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Double Diffeomorphism: Combining Morphometry and Structural Connectivity Analysis

Authors :
Andreas Hartmann
Linda Marrakchi Kacem
Alexandre Routier
Pietro Gori
Nicholas Ayache
Stanley Durrleman
Yulia Worbe
Olivier Colliot
Cyril Poupon
Algorithms, models and methods for images and signals of the human brain (ARAMIS)
Sorbonne Université (SU)-Inria de Paris
Institut National de Recherche en Informatique et en Automatique (Inria)-Institut National de Recherche en Informatique et en Automatique (Inria)-Institut du Cerveau et de la Moëlle Epinière = Brain and Spine Institute (ICM)
Institut National de la Santé et de la Recherche Médicale (INSERM)-CHU Pitié-Salpêtrière [AP-HP]
Assistance publique - Hôpitaux de Paris (AP-HP) (AP-HP)-Sorbonne Université (SU)-Assistance publique - Hôpitaux de Paris (AP-HP) (AP-HP)-Sorbonne Université (SU)-Sorbonne Université (SU)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Institut National de la Santé et de la Recherche Médicale (INSERM)-CHU Pitié-Salpêtrière [AP-HP]
Assistance publique - Hôpitaux de Paris (AP-HP) (AP-HP)-Sorbonne Université (SU)-Assistance publique - Hôpitaux de Paris (AP-HP) (AP-HP)-Sorbonne Université (SU)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)
Service NEUROSPIN (NEUROSPIN)
Direction de Recherche Fondamentale (CEA) (DRF (CEA))
Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Université Paris-Saclay
CHU Pitié-Salpêtrière [AP-HP]
Assistance publique - Hôpitaux de Paris (AP-HP) (AP-HP)-Sorbonne Université (SU)
E-Patient : Images, données & mOdèles pour la médeciNe numériquE (EPIONE)
Inria Sophia Antipolis - Méditerranée (CRISAM)
Institut National de Recherche en Informatique et en Automatique (Inria)-Institut National de Recherche en Informatique et en Automatique (Inria)
Sorbonne Université (SU)-Assistance publique - Hôpitaux de Paris (AP-HP) (AP-HP)-Sorbonne Université (SU)-Assistance publique - Hôpitaux de Paris (AP-HP) (AP-HP)-Sorbonne Université (SU)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Institut National de la Santé et de la Recherche Médicale (INSERM)-CHU Pitié-Salpêtrière [AP-HP]
Sorbonne Université (SU)-Assistance publique - Hôpitaux de Paris (AP-HP) (AP-HP)-Assistance publique - Hôpitaux de Paris (AP-HP) (AP-HP)-Sorbonne Université (SU)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)
Sorbonne Université (SU)-Assistance publique - Hôpitaux de Paris (AP-HP) (AP-HP)
Institut National de Recherche en Informatique et en Automatique (Inria)-Institut National de Recherche en Informatique et en Automatique (Inria)-Institut du Cerveau = Paris Brain Institute (ICM)
Assistance publique - Hôpitaux de Paris (AP-HP) (AP-HP)-Institut National de la Santé et de la Recherche Médicale (INSERM)-CHU Pitié-Salpêtrière [AP-HP]
Assistance publique - Hôpitaux de Paris (AP-HP) (AP-HP)-Sorbonne Université (SU)-Sorbonne Université (SU)-Sorbonne Université (SU)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Assistance publique - Hôpitaux de Paris (AP-HP) (AP-HP)-Institut National de la Santé et de la Recherche Médicale (INSERM)-CHU Pitié-Salpêtrière [AP-HP]
Assistance publique - Hôpitaux de Paris (AP-HP) (AP-HP)-Sorbonne Université (SU)-Sorbonne Université (SU)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)
Université Paris-Saclay-Direction de Recherche Fondamentale (CEA) (DRF (CEA))
Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)
Gori, Pietro
Source :
IEEE Transactions on Medical Imaging, IEEE Transactions on Medical Imaging, Institute of Electrical and Electronics Engineers, 2018, 37 (9), pp.2033-2043. ⟨10.1109/TMI.2018.2813062⟩, IEEE Transactions on Medical Imaging, 2018, 37 (9), pp.2033-2043. ⟨10.1109/TMI.2018.2813062⟩
Publication Year :
2018
Publisher :
Institute of Electrical and Electronics Engineers (IEEE), 2018.

Abstract

International audience; The brain is composed of several neural circuits which may be seen as anatomical complexes composed of grey matter structures interconnected by white matter tracts. Grey and white matter components may be modelled as 3D surfaces and curves respectively. Neurodevelopmental disorders involve morphological and organizational alterations which can not be jointly captured by usual shape analysis techniques based on single diffeomorphisms. We propose a new deformation scheme, called double diffeomorphism, which is a combination of two diffeomorphisms. The first one captures changes in structural connectivity, whereas the second one recovers the global morphological variations of both grey and white matter structures. This deformation model is integrated into a Bayesian framework for atlas construction. We evaluate it on a data-set of 3D structures representing the neural circuits of patients with Gilles de la Tourette syndrome (GTS). We show that this approach makes it possible to localise, quantify and easily visualise the pathological anomalies altering the morphology and organization of the neural circuits. Furthermore, results also indicate that the proposed deformation model better discriminates between controls and GTS patients than a single diffeomorphism.

Details

ISSN :
1558254X and 02780062
Volume :
37
Database :
OpenAIRE
Journal :
IEEE Transactions on Medical Imaging
Accession number :
edsair.doi.dedup.....98adb18d2e2b619fdc811d1d57bbeb29