Inverse regression in MR Fingerprinting: reducing dictionary size while increasing parameters accuracy

Purpose:To reduce dictionary size and increase parameter estimate accuracy in MR Fingerprinting (MRF).Methods:A dictionary-based learning (DBL) method is investigated to bypass inherent MRF limitations in high dimension: reconstruction time and memory requirement. The DBL method is a 3-step procedure: (1) a quasi-random sampling strategy to produce the dictionary, (2) a statistical inverse regression model to learn from the dictionary a probabilistic mapping between MR fingerprints and parameters, and (3) this mapping to provide both parameter estimates and their confidence levels.Results:On synthetic data, experiments show that the quasi-random sampling outperforms the grid when designing the dictionary for inverse regression. Dictionaries up to 100 times smaller than usually employed in MRF yield more accurate parameter estimates with a 500 time gain.Estimates are supplied with a confidence index, well correlated with the estimation bias (r~$\ge$~0.89). On microvascular MRI data, results show that dictionary-based methods (MRF and DBL) yield more accurate estimates than the conventional, closed-form equation, method.On MRI signals from tumor bearing rats, the DBL method shows very little sensitivity to the dictionary size in contrast to the MRF method.Conclusion:The proposed method efficiently reduces the number of required simulations to produce the dictionary, speeds up parameter estimation, and improve estimates accuracy. The DBL method also introduces a confidence index for each parameter estimate

Dictionary-Free MR Fingerprinting Parameter Estimation Via Inverse Regression

International audienceMR Fingerprint requires an exhaustive search in a dictionary, which even for moderately sized problems, becomes costly and possibly intractable. In this work, we propose an alternative approach: instead of an exhaustive search for every signal, we use the dictionary to learn the functional relationship between signals and parameters. This allows the direct estimation of parameters without the need of searching through the dictionary. The comparison between a standard grid search and the proposed approach suggest that MR Fingerprinting could benefit from a regression approach to limit dictionary size and fasten computation time

Optimizing signal patterns for MR vascular fingerprinting

International audienceMR vascular fingerprinting proposes to map vascular properties such as blood volume fraction, average vessel radius or blood oxygenation saturation (SO). The fingerprint pattern used in previous studies provides low sensitivity on SO. We optimised signal patterns built from pre and post USPIO acquisitions. Concatenation of different echoes associated with higher dimensional dictionaries led to better estimates in both healthy and tumoral tissues

Méthodes statistiques pour l'imagerie vasculaire par résonance magnétique : application au cerveau épileptique

