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

Unsupervised brain anomaly detection in MR images

Brain disorders are characterized by morphological deformations in shape and size of (sub)cortical structures in one or both hemispheres. These deformations cause deviations from the normal pattern of brain asymmetries, resulting in asymmetric lesions that directly affect the patient’s condition. Unsupervised methods aim to learn a model from unlabeled healthy images, so that an unseen image that breaks priors of this model, i.e., an outlier, is considered an anomaly. Consequently, they are generic in detecting any lesions, e.g., coming from multiple diseases, as long as these notably differ from healthy training images. This thesis addresses the development of solutions to leverage unsupervised machine learning for the detection/analysis of abnormal brain asymmetries related to anomalies in magnetic resonance (MR) images. First, we propose an automatic probabilistic-atlas-based approach for anomalous brain image segmentation. Second, we explore an automatic method for the detection of abnormal hippocampi from abnormal asymmetries based on deep generative networks and a one-class classifier. Third, we present a more generic framework to detect abnormal asymmetries in the entire brain hemispheres. Our approach extracts pairs of symmetric regions — called supervoxels — in both hemispheres of a test image under study. One-class classifiers then analyze the asymmetries present in each pair. Experimental results on 3D MR-T1 images from healthy subjects and patients with a variety of lesions show the effectiveness and robustness of the proposed unsupervised approaches for brain anomaly detection

Bayesian Local Smoothing Modeling and Inference for Pre-surgical FMRI Data.

There is a growing interest in using fMRI measurements and analyses as tools for pre-surgical planning. For such applications, spatial precision and control over false negatives and false positives are vital, requiring careful design of an image smoothing method and a classification procedure. This dissertation seeks computationally efficient approaches to overcome the limitation of existing methods and address new challenges in pre-surgical fMRI analyses. In the first study, we develop a Bayesian solution for the pre-surgical analysis of a single fMRI brain image. Specifically, we propose a novel spatially adaptive conditionally autoregressive model (CWAS) that adaptively and locally smoothes the fMRI data. We introduce a Bayesian theoretical decision approach that allows control of both false positives and false negatives to identify activated and deactivated brain regions. We benchmark the proposed solution to two existing spatially adaptive smoothing models, through simulation studies and two patients' pre-surgical fMRI datasets. In the second study, we extend the idea of spatially adaptive smoothing to multiple fMRI brain images in order to leverage spatial correlations across multiple images. In particular, we propose three spatially adaptive multivariate conditional autoregressive models that can be considered as extensions of the multivariate conditional autoregressive (MCAR) model (Gelfand and Vounatsou, 2003), the CWAS model, and the model of Reich and Hodges (2008), respectively, and one mixed-effects model assuming that all observed fMRI images originate from one common image. We compare the performance of the proposed models with those from the MCAR and CWAS models using simulation studies and two sets of fMRI brain images, acquired either from the same patient, same paradigm or same patient, different paradigms. The last study is motivated by fMRI brain images acquired at two different spatial resolutions from the same patient. We develop a Bayesian hierarchical model with spatially varying coefficients to retain the spatial precision from the high resolution image while utilizing information from the low resolution image to improve estimation and inference. Comparisons between the proposed model and the CWAS model, which operates at a single spatial resolution, are performed on simulated data and a patient's multi-resolution pre-surgical fMRI data.PhDBiostatisticsUniversity of Michigan, Horace H. Rackham School of Graduate Studieshttp://deepblue.lib.umich.edu/bitstream/2027.42/133339/1/zhuqingl_1.pd

Quantitative MRI correlates of hippocampal and neocortical pathology in intractable temporal lobe epilepsy

Intractable or drug-resistant epilepsy occurs in over 30% of epilepsy patients, with many of these patients undergoing surgical excision of the affected brain region to achieve seizure control. Advances in MRI have the potential to improve surgical treatment of epilepsy through improved identification and delineation of lesions. However, validation is currently needed to investigate histopathological correlates of these new imaging techniques. The purpose of this work is to investigate histopathological correlates of quantitative relaxometry and DTI from hippocampal and neocortical specimens of intractable TLE patients. To achieve this goal I developed and evaluated a pipeline for histology to in-vivo MRI image registration, which finds dense spatial correspondence between both modalities. This protocol was divided in two steps whereby sparsely sectioned histology from temporal lobe specimens was first registered to the intermediate ex-vivo MRI which is then registered to the in-vivo MRI, completing a pipeline for histology to in-vivo MRI registration. When correlating relaxometry and DTI with neuronal density and morphology in the temporal lobe neocortex, I found T1 to be a predictor of neuronal density in the neocortical GM and demonstrated that employing multi-parametric MRI (combining T1 and FA together) provided a significantly better fit than each parameter alone in predicting density of neurons. This work was the first to relate in-vivo T1 and FA values to the proportion of neurons in GM. When investigating these quantitative multimodal parameters with histological features within the hippocampal subfields, I demonstrated that MD correlates with neuronal density and size, and can act as a marker for neuron integrity within the hippocampus. More importantly, this work was the first to highlight the potential of subfield relaxometry and diffusion parameters (mainly T2 and MD) as well as volumetry in predicting the extent of cell loss per subfield pre-operatively, with a precision so far unachievable. These results suggest that high-resolution quantitative MRI sequences could impact clinical practice for pre-operative evaluation and prediction of surgical outcomes of intractable epilepsy

