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Texture Analysis to Detect Cerebral Degeneration in Amyotrophic Lateral Sclerosis

Published online by Cambridge University Press:  20 September 2018

Abdullah Ishaque
Affiliation:
Neuroscience and Mental Health Institute, University of Alberta, Edmonton, Alberta, Canada
Rouzbeh Maani
Affiliation:
Department of Computing Science, University of Alberta, Edmonton, Alberta, Canada
Jerome Satkunam
Affiliation:
Neuroscience and Mental Health Institute, University of Alberta, Edmonton, Alberta, Canada
Peter Seres
Affiliation:
Department of Biomedical Engineering, University of Alberta, Edmonton, Alberta, Canada
Dennell Mah
Affiliation:
Department of Medicine, Neurology, University of Alberta, Edmonton, Alberta, Canada
Alan H. Wilman
Affiliation:
Department of Biomedical Engineering, University of Alberta, Edmonton, Alberta, Canada
Sandeep Naik
Affiliation:
Department of Radiology and Diagnostic Imaging, University of Alberta, Edmonton, Alberta, Canada
Yee-Hong Yang
Affiliation:
Department of Computing Science, University of Alberta, Edmonton, Alberta, Canada
Sanjay Kalra*
Affiliation:
Neuroscience and Mental Health Institute, University of Alberta, Edmonton, Alberta, Canada Department of Computing Science, University of Alberta, Edmonton, Alberta, Canada Department of Biomedical Engineering, University of Alberta, Edmonton, Alberta, Canada Department of Medicine, Neurology, University of Alberta, Edmonton, Alberta, Canada
*
Correspondence to: S. Kalra, 7-132F Clinical Sciences Building, 11350 83 Ave. NW, Edmonton, AB, Canada T6G 2G3. Email: sanjay.kalra@ualberta.ca
Rights & Permissions [Opens in a new window]

Abstract

Background

Evidence of cerebral degeneration is not apparent on routine brain MRI in amyotrophic lateral sclerosis (ALS). Texture analysis can detect change in images based on the statistical properties of voxel intensities. Our objective was to test the utility of texture analysis in detecting cerebral degeneration in ALS. A secondary objective was to determine whether the performance of texture analysis is dependent on image resolution.

Methods

High-resolution (0.5×0.5 mm2 in-plane) coronal T2-weighted MRI of the brain were acquired from 12 patients with ALS and 19 healthy controls on a 4.7 Tesla MRI system. Image data sets at lower resolutions were created by down-sampling to 1×1, 2×2, 3×3, and 4×4 mm2. Texture features were extracted from a slice encompassing the corticospinal tract at the different resolutions and tested for their discriminatory power and correlations with clinical measures. Subjects were also classified by visual assessment by expert reviewers.

Results

Texture features were different between ALS patients and healthy controls at 1×1, 2×2, and 3×3 mm2 resolutions. Texture features correlated with measures of upper motor neuron function and disability. Optimal classification performance was achieved when best-performing texture features were combined with visual assessment at 2×2 mm2 resolution (0.851 area under the curve, 83% sensitivity, 79% specificity).

Conclusions

Texture analysis can detect subtle abnormalities in MRI of ALS patients. The clinical yield of the method is dependent on image resolution. Texture analysis holds promise as a potential source of neuroimaging biomarkers in ALS.

Résumé

Utiliser l’analyse texturale pour détecter la dégénérescence cérébrale induite par la sclérose latérale amyotrophique.Contexte : Des indices de dégénérescence cérébrale ne sont pas manifestes lorsqu’on effectue un test d’imagerie par résonance magnétique (IRM) dans le cas de patients atteints de sclérose latérale amyotrophique (SLA). En se fondant sur les propriétés statistiques de l’intensité des voxels, l’analyse texturale peut permettre de détecter des altérations dans les images ainsi obtenues. Notre principal objectif a donc été de tester l’utilité de l’analyse texturale dans le dépistage d’indices de dégénérescence cérébrale chez des patients atteints de SLA. Un autre objectif, secondaire celui-là, a été de déterminer si l’efficacité de l’analyse structurale était tributaire de la résolution des images. Méthodes : Au moyen d’un système d’IRM Tesla 4.7, des images par coupes coronales du cerveau à haute résolution (résolution spatiale de 0,5 x 0,5 mm2) en pondération T2 ont été obtenues chez 12 patients atteints de SLA et chez 19 individus en santé d’un groupe témoin. Des ensembles de données d’imagerie à des résolutions inférieures ont également été générés à partir d’une technique de sous-échantillonnage à 1 x 1, 2 x 2, 3 x 3 et 4 x 4 mm2. À différentes résolutions, on a ainsi pu extraire des caractéristiques texturales à partir d’une tranche englobant le faisceau cortico-spinal et procédé à des tests évaluant leur capacité discriminante et leur valeur corrélative au moyen d’indicateurs cliniques. Des examinateurs experts ont également classé les sujets à l’étude à la suite d’une évaluation visuelle. Résultats : Les caractéristiques texturales des patients atteints de SLA se sont révélées différentes de celles des individus du groupe témoin pour les résolutions suivantes : 1 x 1, 2 x 2 et 3 x 3 mm2. Nous avons aussi pu établir une corrélation entre les caractéristiques texturales et des indicateurs de fonctionnement et d’incapacité du motoneurone supérieur. Un classement optimal des résultats a été obtenu lorsque les caractéristiques texturales les plus efficaces ont été combinées à une évaluation visuelle utilisant une résolution de 2 x 2 mm2 (aire sous la courbe : 0,851 ; sensibilité de 83 % ; spécificité de 79 %). Conclusions : L’analyse texturale permet de détecter des anomalies subtiles dans le cas d’IRM obtenues chez des patients atteints de SLA. L’efficacité clinique de cette méthode est aussi tributaire de la résolution des images. Dans le cas de la SLA, on peut donc soutenir que l’analyse texturale augure d’un avenir prometteur à titre de source potentielle de biomarqueurs dérivés de la neuro-imagerie.

Information

Type
Original Article
Copyright
Copyright © 2018 The Canadian Journal of Neurological Sciences Inc. 
Figure 0

Figure 1 (A) T2-weighted image in the coronal plane, and (B) the region of interest (in blue) for the texture analysis.

Figure 1

Table 1 Table shows the characteristics of the participants in our study

Figure 2

Table 2 Texture features that were significantly different on T2-weighted MRI between amyotrophic lateral sclerosis patients and healthy controls at different resolutions

Figure 3

Table 3 Significant texture features at 2×2 mm2 resolution

Figure 4

Table 4 Correlations between clinical measures and texture features at different resolutions

Figure 5

Figure 2 The discriminatory ability of texture analysis was dependent on image resolution. Nine of 11 texture features followed a trend with superior classification (highest area under the curve) peaking at 2×2 mm2.

Figure 6

Table 5 Image resolution dependence of the average area under the curve (AUC) of 11 texture features (f2, f7, f8, f9, f10, f11, f12, f17, f18, f21, and f22) that were significant at 2×2 mm2 after correction for multiple comparisons

Supplementary material: File

Ishaque et al. supplementary material

Table S1

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