The goal of diffusion-weighted magnetic resonance imaging (DWI) is to infer the structural connectivity of an individual subject's brain in vivo. To statistically study the variability and differences between normal and abnormal brain connectomes, a mathematical model of the neural connections is required. In this paper, we represent the brain connectome as a Riemannian manifold, which allows us to model neural connections as geodesics. This leads to the challenging problem of estimating a Riemannian metric that is compatible with the DWI data, i.e., a metric such that the geodesic curves represent individual fiber tracts of the connectomics. We reduce this problem to that of solving a highly nonlinear set of partial differential equations (PDEs) and study the applicability of convolutional encoder-decoder neural networks (CEDNNs) for solving this geometrically motivated PDE. Our method achieves excellent performance in the alignment of geodesics with white matter pathways and tackles a long-standing issue in previous geodesic tractography methods: the inability to recover crossing fibers with high fidelity.


翻译:扩散加权磁共振成像(DWI)的目标是推断个体主体大脑在体内的结构连接性。要从统计学上研究正常和异常大脑连接体之间的变异性和差异,就需要有一种神经连接的数学模型。在本文中,我们将大脑连接体作为里格曼式的多元体代表,这使我们能够模拟作为大地测量学模型的神经连接。这导致一个具有挑战性的问题,即估算一个与DWI数据兼容的里曼尼度量度,即测深曲线代表连接体的单个纤维块。我们将此问题降低到解决高度非线性部分差异方程式的问题,并研究进化电离分解神经网络(CEDNN)在解决这一具有几何动机的PDE方面是否适用。我们的方法在使大地测量学与白物质路径相匹配并处理以前的大地测量学方法中长期存在的问题方面表现极好:无法用高真实性恢复纤维。</s>

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