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Traitement et analyse d’images IRM de diffusion pour l’estimation de l’architecture locale des tissus Haz-Edine Assemlal GREYC (CNRS UMR 6072), ´ EQUIPE IMAGE, CAEN, FRANCE Le 11 janvier 2010 Directeur de th` ese : Luc Brun Co-directeur de th` ese : David Tschumperl´ e HE. Assemlal (GREYC) Diffusion MRI Le 11 janvier 2010 1 / 50

Traitement et analyse d'images IRM de diffusion pour l ...Traitement et analyse d’images IRM de di usion pour l’estimation de l’architecture locale des tissus Haz-Edine Assemlal

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Traitement et analyse d’images IRM de diffusion pourl’estimation de l’architecture locale des tissus

Haz-Edine Assemlal

GREYC (CNRS UMR 6072), EQUIPE IMAGE, CAEN, FRANCE

Le 11 janvier 2010

Directeur de these : Luc BrunCo-directeur de these : David Tschumperle

HE. Assemlal (GREYC) Diffusion MRI Le 11 janvier 2010 1 / 50

Page 2: Traitement et analyse d'images IRM de diffusion pour l ...Traitement et analyse d’images IRM de di usion pour l’estimation de l’architecture locale des tissus Haz-Edine Assemlal

Diffusion Magnetic Resonance Imaging

Figure: 3 Tesla MRI scanner.

HE. Assemlal (GREYC) Diffusion MRI Le 11 janvier 2010 2 / 50

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Diffusion MRI: Brownian Motion

Figure: Brownian motion of water molecules.

HE. Assemlal (GREYC) Diffusion MRI Le 11 janvier 2010 3 / 50

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Diffusion MRI: Brownian Motion

Figure: Diffusion: displacement during a time t.

HE. Assemlal (GREYC) Diffusion MRI Le 11 janvier 2010 3 / 50

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Diffusion MRI: Brownian Motion

Figure: Free diffusion and its PDF [Einstein05].

HE. Assemlal (GREYC) Diffusion MRI Le 11 janvier 2010 3 / 50

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Diffusion MRI: Brownian Motion

Figure: Restricted diffusion and its PDF [Lebihan85].

HE. Assemlal (GREYC) Diffusion MRI Le 11 janvier 2010 3 / 50

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Diffusion MRI: Brownian Motion

Figure: Restricted diffusion and its PDF [Lebihan85].

HE. Assemlal (GREYC) Diffusion MRI Le 11 janvier 2010 3 / 50

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Diffusion image definition

We define the acquired diffusion image as:

E :

∣∣∣∣ Ωx × Ωq → R(x,q)→ E (x,q)

The objective is to compute the diffusion PDF:

P :

∣∣∣∣ Ωx × Ωp → R(x,p)→ P(x,p)

HE. Assemlal (GREYC) Diffusion MRI Le 11 janvier 2010 4 / 50

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Diffusion image definition

We define the acquired diffusion image as:

E :

∣∣∣∣ Ωx × Ωq → R(x,q)→ E (x,q)

The objective is to compute the diffusion PDF:

P :

∣∣∣∣ Ωx × Ωp → R(x,p)→ P(x,p)

HE. Assemlal (GREYC) Diffusion MRI Le 11 janvier 2010 4 / 50

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Diffusion image definition

We define the acquired diffusion image as:

E :

∣∣∣∣ Ωx × Ωq → R(x,q)→ E (x,q)

The objective is to compute the diffusion PDF:

P :

∣∣∣∣ Ωx × Ωp → R(x,p)→ P(x,p)

HE. Assemlal (GREYC) Diffusion MRI Le 11 janvier 2010 4 / 50

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Complete diffusion sampling

Diffusion Spectrum Imaging (DSI) - Fourier transform [Wedeen00]

P(p) =∫q E (q) exp(−2πiqTp)dq

0.50.0 0.5 0.50.0

0.5

0.50.00.5

q-space sampling

HE. Assemlal (GREYC) Diffusion MRI Le 11 janvier 2010 5 / 50

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Complete diffusion sampling

Diffusion Spectrum Imaging (DSI) - Fourier transform [Wedeen00]

P(p) =∫q E (q) exp(−2πiqTp)dq

0.50.0 0.5 0.50.0

0.5

0.50.00.5

q-space sampling

Gaussian isotropic

E P

HE. Assemlal (GREYC) Diffusion MRI Le 11 janvier 2010 5 / 50

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Complete diffusion sampling

Diffusion Spectrum Imaging (DSI) - Fourier transform [Wedeen00]

P(p) =∫q E (q) exp(−2πiqTp)dq

0.50.0 0.5 0.50.0

0.5

0.50.00.5

q-space sampling

Gaussian anisotropic

E P

HE. Assemlal (GREYC) Diffusion MRI Le 11 janvier 2010 5 / 50

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Complete diffusion sampling

Diffusion Spectrum Imaging (DSI) - Fourier transform [Wedeen00]

P(p) =∫q E (q) exp(−2πiqTp)dq

0.50.0 0.5 0.50.0

0.5

0.50.00.5

q-space sampling

Non-Gaussian angular

E P

HE. Assemlal (GREYC) Diffusion MRI Le 11 janvier 2010 5 / 50

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Complete diffusion sampling

Diffusion Spectrum Imaging (DSI) - Fourier transform [Wedeen00]

P(p) =∫q E (q) exp(−2πiqTp)dq

0.50.0 0.5 0.50.0

0.5

0.50.00.5

q-space sampling

Non-Gaussian radial

E P

HE. Assemlal (GREYC) Diffusion MRI Le 11 janvier 2010 5 / 50

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Complete diffusion sampling

Diffusion Spectrum Imaging (DSI) - Fourier transform [Wedeen00]

P(p) =∫q E (q) exp(−2πiqTp)dq

Figure: Human erythocytes rate for decreasingvalues of hematocrites [Kuchel97]. Observed inthe human brain [Niendorf96].

Non-Gaussian radial

E

HE. Assemlal (GREYC) Diffusion MRI Le 11 janvier 2010 5 / 50

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Complete diffusion sampling

Diffusion Spectrum Imaging (DSI) - Fourier transform [Wedeen00]

P(p) =∫q E (q) exp(−2πiqTp)dq

0.50.0 0.5 0.50.0

0.5

0.50.00.5

q-space sampling

Pro

¨ Complete diffusion (angularand radial profile)

¨ No a priori on the signal

Cons

_ Very long acquisition time

_ High gradients lead tomagnetic field distortion

HE. Assemlal (GREYC) Diffusion MRI Le 11 janvier 2010 5 / 50

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Low Angular Resolution Diffusion Imaging

Diffusion Tensor Imaging (DTI) - Gaussian assumption [Basser94]

E (q) = exp(−qTDq) ⇒ P(p) = 1(|D|(4πτ)3)1/2 exp

(−pTD−1p

)

0.50.0 0.5 0.50.0

0.5

0.50.00.5

q-space sampling

HE. Assemlal (GREYC) Diffusion MRI Le 11 janvier 2010 6 / 50

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Low Angular Resolution Diffusion Imaging

Diffusion Tensor Imaging (DTI) - Gaussian assumption [Basser94]

E (q) = exp(−qTDq) ⇒ P(p) = 1(|D|(4πτ)3)1/2 exp

(−pTD−1p

)

0.50.0 0.5 0.50.0

0.5

0.50.00.5

q-space sampling

Gaussian isotropic

E P

HE. Assemlal (GREYC) Diffusion MRI Le 11 janvier 2010 6 / 50

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Low Angular Resolution Diffusion Imaging

Diffusion Tensor Imaging (DTI) - Gaussian assumption [Basser94]

E (q) = exp(−qTDq) ⇒ P(p) = 1(|D|(4πτ)3)1/2 exp

(−pTD−1p

)

0.50.0 0.5 0.50.0

0.5

0.50.00.5

q-space sampling

Gaussian anisotropic

E P

HE. Assemlal (GREYC) Diffusion MRI Le 11 janvier 2010 6 / 50

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Low Angular Resolution Diffusion Imaging

