Impact of fMRI-guided advanced DTI fiber tracking techniques on their clinical applications in patients with brain tumors

Introduction: White matter tractography based on diffusion tensor imaging has become a well-accepted non-invasive tool for exploring the white matter architecture of the human brain in vivo. There exist two main key obstacles for reconstructing white matter fibers: firstly, the implementation and application of a suitable tracking algorithm, which is capable of reconstructing anatomically complex fascicular pathways correctly, as, e.g., areas of fiber crossing or branching; secondly, the definition of an appropriate tracking seed area for starting the reconstruction process. Large intersubject, anatomical variations make it difficult to define tracking seed areas based on reliable anatomical landmarks. An accurate definition of seed regions for the reconstruction of a specific neuronal pathway becomes even more challenging in patients suffering from space occupying pathological processes as, e.g., tumors due to the displacement of the tissue and the distortion of anatomical landmarks around the lesion. Methods: To resolve the first problem, an advanced tracking algorithm, called advanced fast marching, was applied in this study. The second challenge was overcome by combining functional magnetic resonance imaging (fMRI) and diffusion tensor imaging (DTI) in order to perform fMRI-guided accurate definition of appropriate seed areas for the DTI fiber tracking. In addition, the performance of the tasks was controlled by a MR-compatible power device. Results: Application of this combined approach to eight healthy volunteers and exemplary to three tumor patients showed that it is feasible to accurately reconstruct relevant fiber tracts belonging to a specific functional system. Conclusion: fMRI-guided advanced DTI fiber tracking has the potential to provide accurate anatomical and functional information for a more informed therapeutic decision makin

Processing of diffusion MR images of the brain: from crossing fibres to distributed tractography

Diffusion-weighted (DW) magnetic resonance imaging allows the quantification of water diffusion within tissue. Due to the hindrance of water molecules by the various tissue compartments, probing for the diffusive properties of a region can provide information on the underlying structure. This is particularly useful for the human brain, whose anatomy is complex. Diffusion imaging provides currently the only tool to study the brain connectivity and organization non-invasively and in-vivo, through a group of methods, commonly referred to as tractography methods. This thesis is concerned with brain anatomical connectivity and tractography. The goal is to elucidate problems with existing approaches used to process DW images and propose solutions and methods through new frameworks. These concern data from two popular DW imaging protocols, diffusion tensor imaging (DTI) and high angular resolution diffusion imaging (HARDI), or Q-ball imaging in particular. One of the problems tackled is resolving crossing fibre configurations, a major concern in DW imaging, using data that can be routinely acquired in a clinical setting. The physical constraint of spatial continuity of the diffusion environment is imposed throughout the brain volume, using a multi-tensor model and a regularization method. The new approach is shown to improve tractography results through crossing regions. Quantitative tractography algorithms are also proposed that, apart from reconstructing the white matter tracts, assign relative indices of anatomical connectivity to all regions. A fuzzy algorithm is presented for assessing orientational coherence of neuronal tracts, reflecting the fuzzy nature of medical images. As shown for different tracts, where a-priori anatomical knowledge exists, regions that are coherently connected and possibly belong to the same tract can be differentiated from the background. In a different framework, elements of graph theory are used to develop a new tractography algorithm that can utilize information from multiple image modalities to assess brain connectivity. Both algorithms inherently consider crossing fibre information and are shown to solve problems that affect existing methods

Global brain connectivity analysis by diffusion MR tractography:algorithms, validation and applications

The human cerebral cortex consists of approximately 1010 neurons that are organized into a complex network of local circuits and long-range connections. During the past years there has been an increasing interest from the neuro-scientific community towards the study of this network, referred to as the human connectome. Due to its ability to probe the tissue microstructure in vivo and non invasively, diffusion MRI has revealed to be a helpful tool for the analysis of brain axonal pathways at the millimeter scale. Whereas the neuronal level remains unreachable, diffusion MRI enables the mapping of a low-resolution estimate of the human connectome, which should give a new breath to the study of normal or pathologic neuroanatomy. After a short introduction on diffusion MRI and tractography, the process by which fiber tracts are reconstructed from the diffusion images, we present a methodology allowing the creation of normalized whole-brain structural connection matrices derived from tractography and representing the human connectome. Based on the developed framework we then investigate the potential of front propagation algorithms in tractography. We compare their performance with classical tractography approaches on several well-known associative fiber pathways, and we discuss their advantages and limitations. Several solutions are proposed in order to evaluate and validate the connectome-related methodology. We develop a method to estimate the respective contributions of diffusion contrast versus other effects to a tractography result. Using this methodology, we show that whereas we can have a strong confidence in mid- and long-range connections, short-range connectivity has to be interpreted with care. Next, we demonstrate the strong relationship between the structural connectivity obtained from diffusion MR tractography and the functional connectivity measured with functional MRI. Then, we compare the performance of several diffusion MRI techniques through connectome-based measurements. We find that diffusion spectrum imaging is more sensitive and therefore enhances the results of tractography. Finally, we present two network-oriented applications. We use the human connectome to reveal the small-world architecture of the brain, a very efficient network topology in terms of wiring and power supply. We identify the cortical areas that belong to the core of structural connectivity. We show that these regions also belong to the default mode network, a set of dynamically coupled brain regions that are found to be more highly activated at rest. As a conclusion, we emphasize the potential of human connectome mapping for clinical applications and pathological studies

