Clinical Applicability of MRI Texture Analysis

Abstract

Radiologisten kuvien tulkinta on perinteisesti perustunut asiantuntijan näköhavaintoihin. Tietokoneavusteisten menetelmien käyttö lisääntyy radiologisessa diagnostiikassa. Tekstuuria eli kuviorakennetta on käytetty erottelevana ominaisuutena kudoksia luokiteltaessa ja karakterisoitaessa. Kuvan kuviorakenteen ominaisuuksia kuvaavia tekstuuriparametreja voidaan laskea erilaisilla matemaattisilla ja signaalinkäsittelymenetelmillä. Tekstuurianalyysi on antanut lupaavia tuloksia magneettikuvien tarkastelussa. Sen avulla on voitu määrittää sekä pieniä hajanaisia että suurempia paikallisia muutoksia. Menetelmällä on mahdollista havaita ihmissilmälle näkymättömiä sekä näkyviä muutoksia.

Menetelmää tulisi tutkia edelleen, koska kliinisen menetelmän kehittämistä varten tarvitaan lisätietoa sen soveltuvuudesta erilaisille aineistoille sekä analyysimenetelmän eri vaiheiden optimoimisesta. Tämän väitöstutkimuksen tavoite oli selvittää magneettikuvauksen tekstuurianalyysin kliinistä käytettävyyttä eri kannoilta.

Tutkimusaineisto koostui kolmesta potilasmateriaalista ja yhdestä terveiden urheilijoiden joukosta sekä heidän verrokeistaan. Aineisto kerättiin osina Tampereen yliopistollisessa sairaalassa toteutettuja laajempia tutkimusprojekteja, ja mukaan otettiin yhteensä 220 osallistujaa. Ensimmäisessä osatyössä tarkasteltiin pehmytkudoskuvantamista, non-Hodgkin-lymfooman hoitovasteen arviointia tekstuurianalyysilla. Kaksi seuraavaa osatyötä käsitteli keskushermoston kuvantamista: lieviä aivovammoja sekä MS-tautia. Viimeisessä osatyössä arvioitiin liikunnan vaikutusta urheilijoiden ja verrokkien reisiluun kaulan luurakenteeseen. Kudosten ja muutosten vertailuissa oli edustettuna sekä ympäröivästä kudoksesta visuaalisella tarkastelulla erottumattomia että selkeästi erottuvia rakenteita. Lisäksi tutkimuksessa selvitettiin mielenkiintoalueen käsityönä tehtävän rajaamisen ja magneettikuvaussekvenssin valinnan vaikutusta analyysiin.

Yhteenvetona todetaan, että tekstuurimenetelmällä on mahdollista havaita ja karakterisoida tutkimukseen valikoidun aineiston edustamia etiologialtaan erilaisia muutoksia kliinisistä 1.5 Teslan magneettikuvista. Tutkimuksessa käsitellyt yksityiskohdat MRI-kuvasarjojen valinnasta sekä mielenkiintoalueiden piirtämisestä antavat pohjaa kliinisen protokollan kehittämiseen. Osa tutkimusaineistoista oli kokeellisia, ja niiden tulokset tulisi vahvistaa laajemmilla kliinisillä tutkimuksilla.

The usage of computerised methods in radiological image interpretation is becoming more common. Texture analysis has shown promising results as an image analysis method for detecting non-visible and visible lesions, with a number of applications in magnetic resonance imaging (MRI). Although several recent studies have investigated this topic, there remains a need for further analyses incorporating different clinical materials and taking protocol planning for clinical analyses into account. The purpose of this thesis was to determine the clinical applicability of MRI texture analysis from different viewpoints.

This study is based on three patient materials and one collection of healthy athletes and their referents. A total of 220 participants in wider on-going study projects at Tampere University Hospital were included in this thesis. The materials include a study on non-Hodgkin lymphoma, representing soft tissue imaging with malignant disease treatment monitoring; and two studies on central nervous system diseases, mild traumatic brain injury and multiple sclerosis. A musculoskeletal imaging study investigated load-associated physiological changes in healthy participants? bones. Furthermore, manual Region of Interest (ROI) definition methods and the selection of MRI sequences for analyses of visible and non-visible lesions were evaluated.

In summary, this study showed that non-visible lesions and physiological changes as well as visible focal lesions of different aetiologies could be detected and characterised by texture analysis of routine clinical 1.5 T scans. The details of MRI sequence selection and ROI definition in this study may serve as guidelines for the development of clinical protocols. However, these studies are partly experimental and need to be validated with larger sample sizes.