Differentiation of white matter histopathology using b-tensor encoding and machine learning
Creators
- 1. Universidad Nacional Autónoma de México
- 2. Mathematics Research Center
Description
Abstract Diffusion-Weighted Magnetic Resonance Imaging (DW-MRI) is a non-invasive technique that is sensitive to microstructural geometry in neural tissue and is useful for the detection of neuropathology in research and clinical settings. Tensor valued diffusion encoding schemes (b-tensor) have been developed to enrich the microstructural data that can be obtained through DW-MRI. These advanced methods have proven to be more specific to microstructural properties than conventional DW-MRI acquisitions. Additionally, machine learning methods are particularly useful for the study of multidimensional data sets. In this work, we have tested the reach of b-tensor encoding data analyses with machine learning in different histopathological scenarios. We achieved this in three steps: 1) We induced different forms of white matter damage in rodent optic nerves. 2) We obtained ex-vivo DW-MRI with b-tensor encoding schemes and calculated quantitative metrics using Q-space Trajectory Imaging. 3) We used a machine learning model to identify the main contributing features and built a voxel-wise probabilistic classification map of histological damage. Our results show that this model is sensitive to characteristics of microstructural damage. In conclusion, b-tensor encoded DW-MRI analyzed with machine learning methods, have the potential to be further developed for the detection of histopathology and neurodegeneration.
Translated Descriptions
Translated Description (Arabic)
التصوير بالرنين المغناطيسي المرجح بالانتشار التجريدي (DW - MRI) هو تقنية غير جراحية حساسة للهندسة الهيكلية الدقيقة في الأنسجة العصبية ومفيدة للكشف عن الأمراض العصبية في البحث والإعدادات السريرية. تم تطوير مخططات ترميز نشر قيمة الموتر (b - tensor) لإثراء البيانات الهيكلية الدقيقة التي يمكن الحصول عليها من خلال DW - MRI. أثبتت هذه الأساليب المتقدمة أنها أكثر تحديدًا للخصائص الهيكلية الدقيقة من عمليات الاستحواذ التقليدية على DW - MRI. بالإضافة إلى ذلك، تعد طرق التعلم الآلي مفيدة بشكل خاص لدراسة مجموعات البيانات متعددة الأبعاد. في هذا العمل، اختبرنا مدى وصول تحليلات بيانات ترميز الموتر b مع التعلم الآلي في السيناريوهات النسيجية المرضية المختلفة. لقد حققنا ذلك في ثلاث خطوات: 1) تسببنا في أشكال مختلفة من تلف المادة البيضاء في الأعصاب البصرية للقوارض. 2) حصلنا على تصوير DW - MRI خارج الجسم الحي مع مخططات ترميز b - tensor والمقاييس الكمية المحسوبة باستخدام Q - space Trajectory Imaging. 3) استخدمنا نموذجًا للتعلم الآلي لتحديد السمات الرئيسية المساهمة وقمنا ببناء خريطة تصنيف احتمالية حكيمة للضرر النسيجي. تظهر نتائجنا أن هذا النموذج حساس لخصائص الضرر الهيكلي الدقيق. في الختام، فإن جهاز التصوير بالرنين المغناطيسي DW - MRI المشفر بـ b والذي تم تحليله باستخدام طرق التعلم الآلي، لديه القدرة على تطويره بشكل أكبر للكشف عن أمراض الأنسجة والتنكس العصبي.Translated Description (French)
L'imagerie par résonance magnétique pondérée par diffusion abstraite (IRM-DW) est une technique non invasive qui est sensible à la géométrie microstructurale dans les tissus neuronaux et qui est utile pour la détection de la neuropathologie dans la recherche et les milieux cliniques. Des schémas de codage par diffusion à valeur de tenseur (tenseur b) ont été développés pour enrichir les données microstructurales pouvant être obtenues par IRM-DW. Ces méthodes avancées se sont avérées plus spécifiques aux propriétés microstructurales que les acquisitions conventionnelles par IRM-DW. De plus, les méthodes d'apprentissage automatique sont particulièrement utiles pour l'étude d'ensembles de données multidimensionnels. Dans ce travail, nous avons testé la portée des analyses de données de codage du tenseur b avec l'apprentissage automatique dans différents scénarios histopathologiques. Nous y sommes parvenus en trois étapes : 1) Nous avons induit différentes formes de lésions de la substance blanche dans les nerfs optiques des rongeurs. 2) Nous avons obtenu une IRM-DW ex vivo avec des schémas de codage du tenseur b et des métriques quantitatives calculées à l'aide de l'imagerie de trajectoire Q-space. 3) Nous avons utilisé un modèle d'apprentissage automatique pour identifier les principales caractéristiques contributives et avons construit une carte de classification probabiliste des dommages histologiques en fonction du voxel. Nos résultats montrent que ce modèle est sensible aux caractéristiques des dommages microstructuraux. En conclusion, l'IRM-DW codée par un tenseur b, analysée avec des méthodes d'apprentissage automatique, a le potentiel d'être développée davantage pour la détection de l'histopathologie et de la neurodégénérescence.Translated Description (Spanish)