Physical and digital phantoms for validating tractography and assessing artifacts

Fiber tractography is widely used to non-invasively map white-matter bundles in vivo using diffusion-weighted magnetic resonance imaging (dMRI). As it is the case for all scientific methods, proper validation is a key prerequisite for the successful application of fiber tractography, be it in the area of basic neuroscience or in a clinical setting. It is well-known that the indirect estimation of the fiber tracts from the local diffusion signal is highly ambiguous and extremely challenging. Furthermore, the validation of fiber tractography methods is hampered by the lack of a real ground truth, which is caused by the extremely complex brain microstructure that is not directly observable non-invasively and that is the basis of the huge network of long-range fiber connections in the brain that are the actual target of fiber tractography methods. As a substitute for in vivo data with a real ground truth that could be used for validation, a widely and successfully employed approach is the use of synthetic phantoms. In this work, we are providing an overview of the state-of-the-art in the area of physical and digital phantoms, answering the following guiding questions: “What are dMRI phantoms and what are they good for?”, “What would the ideal phantom for validation fiber tractography look like?” and “What phantoms, phantom datasets and tools used for their creation are available to the research community?”. We will further discuss the limitations and opportunities that come with the use of dMRI phantoms, and what future direction this field of research might take

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

Investigating the tradeoffs between spatial resolution and diffusion sampling for brain mapping with diffusion tractography: Time well spent?: Spatial vs. Q-Space Sampling for Tractography

Interest in mapping white matter pathways in the brain has peaked with the recognition that altered brain connectivity may contribute to a variety of neurologic and psychiatric diseases. Diffusion tractography has emerged as a popular method for postmortem brain mapping initiatives, including the ex-vivo component of the human connectome project, yet it remains unclear to what extent computer-generated tracks fully reflect the actual underlying anatomy. Of particular concern is the fact that diffusion tractography results vary widely depending on the choice of acquisition protocol. The two major acquisition variables that consume scan time, spatial resolution, and diffusion sampling, can each have profound effects on the resulting tractography. In this analysis we determined the effects of the temporal tradeoff between spatial resolution and diffusion sampling on tractography in the ex-vivo rhesus macaque brain, a close primate model for the human brain. We used the wealth of autoradiography-based connectivity data available for the rhesus macaque brain to assess the anatomic accuracy of six time-matched diffusion acquisition protocols with varying balance between spatial and diffusion sampling. We show that tractography results vary greatly, even when the subject and the total acquisition time are held constant. Further, we found that focusing on either spatial resolution or diffusion sampling at the expense of the other is counterproductive. A balanced consideration of both sampling domains produces the most anatomically accurate and consistent results

Accurate Anisotropic Fast Marching for Diffusion-Based Geodesic Tractography

Using geodesics for inferring white matter fibre tracts from diffusion-weighted MR data is an attractive method for at least two reasons: (i) the method optimises a global criterion, and hence is less sensitive to local perturbations such as noise or partial volume effects, and (ii) the method is fast, allowing to infer on a large number of connexions in a reasonable computational time. Here, we propose an improved fast marching algorithm to infer on geodesic paths. Specifically, this procedure is designed to achieve accurate front propagation in an anisotropic elliptic medium, such as DTI data. We evaluate the numerical performance of this approach on simulated datasets, as well as its robustness to local perturbation induced by fiber crossing. On real data, we demonstrate the feasibility of extracting geodesics to connect an extended set of brain regions

Improving the Tractography Pipeline: on Evaluation, Segmentation, and Visualization

Recent advances in tractography allow for connectomes to be constructed in vivo. These have applications for example in brain tumor surgery and understanding of brain development and diseases. The large size of the data produced by these methods lead to a variety problems, including how to evaluate tractography outputs, development of faster processing algorithms for tractography and clustering, and the development of advanced visualization methods for verification and exploration. This thesis presents several advances in these fields. First, an evaluation is presented for the robustness to noise of multiple commonly used tractography algorithms. It employs a Monte–Carlo simulation of measurement noise on a constructed ground truth dataset. As a result of this evaluation, evidence for obustness of global tractography is found, and algorithmic sources of uncertainty are identified. The second contribution is a fast clustering algorithm for tractography data based on k–means and vector fields for representing the flow of each cluster. It is demonstrated that this algorithm can handle large tractography datasets due to its linear time and memory complexity, and that it can effectively integrate interrupted fibers that would be rejected as outliers by other algorithms. Furthermore, a visualization for the exploration of structural connectomes is presented. It uses illustrative rendering techniques for efficient presentation of connecting fiber bundles in context in anatomical space. Visual hints are employed to improve the perception of spatial relations. Finally, a visualization method with application to exploration and verification of probabilistic tractography is presented, which improves on the previously presented Fiber Stippling technique. It is demonstrated that the method is able to show multiple overlapping tracts in context, and correctly present crossing fiber configurations

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