Microstructural Brain Damage in Patients with SLE: An Analysis using Automated Segmentation of Nerve Tracts from Diffusion MRI

Abstract

Systemic Lupus Erythematosus, SLE, is a disease with a large variation of symptoms. Some patients have neuropsychiatric symptoms, such as cognitive dysfunction and epilepsy. The classification of patients into NPSLE, with neuropsychiatric symptoms, and non-NPSLE, without these symptoms, is uncertain. Studying the white matter microstructure of SLE patients and comparing this with healthy controls can lead to better understanding of the disease and the neuropsychiatric symptoms. White matter microstructure can be characterized by the use of diffusion MRI. This imaging technique also enables segmentation of the brain into different nerve tracts.

The data set used in this thesis consisted of 63 SLE patients and 20 healthy controls. Previous analysis on this data set was limited to three nerve tracts because of time-consuming manual work of the segmentation. The aim of this thesis was to extend the analysis of the white matter microstructure to include all the major nerve tracts of the brain and by that, enable group-comparisons of the whole brain. This was done by implementing the methods into a pipeline where no manual work was required. Group comparison based on the extracted values was done between healthy controls and SLE patients and between the two classifications of the disease.

Significant differences of the microstructure were found when comparing SLE patients with healthy controls. In the comparison between the subgroups of SLE, with and without neuropsychiatric symptoms, the difference was not significant. This emphasizes the theory of the brain being affected in all SLE patients, and not only the ones having neuropsychiatric symptoms. The conclusion of this thesis is that the use of automated methods for extracting values of the white matter microstructure is a time-effective approach on analysis of large data sets, but it requires extensive quality control of each step.

Popular Abstract (Swedish)

Vattenmolekylers rörelse: ett mått på små förändringar i hjärnan

Visste du att bättre förståelse för nätverket av nervtrådar i hjärnan kan uppnås genom att mäta vattenmolekylernas rörelse? I denna studie användes detta för att undersöka om det finns förändringar i hjärnan hos personer med den autoimmuna sjukdomen SLE.

Hur kan vattenmolekylers rörelse användas för att förstå hjärnans uppbyggnad? Föreställ dig ett glas fyllt med vatten. Det ser ut som att vattnet är alldeles stilla men om du studerar molekylerna på riktigt nära håll kan du se att det inte stämmer. Vattenmolekylerna rör i istället slumpmässigt. Detta kallas för diffusion. Om ett sugrör placeras i glaset förändras förutsättningarna för molekylerna. De kan inte längre röra sig över sugrörets vägg men kan röra sig i och utanför sugröret. Rörelsen sker därför huvudsakligen längs med sugröret. Nervtrådarna i hjärnan kan liknas vid små sugrör och det är med denna princip som det är möjligt att avbilda nerverna i hjärnan.

Vattenmolekylernas rörelse, deras diffusion, kan mätas med hjälp av en magnetkamera. Riktningen hos vattenmolekylerna avslöjar var nervtrådarna i hjärnan går. Det kan därmed skapas en bild med nätverket av nervtrådar i hjärnan. Eftersom det är små strukturer som avbildas är det en bra teknik att använda om inga förändringar kan ses med vanliga bildundersökningar av hjärnan.

Systemisk Lupus Erythematosus, SLE, är en autoimmun sjukdom som påverkar många olika vävnader i kroppen. Vissa personer med SLE drabbas av symptom som kan kopplas till hjärnan. Det kan vara koncentrationssvårigheter, huvudvärk, epilepsi och ångest. Hur kommer det sig att vissa personer med SLE drabbas av dessa symptom när det inte går att se några förändringar i hjärnan? För att söka svar på detta jämfördes hjärnan hos 63 personer med SLE med 20 friska individer i denna studie. Jämförelsen baserades på vattenmolekylernas diffusion.

Att analysera informationen om vattenmolekylernas rörelse kan vara väldigt tidskrävande. Tidigare jämförelser mellan patienter och friska har därför begränsats till att bara innehålla en del av hjärnan. Med hjälp av metoder baserat på maskininlärning i denna studie minskade tiden som krävdes för analys. Hela hjärnan kunde därför tas med i jämförelsen. Den nya metoden visade att det finns förändringar nervbanorna i större delar av hjärnan hos personer med SLE.

Denna studie visar på att det går att identifiera små förändringar i hjärnan hos personer med SLE. Metoden som användes sparar tid och gör att hela hjärnan kan analyseras. Användningsområdet för denna teknik går att utökas. Samma teknik kan användas för att studera små förändringar i hjärnan hos personer med andra sjukdomar vilket kan leda till bättre förståelse av sjukdomars påverkan på hjärnan.

• author: Wikström, Anna
• supervisor: Markus Nilsson
• organization: Department of Biomedical Engineering
• course: BMEM01 20201
• year: 2020
• type: H2 - Master's Degree (Two Years)
• subject: Technology and Engineering
• language: English
• additional info: 2020-07
• id: 9023456
• date added to LUP: 2020-06-30 13:41:53
• date last changed: 2020-06-30 13:41:53