Diffusion Tensor Imaging (DTI) - Gaussian assumption [Basser94]

E (q) = exp(−qTDq) ⇒ P(p) = 1(|D|(4πτ)3)1/2 exp

(−pTD−1p

)

0.50.0 0.5 0.50.0

0.5

0.50.00.5

q-space sampling

Non-Gaussian angular

E P

HE. Assemlal (GREYC) Diffusion MRI Le 11 janvier 2010 6 / 50

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Low Angular Resolution Diffusion Imaging

Diffusion Tensor Imaging (DTI) - Gaussian assumption [Basser94]

E (q) = exp(−qTDq) ⇒ P(p) = 1(|D|(4πτ)3)1/2 exp

(−pTD−1p

)

0.50.0 0.5 0.50.0

0.5

0.50.00.5

q-space sampling

Non-Gaussian radial

E P

HE. Assemlal (GREYC) Diffusion MRI Le 11 janvier 2010 6 / 50

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Low Angular Resolution Diffusion Imaging

Diffusion Tensor Imaging (DTI) - Gaussian assumption [Basser94]

E (q) = exp(−qTDq) ⇒ P(p) = 1(|D|(4πτ)3)1/2 exp

(−pTD−1p

)

0.50.0 0.5 0.50.0

0.5

0.50.00.5

q-space sampling

Pro

¨ Very short acquisition time

¨ Well-established modality

Cons

_ Inaccurate angular diffusion

_ Simple a priori on the radialdiffusion (Gaussian)

HE. Assemlal (GREYC) Diffusion MRI Le 11 janvier 2010 6 / 50

Page 24: Traitement et analyse d'images IRM de diffusion pour l ...Traitement et analyse d’images IRM de di usion pour l’estimation de l’architecture locale des tissus Haz-Edine Assemlal

High Angular Resolution Diffusion Imaging [Tuch99]

Several methods

Q-Ball Imaging (QBI), Diffusion Orientation Transform (DOT), etc.

0.50.0 0.5 0.50.0

0.5

0.50.00.5

q-space sampling

HE. Assemlal (GREYC) Diffusion MRI Le 11 janvier 2010 7 / 50

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High Angular Resolution Diffusion Imaging [Tuch99]

Several methods

Q-Ball Imaging (QBI), Diffusion Orientation Transform (DOT), etc.

0.50.0 0.5 0.50.0

0.5

0.50.00.5

q-space sampling

Gaussian isotropic

E P

HE. Assemlal (GREYC) Diffusion MRI Le 11 janvier 2010 7 / 50

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High Angular Resolution Diffusion Imaging [Tuch99]

Several methods

Q-Ball Imaging (QBI), Diffusion Orientation Transform (DOT), etc.

0.50.0 0.5 0.50.0

0.5

0.50.00.5

q-space sampling

Gaussian isotropic

E P

HE. Assemlal (GREYC) Diffusion MRI Le 11 janvier 2010 7 / 50

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High Angular Resolution Diffusion Imaging [Tuch99]

Several methods

Q-Ball Imaging (QBI), Diffusion Orientation Transform (DOT), etc.

0.50.0 0.5 0.50.0

0.5

0.50.00.5

q-space sampling

Non-Gaussian angular

E P

HE. Assemlal (GREYC) Diffusion MRI Le 11 janvier 2010 7 / 50

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High Angular Resolution Diffusion Imaging [Tuch99]

Several methods

Q-Ball Imaging (QBI), Diffusion Orientation Transform (DOT), etc.

0.50.0 0.5 0.50.0

0.5

0.50.00.5

q-space sampling

Non-Gaussian radial

E P

HE. Assemlal (GREYC) Diffusion MRI Le 11 janvier 2010 7 / 50

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High Angular Resolution Diffusion Imaging [Tuch99]

Several methods

Q-Ball Imaging (QBI), Diffusion Orientation Transform (DOT), etc.

0.50.0 0.5 0.50.0

0.5

0.50.00.5

q-space sampling

Pro

¨ Reduced acquisition time

¨ Higher angular precisionthan DTI

Cons

_ Simple a priori on the radialdiffusion (Gaussian, Bessel,etc.)

HE. Assemlal (GREYC) Diffusion MRI Le 11 janvier 2010 7 / 50

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Interest of Radial PDF

Various brain tissues diffuses differently, whichmay reveal information on cells micro-structurethat composed the organic tissue.

MR radial signal

May increase detection of anomalies such asdemyelination, a symptom of multiple sclerosis.

Figure: Myelination of an axone during the childhood [www.jdaross.cwc.net]

HE. Assemlal (GREYC) Diffusion MRI Le 11 janvier 2010 8 / 50

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Our aim

0.50.0 0.5 0.50.0

0.5

0.50.00.5

DSI

Pro

¨ Completediffusion profile

0.50.0 0.5 0.50.0

0.5

0.50.00.5

HARDI

Pro

¨ Moderateacquisition time

0.60.40.20.00.20.40.6 0.60.40.20.00.20.40.6

0.60.40.2

0.00.20.40.6

Sparse sampling

HE. Assemlal (GREYC) Diffusion MRI Le 11 janvier 2010 9 / 50

Page 32: Traitement et analyse d'images IRM de diffusion pour l ...Traitement et analyse d’images IRM de di usion pour l’estimation de l’architecture locale des tissus Haz-Edine Assemlal

Our aim

0.50.0 0.5 0.50.0

0.5

0.50.00.5

DSI

Pro

¨ Completediffusion profile

0.50.0 0.5 0.50.0

0.5

0.50.00.5

HARDI

Pro

¨ Moderateacquisition time

0.60.40.20.00.20.40.6 0.60.40.20.00.20.40.6

0.60.40.2

0.00.20.40.6

Sparse sampling

HE. Assemlal (GREYC) Diffusion MRI Le 11 janvier 2010 9 / 50

Page 33: Traitement et analyse d'images IRM de diffusion pour l ...Traitement et analyse d’images IRM de di usion pour l’estimation de l’architecture locale des tissus Haz-Edine Assemlal

Our aim

0.50.0 0.5 0.50.0

0.5

0.50.00.5

DSI

Pro

¨ Completediffusion profile

0.50.0 0.5 0.50.0

0.5

0.50.00.5

HARDI

Pro

¨ Moderateacquisition time

0.60.40.20.00.20.40.6 0.60.40.20.00.20.40.6

0.60.40.2

0.00.20.40.6

Sparse sampling

HE. Assemlal (GREYC) Diffusion MRI Le 11 janvier 2010 9 / 50

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1 Diffusion signal estimationContinuous representation of the signal

2 Extraction of various features of the PDFAlgorithmOverview of proposed features

3 Robust extraction of diffusion featuresRobustness to noiseRobustness to q-space sampling

HE. Assemlal (GREYC) Diffusion MRI Le 11 janvier 2010 9 / 50

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1 Diffusion signal estimationContinuous representation of the signal

2 Extraction of various features of the PDFAlgorithmOverview of proposed features

3 Robust extraction of diffusion featuresRobustness to noiseRobustness to q-space sampling

HE. Assemlal (GREYC) Diffusion MRI Le 11 janvier 2010 9 / 50

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Continuous representation of the signal

0.60.40.20.00.20.40.6 0.60.40.20.00.20.40.6

0.60.40.2

0.00.20.40.6

q-space sampling

Figure: A sparse sampling of the q-space.

Problem

Still insufficient number of samples for a Fourier transform. Whichmathematical tool for the signal approximation ?

HE. Assemlal (GREYC) Diffusion MRI Le 11 janvier 2010 10 / 50

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Continuous representation of the signal

0.60.40.20.00.20.40.6 0.60.40.20.00.20.40.6

0.60.40.2

0.00.20.40.6

q-space sampling

Figure: A sparse sampling of the q-space.

Problem

Still insufficient number of samples for a Fourier transform. Whichmathematical tool for the signal approximation ?

