Three-dimensional Polarized Light Imaging: Towards Multiscale and Multimodal Analysis with Diffusion Magnetic Resonance Imaging
Imagerie Tridimensionnelle en Lumière Polarisée: vers une Analyse Multi-échelle et Multimodale avec l'Imagerie par Résonance Magnétique pondérée en Diffusion
Résumé
Diffusion Magnetic Resonance Imaging (dMRI) is the only non-invasive and in-vivo imaging modality able to provide human brain structural connectivity information. This is done via an estimation of the fiber orientation distribution (FOD) of white matter and dMRI tractography. In this thesis, three-dimensional Polarized Light Imaging (3D-PLI) is in- vestigated and, thanks to its high spatial resolution, is presented as a complementary and potential technique for validation and guidance of dMRI fiber orientation estimates and tracking. The main goal of this work is, thus, to propose a strategy to close the resolution gap between dMRI and 3D-PLI and to investigate metrics for their quantitative comparison and, henceforth, to pave the way for multiscale and multimodal image analysis.
Contributions in this thesis are manifold. First, we study the 3D-PLI fiber orientation and propose a method to disentangle the sign ambiguity of its inclination angle for an accurate determination of the 3D orientation. Second, we introduce an analytical and fast technique to compute the FOD from microscopic 3D-PLI orientation estimates to the meso- or macroscopic dimensions of dMRI. Third, we perform tractography at multiple scales from 3D-PLI human brain data to demonstrate the preservation of the fiber tracts architecture regardless of the decrease in resolution. Finally, we investigate how these obtained tractograms can be inspected using homology theory for a quantitative evaluation between them. Overall, we develop original and efficient dMRI and 3D-PLI methods, validate on both synthetic and human data and lay the foundations for multiscale and multimodal studies between dMRI and 3D-PLI.
L’Imagerie par Résonance Magnétique pondérée en diffusion (IRMd) est la seule modalité in-vivo et non invasive offrant des informations sur la connectivité structurelle du cerveau humain. Cela est effectué via l’estimation de la distribution des orientations de fibres (FOD) de la matière blanche et leur suivi ou tractographie. Dans cette thèse, l’Imagerie tridimensionnelle en Lumière Polarisée (3D-PLI) est, grâce à sa haute résolution, considérée comme une potentielle technique complémentaire et de validation de l’estimation et du suivi des orientations de fibres par l’IRMd. Ainsi, notre travail a pour but principal de combler l’écart de résolution et d’étudier des critères de comparaison quantitative entre l’IRMd et la 3D-PLI pour ainsi ouvrir la voie à une analyse multi-modale et multi-échelle.
Nos contributions sont multiples. D’abord, nous étudions l’orientation des fibres produites par 3D-PLI et proposons une méthode pour lever l’ambigüité du signe de l’inclinaison pour une estimation plus précise. Puis, nous développons une méthode analytique de calcul de la FOD des mesures microscopiques de 3D-PLI à la résolution meso- ou macroscopique de l’IRMd. Ensuite, à partir des données PLI du cerveau, nous effectuons la tractographie à diverses échelles et montrons la conservation de l’architecture structurelle des fibres malgré la baisse de résolution. Enfin, nous nous intéressons à la théorie de l’homologie en vue d’évaluation quantitative des résultats de tractographie. En somme, nous développons des méthodes en IRMd et 3D-PLI, et les validons sur des données synthétiques et réelles tout en établissant les bases d’études multi-échelles et multi-modales entre IRMd et 3D-PLI.
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