Atlas-powered deep learning (ADL) -- application to diffusion weighted MRI

Deep learning has a great potential for estimating biomarkers in diffusion weighted magnetic resonance imaging (dMRI). Atlases, on the other hand, are a unique tool for modeling the spatio-temporal variability of biomarkers. In this paper, we propose the first framework to exploit both deep learning and atlases for biomarker estimation in dMRI. Our framework relies on non-linear diffusion tensor registration to compute biomarker atlases and to estimate atlas reliability maps. We also use nonlinear tensor registration to align the atlas to a subject and to estimate the error of this alignment. We use the biomarker atlas, atlas reliability map, and alignment error map, in addition to the dMRI signal, as inputs to a deep learning model for biomarker estimation. We use our framework to estimate fractional anisotropy and neurite orientation dispersion from down-sampled dMRI data on a test cohort of 70 newborn subjects. Results show that our method significantly outperforms standard estimation methods as well as recent deep learning techniques. Our method is also more robust to stronger measurement down-sampling factors. Our study shows that the advantages of deep learning and atlases can be synergistically combined to achieve unprecedented accuracy in biomarker estimation from dMRI data

Development of an Atlas-Based Segmentation of Cranial Nerves Using Shape-Aware Discrete Deformable Models for Neurosurgical Planning and Simulation

Twelve pairs of cranial nerves arise from the brain or brainstem and control our sensory functions such as vision, hearing, smell and taste as well as several motor functions to the head and neck including facial expressions and eye movement. Often, these cranial nerves are difficult to detect in MRI data, and thus represent problems in neurosurgery planning and simulation, due to their thin anatomical structure, in the face of low imaging resolution as well as image artifacts. As a result, they may be at risk in neurosurgical procedures around the skull base, which might have dire consequences such as the loss of eyesight or hearing and facial paralysis. Consequently, it is of great importance to clearly delineate cranial nerves in medical images for avoidance in the planning of neurosurgical procedures and for targeting in the treatment of cranial nerve disorders. In this research, we propose to develop a digital atlas methodology that will be used to segment the cranial nerves from patient image data. The atlas will be created from high-resolution MRI data based on a discrete deformable contour model called 1-Simplex mesh. Each of the cranial nerves will be modeled using its centerline and radius information where the centerline is estimated in a semi-automatic approach by finding a shortest path between two user-defined end points. The cranial nerve atlas is then made more robust by integrating a Statistical Shape Model so that the atlas can identify and segment nerves from images characterized by artifacts or low resolution. To the best of our knowledge, no such digital atlas methodology exists for segmenting nerves cranial nerves from MRI data. Therefore, our proposed system has important benefits to the neurosurgical community

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

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

Tractographie de la matière blanche par réseaux de neurones récurrents

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