Spherical deconvolution of multichannel diffusion MRI data with non-Gaussian noise models and spatial regularization

Spherical deconvolution (SD) methods are widely used to estimate the intra-voxel white-matter fiber orientations from diffusion MRI data. However, while some of these methods assume a zero-mean Gaussian distribution for the underlying noise, its real distribution is known to be non-Gaussian and to depend on the methodology used to combine multichannel signals. Indeed, the two prevailing methods for multichannel signal combination lead to Rician and noncentral Chi noise distributions. Here we develop a Robust and Unbiased Model-BAsed Spherical Deconvolution (RUMBA-SD) technique, intended to deal with realistic MRI noise, based on a Richardson-Lucy (RL) algorithm adapted to Rician and noncentral Chi likelihood models. To quantify the benefits of using proper noise models, RUMBA-SD was compared with dRL-SD, a well-established method based on the RL algorithm for Gaussian noise. Another aim of the study was to quantify the impact of including a total variation (TV) spatial regularization term in the estimation framework. To do this, we developed TV spatially-regularized versions of both RUMBA-SD and dRL-SD algorithms. The evaluation was performed by comparing various quality metrics on 132 three-dimensional synthetic phantoms involving different inter-fiber angles and volume fractions, which were contaminated with noise mimicking patterns generated by data processing in multichannel scanners. The results demonstrate that the inclusion of proper likelihood models leads to an increased ability to resolve fiber crossings with smaller inter-fiber angles and to better detect non-dominant fibers. The inclusion of TV regularization dramatically improved the resolution power of both techniques. The above findings were also verified in brain data

Brain connectivity using geodesics in HARDI

International audienceWe develop an algorithm for brain connectivity assessment using geodesics in HARDI (high angular resolution diffusion imaging). We propose to recast the problem of finding fibers bundles and connectivity maps to the calculation of shortest paths on a Riemannian manifold defined from fiber ODFs computed from HARDI measurements. Several experiments on real data show that out method is able to segment fibers bundles that are not easily recovered by other existing methods

Spectral Clustering en IRM de diffusion pour Retrouver les Faisceaux de la Matière Blanche

White matter fiber clustering allows to get insight about anatomical structures in order to generate atlases, perform clear visualizations and compute statistics across subjects, all important and current neuroimaging problems. In this work, we present a Diffusion Maps clustering method applied to diffusion MRI in order to cluster and segment complex white matter fiber bundles. It is well-known that Diffusion Tensor Imaging (DTI) is restricted in complex fiber regions with crossings and this is why recent High Angular Resolution Diffusion Imaging (HARDI) such has Q-Ball Imaging (QBI) have been introduced to overcome these limitations. QBI reconstructs the diffusion orientation distribution function (ODF), a spherical function that has its maxima agreeing with the underlying fiber populations. In this paper, we introduce the usage of the Diffusion Maps technique and show how it can be used to directly cluster set of fiber tracts, that could be obtained through a streamline tractography for instance, and how it can also help in segmenting fields of ODF images, obtained through a linear and regularized ODF estimation algorithm based on a spherical harmonics representation of the Q-Ball data. We first show the advantage of using Diffusion Maps clustering over classical methods such as N-Cuts and Laplacian Eigenmaps in both cases. In particular, our Diffusion Maps requires a smaller number of hypothesis from the input data, reduces the number of artifacts in fiber tract clustering and ODF image segmentation and automatically exhibits the number of clusters in both cases by using an adaptive scale-space parameter. We also show that our ODF Diffusion Maps clustering can reproduce published results using the diffusion tensor (DT) clustering with N-Cuts on simple synthetic images without crossings. On more complex data with crossings, we show that our ODF-based method succeeds to separate fiber bundles and crossing regions whereas the DT-based methods generate artifacts and exhibit wrong number of clusters. Finally, we illustrate the potential of our approach on a real brain dataset where we successfully segment well-known fiber bundles

Doctor of Philosophy

dissertationDiffusion magnetic resonance imaging (dMRI) has become a popular technique to detect brain white matter structure. However, imaging noise, imaging artifacts, and modeling techniques, etc., create many uncertainties, which may generate misleading information for further analysis or applications, such as surgical planning. Therefore, how to analyze, effectively visualize, and reduce these uncertainties become very important research questions. In this dissertation, we present both rank-k decomposition and direct decomposition approaches based on spherical deconvolution to decompose the fiber directions more accurately for high angular resolution diffusion imaging (HARDI) data, which will reduce the uncertainties of the fiber directions. By applying volume rendering techniques to an ensemble of 3D orientation distribution function (ODF) glyphs, which we call SIP functions of diffusion shapes, one can elucidate the complex heteroscedastic structural variation in these local diffusion shapes. Furthermore, we quantify the extent of this variation by measuring the fraction of the volume of these shapes, which is consistent across all noise levels, the certain volume ratio. To better understand the uncertainties in white matter fiber tracks, we propose three metrics to quantify the differences between the results of diffusion tensor magnetic resonance imaging (DT-MRI) fiber tracking algorithms: the area between corresponding fibers of each bundle, the Earth Mover's Distance (EMD) between two fiber bundle volumes, and the current distance between two fiber bundle volumes. Based on these metrics, we discuss an interactive fiber track comparison visualization toolkit we have developed to visualize these uncertainties more efficiently. Physical phantoms, with high repeatability and reproducibility, are also designed with the hope of validating the dMRI techniques. In summary, this dissertation provides a better understanding about uncertainties in diffusion magnetic resonance imaging: where and how much are the uncertainties? How do we reduce these uncertainties? How can we possibly validate our algorithms

