Published May 27, 2024 | Version v1
Publication Open

AI-based model for automatic identification of multiple sclerosis based on enhanced sea-horse optimizer and MRI scans

  • 1. Mansoura University
  • 2. Suez University
  • 3. University of Bisha

Description

Abstract This study aims to develop an AI-enhanced methodology for the expedited and accurate diagnosis of Multiple Sclerosis (MS), a chronic disease affecting the central nervous system leading to progressive impairment. Traditional diagnostic methods are slow and require substantial expertise, underscoring the need for innovative solutions. Our approach involves two phases: initially, extracting features from brain MRI images using first-order histograms, the gray level co-occurrence matrix, and local binary patterns. A unique feature selection technique combining the Sine Cosine Algorithm with the Sea-horse Optimizer is then employed to identify the most significant features. Utilizing the eHealth lab dataset, which includes images from 38 MS patients (mean age 34.1 ± 10.5 years; 17 males, 21 females) and matched healthy controls, our model achieved a remarkable 97.97% detection accuracy using the k-nearest neighbors classifier. Further validation on a larger dataset containing 262 MS cases (199 females, 63 males; mean age 31.26 ± 10.34 years) and 163 healthy individuals (109 females, 54 males; mean age 32.35 ± 10.30 years) demonstrated a 92.94% accuracy for FLAIR images and 91.25% for T2-weighted images with the Random Forest classifier, outperforming existing MS detection methods. These results highlight the potential of the proposed technique as a clinical decision-making tool for the early identification and management of MS.

⚠️ This is an automatic machine translation with an accuracy of 90-95%

Translated Description (Arabic)

الخلاصة تهدف هذه الدراسة إلى تطوير منهجية معززة بالذكاء الاصطناعي للتشخيص السريع والدقيق للتصلب المتعدد (MS)، وهو مرض مزمن يؤثر على الجهاز العصبي المركزي مما يؤدي إلى ضعف تدريجي. طرق التشخيص التقليدية بطيئة وتتطلب خبرة كبيرة، مما يؤكد الحاجة إلى حلول مبتكرة. يتضمن نهجنا مرحلتين: في البداية، استخراج الميزات من صور التصوير بالرنين المغناطيسي للدماغ باستخدام المدرج التكراري من الدرجة الأولى، ومصفوفة الحدوث المشترك للمستوى الرمادي، والأنماط الثنائية المحلية. ثم يتم استخدام تقنية فريدة لاختيار الميزات تجمع بين خوارزمية جيب التمام Sine Cosine Algorithm ومحسن حصان البحر Sea - horse Optimizer لتحديد أهم الميزات. باستخدام مجموعة بيانات مختبر الصحة الإلكترونية، والتي تتضمن صورًا من 38 مريضًا مصابًا بمرض التصلب العصبي المتعدد (متوسط العمر 34.1 ± 10.5 سنوات ؛ 17 ذكرًا، 21 أنثى) وضوابط صحية متطابقة، حقق نموذجنا دقة اكتشاف ملحوظة بنسبة 97.97 ٪ باستخدام مصنف أقرب الجيران. أظهر مزيد من التحقق على مجموعة بيانات أكبر تحتوي على 262 حالة مرض التصلب العصبي المتعدد (199 أنثى، 63 ذكرًا ؛ متوسط العمر 31.26 ± 10.34 سنة) و 163 فردًا سليمًا (109 أنثى، 54 ذكرًا ؛ متوسط العمر 32.35 ± 10.30 سنة) دقة 92.94 ٪ لصور الذوق و 91.25 ٪ لصور T2 المرجحة مع مصنف Random Forest، متفوقة على طرق الكشف عن مرض التصلب العصبي المتعدد الحالية. تسلط هذه النتائج الضوء على إمكانات التقنية المقترحة كأداة لصنع القرار السريري للكشف المبكر عن مرض التصلب العصبي المتعدد وإدارته

Translated Description (French)

Résumé Cette étude vise à développer une méthodologie améliorée par l'IA pour le diagnostic rapide et précis de la sclérose en plaques (SEP), une maladie chronique affectant le système nerveux central conduisant à une déficience progressive. Les méthodes de diagnostic traditionnelles sont lentes et nécessitent une expertise substantielle, ce qui souligne la nécessité de solutions innovantes. Notre approche comprend deux phases : au départ, l'extraction des caractéristiques des images IRM cérébrales à l'aide d'histogrammes de premier ordre, de la matrice de co-occurrence de niveau de gris et de modèles binaires locaux. Une technique unique de sélection de caractéristiques combinant l'algorithme Sine Cosine avec l'optimiseur Sea-horse est ensuite utilisée pour identifier les caractéristiques les plus importantes. En utilisant l'ensemble de données du laboratoire eHealth, qui comprend des images de 38 patients atteints de SEP (âge moyen 34,1 ± 10,5 ans ; 17 hommes, 21 femmes) et des témoins sains appariés, notre modèle a atteint une précision de détection remarquable de 97,97 % en utilisant le classificateur k-plus proches voisins. Une validation supplémentaire sur un ensemble de données plus large contenant 262 cas de SEP (199 femmes, 63 hommes ; âge moyen 31,26 ± 10,34 ans) et 163 individus en bonne santé (109 femmes, 54 hommes ; âge moyen 32,35 ± 10,30 ans) a démontré une précision de 92,94% pour les images FLAIR et 91,25% pour les images pondérées T2 avec le classificateur Random Forest, surpassant les méthodes de détection de la SEP existantes. Ces résultats mettent en évidence le potentiel de la technique proposée en tant qu'outil de prise de décision clinique pour l'identification précoce et la prise en charge de la SEP.