The objective of this thesis is the investigation of magnetic resonance imaging (MRI) for the identification and localization of brain regions involved in mesio-temporal lobe epilepsy (MTLE). Precisely, the work aims 1) at optimizing a vascular MRI protocol on an animal model of epilepsy and 2) at designing a method to quantify vascular MRI maps based on the modeling of the relationship between MRI signals and biophysical parameters.MRI acquisitions on an experimental mouse model of MTLE with hippocampal sclerosis were performed on a 9.4 T scanner. The data collected allowed the quantification of seven cellular and vascular MRI maps a few days after the epileptic condition and later when the spontaneous seizures emerged. These parameters were used for the automatic identification of epileptogenic regions and regions of seizure propagation. To enhance the detection of small variations in MRI parameters in epileptic subjects, a quantification method based on magnetic resonance fingerprinting has been developed. This method consists in identifying, among a set of simulated signals, the closest one to the acquired signal. It can be seen as an inverse problem that presents the following difficulties: the direct model is non-linear, as a complex series of equations or simulation tools; the inputs are high-dimensional signals; and the output is multidimensional. For these reasons, we used an appropriate inverse regression approach to learn a mapping between signal and biophysical parameter spaces. In a field widely dominated by deep learning approaches, the proposed method is very competitive and provides more accurate results. Moreover, the method allows for the first time to produce a confidence index associated with each estimate. In particular, this index allows to reduce the quantification error by discarding estimates associated with low confidence.So far no clinical protocol emerges as a consensus to accurately localize epileptic foci. The possibility of a non-invasive identification of these regions is therefore a first step towards a potential clinical transfer.L'objectif de ce travail de thèse est l'exploration de l'imagerie par résonance magnétique (IRM) pour l'identification et la localisation des régions du cerveau impliquées dans l'épilepsie mésio-temporale. Précisément, les travaux visent 1) à optimiser un protocole d'IRM vasculaire sur un modèle animal d'épilepsie et 2) à concevoir une méthode de quantification de cartes IRM vasculaires basée sur la modélisation de la relation entre signaux IRM et paramètres biophysiques.Les acquisitions IRM sur un modèle expérimental murin d'épilepsie mésio-temporale avec sclérose de l'hippocampe ont été effectuées sur un scanner 9.4 T. Les données collectées ont permis de quantifier sept cartes IRM cellulaires et vasculaires quelques jours après l'état de mal épileptique puis plus tard, lorsque les crises spontanées sont apparues.Ces paramètres ont été employés pour l'identification automatique des régions épileptogènes et des régions de propagation des crises. Afin d'augmenter la détection de petites variations des paramètres IRM chez les individus épileptiques, une méthode de quantification basée sur la résonance magnétique fingerprinting est développée. Cette méthode consiste à identifier, parmi un ensemble de signaux simulés, le plus proche du signal IRM acquis et peut être vue comme un problème inverse qui présente les difficultés suivantes : le modèle direct est non-linéaire et provient d'une série d'équations sans expression analytique simple; les signaux en entrée sont de grandes dimensions; les vecteurs des paramètres en sortie sont multidimensionnels. Pour ces raisons, nous avons utilisé une méthode de régression inverse afin d'apprendre à partir de simulation la relation entre l'espace des paramètres et celui des signaux. Dans un domaine largement dominé par les approches d'apprentissage profond, la méthode proposée se révèle très compétitive fournissant des résultats plus précis. De plus, la méthode permet pour la première fois de produire un indice de confiance associé à chacune des estimations. En particulier, cet indice permet de réduire l'erreur de quantification en rejetant les estimations associées à une faible confiance.Actuellement, aucun protocole clinique permettant de localiser avec précision le foyer épileptique ne fait consensus. La possibilité d'une identification non-invasive de ces régions est donc un premier pas vers un potentiel transfert clinique

Méthodes statistiques pour l'imagerie vasculaire par résonance magnétique : application au cerveau épileptique