HE. Assemlal (GREYC) Diffusion MRI Le 11 janvier 2010 10 / 50

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Continuous representation of the signal

Continuous representation of the MR signal E in the following basis(Spherical Polar Fourier SPF):

E (q) =∞∑n=0

∞∑l=0

l∑m=−l

anlmRn(||q||)yml(

q

||q||

)(1)

where anlm expansion coefficients, Rn and yml are respectively are radialand angular atoms.The basis is orthonormal in spherical coordinates:∫

q∈R3

[Rn(||q||)yml

(q

||q||

)]·[Rn′(||q||)ym

′l ′

(q

||q||

)]dq = δnn′ll ′mm′ (2)

HE. Assemlal (GREYC) Diffusion MRI Le 11 janvier 2010 11 / 50

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Angular Atoms

yml =

2<(Yml ) if 0 < m ≤ l

Y 0l , if m = 0√2=(Y

|m|l ) if −l ≤ m < 0

with l ∈ 2N (3)

Figure: Real and symmetric spherical harmonics: first orders l = 0, 2, 4, 6. Blueindicates a negative value, whereas indicates red a positive value.

HE. Assemlal (GREYC) Diffusion MRI Le 11 janvier 2010 12 / 50

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Angular Atoms

(a)

Figure: Square sampled along a5-subdivided icosahedron.

(a) 1 coefficients

Figure: Angular reconstruction alongwith increasing truncation order L.

HE. Assemlal (GREYC) Diffusion MRI Le 11 janvier 2010 13 / 50

Page 41: Traitement et analyse d'images IRM de diffusion pour l ...Traitement et analyse d’images IRM de di usion pour l’estimation de l’architecture locale des tissus Haz-Edine Assemlal

Angular Atoms

(a)

Figure: Square sampled along a5-subdivided icosahedron.

(a) 15 coefficients

Figure: Angular reconstruction alongwith increasing truncation order L.

HE. Assemlal (GREYC) Diffusion MRI Le 11 janvier 2010 13 / 50

Page 42: Traitement et analyse d'images IRM de diffusion pour l ...Traitement et analyse d’images IRM de di usion pour l’estimation de l’architecture locale des tissus Haz-Edine Assemlal

Angular Atoms

(a)

Figure: Square sampled along a5-subdivided icosahedron.

(a) 28 coefficients

Figure: Angular reconstruction alongwith increasing truncation order L.

HE. Assemlal (GREYC) Diffusion MRI Le 11 janvier 2010 13 / 50

Page 43: Traitement et analyse d'images IRM de diffusion pour l ...Traitement et analyse d’images IRM de di usion pour l’estimation de l’architecture locale des tissus Haz-Edine Assemlal

Angular Atoms

(a)

Figure: Square sampled along a5-subdivided icosahedron.

(a) 45 coefficients

Figure: Angular reconstruction alongwith increasing truncation order L.

HE. Assemlal (GREYC) Diffusion MRI Le 11 janvier 2010 13 / 50

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Angular Atoms

(a)

Figure: Square sampled along a5-subdivided icosahedron.

(a) 66 coefficients

Figure: Angular reconstruction alongwith increasing truncation order L.

HE. Assemlal (GREYC) Diffusion MRI Le 11 janvier 2010 13 / 50

Page 45: Traitement et analyse d'images IRM de diffusion pour l ...Traitement et analyse d’images IRM de di usion pour l’estimation de l’architecture locale des tissus Haz-Edine Assemlal

Angular Atoms

(a)

Figure: Square sampled along a5-subdivided icosahedron.

(a) 91 coefficients

Figure: Angular reconstruction alongwith increasing truncation order L.

HE. Assemlal (GREYC) Diffusion MRI Le 11 janvier 2010 13 / 50

Page 46: Traitement et analyse d'images IRM de diffusion pour l ...Traitement et analyse d’images IRM de di usion pour l’estimation de l’architecture locale des tissus Haz-Edine Assemlal

Angular Atoms

(a)

Figure: Square sampled along a5-subdivided icosahedron.

(a) 120 coefficients

Figure: Angular reconstruction alongwith increasing truncation order L.

HE. Assemlal (GREYC) Diffusion MRI Le 11 janvier 2010 13 / 50

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Angular Atoms

(a)

Figure: Square sampled along a5-subdivided icosahedron.

(a) 153 coefficients

Figure: Angular reconstruction alongwith increasing truncation order L.

HE. Assemlal (GREYC) Diffusion MRI Le 11 janvier 2010 13 / 50

Page 48: Traitement et analyse d'images IRM de diffusion pour l ...Traitement et analyse d’images IRM de di usion pour l’estimation de l’architecture locale des tissus Haz-Edine Assemlal

Radial Atoms

Figure: Experimental plot [Regan06]

Figure: Some radial atoms Rn

Our proposition

Rn (||q||) =[

2γ3/2

n!Γ(n+3/2)

]1/2exp

(− ||q||

2

)L

1/2n

(||q||2γ

)

HE. Assemlal (GREYC) Diffusion MRI Le 11 janvier 2010 14 / 50

Page 49: Traitement et analyse d'images IRM de diffusion pour l ...Traitement et analyse d’images IRM de di usion pour l’estimation de l’architecture locale des tissus Haz-Edine Assemlal

Radial Atoms

Figure: Experimental plot [Regan06] Figure: Some radial atoms Rn

Our proposition

Rn (||q||) =[

2γ3/2

n!Γ(n+3/2)

]1/2exp

(− ||q||

2

)L

1/2n

(||q||2γ

)HE. Assemlal (GREYC) Diffusion MRI Le 11 janvier 2010 14 / 50

Page 50: Traitement et analyse d'images IRM de diffusion pour l ...Traitement et analyse d’images IRM de di usion pour l’estimation de l’architecture locale des tissus Haz-Edine Assemlal

Radial Atoms

(a) Signal de diffusion

Figure: Radial reconstruction along with increasingtruncation order N.

HE. Assemlal (GREYC) Diffusion MRI Le 11 janvier 2010 15 / 50

Page 51: Traitement et analyse d'images IRM de diffusion pour l ...Traitement et analyse d’images IRM de di usion pour l’estimation de l’architecture locale des tissus Haz-Edine Assemlal

Radial Atoms

0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1

1.1

0 5 10 15 20 25 30 35 40

MR

att

enuation

q

Truth

Sample

Reconstruction

(a) 1 Coefficient

Figure: Radial reconstruction along with increasingtruncation order N.

HE. Assemlal (GREYC) Diffusion MRI Le 11 janvier 2010 15 / 50

Page 52: Traitement et analyse d'images IRM de diffusion pour l ...Traitement et analyse d’images IRM de di usion pour l’estimation de l’architecture locale des tissus Haz-Edine Assemlal

Radial Atoms

0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1

1.1

0 5 10 15 20 25 30 35 40

MR

att

enuation

q

Truth

Sample

Reconstruction

(a) 2 Coefficients

Figure: Radial reconstruction along with increasingtruncation order N.

HE. Assemlal (GREYC) Diffusion MRI Le 11 janvier 2010 15 / 50

Page 53: Traitement et analyse d'images IRM de diffusion pour l ...Traitement et analyse d’images IRM de di usion pour l’estimation de l’architecture locale des tissus Haz-Edine Assemlal

Radial Atoms

0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1

1.1

0 5 10 15 20 25 30 35 40

MR

att

enuation

q

Truth

Sample

Reconstruction

(a) 3 Coefficients

Figure: Radial reconstruction along with increasingtruncation order N.

HE. Assemlal (GREYC) Diffusion MRI Le 11 janvier 2010 15 / 50

Page 54: Traitement et analyse d'images IRM de diffusion pour l ...Traitement et analyse d’images IRM de di usion pour l’estimation de l’architecture locale des tissus Haz-Edine Assemlal

Radial Atoms

0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1

1.1

0 5 10 15 20 25 30 35 40

MR

att

enuation

q

Truth

Sample

Reconstruction

(a) 4 Coefficients

Figure: Radial reconstruction along with increasingtruncation order N.

