基于扩散磁共振成像的概率纤维追踪算法研究

结题报告
项目介绍
AI项目解读

基本信息

  • 批准号:
    61601461
  • 项目类别:
    青年科学基金项目
  • 资助金额:
    16.0万
  • 负责人:
  • 依托单位:
  • 学科分类:
    F0125.医学信息检测与处理
  • 结题年份:
    2019
  • 批准年份:
    2016
  • 项目状态:
    已结题
  • 起止时间:
    2017-01-01 至2019-12-31

项目摘要

Diffusion Magnetic Resonance Imaging (dMRI) provides a noninvasive tool for the investigation of white matter tracts in the human brain. Using tractography, white matter tracts can be represented as 3D streamlines. Due to the noise in dMRI acquisition, uncertainty is introduced into the fiber tracking process, and researchers have developed probabilistic tractography methods to account for the uncertainty. Bootstrap provides a nonparametric approach to uncertainty characterization, and has been used to develop probabilistic tractography algorithms. A bootstrap-based tractography method involves three steps: 1) synthesis of diffusion signals using bootstrap to estimate the distributions of diffusion signals; 2) estimation of fiber orientations (FOs) and thus FO distributions, which are crucial features for fiber tracking; 3) fiber tracking by randomly drawing samples from the FO distribution. Sparse dMRI signal models have recently gained popularity because they decrease the number of diffusion gradients required for resolving crossing fibers and thus imaging time. However, existing bootstrap tractography methods have not considered the sparsity assumption in the signal model. In addition, in these existing probabilistic tractography methods, FOs are estimated in a voxelwise manner, which can be improved by introducing spatial consistency. In this proposal, we plan to study probabilistic tractography algorithms based on bootstrap and sparse dMRI signal models. The proposal has four steps. 1) We plan to explore bootstrap strategies that are compatible with sparse dMRI signal models, where distributions of diffusion signals can be estimated. 2) From the diffusion signals synthesized by bootstrap, we plan to develop FO estimation algorithms that incorporate spatial consistency of FOs to achieve accurate estimation of FO distributions, and perform probabilistic fiber tracking using the estimated distributions. 3) The proposed tractography (including the FO estimation) algorithm will be validated on both simulated and real dMRI data. 4) To demonstrate the scientific application of the proposed method, we will apply it to a study on the cerebellar connectome. We hope the proposed work can provide fundamental tools for the investigation of white matter tracts and brain wiring, and eventually advance basic and applied neuroscience using medical imaging.
利用扩散磁共振成像(diffusion Magnetic Resonance Imaging,dMRI)和纤维追踪技术,神经束可以重建为三维流线。研究者们设计了基于bootstrap的概率纤维追踪算法,以非参数的估计噪声引起的纤维追踪的不确定性。为了缩短成像时间,稀疏信号模型近年来被广泛应用于dMRI图像处理中。但现有的基于bootstrap的概率纤维追踪算法没有考虑信号的稀疏性。因此,我们计划研究基于bootstrap和稀疏信号模型的概率纤维追踪算法。本项目分为四个部分。1)探索适用于稀疏信号模型的bootstrap方法,估计dMRI信号分布。2)利用dMRI信号分布,设计改进的纤维方向估计算法,得到准确的纤维方向分布,进行概率纤维追踪。3)利用模拟和真实数据验证本方法。4)利用本方法研究小脑神经网络。我们希望本工作为神经束和脑网络的研究提供基本工具,并推动医学成像在神经科学中的应用。

结项摘要

脑研究是当前重要的前沿科学研究内容。脑研究计划已经成为世界性的研究计划,包括美国、欧盟、日本等国家和地区都开展了脑研究计划。在脑研究中,白质神经束分析是重要的研究内容,可以揭示脑连接和脑网络的相关信息,在脑疾病、脑发育等问题中具有重要应用。弥散磁共振成像提供了非侵入式研究白质神经束的重要手段。利用纤维追踪技术,神经束可以重建为三维流线。但是在临床条件下,由于弥散梯度数目有限,神经束重建容易受到噪声和复杂纤维结构的影响,准确的神经束重建及其不确定性量化具有挑战。本项目利用弥散磁共振信号的稀疏性和空间一致性,改进了纤维方向估计算法,并且提出了相应的基于Lasso Bootstrap的概率性纤维追踪方法,描述神经束重建的不确定性。此外,本项目探索了基于深度学习的纤维方向估计方法,将弥散磁共振信号的稀疏性以及其他先验知识引入了网络设计中。这些针对纤维方向计算的方法还被扩展到其他基于弥散磁共振图像的结构信息计算中。本项目对所设计的算法通过模拟和真实数据进行了全面的定性和定量的验证。在临床可行的弥散梯度数目下,本项目设计的方法可以准确的重建白质神经束并描述重建结果的不确定性,并且其性能优于现有的其他方法。此外,这些算法已初步应用于脑连接的研究中。本项目的研究成果为脑科学中白质神经束的研究提供了更加先进的计算工具。