Validation of a semi-automatic co-registration of MRI scans in patients with brain tumors during treatment follow-up.

There is an expanding research interest in high-grade gliomas because of their significant population burden and poor survival despite the extensive standard multimodal treatment. One of the obstacles is the lack of individualized monitoring of tumor characteristics and treatment response before, during and after treatment. We have developed a two-stage semi-automatic method to co-register MRI scans at different time points before and after surgical and adjuvant treatment of high-grade gliomas. This two-stage co-registration includes a linear co-registration of the semi-automatically derived mask of the preoperative contrast-enhancing area or postoperative resection cavity, brain contour and ventricles between different time points. The resulting transformation matrix was then applied in a non-linear manner to co-register conventional contrast-enhanced T1 -weighted images. Targeted registration errors were calculated and compared with linear and non-linear co-registered images. Targeted registration errors were smaller for the semi-automatic non-linear co-registration compared with both the non-linear and linear co-registered images. This was further visualized using a three-dimensional structural similarity method. The semi-automatic non-linear co-registration allowed for optimal correction of the variable brain shift at different time points as evaluated by the minimal targeted registration error. This proposed method allows for the accurate evaluation of the treatment response, essential for the growing research area of brain tumor imaging and treatment response evaluation in large sets of patients. Copyright © 2016 John Wiley & Sons, Ltd.This research was funded by a National Institute of Health Clinician Scientist Fellowship [SJP], a Remmert Adriaan Laan Fund [AH], a René Vogels Fund [AH] and a grant from the Chang Gung Medical Foundation and Chang Gung Memorial Hospital, Keelung [JLY]. None of the authors have financial of other conflict of interest related to the work presented in this paper. This paper presents independent research funded by the UK National Institute for Health Research (NIHR). The views expressed are those of the author(s) and not necessarily those of the UK NHS, the UK NIHR or the UK Department of Health.This is the author accepted manuscript. It is currently under an indefinite embargo pending publication by Wiley

Towards efficient neurosurgery: Image analysis for interventional MRI

Interventional magnetic resonance imaging (iMRI) is being increasingly used for performing imageguided neurosurgical procedures. Intermittent imaging through iMRI can help a neurosurgeon visualise the target and eloquent brain areas during neurosurgery and lead to better patient outcome. MRI plays an important role in planning and performing neurosurgical procedures because it can provide highresolution anatomical images that can be used to discriminate between healthy and diseased tissue, as well as identify location and extent of functional areas. This is of significant clinical utility as it helps the surgeons maximise target resection and avoid damage to functionally important brain areas. There is clinical interest in propagating the pre-operative surgical information to the intra-operative image space as this allows the surgeons to utilise the pre-operatively generated surgical plans during surgery. The current state of the art neuronavigation systems achieve this by performing rigid registration of pre-operative and intra-operative images. As the brain undergoes non-linear deformations after craniotomy (brain shift), the rigidly registered pre-operative images do not accurately align anymore with the intra-operative images acquired during surgery. This limits the accuracy of these neuronavigation systems and hampers the surgeon’s ability to perform more aggressive interventions. In addition, intra-operative images are typically of lower quality with susceptibility artefacts inducing severe geometric and intensity distortions around areas of resection in echo planar MRI images, significantly reducing their utility in the intraoperative setting. This thesis focuses on development of novel methods for an image processing workflow that aims to maximise the utility of iMRI in neurosurgery. I present a fast, non-rigid registration algorithm that can leverage information from both structural and diffusion weighted MRI images to localise target lesions and a critical white matter tract, the optic radiation, during surgical management of temporal lobe epilepsy. A novel method for correcting susceptibility artefacts in echo planar MRI images is also developed, which combines fieldmap and image registration based correction techniques. The work developed in this thesis has been validated and successfully integrated into the surgical workflow at the National Hospital for Neurology and Neurosurgery in London and is being clinically used to inform surgical decisions