HE. Assemlal (GREYC) Diffusion MRI Le 11 janvier 2010 15 / 50

Page 55: Traitement et analyse d'images IRM de diffusion pour l ...Traitement et analyse d’images IRM de di usion pour l’estimation de l’architecture locale des tissus Haz-Edine Assemlal

Radial Atoms

0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1

1.1

0 5 10 15 20 25 30 35 40

MR

att

enuation

q

Truth

Sample

Reconstruction

(a) 5 Coefficients

Figure: Radial reconstruction along with increasingtruncation order N.

HE. Assemlal (GREYC) Diffusion MRI Le 11 janvier 2010 15 / 50

Page 56: Traitement et analyse d'images IRM de diffusion pour l ...Traitement et analyse d’images IRM de di usion pour l’estimation de l’architecture locale des tissus Haz-Edine Assemlal

Linear signal estimation

The representation of the signal E as a coefficient vector A in the basis Mis expressed as:

E = MA

The coefficient estimation is computed by the linear damped least squaremethod:

⇒ A = arg minA||E−MA||2 + λl ||L||2 + λn||N||2

= (MTM + λlLTL + λnN

TN)−1MTE

where M, E, A stands for:

M =

R0(||q1||)y0

0

(q1

||q1||

). . . RN(||q1||)yLL

(q1

||q1||

)...

. . ....

R0(||qns ||)y00

(qns||qns ||

). . . RN(||qns ||)yLL

(qns||qns ||

) ,

E = (E (q1), . . . ,E (qns))T A = (a000, . . . , aNLL)T

HE. Assemlal (GREYC) Diffusion MRI Le 11 janvier 2010 16 / 50

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Simulation: linear least square reconstruction

Figure: Original signal

HE. Assemlal (GREYC) Diffusion MRI Le 11 janvier 2010 17 / 50

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Simulation: linear least square reconstruction

Figure: N = 1, L = 4, γ = 100,1 sphere – 42 directions,PSNR: 33.337902, 30 Coefficients

HE. Assemlal (GREYC) Diffusion MRI Le 11 janvier 2010 17 / 50

Page 59: Traitement et analyse d'images IRM de diffusion pour l ...Traitement et analyse d’images IRM de di usion pour l’estimation de l’architecture locale des tissus Haz-Edine Assemlal

Simulation: linear least square reconstruction

Figure: N = 3, L = 4, γ = 70,3 spheres – 42 directions,PSNR: 45.172752, 45 Coefficients

HE. Assemlal (GREYC) Diffusion MRI Le 11 janvier 2010 17 / 50

Page 60: Traitement et analyse d'images IRM de diffusion pour l ...Traitement et analyse d’images IRM de di usion pour l’estimation de l’architecture locale des tissus Haz-Edine Assemlal

Simulation: linear least square reconstruction

Figure: N = 5, L = 6, γ = 50,10 spheres – 162 directions,PSNR: 50.255381, 168 Coefficients

HE. Assemlal (GREYC) Diffusion MRI Le 11 janvier 2010 17 / 50

Page 61: Traitement et analyse d'images IRM de diffusion pour l ...Traitement et analyse d’images IRM de di usion pour l’estimation de l’architecture locale des tissus Haz-Edine Assemlal

1 Diffusion signal estimationContinuous representation of the signal

2 Extraction of various features of the PDFAlgorithmOverview of proposed features

3 Robust extraction of diffusion featuresRobustness to noiseRobustness to q-space sampling

HE. Assemlal (GREYC) Diffusion MRI Le 11 janvier 2010 17 / 50

Page 62: Traitement et analyse d'images IRM de diffusion pour l ...Traitement et analyse d’images IRM de di usion pour l’estimation de l’architecture locale des tissus Haz-Edine Assemlal

1 Diffusion signal estimationContinuous representation of the signal

2 Extraction of various features of the PDFAlgorithmOverview of proposed features

3 Robust extraction of diffusion featuresRobustness to noiseRobustness to q-space sampling

HE. Assemlal (GREYC) Diffusion MRI Le 11 janvier 2010 17 / 50

Page 63: Traitement et analyse d'images IRM de diffusion pour l ...Traitement et analyse d’images IRM de di usion pour l’estimation de l’architecture locale des tissus Haz-Edine Assemlal

Features of the PDF

Now that we have a continuous reconstruction ofthe diffusion signal E , how do we compute thePDF ?

HE. Assemlal (GREYC) Diffusion MRI Le 11 janvier 2010 18 / 50

Page 64: Traitement et analyse d'images IRM de diffusion pour l ...Traitement et analyse d’images IRM de di usion pour l’estimation de l’architecture locale des tissus Haz-Edine Assemlal

Features of the PDF

Now that we have a continuous reconstruction ofthe diffusion signal E , how do we compute thePDF ?

HE. Assemlal (GREYC) Diffusion MRI Le 11 janvier 2010 18 / 50

Page 65: Traitement et analyse d'images IRM de diffusion pour l ...Traitement et analyse d’images IRM de di usion pour l’estimation de l’architecture locale des tissus Haz-Edine Assemlal

Features of the PDF

Now that we have a continuous reconstruction ofthe diffusion signal E , how do we compute thePDF ?

Proposition

We are interesting in a data reduction suitable to display: features ofthe PDF.

G(k) =

∫p∈R3

PDF (p)Hk(p)dp

HE. Assemlal (GREYC) Diffusion MRI Le 11 janvier 2010 18 / 50

Page 66: Traitement et analyse d'images IRM de diffusion pour l ...Traitement et analyse d’images IRM de di usion pour l’estimation de l’architecture locale des tissus Haz-Edine Assemlal

Features of the PDF: projection

Figure: Example: ODF feature.

G(k) =

∫p∈R3

PDF (p)Hk(p)dp (4)

HE. Assemlal (GREYC) Diffusion MRI Le 11 janvier 2010 19 / 50

Page 67: Traitement et analyse d'images IRM de diffusion pour l ...Traitement et analyse d’images IRM de di usion pour l’estimation de l’architecture locale des tissus Haz-Edine Assemlal

Features of the PDF: projection

Figure: Example: ODF feature.

G(k) =

∫p∈R3

PDF (p)Hk(p)dp (4)

HE. Assemlal (GREYC) Diffusion MRI Le 11 janvier 2010 19 / 50

Page 68: Traitement et analyse d'images IRM de diffusion pour l ...Traitement et analyse d’images IRM de di usion pour l’estimation de l’architecture locale des tissus Haz-Edine Assemlal

Features of the PDF: projection

Figure: Example: ODF feature.

G(k) =

∫p∈R3

PDF (p)Hk(p)dp (4)

HE. Assemlal (GREYC) Diffusion MRI Le 11 janvier 2010 19 / 50

Page 69: Traitement et analyse d'images IRM de diffusion pour l ...Traitement et analyse d’images IRM de di usion pour l’estimation de l’architecture locale des tissus Haz-Edine Assemlal

Features of the PDF: projection

Figure: Example: ODF feature.

G(k) =

∫p∈R3

PDF (p)Hk(p)dp (4)

HE. Assemlal (GREYC) Diffusion MRI Le 11 janvier 2010 19 / 50

Page 70: Traitement et analyse d'images IRM de diffusion pour l ...Traitement et analyse d’images IRM de di usion pour l’estimation de l’architecture locale des tissus Haz-Edine Assemlal

Features of the PDF: projection

Figure: Example: ODF feature.

G(k) =

∫p∈R3

PDF (p)Hk(p)dp (4)

HE. Assemlal (GREYC) Diffusion MRI Le 11 janvier 2010 19 / 50

Page 71: Traitement et analyse d'images IRM de diffusion pour l ...Traitement et analyse d’images IRM de di usion pour l’estimation de l’architecture locale des tissus Haz-Edine Assemlal

Features of the PDF: projection

Figure: Example: ODF feature.