La resonancia magnética ponderada por difusión (DW-MRI) es una técnica no invasiva que es sensible a la geometría microestructural en el tejido neural y es útil para la detección de neuropatología en entornos de investigación y clínicos. Se han desarrollado esquemas de codificación de difusión valorados por Tensor (b-tensor) para enriquecer los datos microestructurales que se pueden obtener a través de DW-MRI. Estos métodos avanzados han demostrado ser más específicos para las propiedades microestructurales que las adquisiciones convencionales de DW-MRI. Además, los métodos de aprendizaje automático son particularmente útiles para el estudio de conjuntos de datos multidimensionales. En este trabajo, hemos probado el alcance de los análisis de datos de codificación b-tensor con aprendizaje automático en diferentes escenarios histopatológicos. Logramos esto en tres pasos: 1) Indujimos diferentes formas de daño de la sustancia blanca en los nervios ópticos de los roedores. 2) Obtuvimos DW-MRI ex vivo con esquemas de codificación de b-tensor y calculamos métricas cuantitativas utilizando imágenes de trayectoria de espacio Q. 3) Utilizamos un modelo de aprendizaje automático para identificar las principales características que contribuyen y construimos un mapa de clasificación probabilística de vóxel de daño histológico. Nuestros resultados muestran que este modelo es sensible a las características del daño microestructural. En conclusión, la DW-MRI codificada por b-tensor analizada con métodos de aprendizaje automático tiene el potencial de desarrollarse aún más para la detección de histopatología y neurodegeneración.Files
2023.02.17.529024.full.pdf.pdf
Files
(2.3 MB)
| Name | Size | Download all |
|---|---|---|
|
md5:c0a978fb1baf9d3cb5ee33aeaf37f79c
|
2.3 MB | Preview Download |
Additional details
Additional titles
- Translated title (Arabic)
- تمايز علم أمراض الأنسجة للمادة البيضاء باستخدام ترميز الموتر b والتعلم الآلي
- Translated title (French)
- Différenciation de l'histopathologie de la substance blanche à l'aide de l'encodage du tenseur b et de l'apprentissage automatique
- Translated title (Spanish)
- Diferenciación de la histopatología de la materia blanca utilizando la codificación b-tensor y el aprendizaje automático
Identifiers
- Other
- https://openalex.org/W4321326030
- DOI
- 10.1101/2023.02.17.529024
References
- https://openalex.org/W1821725364
- https://openalex.org/W1994972002
- https://openalex.org/W2022530159
- https://openalex.org/W2064062460
- https://openalex.org/W2067267561
- https://openalex.org/W2087464034
- https://openalex.org/W2093619144
- https://openalex.org/W2129841144
- https://openalex.org/W2166572577
- https://openalex.org/W2167279371
- https://openalex.org/W2275837766
- https://openalex.org/W2508982726
- https://openalex.org/W2566713214
- https://openalex.org/W2778169119
- https://openalex.org/W2885262064
- https://openalex.org/W2911964244
- https://openalex.org/W2914151288
- https://openalex.org/W2919115771
- https://openalex.org/W2950990733
- https://openalex.org/W2951032685
- https://openalex.org/W2954728011
- https://openalex.org/W2963655134
- https://openalex.org/W2964012060
- https://openalex.org/W2964279578
- https://openalex.org/W2970898057
- https://openalex.org/W3004510674
- https://openalex.org/W3008789792
- https://openalex.org/W3010073879
- https://openalex.org/W3092184067
- https://openalex.org/W3102222242
- https://openalex.org/W3102476541
- https://openalex.org/W3109964950
- https://openalex.org/W3132418788
- https://openalex.org/W3164407023
- https://openalex.org/W4205278067
- https://openalex.org/W4211208395
- https://openalex.org/W4211245039
- https://openalex.org/W4229377226
- https://openalex.org/W4281823709