Learning Compact <inline-formula> <tex-math notation="LaTeX">${q}$ </tex-math> </inline-formula>-Space Representations for Multi-Shell Diffusion-Weighted MRI

球谐函数 离群值 数学 秩(图论) 正交基 代表(政治) 奇异值分解 信号(编程语言) 算法 数学分析 人工智能 计算机科学 物理 组合数学 量子力学 政治 程序设计语言 法学 政治学
作者
Daan Christiaens,Lucilio Cordero‐Grande,Jana Hutter,Anthony N. Price,Maria Deprez,Joseph V. Hajnal,Jacques‐Donald Tournier
出处
期刊:IEEE Transactions on Medical Imaging [Institute of Electrical and Electronics Engineers]
卷期号:38 (3): 834-843 被引量:22
标识
DOI:10.1109/tmi.2018.2873736
摘要

Diffusion-weighted MRI measures the direction and scale of the local diffusion process in every voxel through its spectrum in q-space, typically acquired in one or more shells. Recent developments in microstructure imaging and multi-tissue decomposition have sparked renewed attention in the radial b-value dependence of the signal. Applications in motion correction and outlier rejection therefore require a compact linear signal representation that extends over the radial as well as angular domain. Here, we introduce SHARD, a data-driven representation of the q-space signal based on spherical harmonics and a radial decomposition into orthonormal components. This representation provides a complete, orthogonal signal basis, tailored to the spherical geometry of q-space and calibrated to the data at hand. We demonstrate that the rank-reduced decomposition outperforms model-based alternatives in human brain data, whilst faithfully capturing the micro- and meso-structural information in the signal. Furthermore, we validate the potential of joint radial-spherical as compared to single-shell representations. As such, SHARD is optimally suited for applications that require low-rank signal predictions, such as motion correction and outlier rejection. Finally, we illustrate its application for the latter using outlier robust regression.
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