Factor analysis of dynamic PET images

Thanks to its ability to evaluate metabolic functions in tissues from the temporal evolution of a previously injected radiotracer, dynamic positron emission tomography (PET) has become an ubiquitous analysis tool to quantify biological processes. Several quantification techniques from the PET imaging literature require a previous estimation of global time-activity curves (TACs) (herein called \textit{factors}) representing the concentration of tracer in a reference tissue or blood over time. To this end, factor analysis has often appeared as an unsupervised learning solution for the extraction of factors and their respective fractions in each voxel. Inspired by the hyperspectral unmixing literature, this manuscript addresses two main drawbacks of general factor analysis techniques applied to dynamic PET. The first one is the assumption that the elementary response of each tissue to tracer distribution is spatially homogeneous. Even though this homogeneity assumption has proven its effectiveness in several factor analysis studies, it may not always provide a sufficient description of the underlying data, in particular when abnormalities are present. To tackle this limitation, the models herein proposed introduce an additional degree of freedom to the factors related to specific binding. To this end, a spatially-variant perturbation affects a nominal and common TAC representative of the high-uptake tissue. This variation is spatially indexed and constrained with a dictionary that is either previously learned or explicitly modelled with convolutional nonlinearities affecting non-specific binding tissues. The second drawback is related to the noise distribution in PET images. Even though the positron decay process can be described by a Poisson distribution, the actual noise in reconstructed PET images is not expected to be simply described by Poisson or Gaussian distributions. Therefore, we propose to consider a popular and quite general loss function, called the $\beta$-divergence, that is able to generalize conventional loss functions such as the least-square distance, Kullback-Leibler and Itakura-Saito divergences, respectively corresponding to Gaussian, Poisson and Gamma distributions. This loss function is applied to three factor analysis models in order to evaluate its impact on dynamic PET images with different reconstruction characteristics

Unmixing dynamic PET images with variable specific binding kinetics

To analyze dynamic positron emission tomography (PET) images, various generic multivariate data analysis techniques have been considered in the literature, such as principal component analysis (PCA), independent component analysis (ICA), factor analysis and nonnegative matrix factorization (NMF). Nevertheless, these conventional approaches neglect any possible nonlinear variations in the time activity curves describing the kinetic behavior of tissues with specific binding, which limits their ability to recover a reliable, understandable and interpretable description of the data. This paper proposes an alternative analysis paradigm that accounts for spatial fluctuations in the exchange rate of the tracer between a free compartment and a specifically bound ligand compartment. The method relies on the concept of linear unmixing, usually applied on the hyperspectral domain, which combines NMF with a sum-to-one constraint that ensures an exhaustive description of the mixtures. The spatial variability of the signature corresponding to the specific binding tissue is explicitly modeled through a perturbed component. The performance of the method is assessed on both synthetic and real data and is shown to compete favorably when compared to other conventional analysis methods