The objective of this thesis is the investigation of magnetic resonance imaging (MRI) for the identification and localization of brain regions involved in mesio-temporal lobe epilepsy (MTLE). Precisely, the work aims 1) at optimizing a vascular MRI protocol on an animal model of epilepsy and 2) at designing a method to quantify vascular MRI maps based on the modeling of the relationship between MRI signals and biophysical parameters.MRI acquisitions on an experimental mouse model of MTLE with hippocampal sclerosis were performed on a 9.4 T scanner. The data collected allowed the quantification of seven cellular and vascular MRI maps a few days after the epileptic condition and later when the spontaneous seizures emerged. These parameters were used for the automatic identification of epileptogenic regions and regions of seizure propagation. To enhance the detection of small variations in MRI parameters in epileptic subjects, a quantification method based on magnetic resonance fingerprinting has been developed. This method consists in identifying, among a set of simulated signals, the closest one to the acquired signal. It can be seen as an inverse problem that presents the following difficulties: the direct model is non-linear, as a complex series of equations or simulation tools; the inputs are high-dimensional signals; and the output is multidimensional. For these reasons, we used an appropriate inverse regression approach to learn a mapping between signal and biophysical parameter spaces. In a field widely dominated by deep learning approaches, the proposed method is very competitive and provides more accurate results. Moreover, the method allows for the first time to produce a confidence index associated with each estimate. In particular, this index allows to reduce the quantification error by discarding estimates associated with low confidence.So far no clinical protocol emerges as a consensus to accurately localize epileptic foci. The possibility of a non-invasive identification of these regions is therefore a first step towards a potential clinical transfer.L'objectif de ce travail de thèse est l'exploration de l'imagerie par résonance magnétique (IRM) pour l'identification et la localisation des régions du cerveau impliquées dans l'épilepsie mésio-temporale. Précisément, les travaux visent 1) à optimiser un protocole d'IRM vasculaire sur un modèle animal d'épilepsie et 2) à concevoir une méthode de quantification de cartes IRM vasculaires basée sur la modélisation de la relation entre signaux IRM et paramètres biophysiques.Les acquisitions IRM sur un modèle expérimental murin d'épilepsie mésio-temporale avec sclérose de l'hippocampe ont été effectuées sur un scanner 9.4 T. Les données collectées ont permis de quantifier sept cartes IRM cellulaires et vasculaires quelques jours après l'état de mal épileptique puis plus tard, lorsque les crises spontanées sont apparues.Ces paramètres ont été employés pour l'identification automatique des régions épileptogènes et des régions de propagation des crises. Afin d'augmenter la détection de petites variations des paramètres IRM chez les individus épileptiques, une méthode de quantification basée sur la résonance magnétique fingerprinting est développée. Cette méthode consiste à identifier, parmi un ensemble de signaux simulés, le plus proche du signal IRM acquis et peut être vue comme un problème inverse qui présente les difficultés suivantes : le modèle direct est non-linéaire et provient d'une série d'équations sans expression analytique simple; les signaux en entrée sont de grandes dimensions; les vecteurs des paramètres en sortie sont multidimensionnels. Pour ces raisons, nous avons utilisé une méthode de régression inverse afin d'apprendre à partir de simulation la relation entre l'espace des paramètres et celui des signaux. Dans un domaine largement dominé par les approches d'apprentissage profond, la méthode proposée se révèle très compétitive fournissant des résultats plus précis. De plus, la méthode permet pour la première fois de produire un indice de confiance associé à chacune des estimations. En particulier, cet indice permet de réduire l'erreur de quantification en rejetant les estimations associées à une faible confiance.Actuellement, aucun protocole clinique permettant de localiser avec précision le foyer épileptique ne fait consensus. La possibilité d'une identification non-invasive de ces régions est donc un premier pas vers un potentiel transfert clinique

Statistical methods for vascular magnetic resonance fingerprinting : application to the epileptic brain

L'objectif de ce travail de thèse est l'exploration de l'imagerie par résonance magnétique (IRM) pour l'identification et la localisation des régions du cerveau impliquées dans l'épilepsie mésio-temporale. Précisément, les travaux visent 1) à optimiser un protocole d'IRM vasculaire sur un modèle animal d'épilepsie et 2) à concevoir une méthode de quantification de cartes IRM vasculaires basée sur la modélisation de la relation entre signaux IRM et paramètres biophysiques.Les acquisitions IRM sur un modèle expérimental murin d'épilepsie mésio-temporale avec sclérose de l'hippocampe ont été effectuées sur un scanner 9.4 T. Les données collectées ont permis de quantifier sept cartes IRM cellulaires et vasculaires quelques jours après l'état de mal épileptique puis plus tard, lorsque les crises spontanées sont apparues.Ces paramètres ont été employés pour l'identification automatique des régions épileptogènes et des régions de propagation des crises. Afin d'augmenter la détection de petites variations des paramètres IRM chez les individus épileptiques, une méthode de quantification basée sur la résonance magnétique fingerprinting est développée. Cette méthode consiste à identifier, parmi un ensemble de signaux simulés, le plus proche du signal IRM acquis et peut être vue comme un problème inverse qui présente les difficultés suivantes : le modèle direct est non-linéaire et provient d'une série d'équations sans expression analytique simple; les signaux en entrée sont de grandes dimensions; les vecteurs des paramètres en sortie sont multidimensionnels. Pour ces raisons, nous avons utilisé une méthode de régression inverse afin d'apprendre à partir de simulation la relation entre l'espace des paramètres et celui des signaux. Dans un domaine largement dominé par les approches d'apprentissage profond, la méthode proposée se révèle très compétitive fournissant des résultats plus précis. De plus, la méthode permet pour la première fois de produire un indice de confiance associé à chacune des estimations. En particulier, cet indice permet de réduire l'erreur de quantification en rejetant les estimations associées à une faible confiance.Actuellement, aucun protocole clinique permettant de localiser avec précision le foyer épileptique ne fait consensus. La possibilité d'une identification non-invasive de ces régions est donc un premier pas vers un potentiel transfert clinique.The objective of this thesis is the investigation of magnetic resonance imaging (MRI) for the identification and localization of brain regions involved in mesio-temporal lobe epilepsy (MTLE). Precisely, the work aims 1) at optimizing a vascular MRI protocol on an animal model of epilepsy and 2) at designing a method to quantify vascular MRI maps based on the modeling of the relationship between MRI signals and biophysical parameters.MRI acquisitions on an experimental mouse model of MTLE with hippocampal sclerosis were performed on a 9.4 T scanner. The data collected allowed the quantification of seven cellular and vascular MRI maps a few days after the epileptic condition and later when the spontaneous seizures emerged. These parameters were used for the automatic identification of epileptogenic regions and regions of seizure propagation. To enhance the detection of small variations in MRI parameters in epileptic subjects, a quantification method based on magnetic resonance fingerprinting has been developed. This method consists in identifying, among a set of simulated signals, the closest one to the acquired signal. It can be seen as an inverse problem that presents the following difficulties: the direct model is non-linear, as a complex series of equations or simulation tools; the inputs are high-dimensional signals; and the output is multidimensional. For these reasons, we used an appropriate inverse regression approach to learn a mapping between signal and biophysical parameter spaces. In a field widely dominated by deep learning approaches, the proposed method is very competitive and provides more accurate results. Moreover, the method allows for the first time to produce a confidence index associated with each estimate. In particular, this index allows to reduce the quantification error by discarding estimates associated with low confidence.So far no clinical protocol emerges as a consensus to accurately localize epileptic foci. The possibility of a non-invasive identification of these regions is therefore a first step towards a potential clinical transfer