Translated Description (Spanish)

Resumen Este estudio tiene como objetivo desarrollar una metodología mejorada por IA para el diagnóstico expedito y preciso de la esclerosis múltiple (EM), una enfermedad crónica que afecta al sistema nervioso central que conduce a un deterioro progresivo. Los métodos de diagnóstico tradicionales son lentos y requieren una experiencia sustancial, lo que subraya la necesidad de soluciones innovadoras. Nuestro enfoque implica dos fases: inicialmente, extraer características de imágenes de resonancia magnética cerebral utilizando histogramas de primer orden, la matriz de co-ocurrencia de nivel de grises y patrones binarios locales. A continuación, se emplea una técnica de selección de características única que combina el algoritmo Sine Cosine con el Sea-horse Optimizer para identificar las características más significativas. Utilizando el conjunto de datos de laboratorio de eHealth, que incluye imágenes de 38 pacientes con EM (edad media de 34.1 ± 10.5 años; 17 hombres, 21 mujeres) y controles sanos emparejados, nuestro modelo logró una notable precisión de detección del 97.97% utilizando el clasificador k-vecinos más cercanos. La validación adicional en un conjunto de datos más grande que contenía 262 casos de EM (199 mujeres, 63 hombres; edad media 31.26 ± 10.34 años) y 163 individuos sanos (109 mujeres, 54 hombres; edad media 32.35 ± 10.30 años) demostró una precisión del 92.94% para las imágenes FLAIR y 91.25% para las imágenes ponderadas en T2 con el clasificador Random Forest, superando los métodos de detección de EM existentes. Estos resultados ponen de manifiesto el potencial de la técnica propuesta como herramienta de toma de decisiones clínicas para la identificación y el tratamiento precoz de la EM.

Files

s41598-024-61876-9.pdf.pdf

Files (3.7 MB)

⚠️ Please wait a few minutes before your translated files are ready ⚠️ Note: Some files might be protected thus translations might not work.
Name Size Download all
md5:9eca8e1e907c9924be8fdb05cbe436ba
3.7 MB
Preview Download

Additional details

Additional titles

Translated title (Arabic)
نموذج قائم على الذكاء الاصطناعي للتعرف التلقائي على التصلب المتعدد بناءً على محسن حصان البحر المحسن ومسح التصوير بالرنين المغناطيسي
Translated title (French)
Modèle basé sur l'IA pour l'identification automatique de la sclérose en plaques basé sur un optimiseur amélioré pour les chevaux de mer et des IRM
Translated title (Spanish)
Modelo basado en IA para la identificación automática de la esclerosis múltiple basado en un optimizador mejorado de caballitos de mar y exploraciones de resonancia magnética

Identifiers

Other
https://openalex.org/W4399044441
DOI
10.1038/s41598-024-61876-9

GreSIS Basics Section

Is Global South Knowledge
Yes
Country
Egypt

References

  • https://openalex.org/W1475705016
  • https://openalex.org/W1790909941
  • https://openalex.org/W2012637054
  • https://openalex.org/W2044465660
  • https://openalex.org/W2102848905
  • https://openalex.org/W2105490558
  • https://openalex.org/W2109178466
  • https://openalex.org/W2163352848
  • https://openalex.org/W2164282396
  • https://openalex.org/W2185967267
  • https://openalex.org/W2232317135
  • https://openalex.org/W2403729827
  • https://openalex.org/W2509876630
  • https://openalex.org/W2517600007
  • https://openalex.org/W2522873238
  • https://openalex.org/W2553647727
  • https://openalex.org/W2620710966
  • https://openalex.org/W2733399200
  • https://openalex.org/W2747530650
  • https://openalex.org/W2777074421
  • https://openalex.org/W2796089230
  • https://openalex.org/W2888558348
  • https://openalex.org/W2889392446
  • https://openalex.org/W2900258301
  • https://openalex.org/W2911408542
  • https://openalex.org/W2914938768
  • https://openalex.org/W2919979744
  • https://openalex.org/W2922130842
  • https://openalex.org/W2944519781
  • https://openalex.org/W2944811442
  • https://openalex.org/W2948647551
  • https://openalex.org/W3014974411
  • https://openalex.org/W3015565410
  • https://openalex.org/W3016598598
  • https://openalex.org/W3035016310
  • https://openalex.org/W3043299135
  • https://openalex.org/W3081159689
  • https://openalex.org/W3089460656
  • https://openalex.org/W3099273656
  • https://openalex.org/W3116059504
  • https://openalex.org/W3131957723
  • https://openalex.org/W3135835853
  • https://openalex.org/W3154719286
  • https://openalex.org/W3162335705
  • https://openalex.org/W3169502702
  • https://openalex.org/W3169902780
  • https://openalex.org/W3199974879
  • https://openalex.org/W3201286664
  • https://openalex.org/W3203684248
  • https://openalex.org/W3208780008
  • https://openalex.org/W375705258
  • https://openalex.org/W4200527418
  • https://openalex.org/W4206081481
  • https://openalex.org/W4225884645
  • https://openalex.org/W4280619560
  • https://openalex.org/W4295409151
  • https://openalex.org/W4320487090
  • https://openalex.org/W4321116761
  • https://openalex.org/W4321787095
  • https://openalex.org/W4365999263
  • https://openalex.org/W4379364930
  • https://openalex.org/W4381194299
  • https://openalex.org/W4386295742
  • https://openalex.org/W4386615281