Analyse factorielle des images TEP dynamiques

Thanks to its ability to evaluate metabolic functions in tissues from the temporal evolution of a previously injected radiotracer, dynamic positron emission tomography (PET) has become an ubiquitous analysis tool to quantify biological processes. Several quantification techniques from the PET imaging literature require a previous estimation of global time-activity curves (TACs) (herein called \textit{factors}) representing the concentration of tracer in a reference tissue or blood over time. To this end, factor analysis has often appeared as an unsupervised learning solution for the extraction of factors and their respective fractions in each voxel. Inspired by the hyperspectral unmixing literature, this manuscript addresses two main drawbacks of general factor analysis techniques applied to dynamic PET. The first one is the assumption that the elementary response of each tissue to tracer distribution is spatially homogeneous. Even though this homogeneity assumption has proven its effectiveness in several factor analysis studies, it may not always provide a sufficient description of the underlying data, in particular when abnormalities are present. To tackle this limitation, the models herein proposed introduce an additional degree of freedom to the factors related to specific binding. To this end, a spatially-variant perturbation affects a nominal and common TAC representative of the high-uptake tissue. This variation is spatially indexed and constrained with a dictionary that is either previously learned or explicitly modelled with convolutional nonlinearities affecting non-specific binding tissues. The second drawback is related to the noise distribution in PET images. Even though the positron decay process can be described by a Poisson distribution, the actual noise in reconstructed PET images is not expected to be simply described by Poisson or Gaussian distributions. Therefore, we propose to consider a popular and quite general loss function, called the β-divergence, that is able to generalize conventional loss functions such as the least-square distance, Kullback-Leibler and Itakura-Saito divergences, respectively corresponding to Gaussian, Poisson and Gamma distributions. This loss function is applied to three factor analysis models in order to evaluate its impact on dynamic PET images with different reconstruction characteristics.La tomographie par émission de positrons (TEP) est une technique d'imagerie nucléaire noninvasive qui permet de quantifier les fonctions métaboliques des organes à partir de la diffusion d'un radiotraceur injecté dans le corps. Alors que l'imagerie statique est souvent utilisée afin d'obtenir une distribution spatiale de la concentration du traceur, une meilleure évaluation de la cinétique du traceur est obtenue par des acquisitions dynamiques. En ce sens, la TEP dynamique a suscité un intérêt croissant au cours des dernières années, puisqu'elle fournit des informations à la fois spatiales et temporelles sur la structure des prélèvements de traceurs en biologie \textit{in vivo}. Les techniques de quantification les plus efficaces en TEP dynamique nécessitent souvent une estimation de courbes temps-activité (CTA) de référence représentant les tissus ou une fonction d'entrée caractérisant le flux sanguin. Dans ce contexte, de nombreuses méthodes ont été développées pour réaliser une extraction non-invasive de la cinétique globale d'un traceur, appelée génériquement analyse factorielle. L'analyse factorielle est une technique d'apprentissage non-supervisée populaire pour identifier un modèle ayant une signification physique à partir de données multivariées. Elle consiste à décrire chaque voxel de l'image comme une combinaison de signatures élémentaires, appelées \textit{facteurs}, fournissant non seulement une CTA globale pour chaque tissu, mais aussi un ensemble des coefficients reliant chaque voxel à chaque CTA tissulaire. Parallèlement, le démélange - une instance particulière d'analyse factorielle - est un outil largement utilisé dans la littérature de l'imagerie hyperspectrale. En imagerie TEP dynamique, elle peut être très pertinente pour l'extraction des CTA, puisqu'elle prend directement en compte à la fois la non-négativité des données et la somme-à-une des proportions de facteurs, qui peuvent être estimées à partir de la diffusion du sang dans le plasma et les tissus. Inspiré par la littérature de démélange hyperspectral, ce manuscrit s'attaque à deux inconvénients majeurs des techniques générales d'analyse factorielle appliquées en TEP dynamique. Le premier est l'hypothèse que la réponse de chaque tissu à la distribution du traceur est spatialement homogène. Même si cette hypothèse d'homogénéité a prouvé son efficacité dans plusieurs études d'analyse factorielle, elle ne fournit pas toujours une description suffisante des données sousjacentes, en particulier lorsque des anomalies sont présentes. Pour faire face à cette limitation, les modèles proposés ici permettent un degré de liberté supplémentaire aux facteurs liés à la liaison spécifique. Dans ce but, une perturbation spatialement variante est introduite en complément d'une CTA nominale et commune. Cette variation est indexée spatialement et contrainte avec un dictionnaire, qui est soit préalablement appris ou explicitement modélisé par des non-linéarités convolutives affectant les tissus de liaisons non-spécifiques. Le deuxième inconvénient est lié à la distribution du bruit dans les images PET. Même si le processus de désintégration des positrons peut être décrit par une distribution de Poisson, le bruit résiduel dans les images TEP reconstruites ne peut généralement pas être simplement modélisé par des lois de Poisson ou gaussiennes. Nous proposons donc de considérer une fonction de coût générique, appelée β-divergence, capable de généraliser les fonctions de coût conventionnelles telles que la distance euclidienne, les divergences de Kullback-Leibler et Itakura-Saito, correspondant respectivement à des distributions gaussiennes, de Poisson et Gamma. Cette fonction de coût est appliquée à trois modèles d'analyse factorielle afin d'évaluer son impact sur des images TEP dynamiques avec différentes caractéristiques de reconstruction