G(k) =

∫p∈R3

PDF (p)Hk(p)dp (4)

HE. Assemlal (GREYC) Diffusion MRI Le 11 janvier 2010 19 / 50

Page 72: Traitement et analyse d'images IRM de diffusion pour l ...Traitement et analyse d’images IRM de di usion pour l’estimation de l’architecture locale des tissus Haz-Edine Assemlal

Features of the PDF: projection

Figure: Example: ODF feature.

G(k) =

∫p∈R3

PDF (p)Hk(p)dp (4)

HE. Assemlal (GREYC) Diffusion MRI Le 11 janvier 2010 19 / 50

Page 73: Traitement et analyse d'images IRM de diffusion pour l ...Traitement et analyse d’images IRM de di usion pour l’estimation de l’architecture locale des tissus Haz-Edine Assemlal

Features of the PDF: projection

Figure: Example: ODF feature.

G(k) =

∫p∈R3

PDF (p)Hk(p)dp (4)

HE. Assemlal (GREYC) Diffusion MRI Le 11 janvier 2010 19 / 50

Page 74: Traitement et analyse d'images IRM de diffusion pour l ...Traitement et analyse d’images IRM de di usion pour l’estimation de l’architecture locale des tissus Haz-Edine Assemlal

Features of the PDF: projection

Figure: Example: ODF feature.

G(k) =

∫p∈R3

PDF (p)Hk(p)dp (4)

HE. Assemlal (GREYC) Diffusion MRI Le 11 janvier 2010 19 / 50

Page 75: Traitement et analyse d'images IRM de diffusion pour l ...Traitement et analyse d’images IRM de di usion pour l’estimation de l’architecture locale des tissus Haz-Edine Assemlal

Features of the PDF: projection

Figure: Example: ODF feature.

G(k) =

∫p∈R3

PDF (p)Hk(p)dp (4)

HE. Assemlal (GREYC) Diffusion MRI Le 11 janvier 2010 19 / 50

Page 76: Traitement et analyse d'images IRM de diffusion pour l ...Traitement et analyse d’images IRM de di usion pour l’estimation de l’architecture locale des tissus Haz-Edine Assemlal

Features of the PDF: projection

G(k) =

∫p∈R3

PDF (p)Hk(p)dp

Hk

PDF

G(k)Projection

Figure: Overview of the algorithm for the fast computation of a PDF feature G atpoint k

HE. Assemlal (GREYC) Diffusion MRI Le 11 janvier 2010 20 / 50

Page 77: Traitement et analyse d'images IRM de diffusion pour l ...Traitement et analyse d’images IRM de di usion pour l’estimation de l’architecture locale des tissus Haz-Edine Assemlal

Features of the PDF: projection

G(k) =

∫p∈R3

PDF (p)Hk(p)dp

Hk

PDF

G(k)Projection

Figure: Overview of the algorithm for the fast computation of a PDF feature G atpoint k

HE. Assemlal (GREYC) Diffusion MRI Le 11 janvier 2010 20 / 50

Page 78: Traitement et analyse d'images IRM de diffusion pour l ...Traitement et analyse d’images IRM de di usion pour l’estimation de l’architecture locale des tissus Haz-Edine Assemlal

Features of the PDF: projection

G(k) =

∫q∈R3

E (q) hk(q)dq

Hk

PDF

hk

E

G(k)Projection

iFFT

iFFT

Figure: Overview of the algorithm for the fast computation of a PDF feature G atpoint k

HE. Assemlal (GREYC) Diffusion MRI Le 11 janvier 2010 20 / 50

Page 79: Traitement et analyse d'images IRM de diffusion pour l ...Traitement et analyse d’images IRM de di usion pour l’estimation de l’architecture locale des tissus Haz-Edine Assemlal

Features of the PDF: projection

G(k) =

∫q∈R3

E (q) hk(q)dq

Hk

PDF

hk

E

G(k)Projection

iFFT

iFFT

Figure: Overview of the algorithm for the fast computation of a PDF feature G atpoint k

HE. Assemlal (GREYC) Diffusion MRI Le 11 janvier 2010 20 / 50

Page 80: Traitement et analyse d'images IRM de diffusion pour l ...Traitement et analyse d’images IRM de di usion pour l’estimation de l’architecture locale des tissus Haz-Edine Assemlal

Features of the PDF: projection

G(k) =∞∑

n,l ,m

anlmhknlm

Hk

PDF

hk

E

hknlm

anlm

G(k)Projection

iFFT

iFFT

SPF

SPF

Figure: Overview of the algorithm for the fast computation of a PDF feature G atpoint k

HE. Assemlal (GREYC) Diffusion MRI Le 11 janvier 2010 20 / 50

Page 81: Traitement et analyse d'images IRM de diffusion pour l ...Traitement et analyse d’images IRM de di usion pour l’estimation de l’architecture locale des tissus Haz-Edine Assemlal

1 Diffusion signal estimationContinuous representation of the signal

2 Extraction of various features of the PDFAlgorithmOverview of proposed features

3 Robust extraction of diffusion featuresRobustness to noiseRobustness to q-space sampling

HE. Assemlal (GREYC) Diffusion MRI Le 11 janvier 2010 20 / 50

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Features of the PDF

Features G Domain M

Moments –Return to zero –Anisotropy –Mean radial diffusion RFunk-Radon Transform (FRT) S2

Orientation Density Function (ODF) S2

Isoradius (ISO) S2

Displacement PDF R3

Diffusion signal E R3

Table: Overview of proposed features G of the PDF.

HE. Assemlal (GREYC) Diffusion MRI Le 11 janvier 2010 21 / 50

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Moments

Moments of the diffusion PDF of order a + b + c are expressed as thescalar product between P and Habc :

Gabc =

∫p∈R3

P(p)Habc(p)dp avec Habc(p) = paxpbyp

cz

These moments can be grouped as a tensor of order a + b + c , so that theDTI is a special case with a + b + c = 2.

DTI =

G200 G110 G101

G110 G020 G011

G101 G011 G002

HE. Assemlal (GREYC) Diffusion MRI Le 11 janvier 2010 22 / 50

Page 84: Traitement et analyse d'images IRM de diffusion pour l ...Traitement et analyse d’images IRM de di usion pour l’estimation de l’architecture locale des tissus Haz-Edine Assemlal

Funk-Radon Transform (FRT)

The Funk-Radon transform approximates the ODF. It is used by HARDImethods such as the Q-Ball Imaging.

The FRT feature is written as:

G(k) =

∫p∈R3

Hk(p)P(p)dp

where Hk is the associated projection function at point k ∈ S2. Let q′ ∈ Rbe the sampling radius of the q-sphere and p = pr, so that [Tuch04]:

Hk(p) = 2πq′J0(2πq′p)δ (1− r · k)

HE. Assemlal (GREYC) Diffusion MRI Le 11 janvier 2010 23 / 50

Page 85: Traitement et analyse d'images IRM de diffusion pour l ...Traitement et analyse d’images IRM de di usion pour l’estimation de l’architecture locale des tissus Haz-Edine Assemlal

Funk-Radon Transform (FRT)

(a) ODF exacte (b) QBI (c) G=FRT (d) G=FRT

– Low resolution

Figure: Reproduction of the QBI method by our approach.

HE. Assemlal (GREYC) Diffusion MRI Le 11 janvier 2010 24 / 50

Page 86: Traitement et analyse d'images IRM de diffusion pour l ...Traitement et analyse d’images IRM de di usion pour l’estimation de l’architecture locale des tissus Haz-Edine Assemlal

ODF

The diffusion orientation density function (ODF) is the projection of thePDF on the unit sphere.This feature is expressed as:

G(k) =

∫p∈R3

P(p)Hk(p)dp

where Hk is

Hk(p) = δ(1− r · k)

HE. Assemlal (GREYC) Diffusion MRI Le 11 janvier 2010 25 / 50

Page 87: Traitement et analyse d'images IRM de diffusion pour l ...Traitement et analyse d’images IRM de di usion pour l’estimation de l’architecture locale des tissus Haz-Edine Assemlal

ODF

(a) True ODF (b) G=ODF (c) G=ODF (d) G=ODF

– Low Res. Med. Res. High Res.

