Differentiation of relapsing-remitting and secondary progressive multiple sclerosis: a magnetic resonance spectroscopy study based on machine learning / Diferenciação de esclerose múltipla recorrente-remitente e progressiva secundária: um estudo de ressonância magnética com espectroscopia baseado em aprendizado de máquina

ABSTRACT Introduction: Magnetic resonance imaging (MRI) is the most important tool for diagnosis and follow-up in multiple sclerosis (MS). The discrimination of relapsing-remitting MS (RRMS) from secondary progressive MS (SPMS) is clinically difficult, and developing the proposal presented in this study would contribute to the process. Objective: This study aimed to ensure the automatic classification of healthy controls, RRMS, and SPMS by using MR spectroscopy and machine learning methods. Methods: MR spectroscopy (MRS) was performed on a total of 91 participants, distributed into healthy controls (n=30), RRMS (n=36), and SPMS (n=25). Firstly, MRS metabolites were identified using signal processing techniques. Secondly, feature extraction was performed based on MRS Spectra. N-acetylaspartate (NAA) was the most significant metabolite in differentiating MS types. Lastly, binary classifications (healthy controls-RRMS and RRMS-SPMS) were carried out according to features obtained by the Support Vector Machine algorithm. Results: RRMS cases were differentiated from healthy controls with 85% accuracy, 90.91% sensitivity, and 77.78% specificity. RRMS and SPMS were classified with 83.33% accuracy, 81.81% sensitivity, and 85.71% specificity. Conclusions: A combined analysis of MRS and computer-aided diagnosis may be useful as a complementary imaging technique to determine MS types.

RESUMO Introdução: A ressonância magnética é a ferramenta mais importante para o diagnóstico e acompanhamento na EM. A transição da EM recorrente-remitente (EMRR) para a EM progressiva secundária (EMPS) é clinicamente difícil e seria importante desenvolver a proposta apresentada neste estudo a fim de contribuir com o processo. Objetivo: o objetivo deste estudo foi garantir a classificação automática de grupo controle saudável, EMRR e EMPS usando a RM com espectroscopia e métodos de aprendizado de máquina. Métodos: Os exames de RM com espectroscopia foram realizados em um total de 91 amostras com grupo controle saudável (n=30), EMRR (n=36) e EMPS (n=25). Em primeiro lugar, os metabólitos da RM com espectroscopia foram identificados usando técnicas de processamento de sinal. Em segundo lugar, a extração de recursos foi realizada a partir do MRS Spectra. O NAA foi determinado como o metabólito mais significativo na diferenciação dos tipos de MS. Por fim, as classificações binárias (Healthy Control Group-RRMS e RRMS-SPMS) foram realizadas de acordo com as características obtidas por meio do algoritmo Support Vector Machine. Resultados: Os casos de EMRR e do grupo de controle saudável foram diferenciados entre si com 85% de acerto, 90,91% de sensibilidade e 77,78% de especificidade, respectivamente. A EMRR e a EMPS foram classificadas com 83,33% de acurácia, 81,81% de sensibilidade e 85,71% de especificidade, respectivamente. Conclusões: Uma análise combinada de RM com espectroscopia e abordagem de diagnóstico auxiliado por computador pode ser útil como uma técnica de imagem complementar na determinação dos tipos de EM.

Improving acute demyelinating lesion detection: which T1-weighted magnetic resonance acquisition is more sensitive to gadolinium enhancement? / Aumento da detecção das placas desmielinizantes agudas: qual aquisição de ressonância magnética ponderada em T1 é a mais sensível em demonstrar impregnação pelo gadolínio?

ABSTRACT Because of the need for a standardized and accurate method for detecting multiple sclerosis (MS) inflammatory activity, different magnetic resonance (MR) acquisitions should be compared in order to choose the most sensitive sequence for clinical routine. Objective To compare the sensitivity of a T1-weighted image to a single dose of gadolinium (Gd) administration both with and without magnetization transfer to detect contrast enhancement in active demyelinating focal lesions. Methods A sample of relapsing-remitting MS patients were prospectively examined separately by two neuroradiologists using a 1.5 Tesla scanner. The outcome parameters were focused on Gd-enhancement detection attributed to acute demyelination. All MR examinations with at least one Gd-enhancing lesion were considered positive (MR+) and each lesion was analyzed according to its size and contrast ratio. Results Thirty-six MR examinations were analyzed with a high inter-observer agreement for MR+ detection (k coefficient > 0.8), which was excellent for the number of Gd-enhancing lesions (0.91 T1 spin-echo (SE), 0.88 T1 magnetization transfer contrast (MTC) sequence and 0.99 magnetization-prepared rapid acquisition with gradient-echo (MPRAGE). Significantly more MR+ were reported on the T1 MTC scans, followed by the T1 SE, and MPRAGE scans. Confidently, the T1 MTC sequence demonstrated higher accuracy in the detection of Gd-enhancing lesions, followed by the T1 SE and MPRAGE sequences. Further comparisons showed that there was a statistically significant increase in the contrast ratio and area of Gd-enhancement on the T1 MTC images when compared with both the SE and MPRAGE images. Conclusion Single-dose Gd T1 MTC sequence was confirmed to be the most sensitive acquisition for predicting inflammatory active lesions using a 1.5 T magnet in this sample of MS patients.

RESUMO No que se refere à necessidade de um método preciso e padronizado para a detecção de atividade inflamatória em esclerose múltipla (EM), diferentes aquisições de RM devem ser comparadas com objetivo de escolher a sequência mais sensível para a rotina clínica. Objetivo Comparar a sensibilidade das sequências ponderadas em T1 após a administração endovenosa de uma única dose de gadolínio, com e sem a adição da transferência de magnetização, para detectar a impregnação das lesões desmielinizantes focais agudas. Métodos Uma amostra de pacientes com EM-RR foi prospectivamente avaliada separadamente por dois neurorradiologistas em um equipamento de RM de 1,5 Tesla. Os parâmetros de desfecho foram direcionados para a avaliação da detecção de impregnação pelo Gd atribuída à desmielinização aguda. Todos os exames de RM que demonstraram ao menos uma lesão com impregnação pelo Gd foram considerados positivos (RM+) e cada lesão foi analisada de acordo com suas dimensões e contraste. Resultados Trinta e seis exames de RM foram analisados. Os avaliadores demonstraram elevada concordância para a detecção de RM+ (coeficiente> 0,8), sendo excelente quanto ao número de lesões com impregnação pelo Gd (0,91 SE, 0,88 T1 MTC e 0,99 MPRAGE). A sequência T1 MTC apresentou número significativamente maior de RM+, seguida pelas sequências T1 SE e MPRAGE. De forma análoga, a sequência T1 MTC demonstrou maior acurácia na detecção de lesões com impregnação pelo Gd, seguida pelas sequências T1 SE e MPRAGE. As demais comparações demonstraram aumento estatisticamente significativo na relação de contraste e na área de impregnação pelo Gd nas imagens T1 MTC quando comparadas às imagens SE e MPRAGE. Conclusão A sequência T1 MTC com uma única dose de Gd confirmou ser a sequência mais sensível em demonstrar lesões inflamatórias agudas em equipamento de 1,5 T nessa coorte de pacientes com EM.