Analyse factorielle des images TEP dynamiques

Thanks to its ability to evaluate metabolic functions in tissues from the temporal evolution of a previously injected radiotracer, dynamic positron emission tomography (PET) has become an ubiquitous analysis tool to quantify biological processes. Several quantification techniques from the PET imaging literature require a previous estimation of global time-activity curves (TACs) (herein called \textit{factors}) representing the concentration of tracer in a reference tissue or blood over time. To this end, factor analysis has often appeared as an unsupervised learning solution for the extraction of factors and their respective fractions in each voxel. Inspired by the hyperspectral unmixing literature, this manuscript addresses two main drawbacks of general factor analysis techniques applied to dynamic PET. The first one is the assumption that the elementary response of each tissue to tracer distribution is spatially homogeneous. Even though this homogeneity assumption has proven its effectiveness in several factor analysis studies, it may not always provide a sufficient description of the underlying data, in particular when abnormalities are present. To tackle this limitation, the models herein proposed introduce an additional degree of freedom to the factors related to specific binding. To this end, a spatially-variant perturbation affects a nominal and common TAC representative of the high-uptake tissue. This variation is spatially indexed and constrained with a dictionary that is either previously learned or explicitly modelled with convolutional nonlinearities affecting non-specific binding tissues. The second drawback is related to the noise distribution in PET images. Even though the positron decay process can be described by a Poisson distribution, the actual noise in reconstructed PET images is not expected to be simply described by Poisson or Gaussian distributions. Therefore, we propose to consider a popular and quite general loss function, called the β-divergence, that is able to generalize conventional loss functions such as the least-square distance, Kullback-Leibler and Itakura-Saito divergences, respectively corresponding to Gaussian, Poisson and Gamma distributions. This loss function is applied to three factor analysis models in order to evaluate its impact on dynamic PET images with different reconstruction characteristics.La tomographie par émission de positrons (TEP) est une technique d'imagerie nucléaire noninvasive qui permet de quantifier les fonctions métaboliques des organes à partir de la diffusion d'un radiotraceur injecté dans le corps. Alors que l'imagerie statique est souvent utilisée afin d'obtenir une distribution spatiale de la concentration du traceur, une meilleure évaluation de la cinétique du traceur est obtenue par des acquisitions dynamiques. En ce sens, la TEP dynamique a suscité un intérêt croissant au cours des dernières années, puisqu'elle fournit des informations à la fois spatiales et temporelles sur la structure des prélèvements de traceurs en biologie \textit{in vivo}. Les techniques de quantification les plus efficaces en TEP dynamique nécessitent souvent une estimation de courbes temps-activité (CTA) de référence représentant les tissus ou une fonction d'entrée caractérisant le flux sanguin. Dans ce contexte, de nombreuses méthodes ont été développées pour réaliser une extraction non-invasive de la cinétique globale d'un traceur, appelée génériquement analyse factorielle. L'analyse factorielle est une technique d'apprentissage non-supervisée populaire pour identifier un modèle ayant une signification physique à partir de données multivariées. Elle consiste à décrire chaque voxel de l'image comme une combinaison de signatures élémentaires, appelées \textit{facteurs}, fournissant non seulement une CTA globale pour chaque tissu, mais aussi un ensemble des coefficients reliant chaque voxel à chaque CTA tissulaire. Parallèlement, le démélange - une instance particulière d'analyse factorielle - est un outil largement utilisé dans la littérature de l'imagerie hyperspectrale. En imagerie TEP dynamique, elle peut être très pertinente pour l'extraction des CTA, puisqu'elle prend directement en compte à la fois la non-négativité des données et la somme-à-une des proportions de facteurs, qui peuvent être estimées à partir de la diffusion du sang dans le plasma et les tissus. Inspiré par la littérature de démélange hyperspectral, ce manuscrit s'attaque à deux inconvénients majeurs des techniques générales d'analyse factorielle appliquées en TEP dynamique. Le premier est l'hypothèse que la réponse de chaque tissu à la distribution du traceur est spatialement homogène. Même si cette hypothèse d'homogénéité a prouvé son efficacité dans plusieurs études d'analyse factorielle, elle ne fournit pas toujours une description suffisante des données sousjacentes, en particulier lorsque des anomalies sont présentes. Pour faire face à cette limitation, les modèles proposés ici permettent un degré de liberté supplémentaire aux facteurs liés à la liaison spécifique. Dans ce but, une perturbation spatialement variante est introduite en complément d'une CTA nominale et commune. Cette variation est indexée spatialement et contrainte avec un dictionnaire, qui est soit préalablement appris ou explicitement modélisé par des non-linéarités convolutives affectant les tissus de liaisons non-spécifiques. Le deuxième inconvénient est lié à la distribution du bruit dans les images PET. Même si le processus de désintégration des positrons peut être décrit par une distribution de Poisson, le bruit résiduel dans les images TEP reconstruites ne peut généralement pas être simplement modélisé par des lois de Poisson ou gaussiennes. Nous proposons donc de considérer une fonction de coût générique, appelée β-divergence, capable de généraliser les fonctions de coût conventionnelles telles que la distance euclidienne, les divergences de Kullback-Leibler et Itakura-Saito, correspondant respectivement à des distributions gaussiennes, de Poisson et Gamma. Cette fonction de coût est appliquée à trois modèles d'analyse factorielle afin d'évaluer son impact sur des images TEP dynamiques avec différentes caractéristiques de reconstruction

