Processing of multi-spectral data by high performance computing and its applications on human nuclear magnetic resonance imaging
Traitement de données multi-spectrales par calcul intensif et applications chez l'homme en imagerie par résonnance magnétique nucléaire
Résumé
As a non-invasive technology for studying brain imaging, functional magnetic resonance imaging (fMRI) has been employed to understand the brain underlying mechanisms of food intake. Using liquid stimuli to fake food intake adds difficulties which are not present in fMRI studies with visual stimuli. This PhD thesis aims to propose a robust method to analyse food stimulated fMRI data. To correct the data from swallowing movements, we have proposed to censure the data uniquely from the measured signal. We have also improved the normalization step of data between subjects to reduce signal loss.The main contribution of this thesis is the implementation of Ward's algorithm without data reduction. Thus, clustering the whole brain in several hours is now feasible. Because Euclidean distance computation is the main part of Ward algorithm, we have developed a cache-aware algorithm to compute the distance between each pair of voxels. Then, we have parallelized this algorithm for three architectures: shared-memory architecture, distributed memory architecture and NVIDIA GPGPU. Once Ward's algorithm has been applied, it is possible to explore multi-scale clustering of data. Several criteria are considered in order to evaluate the quality of clusters. For a given number of clusters, we have proposed to compute connectivity maps between clusters or to compute Pearson correlation coefficient to identify brain regions activated by the stimulation.
L'imagerie par résonance magnétique fonctionnelle (IRMf) étant une technique non invasive pour l'étude de cerveau, elle a été employée pour comprendre les mécanismes cérébraux sous-jacents à la prise alimentaire. Cependant, l'utilisation de stimuli liquides pour simuler la prise alimentaire engendre des difficultés supplémentaires par rapport aux stimulations visuellement habituellement mises en œuvre en IRMf. L'objectif de cette thèse a donc été de proposer une méthode robuste d'analyse des données tenant compte de la spécificité d'une stimulation alimentaire. Pour prendre en compte le mouvement dû à la déglutition, nous proposons une méthode de censure fondée uniquement sur le signal mesuré. Nous avons de plus perfectionné l'étape de normalisation des données afin de réduire la perte de signal. La principale contribution de cette thèse est d'implémenter l'algorithme de Ward de sorte que parcelliser l'ensemble du cerveau soit réalisable en quelques heures et sans avoir à réduire les données au préalable. Comme le calcul de la distance euclidienne entre toutes les paires de signaux des voxels représente une part importante de l'algorithme de Ward, nous proposons un algorithme cache-aware du calcul de la distance ainsi que trois parallélisations sur les architectures suivantes : architecture à mémoire partagée, architecture à mémoire distribuée et GPU NVIDIA. Une fois l'algorithme de Ward exécuté, il est possible d'explorer toutes les échelles de parcellisation. Nous considérons plusieurs critères pour évaluer la qualité de la parcellisation à une échelle donnée. À une échelle donnée, nous proposons soit de calculer des cartes de connectivités entre les parcelles, soit d'identifier les parcelles répondant à la stimulation à l'aide du coefficient de corrélation de Pearson.
Origine : Version validée par le jury (STAR)
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