Estimation of Fiber Orientations Using Neighborhood Information

Data from diffusion magnetic resonance imaging (dMRI) can be used to reconstruct fiber tracts, for example, in muscle and white matter. Estimation of fiber orientations (FOs) is a crucial step in the reconstruction process and these estimates can be corrupted by noise. In this paper, a new method called Fiber Orientation Reconstruction using Neighborhood Information (FORNI) is described and shown to reduce the effects of noise and improve FO estimation performance by incorporating spatial consistency. FORNI uses a fixed tensor basis to model the diffusion weighted signals, which has the advantage of providing an explicit relationship between the basis vectors and the FOs. FO spatial coherence is encouraged using weighted l1-norm regularization terms, which contain the interaction of directional information between neighbor voxels. Data fidelity is encouraged using a squared error between the observed and reconstructed diffusion weighted signals. After appropriate weighting of these competing objectives, the resulting objective function is minimized using a block coordinate descent algorithm, and a straightforward parallelization strategy is used to speed up processing. Experiments were performed on a digital crossing phantom, ex vivo tongue dMRI data, and in vivo brain dMRI data for both qualitative and quantitative evaluation. The results demonstrate that FORNI improves the quality of FO estimation over other state of the art algorithms.Comment: Journal paper accepted in Medical Image Analysis. 35 pages and 16 figure

A linear and regularized ODF estimation algorithm to recover multiple fibers in Q-Ball imaging

Due the well-known limitations of diffusion tensor imaging (DTI), high angular resolution diffusion imaging is currently of great interest to characterize voxels containing multiple fiber crossings. In particular, Q-ball imaging (QBI) is now a popular reconstruction method to obtain the orientation distribution function (ODF) of these multiple fiber distributions. The latter captures all important angular contrast by expressing the probability that a water molecule will diffuse into any given solid angle. However, QBI and other high order spin displacement estimation methods involve non-trivial numerical computations and lack a straightforward regularization process. In this paper, we propose a simple linear and regularized analytic solution for the Q-ball reconstruction of the ODF. First, the signal is modeled with a physically meaningful high order spherical harmonic series by incorporating the Laplace-Beltrami operator in the solution. This leads to an elegant mathematical simplification of the Funk-Radon transform using the Funk-Hecke formula. In doing so, we obtain a fast and robust model-free ODF approximation. We validate the accuracy of the ODF estimation quantitatively using the multi-tensor synthetic model where the exact ODF can be computed. We also demonstrate that the estimated ODF can recover known multiple fiber regions in a biological phantom and in the human brain. Another important contribution of the paper is the development of ODF sharpening methods. We show that sharpening the measured ODF enhances each underlying fiber compartment and considerably improves the extraction of fibers. The proposed techniques are simple linear transformations of the ODF and can easily be computed using our spherical harmonics machinery

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

Collaborative patch-based super-resolution for diffusion-weighted images

In this paper, a new single image acquisition super-resolution method is proposed to increase image resolution of diffusion weighted (DW) images. Based on a nonlocal patch-based strategy, the proposed method uses a non-diffusion image (b0) to constrain the reconstruction of DW images. An extensive validation is presented with a gold standard built on averaging 10 high-resolution DW acquis itions. A comparison with classical interpo- lation methods such as trilinear and B-spline demonstrates the competitive results of our proposed approach in termsofimprovementsonimagereconstruction,fractiona lanisotropy(FA)estimation,generalizedFAandangular reconstruction for tensor and high angular resolut ion diffusion imaging (HARDI) models. Besides, fi rst results of reconstructed ultra high resolution DW images are presented at 0.6 × 0.6 × 0.6 mm 3 and0.4×0.4×0.4mm 3 using our gold standard based on the average of 10 acquisitions, and on a single acquisition. Finally, fi ber tracking results show the potential of the proposed super-resolution approach to accurately analyze white matter brain architecture.We thank the reviewers for their useful comments that helped improve the paper. We also want to thank the Pr Louis Collins for proofreading this paper and his fruitful comments. Finally, we want to thank Martine Bordessoules for her help during image acquisition of DWI used to build the phantom. This work has been supported by the French grant "HR-DTI" ANR-10-LABX-57 funded by the TRAIL from the French Agence Nationale de la Recherche within the context of the Investments for the Future program. This work has been also partially supported by the French National Agency for Research (Project MultImAD; ANR-09-MNPS-015-01) and by the Spanish grant TIN2011-26727 from the Ministerio de Ciencia e Innovacion. This work benefited from the use of FSL (http://fsl.fmrib.ox.ac.uk/fsl/fslwiki/), FiberNavigator (code.google.com/p/fibernavigator/), MRtrix software (http://www. brain.org.au/software/mrtrix/) and ITKsnap (www.itk.org).Coupé, P.; Manjón Herrera, JV.; Chamberland, M.; Descoteaux, M.; Hiba, B. (2013). Collaborative patch-based super-resolution for diffusion-weighted images. NeuroImage. 83:245-261. https://doi.org/10.1016/j.neuroimage.2013.06.030S2452618