Unmixing dynamic PET images with a PALM algorithm

International audienceUnmixing is a ubiquitous task in hyperspectral image analysis which consists in jointly extracting typical spectral signatures and estimating their respective proportions in the voxels, providing an explicit spatial mapping of these elementary signatures over the observed scene. Inspired by this approach, this paper aims at proposing a new framework for analyzing dynamic positron emission tomography (PET) images. More precisely, a PET-dedicated mixing model and an associated unmixing algorithm are derived to jointly estimate time-activity curves (TAC) characterizing each type of tissues, and the proportions of those tissues in the voxels of the imaged brain. In particular, the TAC corresponding to the specific binding class is expected to be voxel-wise dependent. The proposed approach allows this intrinsic spatial variability to be properly modeled, mitigated and quantified. Finally, the main contributions of the paper are twofold: first, we demonstrate that the unmixing concept is an appropriate analysis tool for dynamic PET images; and second, we propose a novel unmixing algorithm allowing for variability, which significantly improves the analysis and interpretation of dynamic PET images when compared with state-of-the-art unmixing algorithms

Unsupervised change detection for multimodal remote sensing images via coupled dictionary learning and sparse coding

International audienceArchetypal scenarios for change detection generally consider two images acquired through sensors of the same modality. The resolution dissimilarity is often bypassed though a simple preprocessing, applied independently on each image to bring them to the same resolution. However, in some important situations, e.g. a natural disaster, the only images available may be those acquired through sensors of different modalities and resolutions. Therefore, it is mandatory to develop general and robust methods able to deal with this unfavorable situation. This paper proposes a coupled dictionary learning strategy to detect changes between two images with different modalities and possibly different spatial and/or spectral resolutions. The pair of observed images is modelled as a sparse linear combination of atoms belonging to a pair of coupled overcomplete dictionaries learnt from the two observed images. Codes are expected to be globally similar for areas not affected by the changes while, in some spatially sparse locations, they are expected to be different. Change detection is then envisioned as an inverse problem, namely estimation of a dual code such that the difference between the estimated codes associated with each image exhibits spatial sparsity. A comparison with state-of-the-art change detection methods evidences the proposed method superiority

