location move within a given amount of time. Measurement of the diffusion tensor (D) within a voxel allows a macroscopic voxel-averaged description of fiber structure, orientation and fully quantitative evaluation of the microstructural features of healthy and diseased tissue.;The rank two tensor model is incapable of resolving multiple fiber orientations within an individual voxel. This shortcoming of single tensor model stems from the fact that the tensor possesses only a single orientational maximum. Several authors reported this non-mono-exponential behavior for the diffusion-induced attenuation in brain tissue in water and N-Acetyl Aspartate (NAA) signals, that is why the Multi-Tensor, Higher Rank Tensor and Orientation Distribution Function (ODF) were introduced.;Using the higher rank tensor, we will propose a scheme for tensor field interpolation which is inspired by subdivision surfaces in computer graphics. The method applies to Cartesian tensors of all ranks and imposes smoothness on the interpolated field by constraining the divergence and curl of the tensor field. Results demonstrate that the subdivision scheme can better preserve anisotropicity and interpolate rotations than some other interpolation methods. As one of the most important applications of DTI, fiber tractography was implemented to study the shape geometry changes. Based on the divergence and curl measurement, we will introduce new scalar measures that are sensitive to behaviors such as fiber bending and fanning.;Based on the ODF analysis, a new anisotropy measure that has the ability to describe multi-fiber heterogeneity while remaining rotationally invariant, will be introduced, which is a problem with many other anisotropy measures defined using the ODF. The performance of this novel measure is demonstrated for data with varying Signal to Noise Ratio (SNR), and different material characteristics

Parametric spherical deconvolution: Inferring anatomical connectivity using diffusion MR imaging

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