Figure: ODF approximation at low, medium and high resolution.

HE. Assemlal (GREYC) Diffusion MRI Le 11 janvier 2010 26 / 50

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Results of in-vivo experiences

(a) DTI (Basser94)

Figure: Brain white matter: ODF overlayed on a GFA map.DTI(a) and QBI(b) were computed with b = 3000 s/mm2.Our method (c) shows the obtained ODF with b = 1000 and 3000s/mm2.

HE. Assemlal (GREYC) Diffusion MRI Le 11 janvier 2010 27 / 50

Page 89: Traitement et analyse d'images IRM de diffusion pour l ...Traitement et analyse d’images IRM de di usion pour l’estimation de l’architecture locale des tissus Haz-Edine Assemlal

Results of in-vivo experiences

(a) QBI (Descoteaux07)

Figure: Brain white matter: ODF overlayed on a GFA map.DTI(a) and QBI(b) were computed with b = 3000 s/mm2.Our method (c) shows the obtained ODF with b = 1000 and 3000s/mm2.

HE. Assemlal (GREYC) Diffusion MRI Le 11 janvier 2010 27 / 50

Page 90: Traitement et analyse d'images IRM de diffusion pour l ...Traitement et analyse d’images IRM de di usion pour l’estimation de l’architecture locale des tissus Haz-Edine Assemlal

Results of in-vivo experiences

(a) Our method,G=ODF

Figure: Brain white matter: ODF overlayed on a GFA map.DTI(a) and QBI(b) were computed with b = 3000 s/mm2.Our method (c) shows the obtained ODF with b = 1000 and 3000s/mm2.

HE. Assemlal (GREYC) Diffusion MRI Le 11 janvier 2010 27 / 50

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Anisotropy

The anisotropy is a scalar measure which is useful to have hindsight on thewiring structure of the nerve fibers across the brain.

The generalized fractional anisotropy feature, which generalizes thefractional anisotropy (FA), is expressed as:

GFA(G) =std(G)

rms(G)=

√∫k∈S2(G(k)− 〈G〉)2dk∫

k∈S2 G(k)2dk

where G : S2 → R is a spherical feature of the PDF (e.g.G = FRT,ODF,ISO, etc.).

HE. Assemlal (GREYC) Diffusion MRI Le 11 janvier 2010 28 / 50

Page 92: Traitement et analyse d'images IRM de diffusion pour l ...Traitement et analyse d’images IRM de di usion pour l’estimation de l’architecture locale des tissus Haz-Edine Assemlal

Anisotropy

(a) FA sur DTI (b) GFA sur FRT (c) GFA sur ODF

Figure: Anisotropy of several spherical features. (a)-(c) Anisotropy based on theDTI, QBI et true ODF.

HE. Assemlal (GREYC) Diffusion MRI Le 11 janvier 2010 29 / 50

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More details in the manuscript

Features G Domain M

Moments –Return to zero –Anisotropy –Mean radial diffusion RFunk-Radon Transform (FRT) S2

Orientation Density Function (ODF) S2

Isoradius (ISO) S2

Displacement PDF R3

Diffusion signal E R3

Table: Overview of proposed features G of the PDF.

HE. Assemlal (GREYC) Diffusion MRI Le 11 janvier 2010 30 / 50

Page 94: Traitement et analyse d'images IRM de diffusion pour l ...Traitement et analyse d’images IRM de di usion pour l’estimation de l’architecture locale des tissus Haz-Edine Assemlal

1 Diffusion signal estimationContinuous representation of the signal

2 Extraction of various features of the PDFAlgorithmOverview of proposed features

3 Robust extraction of diffusion featuresRobustness to noiseRobustness to q-space sampling

HE. Assemlal (GREYC) Diffusion MRI Le 11 janvier 2010 30 / 50

Page 95: Traitement et analyse d'images IRM de diffusion pour l ...Traitement et analyse d’images IRM de di usion pour l’estimation de l’architecture locale des tissus Haz-Edine Assemlal

1 Diffusion signal estimationContinuous representation of the signal

2 Extraction of various features of the PDFAlgorithmOverview of proposed features

3 Robust extraction of diffusion featuresRobustness to noiseRobustness to q-space sampling

HE. Assemlal (GREYC) Diffusion MRI Le 11 janvier 2010 30 / 50

Page 96: Traitement et analyse d'images IRM de diffusion pour l ...Traitement et analyse d’images IRM de di usion pour l’estimation de l’architecture locale des tissus Haz-Edine Assemlal

Robustness to noise

Problem

Acquisition noise not Gaussian but Rician.Nontheless most methods use least square estimation !⇒ Bias especially at low SNR values (high b values).

-1

0

1

2

3

4

5

6

0 0.5 1 1.5 2

GaussRice

Energy

Min. Gauss

E

Min. Rice

Bias

HE. Assemlal (GREYC) Diffusion MRI Le 11 janvier 2010 31 / 50

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Variational framework

Robustly estimate and regularize the SPF coefficients by minimizing thefunctional energy:

minA

∫ΩE

[ns∑k

ψ(Ek)

]+ αrϕ(||∇A||)dΩE

, with E = MA (5)

The best fitting coefficients A are computed with a gradient descentcoming from the Euler-Lagrange derivation of the energy. This leads to aset of multi-valued partial derivate equation.

At=0 = U0

∂Aj

∂t =∑ns

k Mk,jψ′(Ek) + αr div(ϕ(||∇A||))

(6)

iteration 0 iteration 1 ... iteration nHE. Assemlal (GREYC) Diffusion MRI Le 11 janvier 2010 32 / 50

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Advantages: adaptive to noise distribution

ψ-likelihood function adapted to MRI noise law:

The best ψ function is the one specific to MR scanners, ie. Rice distribution:

p(E |E , σ) =E

σ2exp

(−(E 2 + E 2)

2σ2

)I0

(E · Eσ2

)(7)

We seek E which maximizes a posteriori (MAP) the log-posterior probability[Basu06]

log p(E |E ) = log p(E |E ) + log p(E )− log p(E ) (8)

Consequently the pointwise likelihood is

log p(E |E , σ) = logE

σ2− (E 2 + E 2)

2σ2+ log I0

(E · Eσ2

)= ψ(E ) (9)

HE. Assemlal (GREYC) Diffusion MRI Le 11 janvier 2010 33 / 50

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Advantages: regularity

Ensure a global regularity of the SPF field:ϕ(||∇A||) = ϕ(

∑nlm ||∇Anlm||)

ϕ is a contour preservingfunction, widely used inimage processing.Example of possibleregularization function ϕ

HE. Assemlal (GREYC) Diffusion MRI Le 11 janvier 2010 34 / 50

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Simulation: validation on synthetical data (likelihood)

Figure: Synthetic phantom of networks of crossing fibers. Performances oflikelihood functions on increasing levels of noise.

HE. Assemlal (GREYC) Diffusion MRI Le 11 janvier 2010 35 / 50

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Simulation: Rician vs Gaussian likelihood function

a) Truth b) Noisy

c) Gaussian d) Rician

|Gauss − Truth| |Rice − Truth|

HE. Assemlal (GREYC) Diffusion MRI Le 11 janvier 2010 36 / 50

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Simulation: energy minimization

HE. Assemlal (GREYC) Diffusion MRI Le 11 janvier 2010 37 / 50

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Results of in-vivo experiences

a) S0 b) DTI c) QBI d) G=ODF

e) Rice f) Soft Reg. g) Med. Reg. h) Strong Reg.

Figure: Comparison of GFA on region of corpus callosum and lateral ventricles.