Quasielastic Charged-Current and Neutral-Current Neutrino-NucleusScattering in a Relativistic Approach

Relativistic models developed for the exclusive and inclusive Quasi- Elastic (QE) electron scattering have been extended to Charged-Current (CC) and Neutral-Current (NC) -nucleus scattering. The results of different descriptions of Final-State Interactions (FSI) are compared

Dictionary-Free MR Fingerprinting Parameter Estimation Via Inverse Regression

International audienceMR Fingerprint requires an exhaustive search in a dictionary, which even for moderately sized problems, becomes costly and possibly intractable. In this work, we propose an alternative approach: instead of an exhaustive search for every signal, we use the dictionary to learn the functional relationship between signals and parameters. This allows the direct estimation of parameters without the need of searching through the dictionary. The comparison between a standard grid search and the proposed approach suggest that MR Fingerprinting could benefit from a regression approach to limit dictionary size and fasten computation time

Estimation de paramètres IRM en grande dimension via une régression inverse

International audienc

Bayesian inverse regression for vascular magnetic resonance fingerprinting

International audienceStandard parameter estimation from vascular magnetic resonance fingerprinting (MRF) data is based on matching the MRF signals to their best counterparts in a grid of coupled simulated signals and parameters, referred to as a dictionary. To reach a good accuracy, the matching requires an informative dictionary whose cost, in terms of design, storage and exploration, is rapidly prohibitive for even moderate numbers of parameters. In this work, we propose an alternative dictionary-based \textcolor{black}{statistical} learning (DB-SL) approach made of three steps: 1) a quasi-random sampling strategy to produce efficiently an informative dictionary, 2) an inverse statistical regression model to learn from the dictionary a correspondence between fingerprints and parameters, and 3) the use of this mapping to provide both parameter estimates and their confidence indices. The proposed DB-SL approach is compared to both the standard dictionary-based matching (DBM) method and to a dictionary-based deep learning (DB-DL) method. Performance is illustrated first on synthetic signals including scalable and standard MRF signals with spatial undersampling noise. Then, vascular MRF signals are considered both through simulations and real data acquired in tumor bearing rats. Overall, the two learning methods yield more accurate parameter estimates than matching and to a range not limited to the dictionary boundaries. DB-SL in particular resists to higher noise levels and provides in addition confidence indices on the estimates at no additional cost. DB-SL appears as a promising method to reduce simulation needs and computational requirements, while modeling sources of uncertainty and providing both accurate and interpretable results