Démélange d'images TEP dynamiques

International audienceCet article introduit une méthode de démélange pour l’analyse d’images de tomographie par émission de positons (TEP) dynamiques du cerveau. Plus précisément, on souhaite estimer conjointement les courbes temps-activité (CTA) qui caractérisent chaque type de tissu, et la répartition spatiale de ces tissus dans les voxels du cerveau imagé. Le modèle proposé permet notamment de prendre en compte la variabilité spatiale de la CTA qui correspond à une région de fixation spécifique, ainsi que l’effet de volume partiel et le bruit afférents à ce type d’image. Les contributions de l’article sont d’une part, de montrer que le concept de démélange est un outil d’analyse approprié pour les images TEP dynamiques; et d’autre part, de proposer un nouvel algorithme de démélange prenant explicitement en compte la variabilité, ce qui permet d’améliorer significativement les résultats de démélange par rapport `a ceux obtenus par des méthodes de l’état-de-l’art

Compartment model-based nonlinear unmixing for kinetic analysis of dynamic PET images

International audienceWhen no arterial input function is available, quantification of dynamic PET images requires a previous step devoted to the extraction of a reference time-activity curve (TAC). Factor analysis is often applied for this purpose. This paper introduces a novel approach that conducts a new kind of nonlinear factor analysis relying on a compartment model, and computes the kinetic parameters of specific binding tissues jointly. To this end, it capitalizes on data-driven parametric imaging methods to provide a physical description of the underlying PET data, directly relating the specific binding with the kinetics of the non-specific binding in the corresponding tissues. This characterization is introduced into the factor analysis formulation to yield a novel nonlinear unmixing model designed for PET image analysis. This model also explicitly introduces global kinetic parameters that allow for a direct estimation of a binding potential that represents the ratio at equilibrium of specifically bound radioligand to the concentration of nondisplaceable radioligand in each non-specific binding tissue. The performance of the method is evaluated o

Unmixing dynamic PET images: combining spatial heterogeneity and non-Gaussian noise

International audienceAn important task when processing dynamic PET images is to identify the time-activity curves (TACs) of the pure tissues, along with their corresponding spatial proportions. This step, often referred to as unmixing or factor analysis, is based on a loss function which measures the discrepancy between the observed data and the model. This loss function should be chosen according to the statistical properties of the noise, which is in this case hard to characterize. Indeed, while dynamic PET images results from a decay process that can be statistically described by a Poisson distribution, acquisition and post-filtering reconstruction drastically change the nature of the noise. In the literature dedicated to factor analysis of dynamic PET images, a common and underlying assumption consists in assuming that the dynamic PET images are corrupted by an additive Gaussian or by a Poisson noise. These assumptions lead to the choice of the squared Euclidian distance and the Kullback-Leibler divergence. We propose here to consider the β-divergence, which is able to encompass a wide family of divergence measures corresponding to various noise distributions. This loss function is incorporated into three different factor models and evaluated using four sets of synthetic data

Unmixing dynamic PET images for voxel-based kinetic component analysis

To analyze dynamic positron emission tomography (PET) images, various generic multivariate data analysis techniques have been considered in the literature, such as clustering, principal component analysis (PCA), independent component analysis (ICA) and non-negative matrix factorization (NMF). Nevertheless, these conventional approaches generally fail to recover a reliable, understandable and interpretable description of the data. In this paper, we propose an alternative analysis paradigm based on the concept of linear unmixing as an efficient and meaningful way to analyze dynamic PET images. The time-activity curves (TACs) measured in the voxels are modeled as linear combinations of elementary component signatures weighted by their respective concentrations in each voxel. Additionally to the non-negativity constraint of NMF, the proposed unmixing approach ensures an exhaustive description of the mixtures by a sum-to-one constraint of the mixing coefficients. Besides, it allows both the noise and partial volume effects to be handled. Moreover, the proposed method accounts for any possible fluctuations in the exchange rate of the tracer between the free compartment and a specifically bound ligand compartment. Indeed, it explicitly models the spatial variability of the corresponding signature through a perturbed specific binding component. The performance of the method is assessed on both synthetic and real data and compared to other conventional analysis methods