TractLearn: comparison with the generalized linear model for optic pathways exploration
TractLearn : comparaison au modèle linéaire généralisé pour l’exploration des voies visuelles antérieures
Abstract
TractLearn was recently proposed for Diffusion-weighted MRI quantitative analyses, based on Riemannian distances between anatomical structures. It allows to detect joint quantitative variations in a group of voxels, thus in theory to decrease the number of false negative in comparison with the General Linear Model (GLM). TractLearn also takes advantage of a manifold approach to capture controls variability as standard reference. Here we aim at comparing the performance of TractLearn with the GLM in detecting optic nerve voxel alteration, using the presence of visual impairment as clinical reference. The second objective is to test whether TractLearn does require a statistical correction for multiple comparison, usually recommended in the case of individual voxel testing in Neurosciences. As TractLearn relies on a global test on a collection of voxels, applying such correction can lead to false negatives in patients with optic neuropathy. We illustrate the potential added value of this method on a case-controlled study including healthy population of single-shell diffusion MRI data, as compared with patients referred for unilateral optic neuropathy. Our contributions are to show that: 1/ TractLearn outperforms the General Linear Model in voxelwise analysis of Diffusion-weighted MRI metrics by increasing the diagnostic sensitivity. 2/ Application of statistical correction for multiple comparison in this work severely limit the number of clinically-relevant detected lesions.
L’analyse statistique des données d’IRM se fonde le plus souvent sur le modèle linéaire généralisé (GLM), qui repose sur l’usage d’une référence Euclidienne commune à tous les sujets d’étude pour la détection d’anomalies. Une limite de cette approche est le risque de générer à la fois des faux-positifs en cas de variant anatomique ou d’artéfacts à l’acquisition et des faux négatifs par manque de sensibilité. TractLearn a récemment été proposé comme une alternative basée sur du machine learning non supervisé où l’on applique un algorithme de réduction de dimensions appelé UMAP, puis dans un second temps, on génère des sujets synthétiques pour redéfinir les normes de référence. Les distances Riemanniennes calculées dans « l’espace manifold » sont mises à profit pour la détection de variations statistiques entre des groupes de voxels et pourrait permettre de dépasser les limites du GLM. Cependant, l’absence de Gold standard rendait impossible une comparaison fiable entre ce nouvel outil diagnostic et le GLM lors de notre précédente étude sur l’encéphale. L’application de TractLearn aux voies visuelles antérieures pourrait servir de preuve de concept, les lésions décelées au sein du nerf optique ayant une traduction en termes de signe clinique relativement univoque. Dans cette étude nous cherchons à comparer la capacité de détection d’anomalie des nerfs optiques entre le GLM et TractLearn chez des sujets adressés pour neuropathie optique démyélinisante (NORB) ou ischémique (NOIA). Un objectif secondaire est d’évaluer la nécessité d’une correction pour les comparaisons multiples type Bonferroni et False Discovery Rate (FDR) pour les analyses conduites avec TractLearn. Nous avons scanné 24 sujets sains, 9 sujets adressés pour NORB et 12 sujets pour NOIA avec une machine IRM 3T Philips Ingenia. Les données de diffusion (b=1000 s/mm2, 60 directions) ont été traitées avec le logiciel MRtrix selon la méthode Single-Shell 3 tissues en déconvolution sphérique contrainte. Après une étape de recalage sur un template commun, nous avons calculé 4 métriques quantitatives (FA, AFD, TW-FA et TW-FOD). Nous avons ensuite appliqué aux données une analyse via TractLearn et via le GLM. Pour finir, nous avons comparé les résultats obtenus avec une correction par Bonferroni, FDR et l’absence de correction pour comparaisons multiples. Résultats : La sensibilité de TractLearn pour détecter des anomalies quantitatives oscille de 44% (FA et TW-FA) à 100% (AFD) pour les patients atteints de NORB et de 66% (FA et TWI-FOD) à 75% (AFD et TWI-FA) pour les patients atteints de neuropathie ischémique. Elle est supérieure à celle du GLM pour tous les marqueurs et les deux processus pathologiques. TractLearn permet de détecter des anomalies dans les nerfs controlatéraux, non atteints cliniquement, avec des incidences comprises entre de 22 et 77%. TractLearn a permis d’identifier plus de voxels anormaux dans les nerfs lésés que le GLM (p<0,01). La correction pour comparaisons multiples fait disparaître toutes les lésions quantitatives sauf pour 3 patients pour le FDR et 2 cas pour le Bonferroni. Conclusion: TractLearn est une méthode plus sensible que le GLM pour identifier des voxels anormaux en cas de neuropathie optique, ne nécessitant en outre pas de correction statistique pour les comparaisons multiples, puisque les voxels sont analysés de façon globale dans une structure anatomique plutôt que de façon indépendante.
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