项目成果

期刊论文数量(4)
专著数量(0)
科研奖励数量(0)
会议论文数量(5)
专利数量(0)
A deep network for tissue microstructure estimation using modified LSTM units
使用改进的 LSTM 单元进行组织微观结构估计的深度网络
  • DOI:
    10.1016/j.media.2019.04.006
  • 发表时间:
    2019-07-01
  • 期刊:
    MEDICAL IMAGE ANALYSIS
  • 影响因子:
    10.9
  • 作者:
    Ye, Chuyang;Li, Xiuli;Chen, Jingnan
  • 通讯作者:
    Chen, Jingnan
Probabilistic tractography using Lasso bootstrap.
使用 Lasso bootstrap 进行概率纤维束成像
  • DOI:
    10.1016/j.media.2016.08.013
  • 发表时间:
    2017-01
  • 期刊:
    MEDICAL IMAGE ANALYSIS
  • 影响因子:
    10.9
  • 作者:
    Ye, Chuyang;Prince, Jerry L.
  • 通讯作者:
    Prince, Jerry L.
Tissue microstructure estimation using a deep network inspired by a dictionary-based framework
受基于字典的框架启发,使用深层网络估计组织微观结构
  • DOI:
    10.1016/j.media.2017.09.001
  • 发表时间:
    2017
  • 期刊:
    Medical Image Analysis
  • 影响因子:
    10.9
  • 作者:
    Ye Chuyang
  • 通讯作者:
    Ye Chuyang
Dictionary-based fiber orientation estimation with improved spatial consistency.
基于字典的纤维取向估计,具有改进的空间一致性
  • DOI:
    10.1016/j.media.2017.11.010
  • 发表时间:
    2018-03
  • 期刊:
    Medical image analysis
  • 影响因子:
    10.9
  • 作者:
    Ye C;Prince JL
  • 通讯作者:
    Prince JL

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其他文献

其他文献

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课题项目:调控A型流感病毒诱导IFN-β表达的机制研究

AI项目摘要:

本研究聚焦于TRIM2蛋白在A型流感病毒诱导的IFN-β表达中的调控机制。A型流感病毒是全球性健康问题,其感染可导致严重的呼吸道疾病。IFN-β作为关键的抗病毒因子,其表达水平对抗病毒防御至关重要。然而,TRIM2如何调控IFN-β的表达尚未明确。本研究假设TRIM2通过与病毒RNA或宿主因子相互作用,影响IFN-β的产生。我们将采用分子生物学、细胞生物学和免疫学方法,探索TRIM2与A型流感病毒诱导IFN-β表达的关系。预期结果将揭示TRIM2在抗病毒免疫反应中的作用,为开发新的抗病毒策略提供理论基础。该研究对理解宿主抗病毒机制具有重要科学意义,并可能对临床治疗流感病毒感染提供新的视角。

AI项目思路:

科学问题:TRIM2如何调控A型流感病毒诱导的IFN-β表达?
前期研究:已有研究表明TRIM2参与抗病毒反应,但其具体机制尚不明确。
研究创新点:本研究将深入探讨TRIM2在IFN-β表达中的直接作用机制。
技术路线:包括病毒学、分子生物学、细胞培养和免疫检测技术。
关键技术:TRIM2与病毒RNA的相互作用分析,IFN-β启动子活性检测。
实验模型:使用A型流感病毒感染的细胞模型进行研究。

AI技术路线图

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          A[研究起始] --> B[文献回顾与假设提出]
          B --> C[实验设计与方法学准备]
          C --> D[A型流感病毒感染模型建立]
          D --> E[TRIM2与病毒RNA相互作用分析]
          E --> F[TRIM2对IFN-β启动子活性的影响]
          F --> G[IFN-β表达水平测定]
          G --> H[TRIM2功能丧失与获得研究]
          H --> I[数据收集与分析]
          I --> J[结果解释与科学验证]
          J --> K[研究结论与未来方向]
          K --> L[研究结束]
      
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