HE. Assemlal (GREYC) Diffusion MRI Le 11 janvier 2010 38 / 50

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Fiber-tracking

HE. Assemlal (GREYC) Diffusion MRI Le 11 janvier 2010 39 / 50

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Fiber-tracking

GFA

DTI

HE. Assemlal (GREYC) Diffusion MRI Le 11 janvier 2010 40 / 50

Page 106: Traitement et analyse d'images IRM de diffusion pour l ...Traitement et analyse d’images IRM de di usion pour l’estimation de l’architecture locale des tissus Haz-Edine Assemlal

Fiber-tracking

GFA

Linear Least Square

HE. Assemlal (GREYC) Diffusion MRI Le 11 janvier 2010 41 / 50

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Fiber-tracking

GFA

Linear Least Square

HE. Assemlal (GREYC) Diffusion MRI Le 11 janvier 2010 42 / 50

Page 108: Traitement et analyse d'images IRM de diffusion pour l ...Traitement et analyse d’images IRM de di usion pour l’estimation de l’architecture locale des tissus Haz-Edine Assemlal

Fiber-tracking

GFA

PDE

HE. Assemlal (GREYC) Diffusion MRI Le 11 janvier 2010 43 / 50

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1 Diffusion signal estimationContinuous representation of the signal

2 Extraction of various features of the PDFAlgorithmOverview of proposed features

3 Robust extraction of diffusion featuresRobustness to noiseRobustness to q-space sampling

HE. Assemlal (GREYC) Diffusion MRI Le 11 janvier 2010 43 / 50

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q-space Sampling Distribution

Questions

Which sampling distribution gives the best results ?

Is it possible to unify the sparse sampling in the literature in onemodel ? [Assaf05, Ozarslan06, Wu07, Khachaturian07, Assemlal-et.al08,Assemlal-et.al09]

HE. Assemlal (GREYC) Diffusion MRI Le 11 janvier 2010 44 / 50

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q-space Sampling Distribution

Questions

Which sampling distribution gives the best results ?

Is it possible to unify the sparse sampling in the literature in onemodel ? [Assaf05, Ozarslan06, Wu07, Khachaturian07, Assemlal-et.al08,Assemlal-et.al09]

HE. Assemlal (GREYC) Diffusion MRI Le 11 janvier 2010 44 / 50

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q-space Sampling Distribution

Questions

Which sampling distribution gives the best results ?

Is it possible to unify the sparse sampling in the literature in onemodel ? [Assaf05, Ozarslan06, Wu07, Khachaturian07, Assemlal-et.al08,Assemlal-et.al09]

HE. Assemlal (GREYC) Diffusion MRI Le 11 janvier 2010 44 / 50

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q-space Sampling Distribution

fx(η) =qηx∑nbi=1 q

ηi

ns , and qi (β) =

(i − 1

nb − 1

)β(qmax − qmin) + qmin

η = −2 η = −1 η = 0 η = 1 η = 2 η = 3

nb = 2

nb = 5

nb = 10

HE. Assemlal (GREYC) Diffusion MRI Le 11 janvier 2010 45 / 50

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q-space Sampling Distribution

fx(η) =qηx∑nbi=1 q

ηi

ns , and qi (β) =

(i − 1

nb − 1

)β(qmax − qmin) + qmin

η = −2 η = −1 η = 0 η = 1 η = 2 η = 3

nb = 2

nb = 5

nb = 10

HE. Assemlal (GREYC) Diffusion MRI Le 11 janvier 2010 45 / 50

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Simulation: q-space Sampling Distribution

Figure: Condition number C = ||Mreg ||∞||M−1reg ||∞. The lower C is, the more stable the

reconstruction is. Data simulates crossing fibers diffusion signal.L = 4,N = 3, nb ≥ 3. (d) λn = 10−4, λl = 10−6.

-2 -1 0 1 2 3 43

4

5

6

7

8

9

10

nb

6

8

10

12

14

16

18

20

22

(a) ns = 300No regularization.

-2 -1 0 1 2 3 43

4

5

6

7

8

9

10

nb

8

10

12

14

16

18

20

22

(b) ns = 200No regularization.

-2 -1 0 1 2 3 43

4

5

6

7

8

9

10

nb

10.5

12.0

13.5

15.0

16.5

18.0

19.5

21.0

22.5

24.0

(c) ns=120No regularization.

-2 -1 0 1 2 3 43

4

5

6

7

8

9

10

nb

6.0

6.4

6.8

7.2

7.6

8.0

8.4

8.8

(d) ns=120.With regularization.

(e) PSNR=40.23 dB (f) PSNR=39.98 dB (g) PSNR=27.54 dB

HE. Assemlal (GREYC) Diffusion MRI Le 11 janvier 2010 46 / 50

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Simulation: q-space Sampling Distribution

Figure: Condition number C = ||Mreg ||∞||M−1reg ||∞. The lower C is, the more stable the

reconstruction is. Data simulates crossing fibers diffusion signal.L = 4,N = 3, nb ≥ 3. (d) λn = 10−4, λl = 10−6.

-2 -1 0 1 2 3 43

4

5

6

7

8

9

10

nb

6

8

10

12

14

16

18

20

22

(a) ns = 300No regularization.

-2 -1 0 1 2 3 43

4

5

6

7

8

9

10

nb

8

10

12

14

16

18

20

22

(b) ns = 200No regularization.

-2 -1 0 1 2 3 43

4

5

6

7

8

9

10

nb

10.5

12.0

13.5

15.0

16.5

18.0

19.5

21.0

22.5

24.0

(c) ns=120No regularization.

-2 -1 0 1 2 3 43

4

5

6

7

8

9

10

nb

6.0

6.4

6.8

7.2

7.6

8.0

8.4

8.8

(d) ns=120.With regularization.

(e) PSNR=40.23 dB (f) PSNR=39.98 dB (g) PSNR=27.54 dB

HE. Assemlal (GREYC) Diffusion MRI Le 11 janvier 2010 46 / 50

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Simulation: q-space Sampling Distribution

Figure: Condition number C = ||Mreg ||∞||M−1reg ||∞. The lower C is, the more stable the

reconstruction is. Data simulates crossing fibers diffusion signal.L = 4,N = 3, nb ≥ 3. (d) λn = 10−4, λl = 10−6.

-2 -1 0 1 2 3 43

4

5

6

7

8

9

10

nb

6

8

10

12

14

16

18

20

22

(a) ns = 300No regularization.

-2 -1 0 1 2 3 43

4

5

6

7

8

9

10

nb

8

10

12

14

16

18

20

22

(b) ns = 200No regularization.

-2 -1 0 1 2 3 43

4

5

6

7

8

9

10

nb

10.5

12.0

13.5

15.0

16.5

18.0

19.5

21.0

22.5

24.0

(c) ns=120No regularization.

-2 -1 0 1 2 3 43

4

5

6

7

8

9

10

nb

6.0

6.4

6.8

7.2

7.6

8.0

8.4

8.8

(d) ns=120.With regularization.

(e) PSNR=40.23 dB (f) PSNR=39.98 dB (g) PSNR=27.54 dB

HE. Assemlal (GREYC) Diffusion MRI Le 11 janvier 2010 46 / 50

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Simulation: q-space Sampling Distribution

Figure: Condition number C = ||Mreg ||∞||M−1reg ||∞. The lower C is, the more stable the

reconstruction is. Data simulates crossing fibers diffusion signal.L = 4,N = 3, nb ≥ 3. (d) λn = 10−4, λl = 10−6.

-2 -1 0 1 2 3 43

4

5

6

7

8

9

10

nb

6

8

10

12

14

16

18

20

22

(a) ns = 300No regularization.

-2 -1 0 1 2 3 43

4

5

6

7

8

9

10

nb

8

10

12

14

16

18

20

22

(b) ns = 200No regularization.

-2 -1 0 1 2 3 43

4

5

6

7

8

9

10

nb

10.5

12.0

13.5

15.0

16.5

18.0

19.5

21.0

22.5

24.0

(c) ns=120No regularization.

