Publications · 2009 · Journal article

Evaluation of Bayesian tensor estimation using tensor coherence

Dae-Jin Kim, In-Young Kim, Seok-Oh Jeong, Hae-Jeong Park

Physics in Medicine and Biology 54(12), 3785-3802Corresponding author

Abstract

Fiber tractography, a unique and non-invasive method to estimate axonal fibers within white matter, constructs the putative streamlines from diffusion tensor MRI by interconnecting voxels according to the propagation direction defined by the diffusion tensor. This direction has uncertainties due to the properties of underlying fiber bundles, neighboring structures and image noise. Therefore, robust estimation of the diffusion direction is essential to reconstruct reliable fiber pathways. For this purpose, we propose a tensor estimation method using a Bayesian framework, which includes an a priori probability distribution based on tensor coherence indices, to utilize both the neighborhood direction information and the inertia moment as regularization terms. The reliability of the proposed tensor estimation was evaluated using Monte Carlo simulations in terms of accuracy and precision with four synthetic tensor fields at various SNRs and in vivo human data of brain and calf muscle. Proposed Bayesian estimation demonstrated the relative robustness to noise and the higher reliability compared to the simple tensor regression.

Korean summary

확산텐서영상(DTI)으로 백질 신경섬유의 경로를 추적할 때, 잡음과 주변 구조 때문에 생기는 확산 방향의 불확실성을 줄이는 방법을 제안한 연구입니다. 인접한 복셀들의 방향 일관성을 나타내는 텐서 응집도 지표를 사전 확률로 삼는 베이지안 틀을 도입해, 주변 방향 정보와 관성 모멘트를 정규화 항으로 함께 활용하도록 텐서 추정 방식을 설계했습니다. 다양한 잡음 수준의 합성 텐서 자료를 이용한 몬테카를로 모의실험과 사람의 뇌 및 종아리 근육 실측 자료로 정확도와 정밀도를 평가했습니다. 제안한 베이지안 추정은 기존의 단순 텐서 회귀보다 잡음에 강하고 신뢰도가 높아, 보다 안정적인 섬유 경로 재구성에 기여할 수 있습니다.

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