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

Doctor of Philosophy

dissertationRecent developments in magnetic resonance imaging (MRI) provide an in vivo and noninvasive tool for studying the human brain. In particular, the detection of anisotropic diffusion in biological tissues provides the foundation for diffusion-weighted imaging (DWI), an MRI modality. This modality opens new opportunities for discoveries of the brain's structural connections. Clinically, DWI is often used to analyze white matter tracts to understand neuropsychiatric disorders and the connectivity of the central nervous system. However, due to imaging time required, DWI used in clinical studies has a low angular resolution. In this dissertation, we aim to accurately track and segment the white matter tracts and estimate more representative models from low angular DWI. We first present a novel geodesic approach to segmentation of white matter tracts from diffusion tensor imaging (DTI), estimated from DWI. Geodesic approaches treat the geometry of brain white matter as a manifold, often using the inverse tensor field as a Riemannian metric. The white matter pathways are then inferred from the resulting geodesics. A serious drawback of current geodesic methods is that geodesics tend to deviate from the major eigenvectors in high-curvature areas in order to achieve the shortest path. We propose a method for learning an adaptive Riemannian metric from the DTI data, where the resulting geodesics more closely follow the principal eigenvector of the diffusion tensors even in high-curvature regions. Using the computed geodesics, we develop an automatic way to compute binary segmentations of the white matter tracts. We demonstrate that our method is robust to noise and results in improved geodesics and segmentations. Then, based on binary segmentations, we present a novel Bayesian approach for fractional segmentation of white matter tracts and simultaneous estimation of a multitensor diffusion model. By incorporating a prior that assumes the tensor fields inside each tract are spatially correlated, we are able to reliably estimate multiple tensor compartments in fiber crossing regions, even with low angular diffusion-weighted imaging. This reduces the effects of partial voluming and achieves a more reliable analysis of diffusion measurements

Cerebral white matter analysis using diffusion imaging

Thesis (Ph. D.)--Harvard-MIT Division of Health Sciences and Technology, 2006.Includes bibliographical references (p. 183-198).In this thesis we address the whole-brain tractography segmentation problem. Diffusion magnetic resonance imaging can be used to create a representation of white matter tracts in the brain via a process called tractography. Whole brain tractography outputs thousands of trajectories that each approximate a white matter fiber pathway. Our method performs automatic organization, or segmention, of these trajectories into anatomical regions and gives automatic region correspondence across subjects. Our method enables both the automatic group comparison of white matter anatomy and of its regional diffusion properties, and the creation of consistent white matter visualizations across subjects. We learn a model of common white matter structures by analyzing many registered tractography datasets simultaneously. Each trajectory is represented as a point in a high-dimensional spectral embedding space, and common structures are found by clustering in this space. By annotating the clusters with anatomical labels, we create a model that we call a high-dimensional white matter atlas.(cont.) Our atlas creation method discovers structures corresponding to expected white matter anatomy, such as the corpus callosum, uncinate fasciculus, cingulum bundles, arcuate fasciculus, etc. We show how to extend the spectral clustering solution, stored in the atlas, using the Nystrom method to perform automatic segmentation of tractography from novel subjects. This automatic tractography segmentation gives an automatic region correspondence across subjects when all subjects are labeled using the atlas. We show the resulting automatic region correspondences, demonstrate that our clustering method is reproducible, and show that the automatically segmented regions can be used for robust measurement of fractional anisotropy.by Lauren Jean O'Donnell.Ph.D

A New Shape Similarity Framework for brain fibers classification

Diffusion Magnetic Resonance Imaging (dMRI) techniques provide a non-invasive way to explore organization and integrity of the white matter structures in human brain. dMRI quantifies in each voxel, the diffusion process of water molecules which are mechanically constrained in their motion by the axons of the neurons. This technique can be used in surgical planning and in the study of anatomical connectivity, brain changes and mental disorders. From dMRI data, white matter fiber tracts can be reconstructed using a class of technique called tractography. The dataset derived by tractography is composed by a large number of streamlines, which are sequences of points in 3D space. To simplify the visualization and analysis of white matter fiber tracts obtained from tracking algorithms, it is often necessary to group them into larger clusters or bundles. This step is called clustering. In order to perform clustering, a mathematical definition of fiber similarity (or more commonly a fiber distance) must be specified. On the basis of this metric, pairwise fiber distance can be computed and used as input for a clustering algorithm. The most common metrics used for distance measure are able to capture only the local relationship between streamlines but not the global structure of the fiber. The global structure refers to the variability of the shape. Together, local and global information, can define a better metric of similarity. We have extracted the global information using a mathematical representation based on the study of the tract with Frénet equations. In particular, we have defined some intrinsic parameters of the fibers that led to a classification of the tracts based on global geometrical characteristics. Using these parameters, a new distance metric for fiber similarity has been developed. For the evaluation of the goodness of the new metric, indices were used for a qualitative study of the results

Modelling uncertainty in brain fibre orientation from diffusion-weighted magnetic resonance imaging.

Diffusion-weighted magnetic resonance imaging (DW-MRI) permits in-vivo measurements of water diffusion, from which we can infer the orientation of white matter fibres in the brain. We show that by ordering the measurements, we can improve the reproducibility of the fibre-orientation estimate from partially-completed DW-MRI scans, without altering the complete data set. Tractography methods reconstruct entire fibre pathways from the local fibre-orientation estimates. Because the local fibre-orientation measurements are subject to uncertainty, the reconstructed fibre pathways are best described with a probabilistic algorithm. One way to estimate the connection probabilities is by defining a probability density function (PDF) in each voxel, and sampling from the PDF in a Monte-Carlo fashion. We propose new models of the PDF based on standard spherical statistical methods. The models improve previous work by closely modelling the dispersion of repeated noisy estimates of the fibre orientation. We compare a simple PDF (the Watson PDF) that models circular cluster of axes to a more general PDF (the Bingham PDF) that models circular or elliptical clusters of axes. We also propose models of the PDF in regions of crossing fibres, where there are two distinct fibre populations in the voxel. We validate the PDFs by comparing them to the uncertainty in fibre orientation calculated from bootstrap resampling of a repeated brain MR acquisition. We find mat the Bingham PDF produces connection probabilities that are closer to the bootstrap results man the Watson PDF. We use the new PDF models to perform a connectivity-based segmentation of the corpus callosum in eight different subjects. The results are similar to those of previous studies on corpus callosum connectivity, despite the use of finer cortical labelling, suggesting that the dominant connections from the corpus callosum project to the superior frontal gyrus, the superior parietal gyrus and the occipital gyrus