-2 -1 0 1 2 3 43

4

5

6

7

8

9

10

nb

6.0

6.4

6.8

7.2

7.6

8.0

8.4

8.8

(d) ns=120.With regularization.

(e) PSNR=40.23 dB (f) PSNR=39.98 dB (g) PSNR=27.54 dB

HE. Assemlal (GREYC) Diffusion MRI Le 11 janvier 2010 46 / 50

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Simulation: q-space Sampling Distribution

Figure: Condition number C = ||Mreg ||∞||M−1reg ||∞. The lower C is, the more stable the

reconstruction is. Data simulates crossing fibers diffusion signal.L = 4,N = 3, nb ≥ 3. (d) λn = 10−4, λl = 10−6.

-2 -1 0 1 2 3 43

4

5

6

7

8

9

10

nb

6

8

10

12

14

16

18

20

22

(a) ns = 300No regularization.

-2 -1 0 1 2 3 43

4

5

6

7

8

9

10

nb

8

10

12

14

16

18

20

22

(b) ns = 200No regularization.

-2 -1 0 1 2 3 43

4

5

6

7

8

9

10

nb

10.5

12.0

13.5

15.0

16.5

18.0

19.5

21.0

22.5

24.0

(c) ns=120No regularization.

-2 -1 0 1 2 3 43

4

5

6

7

8

9

10

nb

6.0

6.4

6.8

7.2

7.6

8.0

8.4

8.8

(d) ns=120.With regularization.

(e) PSNR=40.23 dB (f) PSNR=39.98 dB (g) PSNR=27.54 dB

HE. Assemlal (GREYC) Diffusion MRI Le 11 janvier 2010 46 / 50

Page 120: Traitement et analyse d'images IRM de diffusion pour l ...Traitement et analyse d’images IRM de di usion pour l’estimation de l’architecture locale des tissus Haz-Edine Assemlal

1 Diffusion signal estimationContinuous representation of the signal

2 Extraction of various features of the PDFAlgorithmOverview of proposed features

3 Robust extraction of diffusion featuresRobustness to noiseRobustness to q-space sampling

HE. Assemlal (GREYC) Diffusion MRI Le 11 janvier 2010 46 / 50

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Conclusion: 1-MR signal approximation

DTI HARDI DSI SPF

Acquisition time

One fibers bundle

Cross fibers bundles

Diffusion-diffraction

Table: Comparison of MR signal approximation for differents methodsHE. Assemlal (GREYC) Diffusion MRI Le 11 janvier 2010 47 / 50

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Conclusion: 2-PDF features

Features G Domain M

Moments –Return to zero –Anisotropy –Mean radial diffusion RFunk-Radon Transform (FRT) S2

Orientation Density Function (ODF) S2

Isoradius (ISO) S2

Displacement PDF R3

Diffusion signal E R3

Table: Overview of proposed features G of the PDF.

HE. Assemlal (GREYC) Diffusion MRI Le 11 janvier 2010 48 / 50

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Conclusion: 3-Robustness

Robustness to noise

Robustness to sampling distribution

η = −2 η = −1 η = 0 η = 1 η = 2 η = 3

nb = 2

nb = 5

HE. Assemlal (GREYC) Diffusion MRI Le 11 janvier 2010 49 / 50

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Final slide

Thank you for your attention.

HE. Assemlal (GREYC) Diffusion MRI Le 11 janvier 2010 50 / 50

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Radial eigenfunctions

Proposition

We propose the use of Gauss-Laguerre functions:

Rn (||q||) =

[2

γ3/2

n!

Γ(n + 3/2)

]1/2

exp

(−||q||

2

)L

1/2n

(||q||2

γ

), (10)

where γ is the scale factor.Let Lkn be a generalized Laguerre polynomial:

Lkn =1

n!

n∑i=0

n!

i !

(k + nn − i

)(−x)i (11)

The Gauss attenuation comes from the normalization of these polynomials:∫ ∞0

e−kxkLkn(x)Lkn′(x)dx =(n + k)!

n!δnn′ (12)

HE. Assemlal (GREYC) Diffusion MRI Le 11 janvier 2010 51 / 50

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Results: radial truncation order

0 1 2 3 4Radial truncation order N

0.00

0.05

0.10

0.15

0.20

0.25N

orm

aliz

ed E

rror

Isotropic Mono-GaussianOne Fiber Mono-GaussianTwo Fiber Mono-GaussianIsotropic Bi-Gaussian

Figure: Power spectrum along with increasing radial truncation order.

HE. Assemlal (GREYC) Diffusion MRI Le 11 janvier 2010 52 / 50

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Runge-Kutta

Figure: Comparaison de methodes de suivi de fibres C, definie par y ′ = sin(t)2 ∗ y .

HE. Assemlal (GREYC) Diffusion MRI Le 11 janvier 2010 53 / 50

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PDE initialization

Rice with Random init.

Linear LS Rice with LS init.

10

15

20

25

30

35

40

PSN

R (

Tru

th,R

eco

nst

ruct

ion)

dB

20.40

26.04

33.62

0 100 200 300 400 500Iteration

0.0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

Norm

aliz

ed E

nerg

y

LS dt=0.1Random1 dt=0.1Random2 dt=0.1LS dt=0.2

Figure: Influence de l’initialisation A0 sur la convergence de la methode dedescente du gradient. Les donnees sont bruites telles quePSNR(Originale,Bruite)=19.5 dB.

HE. Assemlal (GREYC) Diffusion MRI Le 11 janvier 2010 54 / 50

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Regularization functions ϕ

Nom de la fonction s → ϕ(s), s ∈ R

Tikhonov s2

Perona-Malik 1− exp(−s2/κ2)

Surfaces minimales 2√

1 + s2 − 2German-McClure s2/(1 + s2)Variation totale sGreen 2 log(cosh(s))

Table: Liste de quelques fonctions de regularisation ϕ possibles. Tableau adaptede [Tschumperle02].

HE. Assemlal (GREYC) Diffusion MRI Le 11 janvier 2010 55 / 50

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Noise histogram

Figure: Histogramme du bruit dans les images d’IRM de diffusion.

HE. Assemlal (GREYC) Diffusion MRI Le 11 janvier 2010 56 / 50

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Execution time

Domaine M R R3 S2

Tps d’execution 9 s ∼ 360 h 22 s

Table: Temps d’execution de la construction d’une caracteristique dansl’ensemble de son domaine hknlm, ∀k ∈M.

Nombre de valeurs de ζ 1 16 224

Tps d’execution 12 s 21 s 5 min

Table: Temps d’execution pour l’estimation du signal de diffusion dans la baseSPF.

Domaine M R R3 S2

Tps d’execution 5 s 21 s 9 s

Table: Temps d’execution pour l’extraction d’une caracteristique.HE. Assemlal (GREYC) Diffusion MRI Le 11 janvier 2010 57 / 50

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Return to zero probability

Scalar feature of free / restriction diffusion.

G = P(0) =

∫p∈R3

P(p)H(p)dp avec H(p) = δ(p)

(a) (b)

(c) (d)

Figure: Free diffusion (a-b) and restricted (c-d) in a voxel.

HE. Assemlal (GREYC) Diffusion MRI Le 11 janvier 2010 58 / 50

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Return to zero probability

Scalar feature of free / restriction diffusion.

G = P(0) =

∫p∈R3

P(p)H(p)dp avec H(p) = δ(p)

(a) (b) (c) (d)

Figure: Free diffusion (a-b) and restricted (c-d) in a voxel.

HE. Assemlal (GREYC) Diffusion MRI Le 11 janvier 2010 58 / 50

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Average radial diffusion

Radial diffusion robust to anisotropy.

0 20 40 60 80 100q

0.2

0.0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

Att

enuati

on d

e la d

iffu

sion

E(qx )

E(qy )

Em (q)

HE. Assemlal (GREYC) Diffusion MRI Le 11 janvier 2010 59 / 50

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Isoradius

Feature which reproduces the results of the DOT method [Ozarslan06].

(a) PDF (b) DOT (c) G = ISO

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